无信号覆盖区域电能数据采集方法研究与应用

吴飞财

(福建水利电力职业技术学院，福建 永安366000)



无信号覆盖区域电能数据采集方法研究与应用

吴飞财

(福建水利电力职业技术学院，福建 永安366000)

公网通信质量是影响电能数据采集效果的重要因素。针对无信号区域电能数据无法采集的问题，首先从技术原理与技术特点两方面介绍4种解决方法；其次，从通信速率、可靠性、成本等维度对4种方法进行技术经济分析；最后结合电力公司小水电站电能数据采集需求，给出4种方法的适用场景，用于无信号区域用电信息采集系统建设的方案选择及提高公网通信质量。

公网通信；无信号覆盖；电能计量终端；电能数据采集

国家电网公司与中国南方电网有限责任公司(以下简称“南方电网”)均在大力开展用电信息采集系统(计量自动化系统)建设，期望实现电力用户电能数据自动采集全覆盖。计量终端[1-2]采集的电能数据主要通过无线公网、无线专网、光纤等通信方式上送给主站，但在部分地区，由于电信运营商尚未实现信号覆盖，计量终端无法将数据及时上传，影响了电量数据的完整性。特别是小水电站用户，受地理环境限制无信号覆盖，而其发电量又较大，若电网公司无法及时采集电能数据，容易造成结算困难。

解决无信号覆盖区域的电能数据采集问题，一般面临如下难题：

a) 运行维护困难。无信号覆盖区域一般交通不便，每次人工运行维护的成本均较高，无法实现日常巡检。

b) 低压电源取电困难。小水电站一般通过10 kV线路并网发电，而通信设备需要低压电源，因此只能部署在小水电站附近。

c) 通信设备可靠性要求高。无信号区域一般地处野外，通信设备容易受自然和人为破坏，需要工作原理简单，可靠性高的解决方案。

为了提高无信号区域电能数据采集覆盖率，提升数据采集速度，减少人工运行维护工作量，本文首先介绍几种解决方法，然后从技术、可靠性、成本等方面进行比较研究，最后给出典型应用场景的解决方法，以期解决上述难题。

1　采集方法介绍

电能数据采集系统结构如图1所示。

图1　电能数据采集结构

吴飞财：无信号覆盖区域电能数据采集方法研究与应用从图1可知道，计量终端通过下行通道采集电能表数据，再通过上行通道将数据发送至主站。在无信号覆盖区域，主要存在终端与主站间的上行通道无法通信的问题。

解决方法一般有两类:一是将终端移至信号覆盖区，再改造下行通道，使终端能与处在无信号区域的电能表进行通信，如图2所示；二是改造上行通道，使无信号区域的终端能与主站进行正常通信，如图3所示。

图2　改造下行通道示意图

图3　改造上行通道示意图

1.1卫星通信

卫星通信[3]不受通信距离的限制，无须信号中继；卫星通信不受环境因素影响，具备全天候通信能力。利用上述优点改造下行通道，可将终端置于便于管理的信号覆盖区域，且无需对主站进行任何改造，卫星通信数据采集结构如图4所示。

图4　基于卫星通信的电能数据采集流程

卫星通信不受电网噪声干扰，但建设成本和使用费用均较高，且通信速率受限。

1.2中压载波

中压载波[4]利用10 kV电力线作为通信通道，通过耦合器传输电能数据。中压载波无需布设通信电缆，通信速率为300～600 bps，可满足一般抄表任务的需求。利用中压载波改造下行通道，其结构如图5所示。

中压载波使用费用较低，但需停电安装耦合电感，且载波信号易受电网噪声干扰。

1.3信号中继

信号中继[5]可有效扩展无线信号覆盖范围，特别适用于终端离信号覆盖区域较近的应用场合。可使用直放站、230 MHz电台中继设备实现信号中继功能。利用信号中继改造上行通道如图6所示。

图6　基于信号中继的电能数据采集结构

信号中继设备一般采用低压供电，需解决低压电源的获取问题，且中继效果受距离和障碍物的影响。

1.4计量点迁移

若电力用户位于10 kV馈线的末端，可将计量点前移至有信号覆盖的线路分支点，解决信号覆盖问题。计量点迁移涉及到线损管理的问题，迁移会增大用户的线损，容易引起纠纷。而且计量点迁移需要移动包括互感器在内的所有电能计量设备，改造工作量较大。

2　分析比较

上述4种采集方法在技术上各有特点，电能数据采集质量取决于通信通道的速率[6]、抗干扰能力、通信稳定性等因素[7]。此外，采集方法应尽量减少需要改造的组件，降低改造难度。下面从几个方面对4种采集方法作比较。

2.1通信速率

2.1.1卫星通信

卫星通信一般利用北斗卫星的短报文服务实现双向通信。受限于短报文的发送长度和发送频率，支持的传输速率仅为100 B/min。对于主站随机召测的响应速度较慢，至少需要2 min。因此需要通过数据压缩和交互流程优化才能满足电能数据的采集要求。

2.1.2中压载波

中压载波的通信速率在0.3～1 Kbps范围之内。为了提高抗干扰能力，速率一般选为300～600 bps，此速率与低压窄带载波的传输速率相同，可满足电能数据的采集需求。对主站随机召测的响应时间一般小于1 min。

2.1.3信号中继

信号中继对终端上行通道的影响较小，且不影响正常的下行抄表速度。因此随机召测的响应时间小于30 s。在电能数据采集方面，基本能满足计量高级应用。

2.1.4计量点迁移

计量点迁移之后对计量终端的上下行通信通道均无影响，因此随机召测的响应时间小于15 s。在电能计量业务上可满足各种高级应用的需求。

4种采集方法在通信速率方面的比较结果见表1。

表14种采集方法在通信速率上的对比

采集方法上行通道速率/Kbps下行通道速率随机召测响应时间对计量业务的影响卫星通信50～100100B/min>2min只能抄读重要数据中压载波50～100300～600bps<1min满足基本采集需求信号中继20～502.4～9.6Kbps<30s基本满足高级应用计量点迁移50～1002.4～9.6Kbps<15s满足各种高级应用

注：假设终端上行通信采用2G网络。

2.2可靠性比较

2.2.1卫星通信

民用卫星通信具有抗环境干扰能力强的优点。但由于短报文容量的限制，一旦发生短报文丢失或延迟现象，则会带来数据传输延时时间大幅增长的问题。且由于通信速率低，无法采用高效的补抄机制，容易出现主站缺数的情况。

2.2.2中压载波

中压载波利用10 kV电力线路传输信号，电网的谐波、噪声、阻抗变化均会影响通信效果。特别是在干扰严重的时间段，可能出现载波通信中断的现象。中压载波需要一直尝试通信，采用适当的补抄机制，才能保证所采集电能数据基本完整。

2.2.3信号中继

信号中继需要选择适当的地点安装中继器，且需解决低压取电的问题。信号在中继传播时容易受到地理环境的干扰，若在使用过程中出现障碍物，则将影响信号中继效果。此外，野外环境不容易获得低压电源且容易遭外力破坏。尽管可采用蓄电池、风光发电等技术手段，但是电源可靠性较低。

2.2.4计量点迁移

计量点迁移能够较好地解决通信可靠性问题。迁移时电压、电流互感器也跟着迁移，因此电源可靠性得到保障。只要迁移地点信号覆盖质量好，则可获得较高的通信可靠性。

4种采集方法可靠性比较结果见表2。

表24种采集方法可靠性对比

采集方法电源可靠性通信可靠性卫星通信较高较低中压载波较高较高信号中继低较高计量点迁移高高

2.3成本分析

2.3.1卫星通信

卫星通信需要安装卫星指挥机和卫星接收机。1台指挥机可同时与多台接收机通信。一般而言，每个用户需安装1台接收机，每家供电公司可只需安装1台指挥机。因此，用户数量越多，单个用户的投资成本越低。此外，卫星通信每年还需支付通信费用。

2.3.2中压载波

中压载波需在每条10 kV线路上至少安装2台载波机。一般主载波机置于变电站内，从载波机置于用户侧。与卫星通信类似，若同一线路上有多个用户采用中压载波通信方式，则可降低单个用户的建设成本。

2.3.3信号中继

信号中继的建设成本主要包括中继器成本和低压电源建设成本。1台中继器服务的用户数量较少，一般为1至3户。为了可靠，电源一般采用电压互感器。

2.3.4计量点迁移

计量点迁移的成本主要是施工费用。根据迁移距离不同，施工费用略有差异，一般迁移距离在3 km之内。

4种采集方法在建设和使用成本方面的比较结果见3。

表34种采集方法在成本上的对比

采集方法建设成本/万元使用成本/万元备注卫星通信3～50.04～0.06按100户计算中压载波2～30按5户计算信号中继10按2户计算计量点迁移0.5～10按1户计算

从表3可知，卫星通信方案的成本最高，计量点迁移方案的成本最低。若条件允许宜采用计量点迁移方案，而卫星通信则可作为最后解决方案。

3　应用分析

下面以某电力公司对小水电站电能数据的采集为例，给出各种方案的应用条件。

根据国网公司用电信息采集系统的管理要求，需要采集小水电站15 min的曲线数据、日数据、月数据，还必须支持数据实时召读功能。表4给出了每天的数据量测算。

表4小水电站每日需采集的电能数据量

采集数据数据量/B曲线数据12096日数据240月数据8实召数据40总计12384

注：每月月数据为240 B，平均每天为8 B；假设平均每天实召40 B。

考虑到传输报文还包括帧头、帧尾等额外开销，终端每天向主站上送数据量的能力必须大于120 KB。结合表1所列的上行通信速率，各种采集方法每天通信时间的最低比例见表5。比例越低，说明该采集方法可额外采集的数据量越多。比例越高，则采集方法的容错能力越低，不允许出现明显的通信不稳定。

表5每天通信时间最低比例

采集方法每天通信时间占比/%卫星通信86中压载波12信号中继0.056计量点迁移0.022

由上述对4种采集方法的通信速率、可靠性、成本分析，结合表5的具体需求可知，计量点迁移方案的优势最明显，卫星通信的速率最低，对通信稳定性的要求最高。下面给出各种采集方法的适用场景。

计量点迁移方法的原理简单，宜优先考虑。若用户同意迁移计量点，且迁移后基本不影响计量功能，则应采用此方法。计量点迁移涉及到的线损问题可通过建立线损模型，综合计量点的电压、电流、功率曲线等因素，计算线损分摊。

对于无法迁移计量点的小水电站，若计量点离信号覆盖区域不远，且中间无明显的障碍物隔断，则可考虑采用信号中继方法。此方法基本不影响终端与主站的通信效果，同时改造成本较低。该方法的难点在于解决低压取电的问题，以及野外低压线路的维护问题。

若无法采用信号中继，则可考虑中压载波和卫星通信两种方法。中压载波适合于少量无信号覆盖计量点的电能数据采集。特别适合于1条10 kV线路上有多个无信号覆盖计量点的场景。卫星通信则适合于无信号覆盖计量点数量较多且地理分散的场景。以一省或一市为单位，建立1套基于卫星通信的电能数据采集系统，作为最后的技术手段彻底解决无信号覆盖区域电能数据采集的难题。

4　结束语

本文针对无信号覆盖区域电能数据采集的需求，介绍了4种解决方案。这些方案均在电力公司得到应用。其中卫星通信作为一种新的采集方式已在青海、四川、福建、贵州等地成功应用，中压载波则在广东电网试点，均能满足电力公司对曲线数据、日月数据、实时数据的采集需求。

本文总结4种采集方法的特点，并从通信速率、可靠性、成本等方面对4种采集方法进行技术经济比较，得出了每种方法的适用场景，为今后无信号覆盖区域用电信息采集系统的方案选择提供参考依据。

[1] Q/CSG 11109002—2013, 中国南方电网有限责任公司负荷管理终端技术规范[S].

[2] Q/CSG 11109007—2013, 中国南方电网有限责任公司配变监测计量终端技术规范[S].

[3] 常云, 许庆洲, 刘萍. GPRS在电能计量远抄系统中的应用[J]. 电测与仪表, 2005, 42(01):42-44.

CHANG Yun, XU Qingzhou, LIU Ping. The Application of GPRS in the Remote Reading System of the Electrical Power Measurement[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2005, 42(1): 42-44.

[4] 陈壮奕. 基于GPRS的电能远程抄表系统的设计与实现[J]. 广东电力, 2006, 19(1): 71-74.

CHEN Zhuangyi. Design and Realization of GPRS-based Power Remote Meter Reading System[J]. Guangdong Electric Power, 2006, 19(1):71-74.

[5] 申展, 胡辉勇, 雷金勇, 等. 分布式电源接入用户及用户侧微电网双向电能计量问题[J]. 南方电网技术, 2015, 9(4):14-21.SHEN Zhan, HU Huiyong, LEI Jinyong, et al. Bidirectional Metering Issues of User-side Microgrid and User with Distributed Generation[J]. Southern Power System Technology, 2015, 9(4): 14-21.

[6] 弋中欣, 郑兴元. 基于卫星通信技术平台的通信组网方式在阿坝电力系统中的应用[J]. 科技传播, 2012, 4(16):210-211.

YI Zhongxin, ZHENG Xingyuan. Application of Communication Networking in Aba Electric Power System based on Satellite Communication Platform[J]. Public Communication of Science & Technology, 2012, 4(16): 210-211.

[7] 朱斌. 电力终端通信接入网网管系统研究及应用[J]. 电力系统通信, 2012, 33(12):76-81.

ZHU Bin. Application and Research of Network Management System for Power Terminal Communication Access Network[J]. Telecommunications for Electric Power System, 2012,33(12)：76-81.

[8] 杨红欣, 齐火箭, 徐海宾. 基于230 MHz无线数传电台中继的GPRS信号延长器[J]. 电子制作, 2014 (12):122-123.

YANG Hongxin, QI Huojian, XU Haibin. Repeater of GPRS Signal based on 230 MHz Data Radio Station[J]. Practical Electronics, 2014(12)：122-123.

[9] 曹时伟, 朱青, 刘宏立. 智能电表的数据抄读新方法[J]. 计算机应用,2013, 33(5):1248-1250,1254.

CAO Shiwei, ZHU Qing, LIU Hongli. PROFIBUS-based Reading Method of Smart Meter's Data[J]. Journal of Computer Applications, 2013, 33(5)：1248-1250，1254.

[10] 张东霞, 苗新, 刘丽平, 等. 智能电网大数据技术发展研究[J]. 中国电机工程学报, 2015,35(1):2-12.

ZHANG Dongxia, MIAO Xin, LIU Liping, et al. Research on Development Strategy for Smart Grid Big Data[J]. Proceedings of CSEE, 2015, 35(1)：2-12.

(编辑王夏慧)

Research on Electric Energy Data Acquisition Method in No Signal Coverage Areas and Its Application

WU Feicai

(Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Yong’an, Fujian 366000, China)

Quality of public network communication is an important factor influencing effect of electric energy data acquisition. In allusion to the problem of being unable to collect electric energy data in no signal coverage areas, this paper firstly introduces four solutions in aspects of technical principles and features. Secondly, technical and economic analysis is carried out in terms of communication rate, reliability, cost, and so on. Finally, feasible scenarios are presented for the four methods by combining with requirements for electric energy data acquisition in small hydropower stations, which can be used for scheme selection for construction of electric energy data acquisition system and improving communication quality in public network.

public network communication; no signal coverage; electric energy acquisition terminal; electric energy data acquisition

2016-04-19

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.021

TM932

B

1007-290X(2016)09-0104-05

吴飞财(1979)，男，福建永安人。讲师，工学硕士，主要从事电能计量、电气自动化研究及教学工作。