基于電力載波與微功率無線通信雙網融合智能采集通訊方案的研究與應用

【摘要】通信技術是電能表遠抄采集系統(tǒng)的關鍵，現(xiàn)場安裝情況十分復雜，單靠一種通信方式無法滿足各種環(huán)境下的抄表應用，實地因地制宜，采用將微功率無線通信方式和電力載波通信雙網融合的設計思路及實施方案，實現(xiàn)“全采集，全覆蓋”的效果。以河北邯鄲本地集抄現(xiàn)狀為例，闡述方案的應用效果及應用領域。

【關鍵詞】微功率無線；載波通信；雙網融合；電能表采集系統(tǒng)

1.前言

國家電網公司堅強智能電網建設的總體要求，保證智能電網建設規(guī)范有序推進，實現(xiàn)電力用戶用電信息采集系統(tǒng)建設“全覆蓋、全采集、全預付費”。低壓居民戶表抄讀覆蓋范圍最廣，用戶量最大，是目標實現(xiàn)的重點。

低壓抄表系統(tǒng)按照抄表通信方式分有兩類：有線和無線，主要方案有：RS485抄表系統(tǒng)，低壓電力線載波抄表系統(tǒng)，無線抄表系統(tǒng)，混合抄表系統(tǒng)，塑料光纖抄表系統(tǒng)。這兩大類抄表系統(tǒng)有其各自的優(yōu)勢和適用領域。目前，河北南網大力推廣智能采集系統(tǒng)，集抄多采用電力線載波方式。電力線載波集抄在運行過程中有許多不足：低壓配網環(huán)境復雜，如帶有變頻設備的臺區(qū)，對電力線載波運行環(huán)境帶來較大的干擾，難以保證抄表的穩(wěn)定性；對于多臺變供電的用電環(huán)境，由于載波串擾，不宜實施載波抄收方案；載波傳輸距離有限，需要通過中繼方式保證抄表覆蓋范圍，對于農村、城鄉(xiāng)結合部等高密度住宅不能做到全覆蓋；低壓電力線窄帶載波速度低，實時性差，無法滿足遠程預付費、遠程拉合閘的需求。微功率無線抄表方式，由于無線信號受到障礙物阻擋，通信距離的影響，信號具有不穩(wěn)定性，且其通信頻率使用的是免費公用頻段，突發(fā)的干擾信號不能避免，抗干擾設計也是這種工作方式的難點之一。

為解決這些問題，提出基于電力載波與微功率無線通信雙網融合智能采集通訊方案，就是將二者緊密結合起來，微功率無線通信為主，載波通信為輔，兩者相互協(xié)調，互為備用，優(yōu)勢互補，構成雙通道，可以有效解決本地通信遇到的問題，提高抄表成功率。

2.雙網融合通信技術方案的原理及創(chuàng)新點

2.1 方案設計

該系統(tǒng)組網原理采用如下兩種方式：

第一種方案（如圖1所示）結合邯鄲臺區(qū)特點，權衡各種方案形式利弊，從科學經濟性能等方面分析，采用三層結構設計，在本地費控和量控電表端以485線彼此連接，按計量表箱為單位安裝采集器，集中器端需加裝專用的下行模塊。后續(xù)調試過程也很方便，需用android系統(tǒng)的手機或者pad通過TG的小型轉接模塊就可以進行。

方案原理說明：

（1）以電表+采集器+集中器三層方式進行抄表作業(yè)，電表模塊繼續(xù)使用原有的電力載波模塊；對之前的載波現(xiàn)場不做任何改動。

（2）增加采集器，配TG微功率無線通信模塊，與電表間通過485線連接（一塊采集器可連接32塊電表）；

（3）增加一個集中器（配TG微功率集中器通信模塊）作為主抄，與原使用電力載波模塊的集中器用485線連接。這樣抄表系統(tǒng)以微功率無線通信為主，以電力載波通信方式為補充。

第二種方案（如圖2所示）將微功率無線通信與載波通信相結合，通道合二為一，互相結合利用，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。

方案原理說明：

（1）以電表+采集器+集中器三層方式進行抄表作業(yè)，之前的電力載波通信作為技術備用，方案的載波通信通過采集器與集中器之間通信實現(xiàn)。

（2）增加采集器，配備方案專用模塊，與電表間通過485線連接（一塊采集器可連接32塊電表）；

（3）更換臺區(qū)集中器（配TG微功率集中器通信模塊）作為主抄，與原使用電力載波模塊的集中器用485線連接。這樣抄表系統(tǒng)以微功率無線以及電力載波通信相結合的方式，彼此互為補充。

方案應用最新的集抄組網協(xié)議，抄表效率大幅度提高。應用多種通信技術相結合的方式，載波無線通道并存，并且可以實時監(jiān)控，根據實際情況自由選擇通道，做到雙網融合，互為備用，保證抄收的時效性和穩(wěn)定性

2.2 組網方案技術保障及創(chuàng)新點

作為電子產品，硬件參數(shù)特性對其影響是無庸置疑的，保障準確統(tǒng)一的硬件參數(shù)，無疑會提高其抗干擾性；作為Ad-hoc網絡（無線自組網網絡）基于節(jié)點數(shù)據傳輸?shù)摹敖恿Α痹?，路由管理方式及組網方式的快捷性，這成為網絡優(yōu)異抗干擾性的另一個有力保證。TG微功率無線通信模塊采用了以下方式，較同類產品在抗干擾，提升抄表成功率方面有了相當?shù)膬?yōu)勢。

軟件保障：

TG-Inwicos系統(tǒng)分布式路由的特點：

路由表分散存貯在各節(jié)點中，減輕了網關存貯資源的壓力；

由各節(jié)點路徑組合成再下一級節(jié)點的路徑，實際路徑數(shù)量隨節(jié)點間跳數(shù)的增加（故障機率會增加）而呈幾何級數(shù)增加，這樣路徑數(shù)量較集中式路由的路徑數(shù)大幅度增多，經繞行后故障機率極大地減少。

在節(jié)點間通信失敗時，就地解決，“當?shù)貑栴}當?shù)靥幚怼保挥绊懫渌胤健?/p>

智能節(jié)點：

TG系統(tǒng)采用“對等式”管理，作為“智能節(jié)點”，在上電后各節(jié)點會自主組網（由各節(jié)點同時組網及路由計算），在發(fā)生通信故障時會立即自主更新路由，并實時更新。

深度優(yōu)先算法：

TG系統(tǒng)采用的是“深度優(yōu)先搜索”，其特點為：組網時，沿縱向進行搜索，通過“回環(huán)檢測”、“回歸”、“繞行”防止陷入死循環(huán)，快速找到目標，先解決能通信問題，再優(yōu)化解決快速問題。這樣的方式組網快，故障時的處理也更快，整個網絡會更加堅強。

跳頻功能：

TG系統(tǒng)和其它系統(tǒng)一樣，使用信道組的概念，在通信的頻點受到干擾時，能自動跳頻到另一頻點，解決此通信頻率下干擾的問題。

實時監(jiān)控：

與傳統(tǒng)方式不同，TG通信系統(tǒng)采用的是實時監(jiān)控網絡狀態(tài)，而不是發(fā)送數(shù)據前才監(jiān)聽。這樣網絡會實時修復故障點，隨時保持通信的暢通，而不是需要發(fā)送數(shù)據時再臨時修復。

硬件保障：

獨有的“窄帶”技術：

TG獨有的“窄帶”通信技術，使用1/10的帶寬，在同樣頻段范圍擁有10倍的通信頻道，并更大程度地減少鄰頻道干擾/被干擾，大幅度降低了“通信中斷”的可能。

高精確的載波頻率：

TG系統(tǒng)除硬件精度的保證外，還利用軟件進行補償調整，保證載波頻率誤差在±0.5kHz以內。精準的工作點，是“窄帶通信技術”的基礎，也是通信質量成功率的保障！

優(yōu)秀的鄰道選擇性等特性參數(shù)：

除常規(guī)參數(shù)外，TG系統(tǒng)對以下參數(shù)進行了優(yōu)化設計，以更好地保證產品的通信特性，提高抗干擾能力：

雜散射頻分量：對寄生分量及次諧波、二次、三次、四次諧波均進行了設計優(yōu)化。

鄰道功率：在設計中，對規(guī)定條件下落在其它相鄰信道內的功率進行抑制，減少信道功率，防止其對其它通信產生干擾，同時加強自身信道的信號強度。

調制限制：對發(fā)射電路調制偏移能力進行了優(yōu)化設計。

接收靈敏度：TG通信系統(tǒng)在-112dBm下誤碼率接近0。

選擇性：對鄰信號選擇性、共信道抑制、阻塞、雜散響應、互調抗擾性等性能進行了設計優(yōu)化。

技術及工藝水平：

（1）對載波環(huán)境改動較小，不破壞現(xiàn)有臺區(qū)環(huán)境，用戶表端采用485通信連接到數(shù)據采集器，將影響降到最低。

（2）采集器與集中器之間采用最新無線通信集抄技術，最大限度的規(guī)避電力線環(huán)境對臺區(qū)造成的影響。

（3）應用最新的集抄組網協(xié)議，盡可能快得提高整體抄收速度，并且保證一次采集成功率滿足省網公司要求。

（4）應用多種通信技術相結合的方式，使臺區(qū)的整體抄收質量得到很大的提高，并且保證抄收的時效性和穩(wěn)定性。

（5）采用無線管委會規(guī)定標準頻率的多頻復用技術，有效避免用電設備異常及同頻干擾帶來的抄收影響。

3.應用效果

本項目在邯鄲本地完成4個臺區(qū)的改造，其中3個臺區(qū)為3層改造結構（電表-采集器-集中器），1個臺區(qū)為2層改造（電表-集中器）。方案涉及表計總數(shù)量接近1800塊，目前項目總體運行穩(wěn)定，一次抄表成功率達到98%以上，滿足智能抄表管理的各項要求。各臺區(qū)情況如下：

0631臺區(qū)情況：

（1）此臺區(qū)供老式建筑用戶，有平房、筒子樓、6層建筑，走線比較混亂。

（2）臺區(qū)檔案歸屬不正確，存在表計檔案位置與現(xiàn)場不符、表計已安裝，但未統(tǒng)計進系統(tǒng)情況。

（3）臺區(qū)供電環(huán)境復雜，用戶電器運行時干擾大。

（4）臺區(qū)的線路末端處于無載波信號狀態(tài)。

1132臺區(qū)情況：

（1）臺區(qū)線路環(huán)境復雜，線路供電距離長，表戶數(shù)多，集中器未安裝在幾何位置的中心。

（2）用電種類多，單相電表和三相電表交叉分布。

2369臺區(qū)情況：

（1）臺區(qū)與臺區(qū)間隔太近，線路供電距離長。

（2）用電種類多，單相電表和三相電表交叉分布。

實施效果：

（1）采用更加先進的組網算法技術，節(jié)點實時自行組網，脫離集中器指令，大大縮短組網時間，有效規(guī)避網絡風暴的同時增加表計抄收效率及穩(wěn)定性。

（2）不受變壓器容量及臺數(shù)限制，解決了變壓器之間線路切割造成的抄收不穩(wěn)定及運行維護量大的難點。

（3）解決了用戶用電設備對數(shù)據通訊干擾造成的數(shù)據傳輸錯誤（如有線電視，變頻空調，變頻水泵及大功率設備），并完美支持大臺區(qū)的集中運營管理，試驗臺區(qū)最大規(guī)模已經達到678塊，整體抄收99.11%。

（4）在提高了臺區(qū)的抄收率的基礎上完美地提高了抄收效率，將抄收時間完美的縮 短了數(shù)倍，復雜臺區(qū)（1132臺區(qū)），總抄收678塊電表將載波方案的23個小時縮短到4個小時，整體抄收100%。

4.結束語

通過實施總結，本方案廣泛適用于量控，費控及國網新推出的新型電子表，不受載波方案、組網協(xié)議的影響，對故障換表，新裝表計，費控表輪換基本無任何影響，并可最大限度的解決載波方案中的檔案歸屬、同頻干擾、電網環(huán)境等問題，方案又不受表計數(shù)量限制，完全滿足戶數(shù)規(guī)模較大的臺區(qū)，在保證抄收穩(wěn)定的前提下又能保證抄收時效性。本方案作為高級量測系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控電力負荷狀態(tài)，為今后實時電價的實施提供高效可靠的通信手段。采集器的安裝是以表箱為單位，比載波方案所需要的經費少，滿足低壓集抄規(guī)范，具有廣泛的適用性及推廣度。

參考文獻

[1]楊風海.微功率無線抄表技術的研究與應用[J].2010.

[2]陳薄.新型微功率無線抄表系統(tǒng)[J].2011，

[3]DL/T698.1.《電能信息采集與管理系統(tǒng) 第一部分 總則》

[4]楊萬里，秦毅.短距離微功率無線組網AMI技術的探討[J].2010.

[5]J.Abouei，J.D.Brown.K.N.Plataniotis，and S，Pasupathy.”O(jiān)n the energy efficiency Of LT codes inproactive wireless sensor networks，”in proc.IEEE Biennial symposium On communicaion（OBSC’10）.Queen’s university，kingston，Canada，PP，114117，May2010.