基于CDMA的电力远程抄表物联网应用

罗 俊，周 峰

（中国电信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 物联网架构

物联网 （Internet of things，IOT）[1]是将所有物品通过RFID（射频识别）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网把新一代信息通信技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、大坝、供水系统、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在此基础上，人类可以更加精细和动态的方式管理生产和生活，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。

物联网系统架构主要包括3个层面：感知层、网络层以及应用层，如图1所示。感知层是传统电信网络架构中所没有的，主要用于识别物体、采集信息，由各类感知设备组成，主要包括RFID、传感器网络、无线传感器网络、视频采集等各行各业的传感采集设备。传送层主要用于信息传递，包括接入单元以及接入网络两部分。接入单元有行业物联网网关、家庭物联网网关、离散的M2M终端、共享式网关等。接入网络包括有线（宽带、PSTN）、无线（2G/3G、Wi-Fi、WiMAX等）。网络层要根据感知延伸层的业务特征，优化网络特性，更好地支持物-物与物-人通信。

应用层最终面向各类应用，实现信息的处理、协同、共享、决策。从服务主体出发，物联网应用分为：行业专用服务、行业公众服务、公众服务。从应用场景看，包含工业、农业、电力、医疗、交通物流、家居、个人服务等人们可以预见的各种场景。应用层涉及海量信息的智能处理、分布式计算、中间件、信息发现等多种技术。

2 基于CDMA 3G网络的电力远程抄表物联网

电力抄表是现代电力系统中的一个重要环节，传统的电力抄表多是通过人工定时到现场抄取数据，不仅会耗费大量的人力资源，而且在数据的时实性、准确性上都存在着许多不足之处。将现代的电力传感测量技术与信息通信技术、计算机技术等结合在一起的远程电力抄表物联网系统，能够为电力管理部门提供及时、准确、直观的电量使用数据和统计状况，加强了电力管理部门对电量使用的监控和管理能力。CDMA技术的出现和物联网技术的应用深入，为远程的数据传输提供了新的有效途径。

目前在电力抄表领域也出现了一些基于GPRS等无线技术的电力远程抄表应用，解决了部分地区的电力用户抄表需求[2]。但随着我国经济的飞速发展和电力企业信息化加速，电力远程抄表系统的覆盖用户规模需求呈现出快速增长的趋势；同时，随着电力企业对用户的“分时计费”策略的深入推进，电力企业对抄表信息的数据量要求更大，对系统的管理功能也有了更高的要求。另外，由于抄表数据信息具有一定的隐私性和安全性要求，电力企业和用户对抄表系统在数据的保密和安全方面的要求也进一步提高。传统的GPRS电力远程抄表等方案已经逐渐不适应远程抄表应用发展的需要，电力企业对更加高效的电力远程抄表物联网解决方案的需求十分迫切。

CDMA无线通信网络具备系统容量大、传输速率高、保密性好、功耗低等优势，非常适合电力等行业的物联网应用[3]。目前，中国电信股份有限公司（以下简称中国电信）构建了覆盖广泛的CDMA制式3G网络，已成为成熟、稳定、可靠的通信网络，特别是Ev-Do的高速无线数据业务具备很强的行业竞争优势。基于CDMA 3G网络构建电力远程抄表物联网解决方案，可为电力系统提供简单、高效、安全的通信传输手段，非常适合电力部门用来将民用和工业电表采集的电力数据实时传递到地、市、省级的集中监控中心，以实现对用电信息的统一监控和分布式管理。

2.1 系统架构和原理

基于CDMA 3G网络的电力远程抄表物联网系统主要包括3个基本组成部分：电力数据采集设备（感知层）、电信传输网络（网络层）、电力抄表数据中心平台（应用平台层），其组网架构如图2所示。

感知层部分由电力数据采集设备组成。目前居民使用的电表主要由普通电表和智能电表组成。老小区多使用普通电表，针对普通电表可在每栋楼宇里设置一个楼宇采集器，各家各户的普通电表通过RS485总线连接到楼宇集中器，将采集的电力数据发送到楼宇采集器。通过楼宇采集器可实现对用户现场电表数据的汇集，每台楼宇采集器最多可接入32台普通电表。每台楼宇采集器可通过免费计量频段（470～510 MHz，覆盖范围为 1～2 km）采用无线方式，也可通过电力线载波（power line carrier，PLC）方式将楼宇集中器的电力数据上传至小区集中器。由于PLC方式在抄表的稳定性和准确性上存在不足，因此目前多采用免费计量频段的无线方式进行传输。而针对采用智能电表的新建小区，各家各户的智能电表可采用免费计量频段的无线方式将用电数据传输到小区集中器。小区集中器包含CDMA通信模块，使用中国电信物联网统一的UIM卡进行注册、管理和鉴权，可将各楼宇集中器汇集上来的用户用电数据通过CDMA网络发送到电力公司抄表数据中心。小区集中器的数目可根据小区住户规模进行调整和设定，一般设置比例为1台小区集中器对应200户左右住户。对工业大用户电表而言，可将电表连接CDMA通信模块直接与CDMA网络通信来传输电力数据。

网络层部分由中国电信覆盖广泛的cdma2000 1x/Ev-Do网络组成，电力公司抄表数据中心服务器配置固定的IP地址，小区集中器依靠CDMA基于IP的数据分组通信网络完成与电力公司抄表数据中心的通信功能。小区集中器先通过CDMA通信模块将电力抄表数据传输到CDMA 网络的 PDSN（packet data serving node）服务器，然后PDSN服务器将数据传输至抄表数据中心，整个数据传输过程通过透明传输完成。PDSN服务器与抄表数据中心的数据通信可通过公网使用VPN进行连接，这种方式成本较低、安全性高，且速度和服务质量都有所保障。

应用平台层部分则由电力公司抄表数据中心组成。数据中心服务器接收到CDMA网络传输来的数据进行认证后，可通过系统软件平台进行计费、校验、存储、分析、管理等，并可对异常情况进行告警，同时对用户的电力使用情况进行实时监控，以保证电力公司的合法利益。

2.2 数据传输模式

该系统可根据电力用户的不同需要，如定时上报楼宇月用电总数据、查询某户单月用电数据、实时异常/报警数据等，提供不同的数据传输模式，包括永久在线、定时传输、短信触发等模式。

·永久在线模式：小区集中器的CDMA通信模块开机后便自动连接cdma2000 1x/Ev-Do网络，根据抄表数据中心配置的IP地址自动连接数据中心，并通过发送心跳帧以保持和维护通信链路的连接。当网络发生异常时，CDMA通信模块会在故障恢复后自动重新建立链路。该模式能实时对抄表数据中心进行数据接收和发送，设备响应时间快，但因长时间占用CDMA通信网络资源，且产生了多余的无效数据量，增加了运营成本。

·定时传输模式：抄表数据中心可设定小区集中器CDMA模块的数据接收和发送时间。小区集中器在指定的时间接收数据中心发送的指令，并在指定时间上报电力数据，当数据收发过程完毕，自动断线，并在下一个时间唤醒。该模式节省网络通信资源，成本较低，适合日常电力数据的上报等。

·短信触发模式：小区集中器在无数据通信要求时间段断开CDMA通信链路。电力数据中心在需要收集或发送数据时，可通过短信对小区集中器的CDMA通信模块进行唤醒，并进行数据发送与接收。当数据收发完毕，自动断线。该模式适合日常、告警、异常等电力数据的上报等。

2.3 系统优势

基于CDMA 3G网络的电力远程抄表物联网系统相比其他远程抄表系统而言，具备如下特点。

·数据传输速率高：CDMA 3G网络传输速率理论上可达3.1 Mbit/s，目前实际数据传输速率平均在600 kbit/s左右，完全满足本系统对数据传输速率（>10 kbit/s）的要求，对于“分时计费”等策略下的高数据速率要求也完全能满足。

·实时性强、数据延时小：CDMA系统具有实时在线特性，且传输速率高，系统设备响应速度快，能很好地满足系统对数据采集的实时性和突发性要求，对“分时计费”等大数据量需求也能良好支持。同时由于CDMA通信模块处理时间短，CDMA网络延时低，也能满足定时传输、短信触发等数据传输模式下的延时在系统要求范围内。

·系统覆盖范围广、建设成本低：CDMA 3G网络覆盖范围广，可实现全国绝大部分区域对电力远程抄表的控制和管理。而且由于采用CDMA无线公网平台，前期投资少，后期升级维护成本低。

·安全性高：由于整个通信过程采用了CDMA和VPN等技术，保密性强，能有效保护电力数据隐私。

·通信费用低：采用包月流量套餐计费方式，运营成本低。

3 系统性能

下面以上海浦东某小区为例，对基于CDMA 3G网络的电力远程抄表物联网进行系统性能分析。该小区约有1 300户住户，设置了5～6个CDMA小区集中器。每个集中器通常情况在每月20～25日期间上传1次，每次上传的电力抄表数据量为20～30 MB。若采用“分时计费”等策略，预计每次需上传的流量数增加70%左右。

（1）实时数据传输功能测试

测试系统实时数据传输功能发现，从小区CDMA集中器发送抄表数据开始，到抄表数据中心开始接收数据，所对应的通信系统延时一般小于2 s。而数据流量的传输数据率一般在600 kbit/s左右，对应最大数据传输延时为50 s左右。相比其他无线抄表系统而言，具备明显的高速率和低延时优势。

（2）短信触发功能测试

从测试系统提供的短信触发传输功能发现，从抄表数据中心发起短信开始到CDMA小区集中器唤醒后开始发送数据，大约经历30 s时间。

（3）通信费用分析

针对不同规模的小区流量需求提供不同的包月流量套餐，建议可为每个CDMA小区集中器提供10～15元/月套餐，包月流量为80～120 MB。该套餐能满足该小区目前的电力远程抄表需求，并基本能满足对未来“分时计费”等策略的流量需求。

4 结束语

中国电信深入探索物联网在电力行业应用的需求，将传感器感知技术、短距离电力传输技术与中国电信cdma2000 1x/Ev-Do无线传输技术结合，构建了高效的基于CDMA 3G网络的电力远程抄表物联网，很好地解决了远程电力抄表领域的需求，同时很好地支持了未来电力行业的“分时计费”等策略的应用。在下一步的探索中，还可以将智能数据分析处理平台引入到电力远程抄表数据平台，同时引入“错峰用电”、“电力调度分配”等未来电力系统的信息化战略，更加科学有效地管理和控制单位或个人的电力使用情况，力助电力系统的信息化管理水平的提升。

1 张春红.物联网技术与应用.北京：人民邮电出版社，2011

2 侯思祖，王亚微.GPRS技术在电力抄表领域的研究与应用.低压电器，2008(8)

3 栗玉霞，徐建政，刘爱兵.GPRS技术在自动抄表系统中的应用.电力自动化设备，2003(12)

4 窦中兆，雷湘.CDMA无线通信原理.北京：清华大学出版社,2004