崔凱翔

摘要：從電力信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及業(yè)務(wù)采集過(guò)程中引入無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用的依據(jù)，并分析無(wú)線儲(chǔ)能技術(shù)數(shù)據(jù)丟失的規(guī)律。根據(jù)電力信息采集系統(tǒng)的特點(diǎn)，從節(jié)約成本、提升效率的角度提出應(yīng)用微功率無(wú)線通信、低壓窄帶電力線載波、低壓寬帶電力線載波三種本地信道通信方式。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信;信道;電力信息采集;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）33-0187-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，智能電網(wǎng)建設(shè)不斷推進(jìn)，電力無(wú)線通信技術(shù)也取得巨大的進(jìn)步。與此同時(shí)，用戶對(duì)電力的業(yè)務(wù)需求越來(lái)越多。通信網(wǎng)絡(luò)的性能在一定程度上決定是否能為用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，如電力信息采集業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)可靠性關(guān)鍵的因素之一便是通訊網(wǎng)絡(luò)性能的好與壞。而建設(shè)用電信息采集系統(tǒng)又是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的必然要求，在實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與客戶雙向互動(dòng)，承擔(dān)起用電信息自動(dòng)采集、高效共享和實(shí)現(xiàn)監(jiān)控等重要的任務(wù)，可以有效改變過(guò)去長(zhǎng)期無(wú)法及時(shí)、完整、準(zhǔn)確掌控電力用戶信息的落后局面，在系統(tǒng)各層面上滿足用戶的需求，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)公司管理現(xiàn)代化，進(jìn)一步提升服務(wù)能力等方面具有跨越性的歷史意義。

一、電力信息采集系統(tǒng)

電力信息采集業(yè)務(wù)是對(duì)用戶的用電信息進(jìn)行采集、監(jiān)測(cè)和處理，實(shí)現(xiàn)用戶用電信息計(jì)量異常監(jiān)測(cè)以及用戶用電信息采集、分析和管理，同時(shí)也讓電能質(zhì)量被實(shí)時(shí)監(jiān)控等，在用戶服務(wù)、市場(chǎng)管理、電費(fèi)實(shí)時(shí)結(jié)算等多方面提供實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)。

電力用電信息采集系統(tǒng)分主站層、通信信道層和采集設(shè)備層三層。[1]主站與其他應(yīng)用系統(tǒng)和公網(wǎng)信道是由防火墻分離開(kāi)來(lái)，單獨(dú)組網(wǎng)。在主站層里有前置采集平臺(tái)、營(yíng)銷采集業(yè)務(wù)應(yīng)用以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理三部分組織。前置采集平臺(tái)管理和調(diào)查各種與終端的遠(yuǎn)程通信;營(yíng)銷采集業(yè)務(wù)應(yīng)用讓系統(tǒng)的各部分應(yīng)用功能得到充分得到充分發(fā)揮;數(shù)據(jù)庫(kù)管理實(shí)現(xiàn)用電終端的用電信息有效管理，并擔(dān)負(fù)起協(xié)議解析職責(zé)。實(shí)現(xiàn)這三種功能，需要由前置采集服務(wù)器、營(yíng)銷系統(tǒng)服務(wù)器以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成主站網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)。采集設(shè)備層的主要任務(wù)是收集和提供整個(gè)系統(tǒng)的原始用電信息，是整個(gè)系統(tǒng)的底層，又分為計(jì)量設(shè)備層、終端子層兩個(gè)子層，分別負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和數(shù)據(jù)輸出和收集用戶計(jì)量設(shè)備的信息、處理和凍結(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)與上層主站的交互等。而主站層和采集設(shè)備層之間的最重要使是通信信道，為主站和終端信息交互提供平臺(tái)。目前有230MHz電力無(wú)線專網(wǎng)、GPRS/CDMA無(wú)線公網(wǎng)以及光纖專網(wǎng)等通信信道，而無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用更能滿足系統(tǒng)需要，其可靠性和穩(wěn)定性成了當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

用電信息釆集系統(tǒng)主要有五大功能，分別是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)接口、運(yùn)行維護(hù)管理、數(shù)據(jù)管理及控制和綜合應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集主要是根據(jù)業(yè)務(wù)要求編制自動(dòng)采集任務(wù)，例如任務(wù)類型和名稱、采集周期和群組、正常補(bǔ)采次數(shù)以及執(zhí)行優(yōu)先級(jí)等信息，對(duì)任務(wù)執(zhí)行情況進(jìn)行管理;系統(tǒng)接口主要是與其他應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行連接;運(yùn)行維護(hù)管理功能是對(duì)密碼、權(quán)限、檔案、通信與路由、終端、運(yùn)行狀況、故障記錄、報(bào)表等方面的內(nèi)容進(jìn)行有效管理;數(shù)據(jù)管理及控制功能包括對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算、檢查、分析、存儲(chǔ)等內(nèi)容進(jìn)行管理以及對(duì)電量、功率、費(fèi)率、電纜催收等內(nèi)容進(jìn)行控制;綜合應(yīng)用功能主要是提供異常用電分析、有序用電管理、自動(dòng)抄表管理、用電分析、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等服務(wù)。用電信息采集首先由主站對(duì)集體終端進(jìn)行對(duì)時(shí)，統(tǒng)一時(shí)間后終端進(jìn)行采集工作狀態(tài)，按設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行定時(shí)抄表、存儲(chǔ)并通過(guò)無(wú)線信道傳數(shù)據(jù)到后臺(tái)，如無(wú)線信道不穩(wěn)定時(shí)，后臺(tái)會(huì)自動(dòng)再次生成相應(yīng)的補(bǔ)救命令追補(bǔ)數(shù)據(jù)，最后后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。整個(gè)采集過(guò)程，業(yè)務(wù)通信具有整點(diǎn)時(shí)刻定時(shí)抄表，重傳補(bǔ)數(shù)的特點(diǎn)，保證在業(yè)務(wù)通信失敗的情況下還可以再次重新傳采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息采集可靠性。

二、無(wú)線通信信道技術(shù)特點(diǎn)與數(shù)據(jù)丟失規(guī)律分析

1.無(wú)線通信信道技術(shù)的特點(diǎn)

利用信道的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行分析是無(wú)線通信信道技術(shù)的重要特征之一。無(wú)線通信信道分為小尺度衰落和大尺度衰落兩種衰落大體。小尺度傳播是指信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)瞬間產(chǎn)生的變化，而大尺度傳播指的是在相關(guān)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)信號(hào)平均功率的變化。信道的相位、振幅會(huì)受到多徑傳播和多普勒頻移兩者的影響，產(chǎn)生信號(hào)頻散和時(shí)間選擇性衰落。衰落也根據(jù)大小將小尺度衰落分為選擇性頻率衰落和平坦衰落。在電力系統(tǒng)無(wú)線通信應(yīng)用中通常有如高斯噪聲、白噪聲、窄帶高斯噪聲等多種噪聲陪隨著信號(hào)的傳輸，短時(shí)衰減是他們其中最大的特點(diǎn)，最大可以達(dá)到60～70dB。無(wú)線通信信道技術(shù)噪聲有突發(fā)性的脈沖噪聲、自然噪聲、同步周期性脈沖的噪聲、異步周期性脈沖的噪聲。突發(fā)性的脈沖噪聲顧名思義是指網(wǎng)絡(luò)上開(kāi)關(guān)的操作或者發(fā)生閃電時(shí)產(chǎn)生一系列脈沖噪聲影響到非常寬的頻帶，以致脈沖噪聲密度比背景噪聲的功率譜密度高出50dB;自然噪聲即是指如閃電、雷擊、電焊等自然界各種各校的電磁波造成的自然噪聲;同步周期性脈沖的噪聲是電力設(shè)備按照50Hz或者100Hz來(lái)工作的頻率產(chǎn)生的脈沖，功率隨頻率增加而減少;異步周期性脈沖的噪聲是由于大功率電器的開(kāi)關(guān)發(fā)生周期星的開(kāi)閉動(dòng)作導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生，重復(fù)率主要集中50～200范圍之內(nèi)。

2.電力無(wú)線通信數(shù)據(jù)丟失規(guī)律

不同地區(qū)電力負(fù)荷的特性不同，影響電力負(fù)荷的因素也不完全相同。[2]電力用電信息采集業(yè)務(wù)的主要任務(wù)是對(duì)居民用電信息進(jìn)行采集與監(jiān)控，無(wú)線通信往往會(huì)受到電磁干擾的影響。對(duì)用電信息采集無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，指在根據(jù)電磁干擾造成數(shù)據(jù)丟失規(guī)律，結(jié)合信息采集業(yè)務(wù)的應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)，調(diào)整選用合適的控制策略，以保證用信息采集業(yè)務(wù)的可靠性。分析數(shù)據(jù)丟失規(guī)律，首先要統(tǒng)計(jì)出24小時(shí)內(nèi)居民用電負(fù)荷與時(shí)間的關(guān)系特性，并結(jié)合用電負(fù)荷量得出階梯獎(jiǎng)業(yè)務(wù)量模型，再根據(jù)模式作出規(guī)律性變化分析。

在統(tǒng)計(jì)電力用戶用電負(fù)荷狀況時(shí)，節(jié)選廣州某居民區(qū)生活和工作用電負(fù)荷24小時(shí)規(guī)律變化為例，通過(guò)采樣、統(tǒng)計(jì)、整理得出一天內(nèi)的用電負(fù)荷曲線，如圖1所示：

其中，負(fù)荷比值=瞬時(shí)負(fù)荷量/24小時(shí)平均負(fù)荷量。由圖1可以看出，01：00～05：00時(shí)間段為居民的休息時(shí)間，全天進(jìn)行用電量低谷;05：00～08：00時(shí)間段，居民起床、做飯、上班等，用電量略有所回升;08：00～12：00時(shí)間段為居民上班時(shí)間，使用各種電器設(shè)備，用電量明顯上升，而12：00～13：00為午餐午休時(shí)間，用電量隨著部分活動(dòng)的停止而呈小幅下降;13：00～18：00又進(jìn)入工作期間，用電量也相應(yīng)上升;18：00～20：00時(shí)間段是居民回家做飯時(shí)間，用電量逐漸增加;20：00～23：00時(shí)間是大多數(shù)人在家休息，如電視、空調(diào)等大功率電器大幅啟動(dòng)，多數(shù)娛樂(lè)場(chǎng)所也進(jìn)行一天的高峰，此時(shí)處于用電高峰期，在21：00附近進(jìn)入一天用電最高峰，隨后便有所下降，至24時(shí)多數(shù)居民已休息，用電量又逐漸步入一天的低谷。

電力無(wú)線通信數(shù)據(jù)丟失率與電磁干擾因素呈正相關(guān)關(guān)系，一般而已，電磁干擾因素越大，電力無(wú)線通信信道數(shù)據(jù)據(jù)丟失率就越大。結(jié)合居民用電負(fù)荷曲線，將一天分成五個(gè)時(shí)間段，依次為K23：00-6：00;K6：00-12：00;K12：00-18：00;K18：00-20：00;K20：00-23：00。五個(gè)時(shí)間段的居民用電量呈遞增趨勢(shì)，設(shè)20：00的用電負(fù)荷比值為K20：00，那么K20：00-23：00段的平均負(fù)荷比值為：

K20：00-23：00=（K20：00+K21：00+K22：00）/3

同理可求得其他四個(gè)時(shí)間段的平均負(fù)荷比值，可以得到五個(gè)級(jí)別的通信數(shù)據(jù)丟失率階梯模型，可以總結(jié)電力無(wú)線通信數(shù)據(jù)丟失規(guī)律是隨著用電量的變化而變化。在接入過(guò)程中應(yīng)當(dāng)充分根據(jù)此規(guī)律的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)不同的控制方式，從而最大限制提高無(wú)線資源的利用率。

三、無(wú)線通信技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

用電信息采集系統(tǒng)通信分為有線通信和無(wú)線通信。無(wú)線通信又分為無(wú)線專網(wǎng)和無(wú)線公網(wǎng)。一般而言，變電站采集終端采用有線的光纖通信方式，保證采集實(shí)時(shí)性強(qiáng);高壓客戶采用230 MHz專網(wǎng)或無(wú)線公網(wǎng)方式;而低壓客戶幾乎都是采用無(wú)線公網(wǎng)通信方式。由于居民用電信息采集中，一個(gè)公用配變電下有大量的電力用戶，而且具有用電容量小、計(jì)量點(diǎn)分散等特點(diǎn)，本地信道方式將大量的電力用戶信息集中再往系統(tǒng)主站傳輸是一個(gè)低成本的無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用方式。因此，用電信息采集系統(tǒng)無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用主要介紹微功率無(wú)線通信、低壓窄帶電力線載波、低壓寬帶電力線載波三種本地信道通信方式的應(yīng)用。[3]

微功率無(wú)線通信是指采用WSN（Wireless Sensor Networks）技術(shù)的無(wú)線通信方式。WSN是一系列微功率通信的總稱，綜合了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，通信微型傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)的感知和監(jiān)控，利用每個(gè)傳感器具有無(wú)線通信功能組建成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，非常適用于低成本、測(cè)量點(diǎn)多、范圍分散的低壓場(chǎng)合。應(yīng)用WSN技術(shù)克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)點(diǎn)無(wú)線傳輸模式的局限性，自組織性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性、網(wǎng)絡(luò)分布式特性等較為明顯，而且通信能力、抗干擾能力都比較強(qiáng)，無(wú)需要安裝，功耗低，具有很強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)。無(wú)線數(shù)據(jù)支持雙向傳輸，既可以上傳電能表的數(shù)據(jù)，又可以接收集中器下發(fā)的命令，還可以中繼來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。通信流程如圖2所示：

電能表通過(guò)無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)街欣^節(jié)點(diǎn)，并由集中器進(jìn)行處理。集中器下發(fā)命令數(shù)據(jù)，目標(biāo)無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)就會(huì)通過(guò)多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)收到命令，甚至可以直接收到，然后轉(zhuǎn)發(fā)給電能表。還也可以利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，將突發(fā)事件通過(guò)無(wú)線節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上傳到后臺(tái)，有效地實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控、防竊電。對(duì)于測(cè)量點(diǎn)相對(duì)分散、集中裝表、用戶負(fù)載變化大、載波不穩(wěn)定等場(chǎng)合非常適用。

低壓窄帶電力線載波通信指的是載波信息范圍限制在500kHz以內(nèi)的低壓電力線載波通信。配電線主要用于傳輸50Hz大功率電力，配電線連接各種設(shè)備將會(huì)影響到傳輸?shù)耐ㄐ判盘?hào)，特別是近年來(lái)變頻家用電器大量使用，對(duì)信道的穩(wěn)定性造成巨大的干擾，主要表現(xiàn)為阻抗不穩(wěn)定、噪聲顯著、信號(hào)衰減嚴(yán)重，并且這兩個(gè)因素隨著時(shí)間和頻率變化而變化。窄帶載波通信技術(shù)可以雙向傳輸，不再需要另外通信線路，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，而且具有容易安裝的特點(diǎn)，對(duì)于低壓用戶數(shù)據(jù)采集是個(gè)很好的應(yīng)用。但其數(shù)據(jù)傳輸速率較低，容易受到噪聲大、信號(hào)衰減的影響，在通信可靠性方面還存在著一定的技術(shù)障礙。因此，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)利用軟硬件技術(shù)結(jié)合，完成組網(wǎng)優(yōu)化窄帶載波通信，對(duì)于一些用電負(fù)載特性變化較小、電能表分散布置困難的區(qū)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

寬帶電力線載波系統(tǒng)工作在1～40MHz頻率范圍，成功避開(kāi)了kHz頻段帶來(lái)的干擾，并通過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制或者正交方式來(lái)獲得兆級(jí)以上的傳輸速率。這種電力線寬帶通信調(diào)制技術(shù)把信道帶寬分成N個(gè)正交的子信道，每個(gè)子信道呈現(xiàn)相對(duì)性和平坦特性，將這些子信道看成理想信息。由于低壓臺(tái)區(qū)電力線上的高頻傳輸信號(hào)往往會(huì)衰減得比較快，需要通過(guò)時(shí)分中繼、自動(dòng)中繼、頻分中繼和智能路由計(jì)算等多項(xiàng)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)整個(gè)低壓電力通信網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)并通信。

這種通信技術(shù)具有較高的抗干擾能力，適應(yīng)性強(qiáng)，可以同時(shí)承載多個(gè)業(yè)務(wù)并對(duì)各個(gè)任務(wù)進(jìn)行并發(fā)處理。同時(shí)有單跳通信距離受限、信號(hào)衰減大等局限性。在應(yīng)用時(shí)還需要采用路由、中繼等行之有效的優(yōu)化措施。根據(jù)寬帶載波的短距離和少分支特性，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)應(yīng)用于城鄉(xiāng)公變區(qū)供電區(qū)域、電表集中安裝居民區(qū)等，電能表數(shù)據(jù)采集效果和經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于其他的抄表方式。

四、結(jié)語(yǔ)

智能電網(wǎng)建設(shè)體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家電力發(fā)展水平。而智能用電是智能電網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分，其建設(shè)水平直接關(guān)系到我國(guó)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、使用效率、有序用電等諸多問(wèn)題。用電信息采集系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化為智能用電服務(wù)提供有力的技術(shù)。本文在分析用電信息采集系統(tǒng)、無(wú)線通信技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)微功率無(wú)線通信、低壓窄帶電力線載波、低壓寬帶電力線載波三種本地信道通信方式進(jìn)行討論，旨在為國(guó)家智能用電服務(wù)提供支持。

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（責(zé)任編輯：王祝萍）