提高低压电力用户用电信息采集系统本地通信成功率的探讨.pdf

第 5 0卷总第 5 7 3期 2 0 1 3年第 9期 电测 与仪表 El e c t r i c al M e a s ur e m e nt& I n s t r u m e n t a t i o n Vo 1 5 0 No 5 7 3 S e p 2 01 3 提 高低 压 电力用户用 电信息 采集 系统本地通信成功率 的探讨 王新刚， 朱彬若， 王梦溪， 吴颖 ( 上海市电力公司电力科学研究院， 上海 2 0 0 4 3 7 ) 摘要： 提高低压电力用户用 电信息采集成功率 ， 关键在于提高采集系统本地通信成功率 。文章在分析了常用本 地通信方式及其特点的基础上 ， 对本地通信方式的组合应用进行深入研究 ， 讨论了三种较为合理的组合通信方 式 ， 结合现场使用情况 ， 分别针对每种组合通信方式阐述 了提高通信成功率的方法 ， 明确了实际使用范 围， 并提 出了一些工程实施建议 。 关键词： 用 电信息采集 ； 集中器 ； 采集器 ； 本地通信 中图分类号 ： T M7 1 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 3 ) 0 90 0 1 7 0 4 S t u dy o n Lo c a l Co m mun i c a t i o n I mpr o v e me nt o f Lo w- Vo l t a g e Po we r Us e r El e c t r i c En e r g y Da t a Ac q ui s i t i o n Sy s t e m W ANG Xi n g a ng，ZHU Bi n一 1 3 1 0，W ANG Me n g x i ，W U Yi n g ( E l e c t r i c P o w e r T e c h n i c a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S ME P C， S h a n g h a i 2 0 0 4 3 7 ，C h i n a ) Abs t r a c t： Th e k e y t o i mp r o v e l o w- - v o l t a g e p o we r u s e r e l e c t r i c e n e r g y d a t a a c q u i s i t i o n i s i mp r o v i n g t h e l o c a l e o mmu n i - - c a t i o n o f d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mBa s e d o n a n a l y z i n g t h e f e a t ur e s o f t h e g e n e r a l l o c a l c o mmu n i c a t i o n，c o mb i ne d a p p l i c a t i o n o f l o c a l c o mmu n i c a t i o n i s d e e p l y d i s c u s s e d，a n d t h r e e r e a s o n a b l e c o mb i n e d c o mmun i c a t i o n mo d e s a r e s u g g e s t e dCo mbi n e d wi t h o n s i t e u s e，t h e me t h o d t o r a i s e t he c o mmu n i c a t i o n S U C C E S S r a t e o f e a c h mo d e i s e l a b o r a t e d，t he i ns t a l l a t i o n r a n g e i s c l a r i fie d，a nd s e v e r a l s u g g e s t i o n s f o r c o ns t r uc t i o n a r e p r o p o s e d Ke y wor ds： e l e c t r i c e n e r gy d a t a a c q ui s i t i o n，c o n c e n t r a t o r，a c q u i s i t i o n u n i t ，l o c a l c o mmu n i c a t i o n 0 引 言 为构建智能用 电服务体 系， 实现 营销 管理 的现 代化运行和营销业务 的智能化应用 ， 国家 电网公 司 已全面推进用 电信息采集 系统的建设 ， 其 总体 目标 是实现“ 全覆盖 、 全采集 、 全预付费” 。用电信息采集 的关键在于通信 ， 目前用 电信息采集 系统 的布局一 般都采用主站 、 采集终端 、 电能表的三层结构 。从 整个系统来看 ， 其 数据采集成 功率仍未达到 1 0 0 ， 离“ 全采集” 的 目标还存在一定的差距 ； 另外 ， 主站与 电能表之间命令响应的实时性较差 ， 很难实现“ 全预 付费” 的 目标。因此 ， 采集 系统需 要加强通信建设 ， 从合理性 、 经 济性及可行性等方 面找到最佳 的通 信 方案 。 目前 ， 主 站 与采 集 终 端 之 间 的通 信 普 遍 采 用 G P R S 、 2 3 0 MH z 无线专网 、 以太网及光纤等方式 ， 通信 可靠性和稳定 性较高 ， 而且现有较为成熟 的技术 已 基本能够满足数据传输 的需要 ， 一般 不会 影响采集 成功率和通信实时性 ； 而采集终端 与电能表之 间 一 般采用一对多的本地通信解决方案 ， 通过一种资 金投入较低的本地信道方式将大量的电力用户信息 集中， 再进行远程传输到系统主站 ， 主要有 R S 4 8 5总 线 、 低压 电力线载波 、 微功率 ( 短距离) 无线和塑料光 纤等方式 ， 其 中 R S 4 8 5总线、 低压电力线载波和微功 率无线是 目前应用最广泛的本地通信方式。由于本 地通信环境噪声大 、 干扰严重， 提高用 电信息系统采 集成功率 的关键在于提高本地通信 的成功率。每种 本地通信方式都有 自身的特点和适用范 围， 如果 不 能根据实际使用环境合理地规划 本地通信方式 ， 会 使得本地通信成功率 和效率 明显 下降 ， 最终影 响整 个台区的采集成功率。本文在分析了常用 的本地通 信方式特点的基础上 ， 探讨 了本 地信道的组合应用 方式以提高本地 通信成功率 ， 并 提出了一些 T程实 一 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第5 O卷总第 5 7 3期 2 0 1 3年第 9期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I ns t r u me n t a t i o n VO 1 5 0 NO 5 7 3 S e p 2 0 1 3 施 建议 。 1 常用本地通信方式 1 1 R S 4 8 5总 线 R S 4 8 5总线通信方式是 目前智能电表应用最广 泛的本地通信方式之一_ 3 J ， 抗 噪声干扰性好 ， 具有较 好的通信可靠性和较高 的通信波特率 ， 后期维护量 较少。R S 4 8 5总线通信距离可达到 1 2 0 0 m左右 ， 但 与通信波特率成反 比， 为了达到理想 的通信距 离， 主 要采用的通信波特率为 1 2 0 0 4 8 0 0 b p s 。 R S 4 8 5总线的标准敷设方式是总线型拓扑结构 ， 其主控设备与多个从控形成手牵手 的菊花链连接方 式 ， R S 4 8 5总线的敷设对线材选择 、 布线工艺 、 阻抗匹 配及接地的要求较高， 加大 了现场施工 的难度和成 本。而且 ， 一旦 R S 4 8 5总线 中某个节点 发生故 障或 接线错误 ， 对其排查的工作量较大。 1 2电力线载 波 电力线载波通信是 电力 系统特有 的通信方式 ， 利用现有的低压 电力线作为通信载体实现信息双向 传输 ， 其最大的特点在于无需另外铺设通信线路 ， 安 装方便。通过 电力线载 波通信 ， 可 以方便地将 电力 通信 网络延伸到低压用户侧 ， 实现对用 户用 电信 息 的采集和控制 ， 而且适应性好 。然而， 电力线存在信 号衰减大 、 噪声源多且干扰强、 受负载特性影响大等 问题， 对通信的可靠性形成一定的技术障碍， 对载波 组网技术的要求较高。 电力线载波通信系统可分 为宽带和窄带两种形 式 J 。宽带电力线载波系统工作在 1 4 0 MH z 频率 范 围内， 可较好地避开配 电网 k H z频段的常规低频 干扰 ， 数据传输速率较高 ， 但 由于高频信号在低压 台 区电力线上 的衰减 快， 常规传 输距离一般 在 2 0 0 3 0 0 m， 目前工程上仍较少应用 ； 窄带电力线载波系统 工作在 35 0 0 k H z频率范围 内， 容易受 台区噪声干 扰的影响， 数据传输速率较低 ， 但传输距离较宽带 电 力线载波远 ， 最大可达 l O 0 0 m以上 ， 目前在现场已大 规模应用 ， 本文讨论的 电力线载波特指窄带 电力线 载波。 1 3微 功 率无 线通信 微功率无 线抄表 近几 年发展 起来 的一 门新技 术 ， 其工作频段为 4 7 05 1 0 MH z 。与电力线( 窄带) 载波技术相 比， 微功率无线 同样具有安装施 工便捷 ， 无需另外铺 设通信线路等优点 ； 同时还具有不受 电 网中高强度噪声干扰 、 不受 电网拓扑结构及 负载波 动的影响， 且通信速率较高； 结合 自动组网和 自动路 一 l 8 一 由技术 ， 传输距离可 以覆盖整个台区 J 。然而， 微功 率无线组 网技术需要足够 的节点进行信号 中继 ， 而 信号的传输距离受障碍物的影响很大， 实际应用中 往往需要多条路径才能保证数据 的可靠传输 ， 导致 该技术运行维护费用高， 可靠性较差 ， 受外界条件干 扰大， 同时， 信息安全性也是该技术急需解决 的 问题。 2 本地通信方式组合应用 受技术条 件及 现 场使 用 环境 限制 ， 单 一 的使 用 R S 4 8 5总线 、 低 压 电力线 载波 和微 功率 无线 很 难达到理 想 的效 果 。R S 4 8 5总 线虽 然 比较稳 定 、 可靠 ， 但需 要集 中装表或敷设通信 线路 ， 受信 号反 射 、 总线拓扑和负载的影响 ， 其传输距 离和带 载 能 力存在一定 的 限制 ， 很难 实现 整个 台区用 电信息 的全采集 ； 低 压 电力 线 载波 和微 功率 无线 都 需要 电能表支持 相应 的通信 方式 ， 现有 的 电能 表 如果 不具备相应 的通信方式则无 法直接采 集 ， 另外 ， 以 后更换电能表时对通信的兼容性要求较高 ， 后期 维护成本也较 R S 4 8 5方 式 高 。因此 ， 在 用 电信 息 采集 系统建 设 过程 中 ， 本地 通信 信道 应 更 多的 采 用组合通信方 式 ， 如 图 1所示 。 用 电信息采集系统主站 GP R S 光纤， 以太网等 集中器 竺! ! 4 8 5 采集器 I 一 l RS 4 8 5 l R S 4 8 5 k - l 电 能 表 l 采集器 I RS 4 8 5 无线采集器 1 一 I R S 4 8 5 R S 4 8 5 I l 载波电l l R S 4 8 5 电能表 I I能表1 I 电能表 图 1 用 电信 息采集 系统 结构框 图 Fi g 1 S t r uc t u r e o f e l e c t r i c e n e r g y d a t a a c q u i r e s y s t e m 2 1 两层 R S 4 8 5总 线方式 R S 4 8 5通信是一种较为成熟的通信技术 ， 具备传 输速率高、 通信稳定性好、 后期维护少等一系列优点， 是本地通信应该优先采用的方式。但 R S 4 8 5的传输距 离和带载能力受技术条件及环境因素限制 ， 集中器每 个 R S 4 8 5通信 口一般只能采集 3 2块电能表， 按每台集 中器两路 R S 4 8 5抄表口计算 ， 每台集 中器只能采集 6 4 块电能表的信息 ， 远远不能满足一般台区的采集需求。 因此， 可以采用两层 R S 4 8 5总线的通信方式 ， 其结构如 图 2所示 ， 第一层用于集中器与采集器之间的通信， 第 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 O卷总第 5 7 3期 2 0 1 3年第 9期 电测与仪表 El e c t r i c a l n e a s u r e m e n t& I n s t r u m e n t at i o n V0 I 5 O No 5 7 3 S e p 2 01 3 图 2 两层 R S 4 8 5总线方式 结构 图 Fi g 2 S t r u c t u r e o f do u b l e RS 4 8 5 b us 二层用于采集器与电能表之间的通信。每层R S 4 8 5 都 可以实现对 3 2个节点信息的采集 ， 两层 R S 4 8 5可以实 现 1 0 2 4块 电能表信息的采集， 按每台集 中器两路 R S 4 8 5抄表口计算 ， 每台集 中器能够采集 2 0 4 8块 电能 表的信息 ， 既能满足大多数台区的采集需求 ， 又能充分 利用 R S 4 8 5通信的优势。 两层 R S 4 8 5总线的通信方式适用于： ( 1 ) 高层房型中配电站安装在地下室的小区； ( 2 ) 高层 房型 中配电站安装在地面之上且非居 民电能表均集中安装在高层楼宇配电间的小区。 需要注意 的是 ， 要 实现两层 R S 4 8 5总线方式 的 一 个必要条件 是采集器具备两路 R S 4 8 5通信 口， 且 支持 与 集 中器 通 信 的相 关 协 议。国 家 电 网公 司 3 7 5 3 2 0 0 9采集器型式规 范对 I 型采集 器的两路 R S 4 8 5通信 口做 了规定 ， 其 中一路 为 R S 4 8 5抄表 口， 另一路为 R S 4 8 5维护 口， 并不具备 与集 中器直接通 过 R S 4 8 5通信的能力 。因此 ， 需要对 I 型采集器 的 R S 4 8 5维护 口扩展 D L T 6 4 5电能表通信协议 ， 使 其能够识别并转发集 中器下发 的采集命令 ， 从而实 现两层 R S 4 8 5总线通信方式 。 2 2半载 波通 信 方式 半载波通信方式是指采集系统本地通信采用 电 力线载波和 R S 4 8 5总线相结合 的通信方式 ， 集 中器 与采集器之间通过 电力线 载波通信 ， 采 集器与 电能 表之间通过 R S 4 8 5总线通信 。半载波通信方式是 目 前采集系统建设过程中普遍采用的一种本地通信方 式 ， 其优点在于利用现有 R S 4 8 5总线 的高效率和高 可靠性 ， 同时节省 了楼 与楼 之间敷设 R S 4 8 5总线 的 丁程施工 ， 通过 电力线 载波可 以实现整个 台区用 电 信息的采集。 半载波通信方式适用于 ： ( 1 ) 多层 ( 6层及以下 ) 和中高层 ( 79层 ) 房型 的小 区； ( 2 ) 高层( 1 0层及以上) 房型中配电站安装在地面 上且非居民电能表安装在高层楼宇之外区域的小区； ( 3 ) 别墅及散户住宅 。 由于电力线载波通信性能受 电网噪声影 响而下 降， 通信距离受电网结构和负载影响而减少， 使得电 力线载波通信必须采取有效 的技术手段提高通信成 功率。电力线载波通信的关键在于有效组网， 对于 相电压耦合 的载波方案来说 ， 有效组 网需要有足够 多的同相 中继节点 。因此 ， 为提高 电力线载波通信 成功率 ， 可采取下列措施 ： ( 1 ) 采集器安装在电力线的 同一相上。为了使 采集器发挥 中继节点 的作用 ， 分支线 路 的所有采集 器最好安装在 同一相上 ， 如果 现场无法识别线路 的 相位 ， 可通过现场监控载波上一节点 发出的信号来 确定本节点 的安装位置。这种方法虽然前期调试 的 工作量 比较大 ， 但调试完成后采集 的效果 比较稳定 ， 通过集 中器路 由的 自学 习算法 ， 可以建立 比较稳定 的路由信息表 ， 提高采集效率和成功率。 ( 2 ) 在关键节点加装 中继器。当线路分支较多 或实际情况 比较复杂 ， 如 两个 载波节点之间既有地 埋 电缆 ， 又有架空线时 ， 仅仅依靠采集器 自身作 为中 继节点 已无法满足信号 的有效传输 ， 这时需要在关 键节点加装单相或三相中继器 以提高信号增益。但 由于中继器的安装 、 维护比较麻烦 ， 只有当采集器功 率无法达到中继要求时才考虑加装中继器。 2 3半无 线通信 方式 半无线通信方式与半载波通信方式类似， 是指采 集系统本地通信采用微功率无线和 R S 4 8 5总线相结合 的通信方式 ， 集 中器与采集器之问通过微功率无线通 信， 采集器与电能表之间通过 R S 4 8 5总线通信。与半 载波通信方式相 比， 半无线通信方式在建设成本和现 场施工方面具有相同的优势， 另外 ， 半无线通信方式还 避免了电网噪声干扰 、 拓扑结构及负载波动等因素造 成的影响。但 由于微功率无线技术用于用电信息采集 的时间还比较短， 功能和技术标准仍没有细化， 目前只 有少数省市进行了比较大规模 的使用。 半无线通信方式 以其 自身独有 的特 点 ， 可用 于 对其他通信方式的补充 。无论是两层 R S 4 8 5总线还 是半载波通信方式 ， 都可能存在孤岛的情况 ， 而且这 类孤岛基本 都 由于有线通信方式 的局 限性 而产生 ， 利用半无线通信作 为中继 ， 可 以实现 对孤岛 的信息 采集 ， 如图 3所示。空间距 离很短 的两个采集点 ， 电 气线路 的距离可能 比较长 ， 导 致两个 采集 点 之 间载 一 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 0卷总第 5 7 3期 2 0 1 3年第 9期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e n t& I n s t r u me n t a t i o n Vo J 5 O NO 5 7 3 S e p 2 01 3 i I 骂 图3半无线中继通信方式 F i g 3 Re l a y c o mmu n i c a t i o n o f mi c r o p o w e r wi r e l e s s s y s t e m 波无法通信 ， 此时可利用半无线通信方式进行 中继， 将两段独立 的 R S 4 8 5总线通过微 功率无 线建立 连 接 ， 实现信道的连续性 。 3 本地组合通信方式比较 上述三种本地组合通信 方式各具特色 ， 在现场 都有广泛 的应用 ， 现从性能指标 、 安装维护 、 经济成 本等方面进行 比较 ， 结果列于表 1 。在施工条件及建 设成本允许的前提下 ， 应优先采用两层 R S 4 8 5总线 方式 ， 否则可根据实际情况选 择半载波或半无线通 信方式 ， 其中半 无线通信方式 还可作为其他两种组 合通信方式的补充。 表 1 本地组合通信方式比较 Ta b 1 Co mp a r i s o n o f c o mbi n e d l o c a l c o mmun i c a t i o n 4 结束语 用电信息采集 系统建设 过程 中， 本 地通信信道 的规划与建设尤为重要 ， 要综合考虑前期建设成本 、 安装维护工作量及后续业扩需求等多方 面因素。本 地通信的可靠性将直接关 系到采集系统 的采集成功 率 ， 从工程技术而言 ， 本地通信还存在一定的上升空 间。在现场施工 比较 ， 总结使用效果的基础上 ， 本文 提出了三种较 为可行 的组合通信方式 ， 并探讨 了提 高其通信成功率的方 法和一些工程 实施 建议 ， 供该 领域相关人员参考。 参 考 文 献 1 Q G D W 3 7 8 3 2 0 0 9 ， 电力用户用 电信息采集 系统设计导 则 ： 技 术方案设计导则 s 2 徐魁 ， 蒋踽瀛基于 G S M G P R S通信 的抄表系统 J 电力系统 自动化 ， 2 0 0 4， 2 8 ( 1 7 ) ： 9 49 6 XU Ku i ，J I ANG Yu - y i n g Th e Au t o ma t i o n Me t e r a n d Re a d i n g S y s t e m 一 20 一 B a s e d o n G S M G P R S C o mm u n i c a t i o n J A u t o ma t i o n o f E l e c t ri c P o w e r S y s t e m s ， 2 0 0 4 ， 2 8 ( 1 7 ) ： 9 4 9 6 3 刘建戈电能表 R S 4 8 5多系统通信 方式分析 与应用 J 电测与 仪表 ， 2 0 0 9， 4 6 ( 1 2 A) ： 9 91 0 1 J I ANG J i a n g e An a l y s i s o n Mu l t i ma s t e r C o mmu n i c a t i o n o f RS 4 8 5 a b o u t Wa t t h o u r M e t e r J E l e c t ri c a l Me a s u r e me n t I n s t r u m e n t a t i o n ， 2 0 0 9， 4 6 ( 1 2 A) ： 9 91 0 1 4 徐伟 ，王斌 ，姜元建低压 电力线载波通 信技术在用 电信 息采集 系统 中的应用 J 电测与仪表 ， 2 0 1 0 ， 4 7 ( 7 A)： 4 4 4 7 X U We i ， WA NG B i n ， J I A N G Yu a n j i a n P o w e r L i n e C a r r i e r C o mm u n i c a t i o n Te c h n o l o g y a n d I t s Ap p l i c a t i o n s i n E l e c t r i c E n e r g y Da t a Ac q u i s i t i o n S y s t e m J E l e c t ri c a l Me a s u r e m e n t I n s t rum e n t a t i o n ， 2 0 1 0， 4 7 ( 7 A) ： 4 4 4 7 5 马耀 辉 ， 朱青 ， 盛海波 ， 等基于 C C 1 1 1 0微功率无线采集器的设 计 J 计算机系统应用 ， 2 0 1 0 ，1 9 ( 4 ) ： 2 1 2 2 1 5 MA Y a o h u i ，Z HU Q i n g ，S H E N G Ha i b o ，e t a 1 D e s i g n o f Mi c r o p o w e r Wi r e l e s s C o l l e c t o r o n C C 1 1 1 0 J C o m p u t e r S y s t e m s A p p l i c a t i o n s ， 2 0 1 0， 1 9 ( 4 ) ： 2 1 22 1 5 ( 下转第 7 3页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m