基于5G的新一代电力用户用电采集系统研究及应用

赵丰

【关键词】5G;电力用户;用电采集;系统

一、绪论

在新一代移动通讯5G建设的大背景下，本文对电力用户用电采集系统（简称用电采集系统）发展方向进行分析，旨在通过理论分析为实践操作提供依据。用电采集系统的全面建设，有利于提升电网智能量测水平，电网运行稳定，促进电力行业服务水平，为电量计量、电费计算、配网监测、线损分析、故障抢修等业务提供了支撐功能。

随着配电网拓步结构的日益复杂，以及大量分布式电源的接入，基于光纤通道建设的采集系统存在周期长、成本高、难度大、利用率低等缺点，第五代移动通讯技术具备大连接、高可靠性、低延迟、多连接等特点;新一代的电力用户用电采集系统的建设应该基于5G移动网。

二、关键技术

（一）扩容技术

1、mMTC

mMTC即海量机器类通信，主要应用在大规模物联网。一个百万居民的现代城市需要的智能采集设备数量多.分布范围广、连接庞大，要求通讯网络具备千万级的连接支持能力，传统的4G通信网络已经无法胜任。5G的mMTC具有千亿级的连接支持能力，连接密度达到100万/km2的技术指标。完全满足用电用户信息采集系统低功耗、大连接应用场景。

2、大规模MIMO

大规模MIMO是一种多输入多输出的天线配置技术。通过“波束成形”成倍增加无线基站天线链路的容量。可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在智能采集设备位置形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的，这些天线能够将信号强度集中到较小的空间区域，通过将信号准确导向所需位置来提高总体效率和吞吐量。

（二）时延技术

1、uRLLC

uRLLC是一项具备高可靠、超低时延的通信技术。这项技术在电力远程费控、负荷控制等应用场景的作用尤其显著，由于电网设备控制要求精准性、即时性、可靠性非常高，uRLLC通过更小时间资源单位（mini-slot）、减少数据发送等待时延、免授权调度传输方式、有效的编码策略（ MCS）等数据，有效提高了网络传输的时效和可靠性。

2、MEC

多接入网络边缘计算（MEC）通过减少距离用户邻近设备的响应时延，与电力网络中差动保护装置要求十分契合。差动保护装置作为电力网络的安全保护设备，通过采集、传输、对比输电线路两端电流信号，进行安全保护动作。MEC重新定义了核心网和网络边缘，改变原有通信必须全部由核心传输的方式，通过用户控制面下沉技术进一步缩短传输路径，大大减小网络响应用户请求的时延，降低了传输网和核心网部分发生网络拥塞的风险。

（三）多通道技术

在电力用户用电采集系统中，不同业务应用场景对于网络规模、网络时延、网络安全、传输可靠性的要求不尽相同;例如：采集业务设备数量庞大，电网控制业务要求数据传输可靠性、时延低，巡查业务移动作业性强。5G可以通过网络切片技术分割物理网络，将其划分为多个虚拟网络;并根据具体应用需求，灵活定制不同虚拟网络切片。因此，通过构建采集子网（大容量），控制子网（低时延），巡查子网（移动）三个不同特性的虚拟子网络，满足不同性能要求的应用。

三、采集主站

（一）系统架构

1、总体架构

从感知层、网络层、核心服务层、应用层等四方面进行分析新一代用户用电采集系统架构。

（二）通信层

1、5G网络

为满足5G多样化的应用场景需求，5G的关键性能指标更加多元化。ITU定义了5G八大关键性能指标，其中高速率、低时延、大连接成为5G最突出的特征，用户体验速率达1Gbps，时延低至1ms，用户连接能力达100万连接/平方公里。

2、通信前置

通信前置用于管理主站与采集设备连接，保持前置与设备间的通信。由于服务器资源限制，单台通信前置最多管理65535个连接，因此，需负载均衡设备将众多连接分布在不同的通信前置服务器。

3、通讯协议

电力用户用电信息采集系统使用的网络协议如下：

（1） 5G-NR协议

5G-NR（ New Radio）即新空口无线协议栈。NR能工作FR1（小于6GHz频段）、FR2（毫米波频段）两种频段，最大信道带宽达400MHz，远远大于LTE的最大信道带宽20MHz。其采用了信道复用、多天线技术、和波束赋形等技术，能够频带资源得到充分利用频带资源。其包括用户面和控制面。用户面（ User Plane，UP）协议栈即用户数据传输采用的协议簇，控制面（ Control Plane，CP）协议栈即系统的控制信令传输采用的协议簇。

（ 2） HPLC协议

高速电力线载波HPLC是通过低压电力线上传输数据传输的技术，也称为宽带电力线载波。HPLC的工作频率为2M-12Mhz，通信延迟小于30ms，满足96点曲线采集（15分钟）、日冻结电量采集、停电事件实时上报等业务，抗时变噪声，抗衰减性小于85db，保证采集成功的提高。

（3） 376.1协议

376.1协议是一种应用层协议，通过二进制编码的方式，定义了采集主站向采集终端发送指令的格式，如何解析采集终端返回指令的一系列标准，是电力采集系统第一代的协议。

（4） 698协议

698协议是一种面向对象的应用层协议，通过数据和方法的分离技术，提供了协议扩展的灵活性，是电力采集系统第二代的协议。

（三）感知层

1、智能电表

电表通过RS485接口将数据传送到采集器中，采集数据按照小时、日、月数据信息保存，然后通过集中器统一上报采集主站。

（1）单相电表

单相电能表用于居民电量采集，可进行有功电度量计量，计量准确、模块化小体积、安装方便、无需外部电、工作温度范围宽。

（2）三相电表

三相电能表包括三相三线和三相四线两种，用于工业用户（商业用户的）等大用户的数据采集。可进行有功电量、无功电量、电压曲线、电流曲线、相位等多种数据项的采集，过载能力强、误差线性好、质量稳定。

2、采集集中设备

集中器用于汇聚智能电表的网络连接，可减少区域内连接数量、并且具备数据存储、自动采集、即时反馈，体积小、重量轻、实时性好，常用户汇聚小区或高层建筑居民的采集设备数据。

（四）核心层

1、数据采集

数据采集是电力用户用采信息采集系统的核心服务，其包括任务管理、数据补采、报文组装、规约毹析、规约适配。

（1）任务管理

由于不同业务的智能采集设备采集的数据项、采集频度、采集时间段等要求不同，任务管理通过均衡调度策略，优先权调度策略;合理调度分配系统资源。保证通信服务、数据入库服务、智能终端的负荷可控。

（2）报文组装

报文组装就是将Text/Json/Xml转换成二进制的376.1/698规约报文。当用户通过Web应用对在线的采集设备发送采集电量、限电、上电等命令式时，应用程序以Restful、RPC、WebService方式调用服务层接口，服务层将Text/Json/Xml格式的数据进行编码，组装成采集设备可识别的376.1/698规约报文。

（3）报文解析

报文组装就是将376.1/698规约报文转换成Text/Json/Xml格式。

（4）报文适配

报文适配即根据设备型号自动匹配其支持的协议的功能。

（5）采集补采

采集失败的设备按补采策略进行数据补采任务。

2、分布式缓存

Redis作为可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库，读写速度高。适合缓存档案参数、任务模板、终端状态、指令步骤等频繁读取的数据。

3、分布式消息

Kafka是一种高吞吐量的分布式发布订阅消息系统。大量地采集数据通过Kafka的缓冲后写入数据库，可以减少采集服务对数据库的直接压力。

4、大數据处理

大数据处理服务通过数据清理、数据集成、数据归约与数据转换、数据挖掘等方式，从采集数据中提取有价值信息。

（1）实时计算

实时计算一种时间复杂性较低的计算，通过快速计算，实时分析电网线损、重点用户监视、设备在线率等重要指标。

（2）离线计算

离线计算一般用于数据量大，计算时间复杂性较高，实效性要求不高的场景，例如反窃电、行业用电趋势分析等。

5、数据库

数据采集服务采集数据量大，持续时间长，写入压力大，普通数据库无法满足这样的工作场景。HBase是一种构建在HDFS之上的分布式存储系统，具有单表可以有上亿行/上百万列、稀疏存储、数据多版本、高并发、去中心、可伸缩等技术特点，特别适合大数据量写入的场景。

（五）应用层

前端应用：电力用电采集系统包括基础应用、运行管理、高级应用、有序用电、统计查询、系统管理等。

1、基础应用

电力用电采集系统的功能基础，维持系统的基本运行，负责采集分布广泛的采集设备各类数据项，调度采集任务，提供营销、生产等其他系统数据的基本接口，进行设备在线率、采集成功率、采集完整率、电量电费、配电电网负荷计算等。

2、运行管理

采集系统的运行过程中经常需要使用的功能，例如：通信模块管理、时钟管理、档案管理、采集方案管理，采集任务管理，设备调试等功能。

3、高级应用

由采集系统作为基础衍生出的支撑类功能，需要对采集数据进行分析、加工、数据挖掘，例如：线损计算、反窃电分析、重点用户用电监测、配网监控。

4、统计查询

从整体或某一业务领域角度，通过报表、图型等可视化工具，直观反映业务关键信息的功能。

5、系统管理

用户权限、操作审计、单点登录等系统配置类功能。

四、应用场景

（一）电量采集业务

智能电表通过数据采集、数据冻结、数据传输等技术自动将用户的电量数据传输至电力用户用电采集系统中，并自动完成电量计量、电费计算等工作，不但提高了电力服务的工作效率，降低了抄表环节人力成本，而且提高了服务质量。但是由于采集设备数量不断增加、采集可靠性、及时性要求的持续提高，传统4G、Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等技术已经满足不了现有的应用，需要寻求新的技术。

2019年广州从化供电局在规划建设了265个5G基站，4月底前已经完成70座基站的建设工作，通过公变低压供电的方式就近选取电源接入点。用电用户报装，可通过绿色通道，进行“两证报装”，并且实现接电“零投资”，不需要对专用变压器进行再次投资建设，真正实现接电“零投资”。

（二）即装即采业务

采集设备安装后，需要通过正确的档案配置，才能正常工作。在实际安装施工过程中，一块智能电表的安装需要经过开户、安装、上网、配置、调试、采集等多个步骤，不但耗时长、而且颇费人力、物力。

湖南电力即装即采的采集设备技术，在老旧小区电表换装过程通过上网、配置、调试自动化，大大节省了安装工作的工作量，而且减少了后期设备调试的时间。

（三）远程费控业务

在实现用户的精准计量的基础上，可以采集系统对欠费的用户远程限电。智能电能表远程费控模式使电费缴纳的方式更加灵活。

2012年，智能电能表更换工程在山东省大规模开展，邑县供电公司作为首批试点县公司，开展小规模试点研究，使用远程费控系统建设进入发展快车道。通过远程费控提高电费风险控制能力，减少电费回收的周期，提高资金利用效率。

（四）电网巡查业务

电网巡查是保障电网安全的重要环节。电网巡查、负荷监控、故障抢修，是保护电网安全，减少电网安全隐患的基本工作。随着5G通信技术的建设，无人机电网巡查、电力单兵巡检装备的应用发展迅速。

2018年6日，冀北电力检修公司在输电线路通道中的导线运维中，通过无人机巡航技术，试验其在电网检修中的应用方式，经过无线线网络传输到地面、监控站中通过立即可以通过激光建立三维模型。通过该技术将改变电力线路巡视员翻山越岭巡视线路的工作方式，减少人工巡视危险，确保电力设备的安全。

（五）异常告警功能

通过采集设备自动识别电源异常、某区域失电、电压超限、电流反向、三相不平衡、开表盖等异常情况，以主动上报方式自动发送至采集主站。

某区域水电甲线3号配变站，7月22日开始起出现停抄户22户，5G用电信息采集系统故障预警机制立刻便感知到电网故障，并通过即时消息机制，发送消息通知当地电力公司安排检修人员，通过现场排查，发现由于集中器参数错误，导致设备故障卡死，经过及时调试修改，该区域恢复正常。

（六）相位识别功能

在智能电表安装过程中，由于工期短、数量大，很难对每个载波通信节点的安装相位进行测量记录。因此，对5G通信技术对用户某区域相位进行识别成为本领域亟待解决的技术问题。

五、结论

新一代型移动通信技术5G具备mMTC（海量机器类通信）、uRLLC（高可靠，超低时延）、MEC（网络边缘计算）等诸多新特性，与电力用户用电采集系统的需求高度契合。因此，基于5G的新一代电力用户用電采集系统可以满足智能电网发展需要。