论文部分内容阅读
摘要：国内现有规模化应用的采集模式主要有电力载波采集模式、小功率无线采集模式和基于 GPRS 采集器的采集模式，文章中对这3种采集模式的优缺点进行总结和比较，并给出了低压配电网用电信息采集系统建设模式的合理方案。
关键词：低压； 用电信息； 采集模式； 通信； 智能电网
Abstract: The domestic existing scale of application collection model is the main power carrier collection model, small power wireless collection model and the collection model based on GPRS collector in the text, the three collection model of the advantages and disadvantages of summary and comparison, and gives the low voltage distribution network power information collection system construction mode reasonable scheme.
Key Words: low voltage; electricity information; collection model; communication; smart grid
中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：
1电力载波采集模式
1.1 电力载波采集模式简介电力载波通信技术从20 世纪 90 年代开始运用于低压用电信息采集（低压集抄），这种采集模式由三级数据传输网络组成，如图1所示，第一级是通过RS485 总线实现电能表和采集器之间的数据双向传输，第二级是通过信号频率小于500 kHz 的低压电力线载波实现采集器和集中器之间的数据双向传输，第三级是通过 GPRS 无线公网实现主站和集中器之间的数据双向传输。根据带宽和速率，电力载波通信可分为窄带通信系统和宽带通信系统。窄带低速芯片的指定带宽一般在3~500 kHz，多采用 FSK（频移键控）、PSK（相移键控）、 DSSS（直接序列扩频）和线性调频Chirp 等技术。宽带高速芯片指带宽限定在 2~30 MHz，采用以 OFDM（正交频分复用）为核心的通信技术。 基本以 2 Mbit/s 的传输速率为界。
图1 电力载波模式现场网络结构图
1.2 电力载波采集模式的优点
（1）网络建设成本低、建设速度快。这种采集模式充分利用现有电力线资源，无需新建主传输网络，建设速度较快。此外由于这种采集技术在国内已相当成熟，相关附属设备价格也较为低廉，综合建设成本较低。
（2）运行维护通信费用低。这种采集模式一般是1 个公变台区设置 1 台集中器，每个集中器配置1 张 SIM 卡，以每个台区 100 户计，按杭州市电力局目前4 元 / 月的 GPRS 通信套餐标准，平均每户每年的通信费用为0.48 元。
（3）网络的延伸性好。该采集模式不受信号覆盖的制约，理论上只要电力线到达的地方就能采集到数据，比较适合偏远地区和障碍物多、不利于无线传输的区域。
1.3 电力载波采集模式的缺点
（1）信道衰减制约信号传输距离。由于低压配电网结构的复杂性和负载的多样性与时变性，对高频信号而言，低压电力线实际是非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在线上任意
位置随机连接和断开，因此高频信号的衰减必然存在。其次，低压电力线的非均匀性传输信号还会遇到反射、驻波等复杂现象而引起信号衰减。
（2）噪音干扰制约信号传输质量。低压电力线不同于专门的数据通信线路，低压电力线上有许多噪声和干扰源，如吸尘器、电冰箱、洗衣机等，由于电器设备开停的频繁性和不可控性导致电力线的特性不断变化，使得低压电力线通信具有时间上不可控的特点。
2小功率无线采集模式
2.1 小功率无线采集模式简介小功率无线技术一般指发射功率在100 mW以下的无线组网技术，目前已广泛应用于能源、信息等诸多领域，比较典型的有蓝牙技术，Zig-bee 技术，Z-Wave 技术。这种采集模式由三级数据传输网络组成，如图 2 所示第一级通过RS485总线实现电能表和采集器之间的数据双向传输，第二级通过微功率组网技术实现采集器和集中器之间的数据双向传输，第三级通过GPRS无线公网实现主站和集中器之间的数据双向传输。小功率无线通信方式的频点选择较为重要，其通信效果直接影响抄表可靠性。
图2 小功率无线模式现场网络结构图
2.2 小功率无线采集模式的优点
（1）网络自组自管。通信节点有自组能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发数据的多跳无线网络系统。
（2）网络建设成本低、建设速度快。无线组网技术无须现场布线，减少了建设工程量和资金投入，是一种较为经济的建设模式。
（3）网络容量大。由于无线通信速度快，网络能达到几万个节点的容量，能满足台区、厂区、甚至全地区集中抄表的需要。
（4）安装维护方便。网络自组自管，完全不需要人工干预通信网络的配置、 管理，安装维护比其它电力集抄技术简单方便。
2.3 小功率无线采集模式的缺点
（1）通信距离受制约的因素较多。地理环境、电磁环境、气候条件、发射机的射频输出功率、接收机的接收灵敏度、系统抗干扰能力、软件纠错、天线类型和位置及其增益等都制约了通信的距离。此外，建筑墙体对信号的衰减是影响通信距离的另一主要原因。
（2）通信质量受干扰的因素较多。同频干扰是制约小功率无线集抄的重要因素，目前广泛使用的车载寻呼、电台、对讲机、无线遥控设备等几乎都用315 ～ 500 MHz 的无线频率，此外 ISM频段则有更多同频设备，这对集抄信道传输质量的影响极大。此外，温度、电源电压及环境改变引起的频率漂移是影响通信质量的另一因素。
3 GPRS采集器采集模式
3.1 GPRS 采集模式简介
这种采集模式的组网较为简练，由二级数据传输网络组成，如图 3 所示，第一级网络通过RS485总线实现电能表和采集器之间的数据双向传输，第二级网络采用 GPRS 专用通道或内部光纤通道直接和主站实现组网。 这种技术被广泛运用于变电站、 电厂电能量信息采集和客户负荷控制领域。
图3 GPRS（或光纤网）采集器模式现场网络结构图
3.2 GPRS 采集模式的优点
（1）采集可靠性。两级网络均采用专用的通信网络，确保了数据传输的稳定性和可靠性 。电力局各变电所、电厂关口电能量采集信息系统和现场用电管理系统均采用这种模式，历年来的一次采集数据完整率和月累计数据完整率均超过98.5％。
（2）能较好适应智能电网的发展要求。 国家电网公司智能电网十二五规划已明确了基于电力线的三网融合光纤入户的具体要求，该采集模式就是基于上述技术要求建设的，能较好地满足低压配电网智能用电的发展要求。
（3）组网的灵活性高。由于采集终端和主站之间的网络选择不会影响采集侧的组网模式，因此在电力线复合光纤网未覆盖前可以先选择GPRS 公网通道，光纤网建设完成后可实现灵活切换，避免重复建设。
3.3 有線采集模式的缺点
（1）不宜在采集点分散区域推行。这种集抄模式非常适合集中装表社区，每路RS485 总线能带32 块电能表，现场建设工程量少，检修运维方便。由于每只采集器拖带的采集点数量较大，可降低通信成本。但在电能表安装较为分散的区域，则现场布线工程量大，且受 RS485 传输距离限制。此外，采集器拖带电能表较少也会造成通信成本增加。
（2）建设成本和运行维护成本较高。如采用光纤网络，建设成本将远高于其它集抄模式。
4结语
根据国家电网公司智能电网十二五规划的要求，宿迁电网要努力加快实现对低压配电网客户计量装置的全采集、全覆盖、全费控。宿迁地理环境较为复杂，城区和农村的住房结构和分布、配电网供电质量、移动公网信号强弱分布等方面差异较大。同时，目前3种主流采集模式都存在自身的技术瓶颈。因此，只采用一种采集模式来开展低压配电网客户用电信息采集系统的建设有较大的局限性。此外，城区和农村的需求侧管理也存在差异，城区对智能用电有较高的需求，而农村需求主要体现在周期性远程自动抄表上，因此区域性低压配电网用电采集系统的建设必须根据区域需求的差异化，结合环境特点、建设和运行维护成本，以多种采集模式互补的形式来开展。 结合宿迁低压配电网的实际特点，较为合理的低压配电网用电信息采集系统建设模式是：以 GPRS 采集器模式为主要采集模式，满足采集点集中、布线简单区域（城区和中心集镇）的数据采集，以小功率无线和电力载波模式作为补充形式，以满足采集点分散、布线困难区域（山区、农村）的数据采集。
参考文献：
[1]刘振亚. 智能电网技术 [ M ]. 北京:中国电力出版社,2010.
[2]戚佳金,陈雪萍,刘晓胜.低压电力线载波通讯技术研究[ J ].电网技术,2010,34(5):161-172.
[3]胡爱国.基于以太网的远程抄表系统[ J ].电测与仪表.2004,41(7):50-51.
[4]高峰,吴培红.基于 GPRS 的电表集抄系统[ J ].电气应用,2005,24(6):54-56.
[5]戚佳金,刘晓胜,喻言,等.基于电力线通信网络的远程电能计量监控方法研究[J].电子器件,2006,29(4):1118-1122.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：低压； 用电信息； 采集模式； 通信； 智能电网
Abstract: The domestic existing scale of application collection model is the main power carrier collection model, small power wireless collection model and the collection model based on GPRS collector in the text, the three collection model of the advantages and disadvantages of summary and comparison, and gives the low voltage distribution network power information collection system construction mode reasonable scheme.
Key Words: low voltage; electricity information; collection model; communication; smart grid
中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：
1电力载波采集模式
1.1 电力载波采集模式简介电力载波通信技术从20 世纪 90 年代开始运用于低压用电信息采集（低压集抄），这种采集模式由三级数据传输网络组成，如图1所示，第一级是通过RS485 总线实现电能表和采集器之间的数据双向传输，第二级是通过信号频率小于500 kHz 的低压电力线载波实现采集器和集中器之间的数据双向传输，第三级是通过 GPRS 无线公网实现主站和集中器之间的数据双向传输。根据带宽和速率，电力载波通信可分为窄带通信系统和宽带通信系统。窄带低速芯片的指定带宽一般在3~500 kHz，多采用 FSK（频移键控）、PSK（相移键控）、 DSSS（直接序列扩频）和线性调频Chirp 等技术。宽带高速芯片指带宽限定在 2~30 MHz，采用以 OFDM（正交频分复用）为核心的通信技术。 基本以 2 Mbit/s 的传输速率为界。
图1 电力载波模式现场网络结构图
1.2 电力载波采集模式的优点
（1）网络建设成本低、建设速度快。这种采集模式充分利用现有电力线资源，无需新建主传输网络，建设速度较快。此外由于这种采集技术在国内已相当成熟，相关附属设备价格也较为低廉，综合建设成本较低。
（2）运行维护通信费用低。这种采集模式一般是1 个公变台区设置 1 台集中器，每个集中器配置1 张 SIM 卡，以每个台区 100 户计，按杭州市电力局目前4 元 / 月的 GPRS 通信套餐标准，平均每户每年的通信费用为0.48 元。
（3）网络的延伸性好。该采集模式不受信号覆盖的制约，理论上只要电力线到达的地方就能采集到数据，比较适合偏远地区和障碍物多、不利于无线传输的区域。
1.3 电力载波采集模式的缺点
（1）信道衰减制约信号传输距离。由于低压配电网结构的复杂性和负载的多样性与时变性，对高频信号而言，低压电力线实际是非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在线上任意
位置随机连接和断开，因此高频信号的衰减必然存在。其次，低压电力线的非均匀性传输信号还会遇到反射、驻波等复杂现象而引起信号衰减。
（2）噪音干扰制约信号传输质量。低压电力线不同于专门的数据通信线路，低压电力线上有许多噪声和干扰源，如吸尘器、电冰箱、洗衣机等，由于电器设备开停的频繁性和不可控性导致电力线的特性不断变化，使得低压电力线通信具有时间上不可控的特点。
2小功率无线采集模式
2.1 小功率无线采集模式简介小功率无线技术一般指发射功率在100 mW以下的无线组网技术，目前已广泛应用于能源、信息等诸多领域，比较典型的有蓝牙技术，Zig-bee 技术，Z-Wave 技术。这种采集模式由三级数据传输网络组成，如图 2 所示第一级通过RS485总线实现电能表和采集器之间的数据双向传输，第二级通过微功率组网技术实现采集器和集中器之间的数据双向传输，第三级通过GPRS无线公网实现主站和集中器之间的数据双向传输。小功率无线通信方式的频点选择较为重要，其通信效果直接影响抄表可靠性。
图2 小功率无线模式现场网络结构图
2.2 小功率无线采集模式的优点
（1）网络自组自管。通信节点有自组能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发数据的多跳无线网络系统。
（2）网络建设成本低、建设速度快。无线组网技术无须现场布线，减少了建设工程量和资金投入，是一种较为经济的建设模式。
（3）网络容量大。由于无线通信速度快，网络能达到几万个节点的容量，能满足台区、厂区、甚至全地区集中抄表的需要。
（4）安装维护方便。网络自组自管，完全不需要人工干预通信网络的配置、 管理，安装维护比其它电力集抄技术简单方便。
2.3 小功率无线采集模式的缺点
（1）通信距离受制约的因素较多。地理环境、电磁环境、气候条件、发射机的射频输出功率、接收机的接收灵敏度、系统抗干扰能力、软件纠错、天线类型和位置及其增益等都制约了通信的距离。此外，建筑墙体对信号的衰减是影响通信距离的另一主要原因。
（2）通信质量受干扰的因素较多。同频干扰是制约小功率无线集抄的重要因素，目前广泛使用的车载寻呼、电台、对讲机、无线遥控设备等几乎都用315 ～ 500 MHz 的无线频率，此外 ISM频段则有更多同频设备，这对集抄信道传输质量的影响极大。此外，温度、电源电压及环境改变引起的频率漂移是影响通信质量的另一因素。
3 GPRS采集器采集模式
3.1 GPRS 采集模式简介
这种采集模式的组网较为简练，由二级数据传输网络组成，如图 3 所示，第一级网络通过RS485总线实现电能表和采集器之间的数据双向传输，第二级网络采用 GPRS 专用通道或内部光纤通道直接和主站实现组网。 这种技术被广泛运用于变电站、 电厂电能量信息采集和客户负荷控制领域。
图3 GPRS（或光纤网）采集器模式现场网络结构图
3.2 GPRS 采集模式的优点
（1）采集可靠性。两级网络均采用专用的通信网络，确保了数据传输的稳定性和可靠性 。电力局各变电所、电厂关口电能量采集信息系统和现场用电管理系统均采用这种模式，历年来的一次采集数据完整率和月累计数据完整率均超过98.5％。
（2）能较好适应智能电网的发展要求。 国家电网公司智能电网十二五规划已明确了基于电力线的三网融合光纤入户的具体要求，该采集模式就是基于上述技术要求建设的，能较好地满足低压配电网智能用电的发展要求。
（3）组网的灵活性高。由于采集终端和主站之间的网络选择不会影响采集侧的组网模式，因此在电力线复合光纤网未覆盖前可以先选择GPRS 公网通道，光纤网建设完成后可实现灵活切换，避免重复建设。
3.3 有線采集模式的缺点
（1）不宜在采集点分散区域推行。这种集抄模式非常适合集中装表社区，每路RS485 总线能带32 块电能表，现场建设工程量少，检修运维方便。由于每只采集器拖带的采集点数量较大，可降低通信成本。但在电能表安装较为分散的区域，则现场布线工程量大，且受 RS485 传输距离限制。此外，采集器拖带电能表较少也会造成通信成本增加。
（2）建设成本和运行维护成本较高。如采用光纤网络，建设成本将远高于其它集抄模式。
4结语
根据国家电网公司智能电网十二五规划的要求，宿迁电网要努力加快实现对低压配电网客户计量装置的全采集、全覆盖、全费控。宿迁地理环境较为复杂，城区和农村的住房结构和分布、配电网供电质量、移动公网信号强弱分布等方面差异较大。同时，目前3种主流采集模式都存在自身的技术瓶颈。因此，只采用一种采集模式来开展低压配电网客户用电信息采集系统的建设有较大的局限性。此外，城区和农村的需求侧管理也存在差异，城区对智能用电有较高的需求，而农村需求主要体现在周期性远程自动抄表上，因此区域性低压配电网用电采集系统的建设必须根据区域需求的差异化，结合环境特点、建设和运行维护成本，以多种采集模式互补的形式来开展。 结合宿迁低压配电网的实际特点，较为合理的低压配电网用电信息采集系统建设模式是：以 GPRS 采集器模式为主要采集模式，满足采集点集中、布线简单区域（城区和中心集镇）的数据采集，以小功率无线和电力载波模式作为补充形式，以满足采集点分散、布线困难区域（山区、农村）的数据采集。
参考文献：
[1]刘振亚. 智能电网技术 [ M ]. 北京:中国电力出版社,2010.
[2]戚佳金,陈雪萍,刘晓胜.低压电力线载波通讯技术研究[ J ].电网技术,2010,34(5):161-172.
[3]胡爱国.基于以太网的远程抄表系统[ J ].电测与仪表.2004,41(7):50-51.
[4]高峰,吴培红.基于 GPRS 的电表集抄系统[ J ].电气应用,2005,24(6):54-56.
[5]戚佳金,刘晓胜,喻言,等.基于电力线通信网络的远程电能计量监控方法研究[J].电子器件,2006,29(4):1118-1122.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。