论文部分内容阅读
摘要 本文通过对比的方式首先介绍了微功率无线技术在国内智能电网的应用优势，结合典型微功率无线抄表系统的组成和总体结构，简述了该技术成功应用必须解决的三个核心问题，并着重说明无线自组网协议是该技术发展的关键领域和突破口。在微功率无线技术与国内智能电网的融合发展上，说明了目前互联互通对提升该技术与电网业务融合的重要性和迫切性。
关键词 微功率无线 智能抄表 无线自组网
中图分类号：f626文献标识码： A
0、引言
智能电网的核心在于，构建具备智能判断与自适应调节能力的多种功能统一入网和分布式管理的智能化网络系统，采用最经济与最安全的输配电方式将电能输送给终端用户，实现对电能的最优配置与利用，提高电网运营的可靠性和能源利用效率。与以往AMR系统相比，AMI系统的发展对AMI系统的组网和通信能力提出了更高的要求。为了实现上述目标，一个能满足上述要求的本地通信网络是关键。
1、本地通信网络技术方案
综合评估现在市场上现有的本地通信网络的技术方案如下：
类型 支持速率 路由深度 工程难度 扩展状态 成本估算
无线 10kbps 8 安装简易 双向实时，支持互动 适中
窄带载波 <1200bps 31 现场调试复杂 随用电负载变化，不支持实时通信和互动 较低
宽带载波 200Mbps 无 无法覆盖散点 随用电负载变化，可支持实时互动 较高
RS485 9600bps 无 穿线困难 双向实时，支持互动 高
我们可以从用户需求以及整体方案等方面做进一步分析，并做出载波与无线两大类本地通信网络技术的对比，显示微功率无线通信的技术优势所在：
（1）能全面覆盖、全面实施预付费等增值功能。低压PLC通信网络的可靠性仅能勉强满足周期性抄表的要求，但完成实时性要求高的增值服务却很困难，而微功率无线通信网络的通信更可靠而且速率更快，因此单次抄表成功率更高，实时性更好。
（2）大规模实施能源信息采集系统时，应用环境非常复杂。对于低压PLC而言，电网的信号衰减、阻抗的时变性、干扰源多且强，会严重影响电力线载波通信的性能。而微功率无线通信能采用无线自组网的方式来保证通信环境的自适应能力。
（3）未来若干年的通信可靠性是AMI实施风险重点考虑的方面。对于低压PLC而言，当设备安装完毕，其所采用的载波技术就固化了，但电网的污染会向前发展，而过分规管和治理低压电力线上干扰数据通信的因素可能会不合理和不经济。对于微功率无线网络而言，现场运行的同频段的各种无线信号的传播范围较小，再加上调频等频率自适应机制，能避免单频点工作，从目前使用的效果来看，微功率无线网络作为下一代无线抄表技术已得到确认。
2、微功率无线抄表
与其他通信技术比较而言，微功率无线抄表的成功应用需要注意三个核心问题：一是低成本问题，由于无线自动抄表系统涉及到千家万户，其本身的成本直接影响用户的接受程度；其次是低功耗问题，绝大部分用户侧表计都需要以节能为优先，从而影响到网络通信技术和协议设计；最后是自组网问题，为了保证表计计量数据和控制中心命令及时准确的传输，可靠性和自愈能力也是无线自动抄表网络的重要要求。
在无线通信理论中，简单的点对点通信很难达到很好的区域覆盖，自组织MESH网络是网络节点能够根据环境的特征构建自组织成一个关联的网络，该网络能够实现在覆盖范围内电波的非视距的曲线传播，从而达到一定区域范围内的通信覆盖。综合而言，无线自组网MESH协议才是目前国内微功率无线发展的关键领域，该问题也是国内微功率无线设备在标准和应用上进行产业化大规模推广的主要突破口。
3、无线自组网
洪泛算法是最早、最简单的无线自组网路由协议。节点以广播的形式发送消息，接收到消息的节点再以广播形式转发数据包给所有的邻节点，这个过程重复执行，直到數据包到达目的地或者达到预先设定的最大跳数。层次型自组织算法是为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法，主要通过随机选择聚类首领、平均分摊中继通信业务来实现。以数据为中心的自组织算法的主要思想是，通过高层的描述方式—元数据来命名传感数据。在发送真实的数据之前，传感器节点广播采集数据的描述信息元数据，当有相应的请求时，才有目的地发送数据信息。以上算法均在无线传感器网络的自组织算法上取得不少进展，但均有不同程度的局限性，这说明无线自组网路由协议方面还有待进一步改进和完善。
图1 无线网络
4、微功率无线与国内电网应用的融合
国内对微功率无线通信技术在电网抄表业务上已经应用较多，比较典型的“持卡购电，远程下发购电信息”的业务模式对本地通信网络的应用需求可以概括如下：
（1）售电信息交互时效性：具备较高的售电信息交互成功率和及时性，提升客户享受购电服务的便捷性和可靠性，降低运行维护工作量。
（2）数据采集时效性：具备较高的通信稳定性和成功率，支撑各项业务的正常开展。
（3）安装调试的可操作性：安装调试尽量简单，提升施工可操作性，确保工程质量和进度。
（4）运行过程的易维护性：具备较高的可维护性，减少外界因素的影响，现场排查和故障处理工作技术简单易操作，降低技术门槛，确保今后运行维护工作的可实施性。
（5）各类环境的普遍适用性：具备对各类低压台区，各类建筑结构的普遍适用性。
（6）对台区线损管理的支撑能力：简化台区线损管理，辅助排查台区电源关系，及时跟踪台区电源关系的调整变化。
（7）对终端设备自动管理的支撑能力：支持报警信息、异动信息的主动上报，并能够辅助系统主站实现对基础信息的自动化管理。
由上能明确看到，微功率无线通信技术的优势可以有力支撑业务需求，但也要认识到，该技术在对各类环境的普遍适应等方面还有较多改进的地方，需要对微功率无线设备的频率自调整和自适应能力进行增强，并开展互联互通技术研究，提升对电力自动化的技术支持能力。
5、微功率无线的互联互通
目前国内的微功率无线应用在用电信息采集规模相对较小，现有无线设备运行效果均能基本满足电力相关业务的需求，而且其应用效果对硬件设备没有过多依赖，各个厂家产品的组网技术各具特色，具有相互融合统一的条件。从国内供电企业的角度来看，实现互联互通不仅能保证用电信息采集系统长期运行的可靠性和稳定性，也利于统一安装调试标准，提升现场工作标准化水平，提高工作效率。在电力资产管理方面，更可以减轻备品压力，降低库存，节约维护投入，提升微功率无线设备的利用水平。
为了有效的推进微功率无线设备的互联互通工作，需要严格执行国家无线电管理有关规定，依据国家电网公司用电信息采集和智能电能表技术标准，统一机械性能和电气性能等技术指标，统一空中帧格式，遵照OSI协议架构，规范物理层、MAC层、网络层和应用层的功能，实现表端模块对集中器功能的全兼容，实现频点自调整和频率自适应，并建立对应的检验测试体系，开展验证比对。
图2 微功率无线协议栈分层结构
6、结论
随着电力事业的发展，科学新技术已不断的渗透到我们工作的每一个环节，提高了我们的工作效率，增加了公司的效益水平。微功率无线通信在电力集抄方面的应用，支撑了供电企业相应的营业模式，优化了电力系统的营销流程，节省了劳动力、提高了工作效率，降低了低压线损率，实现了经济效益的最大化。但它目前总体上还是一种处于推广应用的新技术，需要更多的应用实践，因此加强管理、改进技术、不断完善是保证微功率无线通信技术继续向前发展的基础。
参考文献：
[1]陈博、徐建政、刘宵、基于Si4432的新型微功率无线抄表系统的设计、中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十六届学术年会暨中国电机工程学会电力系统专业委员会2010年年会，2010。
[2]赵成、杨凤海、微功率无线抄表技术的研究与应用、第一届智能化先进测量系统学术研讨会议论文集，2010。
作者简介：
齐火箭（1978-），男，电气工程及其自动化专业，大学本科学历，学士学位，高级工程师，现担任电能计量技术高级师，主要从事电能计量专业技术管理、质量监督等工作。
关键词 微功率无线 智能抄表 无线自组网
中图分类号：f626文献标识码： A
0、引言
智能电网的核心在于，构建具备智能判断与自适应调节能力的多种功能统一入网和分布式管理的智能化网络系统，采用最经济与最安全的输配电方式将电能输送给终端用户，实现对电能的最优配置与利用，提高电网运营的可靠性和能源利用效率。与以往AMR系统相比，AMI系统的发展对AMI系统的组网和通信能力提出了更高的要求。为了实现上述目标，一个能满足上述要求的本地通信网络是关键。
1、本地通信网络技术方案
综合评估现在市场上现有的本地通信网络的技术方案如下：
类型 支持速率 路由深度 工程难度 扩展状态 成本估算
无线 10kbps 8 安装简易 双向实时，支持互动 适中
窄带载波 <1200bps 31 现场调试复杂 随用电负载变化，不支持实时通信和互动 较低
宽带载波 200Mbps 无 无法覆盖散点 随用电负载变化，可支持实时互动 较高
RS485 9600bps 无 穿线困难 双向实时，支持互动 高
我们可以从用户需求以及整体方案等方面做进一步分析，并做出载波与无线两大类本地通信网络技术的对比，显示微功率无线通信的技术优势所在：
（1）能全面覆盖、全面实施预付费等增值功能。低压PLC通信网络的可靠性仅能勉强满足周期性抄表的要求，但完成实时性要求高的增值服务却很困难，而微功率无线通信网络的通信更可靠而且速率更快，因此单次抄表成功率更高，实时性更好。
（2）大规模实施能源信息采集系统时，应用环境非常复杂。对于低压PLC而言，电网的信号衰减、阻抗的时变性、干扰源多且强，会严重影响电力线载波通信的性能。而微功率无线通信能采用无线自组网的方式来保证通信环境的自适应能力。
（3）未来若干年的通信可靠性是AMI实施风险重点考虑的方面。对于低压PLC而言，当设备安装完毕，其所采用的载波技术就固化了，但电网的污染会向前发展，而过分规管和治理低压电力线上干扰数据通信的因素可能会不合理和不经济。对于微功率无线网络而言，现场运行的同频段的各种无线信号的传播范围较小，再加上调频等频率自适应机制，能避免单频点工作，从目前使用的效果来看，微功率无线网络作为下一代无线抄表技术已得到确认。
2、微功率无线抄表
与其他通信技术比较而言，微功率无线抄表的成功应用需要注意三个核心问题：一是低成本问题，由于无线自动抄表系统涉及到千家万户，其本身的成本直接影响用户的接受程度；其次是低功耗问题，绝大部分用户侧表计都需要以节能为优先，从而影响到网络通信技术和协议设计；最后是自组网问题，为了保证表计计量数据和控制中心命令及时准确的传输，可靠性和自愈能力也是无线自动抄表网络的重要要求。
在无线通信理论中，简单的点对点通信很难达到很好的区域覆盖，自组织MESH网络是网络节点能够根据环境的特征构建自组织成一个关联的网络，该网络能够实现在覆盖范围内电波的非视距的曲线传播，从而达到一定区域范围内的通信覆盖。综合而言，无线自组网MESH协议才是目前国内微功率无线发展的关键领域，该问题也是国内微功率无线设备在标准和应用上进行产业化大规模推广的主要突破口。
3、无线自组网
洪泛算法是最早、最简单的无线自组网路由协议。节点以广播的形式发送消息，接收到消息的节点再以广播形式转发数据包给所有的邻节点，这个过程重复执行，直到數据包到达目的地或者达到预先设定的最大跳数。层次型自组织算法是为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法，主要通过随机选择聚类首领、平均分摊中继通信业务来实现。以数据为中心的自组织算法的主要思想是，通过高层的描述方式—元数据来命名传感数据。在发送真实的数据之前，传感器节点广播采集数据的描述信息元数据，当有相应的请求时，才有目的地发送数据信息。以上算法均在无线传感器网络的自组织算法上取得不少进展，但均有不同程度的局限性，这说明无线自组网路由协议方面还有待进一步改进和完善。
图1 无线网络
4、微功率无线与国内电网应用的融合
国内对微功率无线通信技术在电网抄表业务上已经应用较多，比较典型的“持卡购电，远程下发购电信息”的业务模式对本地通信网络的应用需求可以概括如下：
（1）售电信息交互时效性：具备较高的售电信息交互成功率和及时性，提升客户享受购电服务的便捷性和可靠性，降低运行维护工作量。
（2）数据采集时效性：具备较高的通信稳定性和成功率，支撑各项业务的正常开展。
（3）安装调试的可操作性：安装调试尽量简单，提升施工可操作性，确保工程质量和进度。
（4）运行过程的易维护性：具备较高的可维护性，减少外界因素的影响，现场排查和故障处理工作技术简单易操作，降低技术门槛，确保今后运行维护工作的可实施性。
（5）各类环境的普遍适用性：具备对各类低压台区，各类建筑结构的普遍适用性。
（6）对台区线损管理的支撑能力：简化台区线损管理，辅助排查台区电源关系，及时跟踪台区电源关系的调整变化。
（7）对终端设备自动管理的支撑能力：支持报警信息、异动信息的主动上报，并能够辅助系统主站实现对基础信息的自动化管理。
由上能明确看到，微功率无线通信技术的优势可以有力支撑业务需求，但也要认识到，该技术在对各类环境的普遍适应等方面还有较多改进的地方，需要对微功率无线设备的频率自调整和自适应能力进行增强，并开展互联互通技术研究，提升对电力自动化的技术支持能力。
5、微功率无线的互联互通
目前国内的微功率无线应用在用电信息采集规模相对较小，现有无线设备运行效果均能基本满足电力相关业务的需求，而且其应用效果对硬件设备没有过多依赖，各个厂家产品的组网技术各具特色，具有相互融合统一的条件。从国内供电企业的角度来看，实现互联互通不仅能保证用电信息采集系统长期运行的可靠性和稳定性，也利于统一安装调试标准，提升现场工作标准化水平，提高工作效率。在电力资产管理方面，更可以减轻备品压力，降低库存，节约维护投入，提升微功率无线设备的利用水平。
为了有效的推进微功率无线设备的互联互通工作，需要严格执行国家无线电管理有关规定，依据国家电网公司用电信息采集和智能电能表技术标准，统一机械性能和电气性能等技术指标，统一空中帧格式，遵照OSI协议架构，规范物理层、MAC层、网络层和应用层的功能，实现表端模块对集中器功能的全兼容，实现频点自调整和频率自适应，并建立对应的检验测试体系，开展验证比对。
图2 微功率无线协议栈分层结构
6、结论
随着电力事业的发展，科学新技术已不断的渗透到我们工作的每一个环节，提高了我们的工作效率，增加了公司的效益水平。微功率无线通信在电力集抄方面的应用，支撑了供电企业相应的营业模式，优化了电力系统的营销流程，节省了劳动力、提高了工作效率，降低了低压线损率，实现了经济效益的最大化。但它目前总体上还是一种处于推广应用的新技术，需要更多的应用实践，因此加强管理、改进技术、不断完善是保证微功率无线通信技术继续向前发展的基础。
参考文献：
[1]陈博、徐建政、刘宵、基于Si4432的新型微功率无线抄表系统的设计、中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十六届学术年会暨中国电机工程学会电力系统专业委员会2010年年会，2010。
[2]赵成、杨凤海、微功率无线抄表技术的研究与应用、第一届智能化先进测量系统学术研讨会议论文集，2010。
作者简介：
齐火箭（1978-），男，电气工程及其自动化专业，大学本科学历，学士学位，高级工程师，现担任电能计量技术高级师，主要从事电能计量专业技术管理、质量监督等工作。