無公網(wǎng)信號(hào)地下室用戶用電信息采集方案的研究與應(yīng)用

李紅柳，崔開源，伍言

（國網(wǎng)成都供電公司客戶服務(wù)中心計(jì)量部，四川成都　610021）

無公網(wǎng)信號(hào)地下室用戶用電信息采集方案的研究與應(yīng)用

李紅柳，崔開源，伍言

（國網(wǎng)成都供電公司客戶服務(wù)中心計(jì)量部，四川成都610021）

用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容之一，是對(duì)傳統(tǒng)抄收系統(tǒng)的一次變革?；诔啥嫉貐^(qū)部分地下室用戶無公網(wǎng)信號(hào)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了通信技術(shù)方案集，包括有線通信技術(shù)方案、無線通信技術(shù)、有線與無線相結(jié)合的通信技術(shù)方案3種。在此基礎(chǔ)上，通過研究3種方案的技術(shù)邊界，確定不同應(yīng)用場景下的方案選擇，提出了一種最優(yōu)采集方案求解算法。應(yīng)用實(shí)例表明，所述方法可以有效地解決無公網(wǎng)信號(hào)地下室用戶采集系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)瓶頸，并能大幅降低工程費(fèi)用，提高用電信息采集管控水平，促進(jìn)“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

用電信息采集系統(tǒng)；地下室；無公網(wǎng)信號(hào)；技術(shù)邊界

作為智能電網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)，用電信息采集系統(tǒng)承擔(dān)著用電信息自動(dòng)采集、高效共享和實(shí)時(shí)監(jiān)控的重要任務(wù)，是智能用電服務(wù)體系的重要基礎(chǔ)，也是用戶用電信息的重要來源［1］?，F(xiàn)階段，國內(nèi)用電信息采集系統(tǒng)尚處于建設(shè)發(fā)展階段，尚未專門針對(duì)無公網(wǎng)信號(hào)地下室用戶采集系統(tǒng)建設(shè)，引入相應(yīng)的通信技術(shù)手段和措施，形成有效的解決方案。

用電信息采集系統(tǒng)的研究主要集中在采集系統(tǒng)的構(gòu)架、主站建設(shè)以及功能應(yīng)用［2］，而關(guān)于采集終端與主站之間的通信研究較少。文獻(xiàn)［3］通過改善用電信息采集與管理系統(tǒng)應(yīng)用的不足，提出了供電企業(yè)用電信息采集一體化的總體設(shè)計(jì)原則和具體設(shè)計(jì)方案，但僅關(guān)注了采集系統(tǒng)的整體構(gòu)架，并沒有考慮采集系統(tǒng)具體施工建設(shè)過程中遇到的實(shí)際問題。文獻(xiàn)［4］針對(duì)采集系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行和應(yīng)用中出現(xiàn)的通信通道取舍問題，提出了復(fù)合通道建管技術(shù)方案和采集三率保障方案，有效提高了用電信息采集通道的穩(wěn)定性和易維護(hù)性，但卻沒有考慮終端處于地下室等無信號(hào)無接口條件下的通信問題。文獻(xiàn)［5］總結(jié)了3類應(yīng)用于實(shí)際工程中的解決無GPRS信號(hào)問題的終端改造方法，但沒有考慮各種方法的具體應(yīng)用場景。文獻(xiàn)［6］分析歸納了造成現(xiàn)場終端無信號(hào)的幾類原因，并提出了相應(yīng)的解決辦法，但是提出的方法過于簡略，也沒有對(duì)各種方案的應(yīng)用邊界進(jìn)行界定。

基于現(xiàn)有的有線、無線通信技術(shù)，開發(fā)針對(duì)無公網(wǎng)信號(hào)地下室用戶采集的信息通信實(shí)用化技術(shù)，并界定相應(yīng)的技術(shù)邊界，設(shè)計(jì)了用電信息采集方案，并結(jié)合示范工程分析了方案的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益和推廣應(yīng)用的條件。為最終全面實(shí)現(xiàn)用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”的目標(biāo)，為智能電網(wǎng)建設(shè)提供行之有效的技術(shù)方案。

1　無公網(wǎng)信號(hào)地下室用電信息采集方案集

針對(duì)無公網(wǎng)信號(hào)地下室用戶采集的不同特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)有線采集通信技術(shù)方案、無線采集通信技術(shù)方案、有線與無線相結(jié)合的通信技術(shù)方案，形成基于無信號(hào)地下室用戶采集的通信技術(shù)方案集。

1.1有線采集方案

有線采集通信技術(shù)方案通過室外天線接收室外無線公網(wǎng)信號(hào)，經(jīng)過電纜傳輸至室內(nèi)采集終端［7］。當(dāng)線纜長度超過5 m，需采用高增益天線。通常情況下，在連接室外天線和采集終端時(shí)，需穿墻越壁，施工布線難度大，工作量大。有線采集方案原理如圖1所示。

圖1　針對(duì)地下室用戶的有線采集方案Fig.1　The cable acquisition proposal for basement users

1.2無線采集方案

無線采集通信技術(shù)方案通過將采集終端移動(dòng)到具有移動(dòng)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的位置，然后在電表和采集終端上增加數(shù)據(jù)傳輸模塊來實(shí)現(xiàn)無線通訊，從而來保證采集終端能正常抄收電表數(shù)據(jù)并能將數(shù)據(jù)返回到主站系統(tǒng)中的方式來實(shí)現(xiàn)全采集。其作用原理是在原采集終端和部件上安裝“數(shù)傳模塊”，組成星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)；如果距離較遠(yuǎn)，可加上中繼器，數(shù)傳模塊之間可采用微功率無線或電力線載波通信方式［8］。如圖2所示。

圖2　針對(duì)地下室用戶的無線采集通信技術(shù)方案Fig.2　The wireless acquisition communication proposal for basement users

1.3有線與無線結(jié)合采集方案

有線與無線相結(jié)合的采集通信技術(shù)方案通過室外天線接收室外無線公網(wǎng)信號(hào)，并通過信號(hào)放大器系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為有線信號(hào)［9］；經(jīng)過通信電纜傳輸至有線信號(hào)通信終端；通信終端對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、智能分析、增益補(bǔ)償、功率放大，再通過室內(nèi)通信電纜傳輸至室內(nèi)天線，室內(nèi)天線將有線信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線公網(wǎng)信號(hào)，完成信號(hào)的室內(nèi)發(fā)射，使原本沒有無線公網(wǎng)信號(hào)的配電房得到信號(hào)覆蓋［10］。采集終端信號(hào)發(fā)射過程則相反。

整個(gè)接收與發(fā)射的過程，通信終端對(duì)信號(hào)的強(qiáng)度、質(zhì)量、安全性均進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理，從而實(shí)現(xiàn)無信號(hào)地下室采集終端與主站的通信。原理如圖3所示。

圖3　針對(duì)地下室用戶的有線與無線結(jié)合采集通信技術(shù)方案Fig.3　The cable and wireless combined acquisition communication solution for basement users

2　無信號(hào)地下室用戶用電信息采集方案技術(shù)邊界分析

2.1邊界條件分析

中國移動(dòng)的規(guī)范規(guī)定，接收電平≥（城市取-90 dBm；鄉(xiāng)村取-94 dBm）時(shí)，則滿足覆蓋要求［11］，也就是說此處無線信號(hào)強(qiáng)度滿足覆蓋要求，即接受電平≥-90 dBm，就可以滿足覆蓋要求［12］。本文以施工調(diào)試天數(shù)衡量施工難度，即施工調(diào)試難度較高的技術(shù)方案，施工調(diào)試天數(shù)相對(duì)較多，而施工調(diào)試難度較低的技術(shù)方案，施工調(diào)試天數(shù)相對(duì)較少。

2.2有線采集通信方案技術(shù)邊界

基于地下室用戶的有線采集通信技術(shù)方案具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在施工布線難度大、安裝工作量大等不足，且受到施工現(xiàn)場布線條件的制約［13］。該技術(shù)方案適用于對(duì)采集成功率和實(shí)時(shí)性要求高，且地下室施工布線條件良好的環(huán)境。因此，當(dāng)需要高質(zhì)量用戶用電信息且用戶地下室施工布線條件適宜時(shí)，在用電采集通信中引入該技術(shù)，如表1所示。

表1　有線采集通信技術(shù)方案邊界參數(shù)Tab.1　Boundary parameters of the cable acquisition communication proposal

有線方案的施工調(diào)試總成本F有線測算公式如式（1）所示。

式中：k為通信模塊價(jià)格；t為所需模塊數(shù)量；b為通信電纜單位成本；j為通信電纜長度；w為人工成本單價(jià)；d為實(shí)際施工調(diào)試天數(shù)；An為天線成本。

2.3無線采集通信方案技術(shù)邊界

基于無公網(wǎng)信號(hào)地下室用戶的無線采集通信技術(shù)方案具有無需布線，安裝施工調(diào)試方便的優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用效果依賴于數(shù)傳模塊組成的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的好壞［14］。該技術(shù)適用于地下室內(nèi)部局域網(wǎng)信號(hào)良好但施工布線條件差的環(huán)境。因此，當(dāng)用戶地下室信號(hào)良好，而施工布線受到環(huán)境條件制約時(shí)，在用電采集通信中引入該技術(shù)方案，如表2所示。

無線方案的施工調(diào)試總成本F無線的計(jì)算公式為：

式中：e為無線通信模塊價(jià)格（含配套電源）；t為所需模塊數(shù)量；v為信號(hào)中繼器的價(jià)格；g為信號(hào)中繼器數(shù)量。

表2　無線采集通信技術(shù)方案邊界參數(shù)Tab.2　Boundary parameters of the wireless acquisition communication proposal

2.4有線與無線相結(jié)合的采集通信方案邊界

基于無公網(wǎng)信號(hào)地下室用戶的有線與無線相結(jié)合的采集通信技術(shù)方案，充分融合了有線通信技術(shù)“數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定”和無線通信技術(shù)“采集設(shè)備安裝布線便捷安全”的優(yōu)點(diǎn)，并有效彌補(bǔ)了有線、無線通信技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用的不足。該技術(shù)適用于地下室信號(hào)不佳且施工布線條件較差且有多臺(tái)需要公網(wǎng)無線通信的設(shè)備的環(huán)境。因此，當(dāng)用戶地下室信號(hào)不穩(wěn)定且具有一定的施工布線條件時(shí)，在用電采集通信中引入該技術(shù)方案。

表3　有線無線結(jié)合采集通信技術(shù)方案邊界參數(shù)Tab.3　Boundary parameters of the cable and wireless combined acquisition communication proposal

有線無線結(jié)合方案的施工調(diào)試總成本F結(jié)合計(jì)算公式為：

式中：q為信號(hào)放大模塊成本。

2.5最優(yōu)采集方案求解算法應(yīng)用流程

最優(yōu)采集方案求解算法應(yīng)用流程如圖4所示。

圖4　最優(yōu)采集方案求解算法應(yīng)用流程Fig.4　Application process of the solution algorithm of the optimal acquisition proposal

3　算例分析

3.1算例1

以成都市錦江區(qū)華潤路的某住宅項(xiàng)目為研究對(duì)象。該項(xiàng)目配電房位于1棟-2樓，經(jīng)測試，信號(hào)強(qiáng)度值（AT）為6。地面三樓GPRS信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到-90 dB，滿足用電信息采集終端的信號(hào)要求。通過最優(yōu)采集方案求解算法對(duì)該場景下的采集方案進(jìn)行尋優(yōu)求解。

有線采集方案中通信模塊成本k為1 000元/個(gè)；通信電纜成本為20元/m；天線成本An為150元/點(diǎn)位。該項(xiàng)目中，通信模塊使用個(gè)數(shù)為1，室外天線到室內(nèi)采集終端布線長度為102 m，施工時(shí)間為1.5 d。有線無線相結(jié)合方案中，信號(hào)放大模塊成本q為1 000元/個(gè)；天線成本An為300元；通信電纜單位成本b為20元/m。經(jīng)測算，地面三樓信號(hào)合格處安裝室外天線，室外天線到室內(nèi)吸頂天線布線長度為82 m，需使用1個(gè)信號(hào)放大模塊。

將上述參數(shù)代入最優(yōu)采集方案求解算法，得有線方案施工成本為3 490元，有線無線結(jié)合方案的施工總成本為3 140元。而由于配電房位于地下負(fù)二樓，經(jīng)現(xiàn)場查勘，施工布線情況良好，但無線信號(hào)傳輸通道上，實(shí)體遮蔽物較多，對(duì)無線信號(hào)的傳輸影響較大，根據(jù)技術(shù)邊界條件，通過算法評(píng)估，無線方案不適用于該點(diǎn)位，只有有線方案和有線無線結(jié)合的兩種方案適用于該點(diǎn)位。

綜上，可知3種方案中有線無線相結(jié)合的方案成本最低，故應(yīng)選用有線無線相結(jié)合的方案。

3.2算例2

應(yīng)用實(shí)例2為位于成都市青羊區(qū)支磯石街1號(hào)的商業(yè)項(xiàng)目，配電房亦位于地下1層，信號(hào)強(qiáng)度值（AT）為7。經(jīng)測試，地面二樓GPRS信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到-90 dBm，滿足用電信息采集終端的信號(hào)要求。經(jīng)現(xiàn)場查勘，施工布線情況良好，無線信號(hào)傳輸條件良好。

有線方案中通信模塊使用個(gè)數(shù)為1，地面二樓信號(hào)合格處安裝室外天線，室外天線到室內(nèi)采集終端的布線距離為49 m，施工時(shí)間為1.5 d。無線方案中無線通信模塊數(shù)量為2，信號(hào)中繼器使用數(shù)量為1，施工時(shí)間為0.5 d。有線無線結(jié)合方案中，地面二樓信號(hào)合格處安裝室外天線，室外天線到室內(nèi)吸頂天線布線長度為40 m，需使用1個(gè)信號(hào)放大模塊。

將上述參數(shù)代入最優(yōu)采集方案求解算法，計(jì)算得有線方案施工成本為2 430元，無線方案施工成本為3 100元，有線無線結(jié)合方案的施工總成本為2 300元。

綜上，3種方案中有線無線相結(jié)合的方案成本最低，故應(yīng)選用有線無線相結(jié)合的方案。

3.3算例分析

計(jì)算不同場景下三種采集方案應(yīng)用成本以及通過最優(yōu)算法求解得到的采集方案的應(yīng)用成本，如圖5所示。

圖5　采集方案應(yīng)用成本比較Fig.5　Comparison of the application costs of different acquisition proposals

從圖5可以看出，當(dāng)采集終端到地面信號(hào)處的距離大于150 m時(shí)，無線方案不滿足邊界條件，無法應(yīng)用，當(dāng)采集終端到地面信號(hào)處的距離大于200 m時(shí)，有線采集方案不滿足邊界條件，無法應(yīng)用。上述2種情況下均無應(yīng)用成本。而本文所述的最優(yōu)算法能夠自動(dòng)排除不滿足技術(shù)邊界條件的方案，且求解得到的采集方案成本曲線始終與各應(yīng)用距離及場景下3種采集方案中的最低成本曲線重合。

4　結(jié)語

本文基于成都地區(qū)部分地下室用戶無公網(wǎng)信號(hào)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了通信技術(shù)方案集，包括有線通信技術(shù)方案、無線通信技術(shù)、有線與無線相結(jié)合的通信技術(shù)方案3種，并在此基礎(chǔ)上了提出了一種最優(yōu)采集方案求解算法。通過算例可以得出以下結(jié)論：

1）3種采集方案在不同應(yīng)用場景下具有不同的經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)采集終端到地面信號(hào)處的距離增大時(shí)，有線與無線結(jié)合方案的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢明顯。

2）最優(yōu)采集方案求解算法能夠根據(jù)具體場景參數(shù)，有效地排除不滿足邊界條件的采集方案。

3）通過最優(yōu)采集方案能夠?qū)Σ煌瑧?yīng)用場景最經(jīng)濟(jì)的采集方案進(jìn)行尋優(yōu)。

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（編輯黃晶）

Research and Application of the Electricity Information Acquisition Method for Basement Users without Public Signals

LI Hongliu，CUI Kaiyuan，WU Yan
（Chengdu Electric Power Supply Company Customer Service Center，Chengdu 610021，Sichuan，China）

Construction of the electricity information acquisition system is one of the important contents of the smart grid construction，and it is a fundamental change to the traditional reading and collecting system.Based on the current situation that part of the basement users are not covered by public signals in Chengdu，a communication technology solution set is designed，including cable communication technology，wireless communication technology，the cable and wireless combined communication technology solutions.On this basis，through the study of the technical boundary of three solutions，the scheme selection under different scenarios is determined and an optimal acquisition solution is proposed.The application examples show that the method described in this paper can effectively solve the technical bottleneck of the acquisition system construction of basement users without signals.It can also significantly reduce the project cost；improve the control ability of the electricity information collection so as to promote the realization of the“full coverage，full collection，and full cost control”goal.

electricity information acquisition system；basement；without public signal；technical boundary

1674-3814（2015）11-0053-05

TM925

A

2015-01-21。

李紅柳（1965—），女，本科，高級(jí)工程師，主要從事電能計(jì)量管理工作；

崔開源（1985—），男，碩士研究生，工程師，主要從事用電信息采集技術(shù)和管理工作；

伍言（1988—），男，碩士研究生，助理工程師，主要從事電能計(jì)量技術(shù)工作。