随着我国经济快速发展，智能电网建设不断推进，电力无线通信技术也取得巨大的进步。与此同时，用户对电力的业务需求越来越多。通信网络的性能在一定程度上决定是否能为用户提供优质的服务，如电力信息采集业务实现可靠性关键的因素之一便是通讯网络性能的好与坏。而建设用电信息采集系统又是实现智能电网的必然要求，在实现电网与客户双向互动，承担起用电信息自动采集、高效共享和实现监控等重要的任务，可以有效改变过去长期无法及时、完整、准确掌控电力用户信息的落后局面，在系统各层面上满足用户的需求，实现电网公司管理现代化，进一步提升服务能力等方面具有跨越性的历史意义。
一、电力信息采集系统
电力信息采集业务是对用户的用电信息进行采集、监测和处理，实现用户用电信息计量异常监测以及用户用电信息采集、分析和管理，同时也让电能质量被实时监控等，在用户服务、市场管理、电费实时结算等多方面提供实时、可靠的数据。电力用电信息采集系统分主站层、通信信道层和采集设备层三层。[1]主站与其他应用系统和公网信道是由防火墙分离开来，单独组网。在主站层里有前置采集平台、营销采集业务应用以及数据库管理三部分组织。前置采集平台管理和调查各种与终端的远程通信；营销采集业务应用让系统的各部分应用功能得到充分得到充分发挥；数据库管理实现用电终端的用电信息有效管理，并担负起协议解析职责。实现这三种功能，需要由前置采集服务器、营销系统服务器以及相关的网络设备组成主站网络的物理结构。采集设备层的主要任务是收集和提供整个系统的原始用电信息，是整个系统的底层，又分为计量设备层、终端子层两个子层，分别负责实现电能计量和数据输出和收集用户计量设备的信息、处理和冻结相关数据，并实现与上层主站的交互等。而主站层和采集设备层之间的最重要使是通信信道，为主站和终端信息交互提供平台。目前有230MHz电力无线专网、GPRS/CDMA无线公网以及光纤专网等通信信道，而无线技术的应用更能满足系统需要，其可靠性和稳定性成了当前的研究重点。用电信息釆集系统主要有五大功能，分别是系统数据采集、系统接口、运行维护管理、数据管理及控制和综合应用。数据采集主要是根据业务要求编制自动采集任务，例如任务类型和名称、采集周期和群组、正常补采次数以及执行优先级等信息，对任务执行情况进行管理；系统接口主要是与其他应用系统进行连接；运行维护管理功能是对密码、权限、档案、通信与路由、终端、运行状况、故障记录、报表等方面的内容进行有效管理；数据管理及控制功能包括对数据的计算、检查、分析、存储等内容进行管理以及对电量、功率、费率、电缆催收等内容进行控制；综合应用功能主要是提供异常用电分析、有序用电管理、自动抄表管理、用电分析、电能质量数据统计等服务。用电信息采集首先由主站对集体终端进行对时，统一时间后终端进行采集工作状态，按设定的时间间隔进行定时抄表、存储并通过无线信道传数据到后台，如无线信道不稳定时，后台会自动再次生成相应的补救命令追补数据，最后后台对数据进行处理。整个采集过程，业务通信具有整点时刻定时抄表，重传补数的特点，保证在业务通信失败的情况下还可以再次重新传采集数据，实现信息采集可靠性。
二、无线通信信道技术特点与数据丢失规律分析
1.无线通信信道技术的特点利用信道的统计特征进行分析是无线通信信道技术的重要特征之一。无线通信信道分为小尺度衰落和大尺度衰落两种衰落大体。小尺度传播是指信号在短时间内瞬间产生的变化，而大尺度传播指的是在相关长的一段时间内信号平均功率的变化。信道的相位、振幅会受到多径传播和多普勒频移两者的影响，产生信号频散和时间选择性衰落。衰落也根据大小将小尺度衰落分为选择性频率衰落和平坦衰落。在电力系统无线通信应用中通常有如高斯噪声、白噪声、窄带高斯噪声等多种噪声陪随着信号的传输，短时衰减是他们其中最大的特点，最大可以达到60~70dB。无线通信信道技术噪声有突发性的脉冲噪声、自然噪声、同步周期性脉冲的噪声、异步周期性脉冲的噪声。突发性的脉冲噪声顾名思义是指网络上开关的操作或者发生闪电时产生一系列脉冲噪声影响到非常宽的频带，以致脉冲噪声密度比背景噪声的功率谱密度高出50dB；自然噪声即是指如闪电、雷击、电焊等自然界各种各校的电磁波造成的自然噪声；同步周期性脉冲的噪声是电力设备按照50Hz或者100Hz来工作的频率产生的脉冲，功率随频率增加而减少；异步周期性脉冲的噪声是由于大功率电器的开关发生周期星的开闭动作导致噪声产生，重复率主要集中50~200范围之内。2.电力无线通信数据丢失规律不同地区电力负荷的特性不同，影响电力负荷的因素也不完全相同。[2]电力用电信息采集业务的主要任务是对居民用电信息进行采集与监控，无线通信往往会受到电磁干扰的影响。对用电信息采集无线通信网络进行数据分析，指在根据电磁干扰造成数据丢失规律，结合信息采集业务的应用环境特点，调整选用合适的控制策略，以保证用信息采集业务的可靠性。分析数据丢失规律，首先要统计出24小时内居民用电负荷与时间的关系特性，并结合用电负荷量得出阶梯奖业务量模型，再根据模式作出规律性变化分析。在统计电力用户用电负荷状况时，节选广州某居民区生活和工作用电负荷24小时规律变化为例，通过采样、统计、整理得出一天内的用电负荷曲线，如图1所示：其中，负荷比值=瞬时负荷量/24小时平均负荷量。由图1可以看出，01：00~05：00时间段为居民的休息时间，全天进行用电量低谷；05：00~08：00时间段，居民起床、做饭、上班等，用电量略有所回升；08：00~12：00时间段为居民上班时间，使用各种电器设备，用电量明显上升，而12：00~13：00为午餐午休时间，用电量随着部分活动的停止而呈小幅下降；13：00~18：00又进入工作期间，用电量也相应上升；18：00~20：00时间段是居民回家做饭时间，用电量逐渐增加；20：00~23：00时间是大多数人在家休息，如电视、空调等大功率电器大幅启动，多数娱乐场所也进行一天的高峰，此时处于用电高峰期，在21：00附近进入一天用电最高峰，随后便有所下降，至24时多数居民已休息，用电量又逐渐步入一天的低谷。电力无线通信数据丢失率与电磁干扰因素呈正相关关系，一般而已，电磁干扰因素越大，电力无线通信信道数据据丢失率就越大。结合居民用电负荷曲线，将一天分成五个时间段，依次为K23：00-6：00；K6：00-12：00；K12：00-18：00；K18：00-20：00；K20：00-23：00。五个时间段的居民用电量呈递增趋势，设20：00的用电负荷比值为K20：00，那么K20：00-23：00段的平均负荷比值为：K20：00-23：00=（K20：00+K21：00+K22：00）/3同理可求得其他四个时间段的平均负荷比值，可以得到五个级别的通信数据丢失率阶梯模型，可以总结电力无线通信数据丢失规律是随着用电量的变化而变化。在接入过程中应当充分根据此规律的特点而设计不同的控制方式，从而最大限制提高无线资源的利用率。
三、无线通信技术在系统中的应用
用电信息采集系统通信分为有线通信和无线通信。无线通信又分为无线专网和无线公网。一般而言，变电站采集终端采用有线的光纤通信方式，保证采集实时性强；高压客户采用230MHz专网或无线公网方式；而低压客户几乎都是采用无线公网通信方式。由于居民用电信息采集中，一个公用配变电下有大量的电力用户，而且具有用电容量小、计量点分散等特点，本地信道方式将大量的电力用户信息集中再往系统主站传输是一个低成本的无线通信技术应用方式。因此，用电信息采集系统无线技术的应用主要介绍微功率无线通信、低压窄带电力线载波、低压宽带电力线载波三种本地信道通信方式的应用。[3]微功率无线通信是指采用WSN（WirelessSensorNetworks）技术的无线通信方式。WSN是一系列微功率通信的总称，综合了嵌入式系统技术、传感器技术、网络无线通信技术、分布式信息处理技术等，通信微型传感器节点对用户进行实时的感知和监控，利用每个传感器具有无线通信功能组建成一个无线网络，将数据传输到监控中心，非常适用于低成本、测量点多、范围分散的低压场合。应用WSN技术克服了传统数据对点无线传输模式的局限性，自组织性、拓扑结构动态性、网络分布式特性等较为明显，而且通信能力、抗干扰能力都比较强，无需要安装，功耗低，具有很强的成本优势。无线数据支持双向传输，既可以上传电能表的数据，又可以接收集中器下发的命令，还可以中继来自其他节点数据。通信流程如图2所示：电能表通过无线采集节点传输到中继节点，并由集中器进行处理。集中器下发命令数据，目标无线采集节点就会通过多个中继节点收到命令，甚至可以直接收到，然后转发给电能表。还也可以利用无线网络实时性强的优点，将突发事件通过无线节点主动上传到后台，有效地实现故障报警、实时监控、防窃电。对于测量点相对分散、集中装表、用户负载变化大、载波不稳定等场合非常适用。低压窄带电力线载波通信指的是载波信息范围限制在500kHz以内的低压电力线载波通信。配电线主要用于传输50Hz大功率电力，配电线连接各种设备将会影响到传输的通信信号，特别是近年来变频家用电器大量使用，对信道的稳定性造成巨大的干扰，主要表现为阻抗不稳定、噪声显著、信号衰减严重，并且这两个因素随着时间和频率变化而变化。窄带载波通信技术可以双向传输，不再需要另外通信线路，具有较强的适应性，而且具有容易安装的特点，对于低压用户数据采集是个很好的应用。但其数据传输速率较低，容易受到噪声大、信号衰减的影响，在通信可靠性方面还存在着一定的技术障碍。因此，在应用时应当利用软硬件技术结合，完成组网优化窄带载波通信，对于一些用电负载特性变化较小、电能表分散布置困难的区域具有一定的应用价值。宽带电力线载波系统工作在1~40MHz频率范围，成功避开了kHz频段带来的干扰，并通过扩频调制或者正交方式来获得兆级以上的传输速率。这种电力线宽带通信调制技术把信道带宽分成N个正交的子信道，每个子信道呈现相对性和平坦特性，将这些子信道看成理想信息。由于低压台区电力线上的高频传输信号往往会衰减得比较快，需要通过时分中继、自动中继、频分中继和智能路由计算等多项技术手段实现整个低压电力通信网络重构并通信。这种通信技术具有较高的抗干扰能力，适应性强，可以同时承载多个业务并对各个任务进行并发处理。同时有单跳通信距离受限、信号衰减大等局限性。在应用时还需要采用路由、中继等行之有效的优化措施。根据宽带载波的短距离和少分支特性，应当重点应用于城乡公变区供电区域、电表集中安装居民区等，电能表数据采集效果和经济性均优于其他的抄表方式。
四、结语
智能电网建设体现一个国家电力发展水平。而智能用电是智能电网的一个重要组成部分，其建设水平直接关系到我国电网经济运行、使用效率、有序用电等诸多问题。用电信息采集系统自动化、智能化为智能用电服务提供有力的技术。本文在分析用电信息采集系统、无线通信技术特点的基础上对微功率无线通信、低压窄带电力线载波、低压宽带电力线载波三种本地信道通信方式进行讨论，旨在为国家智能用电服务提供支持。
作者:崔凯翔 单位:广州供电局有限公司荔湾供电局
