电力光纤入户的智能小区配用电信息采集系统解决方案

徐建平，徐 静

（扬州供电公司，江苏 扬州 225001）

用电信息采集系统是指利用现代化通信手段（包括有线、无线、载波等）实现计量装置在线监测和用户负荷、电量、电压等重要信息的实时采集，在居民小区中采集对象主要包括小区配电变压器信息、开关柜信息、小区公共设备设施用电信息、居民电能表信息、居民户内分类用电信息等。用电信息采集系统运用高效的信息化管理手段，准确、及时的完成用电数据抄读及计量装置的状态监控功能，从而代替长达几十年的人工干预数据抄录，为供电部门进行用电统计、电费核算、表计监控、台片线损考核以及其他管理工作提供及时有效的支持。

目前用电信息采集系统的问题体现在远程通信和本地通信的可靠性和实时性。远程通信是指采集终端和系统主站之间的数据通信，本地通信是指采集终端和计量装置之间的数据通信。具体问题如下：

（1）通信实时性较差

目前市场上的用电信息采集系统产品，特别是低压居民集中抄表系统产品的通信实时性无法满足应用需要。国家电网公司用电信息采集系统标准规范中就提出了“全覆盖、全实时、全费控”的数据采集要求，而现在市场上的产品无法实现这个要求。由于技术和投资限制，目前很多产品都是按照电费月度结算为宗旨进行数据采集，系统采集完整的用电数据往往要一天甚至几天时间。即使采集到了用电数据,由于远程通信的不可靠,也是在一天中的某个时间段集中上传采集到的数据。

（2）通信可靠性不高

目前，用电信息采集系统的远程通信使用无线公网，本地通信使用485、低压载波或其它无线通信方式。由于低压线路是针对电能输送设计的，信道衰减严重，背景干扰复杂，负载变化不可控，系统动态因素太多，频段范围狭窄，因此低压载波通信数据传输可靠性差。485线通信由于需要布线，带宽比较窄，经济性不高。远程通信使用无线公网，有时会发生网络拥堵现象，小区复杂的地理环境还会导致无线公网不能覆盖所有区域。上述原因降低了现有通信网络采集用电信息的可靠性。

1 电力光纤入户和ZigBee通信技术

电力光纤入户是指采用光纤复合低压电缆或普通光纤线缆，将光纤随低压电力线敷设，实现从配电变压器到电能表，再从电能表到户的光网络通信方案。配合无源光网络技术，基于电力光纤入户的通信网络承载用电信息采集、智能用电双向交互、多网融合等业务。

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术，利用Zigbee设备自动组网和自动路由的特点，构成配用电网终端信息传输通道，与已有的电力光纤通信相结合，可以将电能表、配电变压器、开关柜、户内信息等配用电网终端信息传送给供电公司各个相关部门，同时也可以将设备配置参数等信息下达给现场监控设备，从而实现现场信息的快速采集和处理。面向智能小区设计的ZigBee通信网络系统，在用电信息采集、配电故障定位、配变监测等诸多领域有着广泛的应用空间。

2 系统设计

2.1 总体设计

根据公用配变和各种居民用户的环境特点，用电信息采集系统将以不同的技术模式，分别实现对各类用电信息集中采集和实时监控，达到对小区户外采集点和居民户内分类用电信息采集的“全覆盖”。

2.1.1 系统逻辑架构

系统逻辑架构如图1所示，由3层物理结构组成。第一层主站，是整个系统的管理中心，负责整个系统的电能信息采集、用电管理以及数据管理和数据应用等；第二层数据采集层，负责对各采集点电能信息的采集和监控，包括各种应用场所的电能信息采集终端；第三层采集点监控设备，是电能信息采集源和监控对象，如：电能表和相关测量设备、客户配电开关、无功补偿装置以及其他现场智能设备等。通信网络完成系统各层之间的数据传输，它可以是专用或公共无线、有线通信网络。

2.1.2 系统物理架构

整合7种通信方式的用电信息采集系统物理架构如图2。

2.2 电力光纤入户设计

2.2.1 电力光纤入户通道

电力光纤入户由两大通道建设组成。

图1 用电信息采集系统逻辑结构示意图

图2 基于电力光纤入户的用电信息采集系统架构图

（1）远程通道建设：光纤通道采用普通光缆，小区上联变电站接入电力专用光纤到小区主配电房。

（2）小区内部通道建设：在主配电房进行一次分光，采用光纤复合电缆连接各次配电房；各次配电房到低压分支箱采用光纤复合电缆连接；在低压分支箱二次分光，采用光纤复合电缆连接各楼栋单元表箱；单元表箱放置光网络终端（ONU），多个以太网口分别接入各个楼层集中交换机；从单元表箱或入户采用光纤复合电缆或普通光纤皮缆，也可以采用标准5类线从楼层交换机进入户内；户内多媒体箱内配置光网络终端（ONU），连接家庭无线网关。

2.2.2 电力光纤网络结构

电力光纤入户小区类型分为高层、多层、别墅。对不同建筑结构类型的小区采用不同的技术路线。

（1）高层

电力专用光纤接入小区中心配电房，采用一级分光到各楼栋单元，单元采用标准5类线进楼栋交换机，采用以太网式入户。网络拓扑如图3。

（2）多层

电力专用光纤接入小区中心配电房，采用一级分光到小区低压分支箱，低压分支箱处采用二级分光到各楼栋单元，单元采用标准五类线进楼栋交换机，采用以太网式入户。网络拓扑如图4。

（3）别墅

采用一级分光到小区低压分支箱，低压分支箱处采用二级分光到各别墅，采用普通光纤皮缆入户。网络拓扑如图5。

图3 高层房屋电力光纤入户结构图

图4 多层房屋电力光纤入户结构图

图5 别墅房屋电力光纤入户结构图

2.3 ZigBee通信网络子系统设计

ZigBee通信网络子系统以小区或家庭的光载无线接入点为核心，可以按照户外接入点、户内接入点构成若干个Zigbee通信子网，每个家庭构建一个ZigBee通信子网。

ZigBee通信网络子系统分为4层：控制中心的ZigBee通信网络管理系统，控制中心一般在小区配电房；小区电力光纤通信；Zigbee通信子网；终端设备采集配用电数据，通过ZigBee终端上传到ZigBee通信子网。

Zigbee通信子网的终端模块与配网终端采集设备（如：配变监测仪、故障指示器、用电采集设备等）相连，ZigBee终端模块通过ZigBee智能中继器把采集到的数据传递给ZigBee智能网关，从而实现ZigBee网络下的数据交换。

3 系统实现

3.1 配电信息采集

配电信息采集包括小区配电变压器、开关柜相关电参数信息。采用了小区配电变压器综合采集仪，用于实现配电信息的采集。

小区配电变压器综合采集仪包括数据采集、数据处理、参数设置和查询、事件记录、数据传输、设备维护7个功能模块。其中，数据采集包括电能表的数据采集、配电变压器状态量、脉冲量、交流模拟量的数据采集；数据处理指小区配电变压器综合采集仪具有数据存储功能，保存最近30天日冻结数据、12个月的月冻结数据，支持主站软件召测采集实时、历史15 min冻结、小时冻结、日冻结、月冻结数据；参数设置和查询包括时钟、限值、抄表等参数的设置与查询；事件记录指小区配电变压器综合采集仪能够在采集数据的同时,监测电能表运行状况，包括参数的变更、时间超差、故障信息、示数异常等信息，小区配电变压器综合采集仪监测到事件信息后，可主动向主站软件上报事件信息；数据传输，上行通信支持以太网通信以及GPRS无线公网通信,上行通信采用模块的方式，以太网和GPRS无线公网通信模块可互相替换，下行通信支持485及无线通信方式。对于下行，还支持与其它终端与主站软件之间通信的中继功能；设备维护指小区配电变压器综合采集仪具有自检自恢复、本地状态指示、本地维护接口等功能。

小区配电变压器综合采集仪具有如下特点：

针对小区配电信息采集传输安全可靠性要求，采用ZigBee专用无线网络，建立了基于ZigBee通信网络的配电采集系统，不仅节约了运行成本，而且解决了电力通信内外网隔离后配电信息的安全传输问题。

针对小区配电信息采集传输实时性要求，采用以太网方式，接入小区电力光纤，与主站软件之间建立光纤通信网络，借助小区光纤通信网络的快捷性，提高采集数据的实时性。

小区配电变压器综合采集仪可以同时作为ZigBee网络的中继设备，增加了ZigBee网络的覆盖范围。

系统安装使用方便，运行稳定可靠，满足了配电信息采集的需要。

3.2 户外用电信息采集

小区户外用电信息的采集包括小区居民电能表的用电信息采集与小区公共用电，如：路灯、景观灯、电梯等。

小区居民电能表的用电信息采集采用了以太网小集中器，符合国家电网公司制订的《电力用户用电信息采集系统功能规范》标准，采用以太网上行通信方式，实现小区居民电能表的用电信息采集,同时具有实现集中户内用电信息采集终端的采集数据，上报给主站软件。

小区公共用电信息采集，采用了三相智能监控终端，外接互感器方式采集公共用电线路的电参数信息，外接接触器的方式实现公共用电线路的用电控制，具体功能如下：

●电参数计量与处理，通过互感器计量空气开关出线端的电参数信息，采集三相电流、电压、有功功率、无功功率、电能示值等22项电参数数据，采集数据按冻结密度保存一段时间内的数据备份以及一份实时数据，以便上端设备的查询。即使设备意外断电，通电后，存储的数据不会被清零。

●通断电控制，三相智能监控终端具有实时、定时2种通断电控制方式。其中实时控制即终端响应主站软件下发的实时控制命令，即时响应控制；定时控制即终端根据预设的时间段响应通电、断电命令。

●数据传输，上行通信支持485及无线通信方式，可以直接与小区内其它设备组成Zigbee网络，也可以通过485总线接入小区配电变压器综合采集仪，通过小区配电变压器综合采集仪实现与小区外网的光纤通信。

●设备维护，三相智能监控终端具有自检自恢复、本地状态指示、本地维护接口等功能，同时具有液晶屏显示，以便维护人员现场巡检。

三相智能监控终端具有如下特点：

●设备具有ZigBee和485双通道功能，小区内分散的公共用电信息采集或集中的公共用电信息采集都适用。通过小区配电变压器综合采集仪实现与主站软件之间的通信，与主网络隔离，提高了采集网络的安全性。

●具有定时控制功能，控制方式灵活，方便小区公共用电线路的用电控制，减少小区物业人员的开关灯等的工作量。

●系统安装使用方便，运行稳定可靠，满足户外用电信息采集的需要。

3.3 户内用电信息采集

户内用电信息采集包括户内空气开关出线线路的用电信息采集，居民主要用电设备（电冰箱、电热水器等）的用电信息采集。

户内空气开关出线线路的用电信息采集，采用智能空气开关，其功能与三相智能监控终端类似，实现空气开关回路单相电参数的采集。

居民主要用电设备的用电信息采集采用智能插座，在实现普通插座功能的基础上，实现插座负载的用电信息采集。居民用户用智能插座可实现主要用电设备的用电信息采集与通断电控制。

智能插座、智能空气开关采用ZigBee无线通信方式，与户内其它智能空气开关、智能插座组成ZigBee无线网络，家居智能网关可通过Zigbee通信模块接收智能插座、智能空气开关采集数据，以太网小集中器也可通过Zigbee通信模块统一集中户内采集的用电信息数据，传输采集数据到主站软件。

智能插座、智能空气开关具有如下特点：

●设备具有ZigBee通信方式，根据网络标识，实现每一户组成一个独立的采集网络，保证了采集数据的正确性。

●设备无需布线，外型小巧，安装使用方便、运行稳定可靠，满足户内用电信息采集的需要。

3.4 主站系统

智能小区配用电信息采集系统采用省电力公司统一的主站系统，所有采集到的配电信息、户外用电信息、户内用电信息通过小区入户光纤统一汇聚到主站软件系统，通过软件功能进行查询、统计、分析，辅助供电部门决策，为供电公司向居民用户提供用电服务提供了信息支撑。

4 系统特点

基于电力光纤入户的智能小区配用电信息采集系统有以下特点：

●实时性和同步性，实现了小区配用电数据采集通信网络的一体化，通信网络能够保证各类实时数据传输的实时性，并能够保证小区配用电网络各个结点的数据采集的同步性。

●易用性和可扩展性，由于小区电力光纤入户建设时预留了大量的光纤纤芯资源，以及ZigBee网络的自组织特点，使得小区内部接入新的信息采集设备时，系统能够感知新设备的接入，采集通信网络能够根据需要进行扩展。

●全面性和精细化，系统可以对小区内配电变压器信息、小区公共用电信息、居民电能表信息、居民户内分类信息进行完整的信息采集，同时可以根据需要精细化采集小区配用电网络各个结点上的电参数。

5 结束语

通过基于电力光纤入户的小区配用电信息采集系统的研究和应用，实现了小区配用电数据采集通信网络的一体化，保证各类实时数据传输的实时性和同步性，通信网络具备良好的易用性和可扩展性。通过研发配电采集设备、户外用电信息采集设备、户内用电信息采集设备，与一体化通信网络相结合，实现了小区用电信息的全面采集和精细化采集。本文研究成果为居民小区智能用电和供电公司开展居民用户智能用电服务提供了支撑。