徐 晴，劉 建，田正其，祝宇楠

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 210019；2.國家電網(wǎng)公司電能計量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210019）

用電信息采集系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn) “全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”，隨著采集系統(tǒng)建設(shè)，覆蓋率以及采集率都明顯提升，在此基礎(chǔ)上如何“全費(fèi)控”就是一個新的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)“全費(fèi)控”的主要瓶頸在于用電信息采集系統(tǒng)的速度以及可靠性，本文主要通過分析目前用電信息采集系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)，找到提高用電信息采集系統(tǒng)速度的方法。

1 用電信息采集系統(tǒng)與速度

當(dāng)前用電信息采集系統(tǒng)抄表主要采用低壓電力線載波、RS485、微功率無線等通信方式，可以滿足數(shù)據(jù)抄收及部分用電監(jiān)控的要求，通訊的可靠性和實(shí)時性有大幅改善。

隨著用電信息采集系統(tǒng)電能表數(shù)據(jù)采集成功率的大幅提高，可處理的數(shù)據(jù)越來越多，用電信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)展。同時計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、用電及計量技術(shù)的發(fā)展也使用戶對采集系統(tǒng)產(chǎn)生新的需求，如：①雙向互動的需求；②實(shí)時監(jiān)控的需求；③在智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)中承擔(dān)更多的應(yīng)用需求[1-4]。用戶需求和潛在需求的增多使系統(tǒng)對通信及處理的速度提出了更高的要求。因此，一些應(yīng)用就受到了通訊性能和速度的限制[5-6]。

圖1所示為用電信息采集系統(tǒng)框圖，當(dāng)前影響系統(tǒng)速度的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的通信傳輸[7-8]。

圖1 用電信息采集系統(tǒng)Fig.1 Electric energy data acquire system

2 本地通信環(huán)節(jié)分析

本地通信系統(tǒng)是用電信息采集通信系統(tǒng)的重要組成部分。目前影響本地通信系統(tǒng)通信速率的主要因素有兩方面：①終端與通信模塊、電表與通信模塊間的響應(yīng)時延和通信速率；②不同通信介質(zhì)本身的通信速率及可靠性影響。

目前國內(nèi)本地通信系統(tǒng)通信多采用窄帶電力線載波、微功率無線等方式，現(xiàn)有技術(shù)尚可滿足目前應(yīng)用需求，但局限性依然明顯。通信速率對目前本地通信系統(tǒng)的發(fā)展就是一個瓶頸，如窄帶電力線載波目前國內(nèi)占有率較高的廠家，通信速率多在5 kb/s以下，有的甚至在1 kb/s以下，基于OFDM調(diào)制方式的電力線載波速率可以做到10 kb/s以上，微功率無線在10 kb/s左右。本地通信技術(shù)的發(fā)展方向幾乎集中在了通信速率及通信可靠性的提高上[9-10]。

2.1 低壓電力線載波現(xiàn)場應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)室測試對比

2.1.1 理論速度

對現(xiàn)場應(yīng)用的各種通信方式進(jìn)行通信速率統(tǒng)計，目前典型調(diào)制方式的窄帶電力線載波通信速率如圖2所示。

圖2 窄帶電力線載波不同調(diào)制方式的速率Fig.2 Rate of different modulation schemes for narrow band power line carrier

2.1.2 現(xiàn)場應(yīng)用速度

目前使用較多的本地通信方式在不同省份的典型臺區(qū)的雙向通信時間統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)場雙向通信時間統(tǒng)計表Tab.1 Two-way communication time statistics

以上統(tǒng)計表中數(shù)據(jù)主要針對抄表穩(wěn)定的臺區(qū)，現(xiàn)場抄讀數(shù)據(jù)100%成功。但實(shí)際現(xiàn)場多數(shù)臺區(qū)由于傳輸信道等影響，會導(dǎo)致臺區(qū)雙向通信時間波動。本地通信無論是采用窄帶電力線載波方式還是微功率無線方式通信速率仍較慢。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)室測試速度

正泰量測辦公樓強(qiáng)電井中等距離安裝了20個表箱，作為微功率無線及電力線載波通信的典型測試環(huán)境，相鄰兩層測試表箱間有10個空氣開關(guān)，電力線的主要負(fù)載為電腦、空調(diào)、照明等設(shè)備。

測試使用的電力線載波耦合器頻帶范圍在20 kHz～500 kHz，由于目前電力線載波多使用該頻段，故針對此頻段噪聲進(jìn)行分析。

圖3所示分別為在不同時間對電力線噪聲的抓取。從圖中可以看出，92 kHz噪聲平均值已經(jīng)達(dá)到近90 dBμV，約30 mV，其它典型噪聲點(diǎn)還有34 kHz。

2.2 本地通信系統(tǒng)通信可靠性提高方法研究

圖3 電力線噪聲頻譜（20 kHz～500 kHz）Fig.3 Noise spectrum of electric power line

低壓電力線信道的阻抗特性、信號衰減、隨機(jī)噪聲干擾等問題，使得電力線載波通信系統(tǒng)可靠性降低。提高電力線載波通信系統(tǒng)可靠性大致可從信息編碼技術(shù)、通信信道估計與選擇等技術(shù)入手[11-15]。

對于隨機(jī)噪聲的干擾，可以采用擴(kuò)頻技術(shù)。由于擴(kuò)頻載波信號的帶寬遠(yuǎn)大于所傳信息所必需的最小帶寬，故噪聲可能只影響到一小部分所要傳輸?shù)男盘枺蟛糠中盘柨梢酝暾氐竭_(dá)接收端，提高了系統(tǒng)的可靠性。目前窄帶OFDM技術(shù)，可增加信道估計技術(shù)，以對抗信道衰落。

微功率無線通信的穩(wěn)定性主要源于帶內(nèi)頻譜干擾、空間信號衰落、信號沖突等問題的影響，消除或者避免這三類問題是提高無線通信穩(wěn)定性的主要研究方向。

首先，在實(shí)際使用環(huán)境中，用于微功率無線電力抄表的470～510 MHz無線頻段內(nèi)存在著其他類別的無線通信設(shè)備共同使用的情況，如地面數(shù)字電視信號，也有其他頻段的無線設(shè)備產(chǎn)生的雜散發(fā)射落在該頻段內(nèi)的情況。因而一般只能采取信道掃描的方式來分析哪個信道是干凈的或者沒被占用的，同時這種干擾在時間上也有離散性，采用周期性重復(fù)掃描的方式來彌補(bǔ)時間離散的情況。對于這種使用窄帶通信技術(shù)的微功率無線通信，帶內(nèi)頻譜干擾的問題可通過規(guī)避的方式，如果允許使用擴(kuò)頻通信等技術(shù)，那么可提高抗帶內(nèi)頻譜干擾能力。

其次，信號在空間上的衰落主要受實(shí)際環(huán)境變化的影響，如信號在建筑物的結(jié)構(gòu)中的折射反射，人、動物、車輛等的運(yùn)動等，會造成信號在空間傳播呈現(xiàn)多徑形式和衰落實(shí)時變化的情況。因而在布局無線網(wǎng)絡(luò)時要充分考慮網(wǎng)路傳輸鏈路預(yù)算，一般20～25 dB的余量可以應(yīng)付這種多徑衰落的影響，可以有效提高通信的穩(wěn)定性，因而在網(wǎng)絡(luò)布局后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試是非常有必要的。另外，有條件的話，通信設(shè)備如能使用多天線的空間分集技術(shù)也是一種提高信號穩(wěn)定性的方式。

最后，信號沖突問題也是微功率無線網(wǎng)絡(luò)提高穩(wěn)定性的主要研究方向，隨著無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)之間的通信局限于鄰近和附近節(jié)點(diǎn)，那么相互沖突的概率也會呈指數(shù)級上升，并且微功率無線網(wǎng)絡(luò)通信路由協(xié)議的不遞歸性會增加這種沖突的概率。所以設(shè)計合理高效的網(wǎng)絡(luò)通信路由協(xié)議是解決降低信號沖突概率的有效方法。

2.3 本地通信系統(tǒng)通信方式速率提高方法研究

終端、智能表與本地通信模塊間通信速率的提升，相對來說更容易實(shí)現(xiàn)，例如：終端與模塊間的通信接口可以用以太網(wǎng)接口，或其他高速通信方式替代；智能表與模塊間的通信速率也容易在不影響可靠性的前提下提高。

目前推薦使用的電力線載波通信頻段為3 kHz～500 kHz。若想進(jìn)一步提高本地通信速率，那么寬帶載波技術(shù)是一種選擇，但是寬帶載波通信距離存在問題。新一代載波通信技術(shù)可使用跨頻帶技術(shù)頻率覆蓋窄帶載波頻段、寬帶載波頻段，可根據(jù)電力線信道特性，自適應(yīng)選擇合適的工作頻帶。

3 遠(yuǎn)程通信環(huán)節(jié)分析

3.1 遠(yuǎn)程通信主要方式

遠(yuǎn)程通信方式目前主要包括GPRS/CDMA 2.5 G無線通信方式、3 G無線通信方式、4 G無線通信方式、光纖/以太網(wǎng)通信方式、PSTN固定電話拔號方式、230 MHz無線電臺方式。圖4和表2對各種遠(yuǎn)程通信方式的速率進(jìn)行了比較與對比。

從圖4及表2可以看出，光纖/以太網(wǎng)通信以其1 Gb/s的通信速率成為目前主要遠(yuǎn)程通信方式中速度最快的一種。而在遠(yuǎn)程無線通信方式中，3 G通信要比2.5 G通信速率快10倍以上，而新興的4 G通信又比2.5 G通信快100倍左右。

圖4 遠(yuǎn)程通信方式速率比較Fig.4 Rate comparison of remote communication

表2 遠(yuǎn)程通信速率理論值對比（b/s）Tab.2 Theoretical value of remote communication rate（b/s）

目前我國電力行業(yè)遠(yuǎn)程無線通信方式主要采用2.5 G的GPRS無線公網(wǎng)通信，因此在提高遠(yuǎn)程無線通信方式的速率上，可以考慮采用3 G或4 G通信技術(shù)以提高通信速率。

3.2 影響GPRS遠(yuǎn)程通信速率的因素

目前廣泛采用的2.5 G GPRS無線通信方式，在通信信號強(qiáng)度良好的情況下，影響其通信速率的因素為

1）無線通信環(huán)境的影響

如圖5所示，理論情況下2.5 G GPRS通信下行速率可達(dá)171.2 kb/s。但要達(dá)到這個速率，就要求用戶完全占用一塊載頻的8個時隙，同時要滿足21.4 kb/s的傳輸速率。而要達(dá)到這一傳輸速率對無線通信環(huán)境要求很高，而就目前應(yīng)用的環(huán)境而言，還無法達(dá)到此要求。

圖5 當(dāng)前主要采用的通信方式Fig.5 Current communication mode

2）通信芯片的影響

由于目前大多數(shù)的GPRS芯片最多只支持3個時隙同時傳播，這樣就無法滿足完全占用一塊載頻的8個時隙的要求，因此GPRS的帶寬受到了限制，無法達(dá)到理論的傳輸速率。

3）運(yùn)營商通信業(yè)務(wù)分配的影響

目前運(yùn)營商大多因電話業(yè)務(wù)的比例大于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)比例，將通信網(wǎng)絡(luò)主要分配給電話業(yè)務(wù)，即只分配部分PDCH（分組數(shù)據(jù)信道）給GPRS通信業(yè)務(wù)。而PDCH信道分配會直接影響到GPRS通信業(yè)務(wù)質(zhì)量，合理分配PDCH對GPRS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化起著決定性作用。

3.3 從產(chǎn)品設(shè)計上提高遠(yuǎn)程通信速度

采集終端與遠(yuǎn)程通信模塊通信時，采用透傳方式并避免AT指令交互方式，可以提高通訊速率。圖6所示為某廠家GPRS通信芯片根據(jù)國網(wǎng)376.3規(guī)范測試透傳及AT指令交互方式結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖6 透傳及AT指令交互方式結(jié)果數(shù)據(jù)Fig.6 Data of passthrough and AT command interaction

采集終端與通信模塊通信時，采用PPP拔號方式，AT指令交互方式和PPP拔號方式GPRS實(shí)驗(yàn)流程及測試數(shù)據(jù)對比，如圖7、圖8所示。

圖7 AT指令交互與PPP撥號方式流程對比Fig.7 Comparison of AT command interaction and PPP dialing method

在硬件方面，采集終端與遠(yuǎn)程通信模塊之間采用USB通信。目前采集終端與遠(yuǎn)程通信模塊設(shè)計主要采用串口UART方式，串口方式在速率大于115.2 kb/s時，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定；而 3 G、4 G、光纖/以太網(wǎng)等通信模塊速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于115.2 kb/s，所以串口的傳輸速率成為了數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，因此在采集終端與通信模塊之間采用更為快速的USB傳輸方式。

在設(shè)計采集終端時，要提高內(nèi)部數(shù)據(jù)處理速度，及時響應(yīng)主站的召讀。例如在數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)組織優(yōu)化方面，對于Flash數(shù)據(jù)存取，采用索引表+數(shù)據(jù)區(qū)的設(shè)計方法或其它優(yōu)化算法。圖9所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為采用索引表方式提取數(shù)據(jù)，測試采用1500只電能表62天的日凍結(jié)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲為片外SPI Flash，扇區(qū)大小為1024 B，在u/cOS嵌入式系統(tǒng)下，提取一條日凍結(jié)數(shù)據(jù)響應(yīng)時間對比。

主站與采集終端數(shù)據(jù)處理上，主站采用一次召讀多組數(shù)據(jù)方式，減少空間傳輸時間及終端與模塊交互操作，提高速率。采集終端與主站通信，終端數(shù)據(jù)采用主動上報方式以減少召讀過程時間。

4 主站系統(tǒng)環(huán)節(jié)

主站軟件抄讀任務(wù)基本以多終端多數(shù)據(jù)計劃型任務(wù)（定制、定時）方式實(shí)現(xiàn)，為了向多終端多數(shù)據(jù)實(shí)施監(jiān)控型這種理想模型進(jìn)行轉(zhuǎn)變，需要對數(shù)據(jù)抄讀傳輸速率制約、數(shù)據(jù)抄讀一次性成功機(jī)率穩(wěn)定性、和主站數(shù)據(jù)處理速度制約等瓶頸進(jìn)行改進(jìn)。最大程度減少這幾種制約限制，除了升級、優(yōu)化硬件設(shè)備，還可以在軟件上針對設(shè)計、算法、編碼方面進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

4.1 前端響應(yīng)交互

常見做法：

客戶+服務(wù)操作。

優(yōu)化方式：

優(yōu)化后的客戶+服務(wù)操作；納入云數(shù)據(jù)庫計算服務(wù)。

具體實(shí)現(xiàn)：

一般前端軟件構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)由客戶、服務(wù)組成，其中實(shí)現(xiàn)腳本分客戶端腳本和服務(wù)器端腳本，由于解釋機(jī)理不同，所以二者有很大的區(qū)別；而其中實(shí)際業(yè)務(wù)的部分功能是即可客戶端腳本實(shí)現(xiàn)也可服務(wù)端腳本實(shí)現(xiàn)，但是基于優(yōu)化原則，則應(yīng)十分明確兩種腳本適用范圍，客戶端腳本更適用于數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計及交互功能，服務(wù)端腳本更適用于數(shù)據(jù)的獲取、篩選功能。

云計算服務(wù)具有強(qiáng)大的后臺硬件設(shè)備處理能力，客戶端腳本只需進(jìn)行交互功能，服務(wù)端腳本完全負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的獲取、篩選、分析及統(tǒng)計。公有云租賃費(fèi)用較高，私有云硬件設(shè)備建設(shè)費(fèi)用大，實(shí)施成本高。

4.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

常見做法：

只根據(jù)使用場景、數(shù)據(jù)量大小進(jìn)行數(shù)據(jù)庫選擇，遵循數(shù)據(jù)庫高范式、無冗余的原則進(jìn)行設(shè)計，對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫內(nèi)部復(fù)雜運(yùn)算，根據(jù)數(shù)據(jù)種類進(jìn)行統(tǒng)一大表格設(shè)計。

優(yōu)化方式：

在數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計時除根據(jù)場景、數(shù)據(jù)量大小進(jìn)行數(shù)據(jù)庫選擇，還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)使用頻率、數(shù)據(jù)內(nèi)容變更頻率、數(shù)據(jù)讀寫次數(shù)頻率等諸多因素進(jìn)行數(shù)據(jù)庫選擇；設(shè)計時應(yīng)盡量根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容類型優(yōu)化數(shù)據(jù)庫表格結(jié)構(gòu)、降低鎖應(yīng)用，降低范式，增加適當(dāng)冗余，少用觸發(fā)器，多用存儲過程。

當(dāng)計算非常復(fù)雜、而且記錄條數(shù)巨大時，復(fù)雜計算應(yīng)要先在數(shù)據(jù)庫外面處理完成之后，再入庫追加到表中去。

發(fā)現(xiàn)某個表的記錄太多，則要對該表進(jìn)行水平分割。某個表的字段太多，則垂直分割該表。

對數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，即優(yōu)化各種系統(tǒng)參數(shù)，如緩沖區(qū)個數(shù)。

在使用面向數(shù)據(jù)的SQL語言進(jìn)行程序設(shè)計時，盡量采取優(yōu)化算法。

具體實(shí)現(xiàn)：

采集數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫、用戶基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分離設(shè)計；其中采集數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫又可依據(jù)時間劃分表設(shè)計為歷史數(shù)據(jù)表和當(dāng)前數(shù)據(jù)表。

4.3 協(xié)議庫設(shè)計

常見做法：

根據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行庫設(shè)計、協(xié)議結(jié)構(gòu)代碼實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)化方式：

根據(jù)協(xié)議結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行庫實(shí)現(xiàn)，代碼抽象域?qū)崿F(xiàn)。

具體實(shí)現(xiàn)：

統(tǒng)一進(jìn)行庫存儲可以優(yōu)化協(xié)議擴(kuò)展性，運(yùn)行時以“空間換時間”提高運(yùn)算。代碼實(shí)現(xiàn)幀格式解析設(shè)計，如圖10所示。

數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)幀內(nèi)容組織結(jié)構(gòu)及內(nèi)容項(xiàng)定義結(jié)構(gòu)及相關(guān)信息設(shè)計，如圖11～圖15所示。

4.4 前置通信設(shè)計

常見做法：

前置管理+前置維護(hù)+前置通信一體式設(shè)計。

圖10 庫存儲方式代碼示意Fig.10 Programming code of storage method

圖11 協(xié)議數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.11 Design of protocol database table structure

圖12 協(xié)議數(shù)據(jù)庫幀內(nèi)容定義設(shè)計Fig.12 Design of protocol database frame content definition

圖13 協(xié)議數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容結(jié)構(gòu)定義設(shè)計Fig.13 Design of the content and structure of protocol database

圖14 協(xié)議數(shù)據(jù)庫具體數(shù)據(jù)項(xiàng)相關(guān)信息設(shè)計Fig.14 Design of the relevant information about the protocol database

圖15 協(xié)議數(shù)據(jù)庫具體數(shù)據(jù)項(xiàng)嵌套數(shù)據(jù)項(xiàng)相關(guān)信息設(shè)計Fig.15 Design of specific data item and nested data item of the protocol database

優(yōu)化方式：

前置管理、前置維護(hù)+前置通信分體式設(shè)計。

具體實(shí)現(xiàn)：

前置管理與業(yè)務(wù)流程密切相關(guān)，處理過程會占用大量資源，獨(dú)立出來由于進(jìn)行了功能單一化處理，數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆蛛x，可提高響應(yīng)時間、穩(wěn)定性、部署靈活性，降低代碼邏輯復(fù)雜性。

4.5 程序數(shù)據(jù)處理機(jī)制設(shè)計

常見做法：

傳統(tǒng)多線程異步處理方式。

優(yōu)化方式：

在傳統(tǒng)異步處理方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體情況適當(dāng)增加多核異步并行處理機(jī)制。

具體實(shí)現(xiàn)：

非并行、并行代碼編程方式及運(yùn)行結(jié)果如圖16～圖18所示。

圖16 非并行代碼編程方式Fig.16 Non parallel code programming

圖17 并行代碼編程方式Fig.17 Parallel programming code

圖18 運(yùn)行結(jié)果Fig.18 Computational results

從圖中可以看到程序執(zhí)行百萬次，經(jīng)過并行后的處理效果非常顯著，理論上傳統(tǒng)代碼寫法的CPU使用率大概在20%～30%之間，并行代碼寫法的CPU使用率除去I/O影響下可在瞬間提升至70%～80%，程序響應(yīng)提升2～3倍，這與運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

5 采集設(shè)備、計量設(shè)備環(huán)節(jié)

5.1 采集設(shè)備環(huán)節(jié)分析

采集設(shè)備集中器、采集器根據(jù)不同的本地通信方式（電力線載波、微功率無線、RS485等），采用不同的優(yōu)化算法。

5.2 計量設(shè)備環(huán)節(jié)分析

智能電表通信處理上，通信模塊與電表的硬件接口速率可以提高；電表RS485接口通信時對645幀的響應(yīng)速度，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為收到命令幀后的響應(yīng)延時20 ms≤Td≤500 ms，實(shí)驗(yàn)測試延時小于100 ms采集速率更優(yōu)。

6 結(jié)語

隨著用電信息采集系統(tǒng)的發(fā)展及新需求的不斷提出，越來越要求系統(tǒng)具有更快的速度及可靠性。本文從影響用電信息采集系統(tǒng)速度的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析和研究，提出了提高系統(tǒng)速度的方法并進(jìn)行了嘗試。

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