高博凱
（國網(wǎng)陜西省電力有限公司延安供電公司，陜西 延安 716000）
0 引 言
無線通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用是一種新興的研究方向，具有重要的理論意義和實際價值。在用電信息采集系統(tǒng)中應(yīng)用無線通信技術(shù)，可以避免傳統(tǒng)有線通信技術(shù)的布線復(fù)雜、維護困難、易受損壞及可擴展性差等缺點，提高用電信息采集系統(tǒng)的通信效率、通信質(zhì)量、通信安全性及通信靈活性等，為智能電網(wǎng)的建設(shè)和運行提供更好的服務(wù)。
1 無線通信技術(shù)的特點及發(fā)展
1.1 無線通信技術(shù)的特點
根據(jù)頻率范圍的不同，無線通信技術(shù)可以分為低頻、中頻、高頻、超高頻、微波及毫米波等。不同頻率的無線通信技術(shù)具有不同的傳播特性和應(yīng)用場景[1]。例如，低頻和中頻的無線通信技術(shù)可以利用地波和天波的傳播方式，實現(xiàn)遠距離的通信，但其數(shù)據(jù)傳輸速率較低，適用于廣播和海洋通信等領(lǐng)域；高頻和超高頻的無線通信技術(shù)可以利用電離層反射和對流層散射的傳播方式，實現(xiàn)中遠距離的通信，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，適用于無線電業(yè)余和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域；微波和毫米波的無線通信技術(shù)主要利用直線傳播的方式，實現(xiàn)近距離通信，數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，適用于移動通信和雷達等領(lǐng)域。
1.2 無線通信技術(shù)的發(fā)展
無線通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷模擬通信和數(shù)字通信2 個階段。模擬通信指將信息信號直接調(diào)制到載波上，然后通過無線電波傳輸，再經(jīng)過解調(diào)和放大等處理，還原信息信號[2]。模擬通信的主要優(yōu)點是技術(shù)成熟、設(shè)備簡單、成本低廉，主要缺點是抗干擾能力弱、信噪比低、通信質(zhì)量差、系統(tǒng)容量小及安全性差等。數(shù)字通信指將信息信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過編碼、調(diào)制等處理，再通過無線電波傳輸，最后經(jīng)過解調(diào)、譯碼等處理還原數(shù)字信號。數(shù)字通信的主要優(yōu)點是抗干擾能力強、信噪比高、通信質(zhì)量好、系統(tǒng)容量大及安全性好等，主要缺點是技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備昂貴、時延較大等。
2 無線通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
2.1 用電信息采集系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
用電信息采集系統(tǒng)作為供電企業(yè)的重要工作平臺，在多方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。該系統(tǒng)主要由采集主站、通信信道及終端設(shè)備組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 用電信息采集系統(tǒng)邏輯框架
采集主站是整個數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理大量的業(yè)務(wù)應(yīng)用、通信調(diào)度及控制執(zhí)行任務(wù)。它與前置平臺、工作站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備協(xié)同工作，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。通信層主要在主站服務(wù)器與現(xiàn)場的終端設(shè)備之間建立穩(wěn)定的信息傳輸鏈路，從而保證數(shù)據(jù)的實時、準(zhǔn)確傳輸。集抄設(shè)備由臺區(qū)集中器和采集器組成，負(fù)責(zé)匯總和暫存來自采集器和電表的數(shù)據(jù)，并與系統(tǒng)上層服務(wù)器進行通信。終端設(shè)備分布在用戶現(xiàn)場，包括各種計量設(shè)備和輔助設(shè)備，核心任務(wù)是收集用戶的電能消費相關(guān)信息，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。對于特定的電力客戶，專變采集設(shè)備負(fù)責(zé)提供更深入的數(shù)據(jù)分析和狀態(tài)檢測。采集器一般與多臺電能表連接，負(fù)責(zé)傳遞用戶的電能消費信息給集中器，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。集中器作為終端設(shè)備的一部分，負(fù)責(zé)收集來自采集器和電表的信息，并將這些信息匯總和暫存，然后與系統(tǒng)上層服務(wù)器進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。
2.2 無線通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用場景
2.2.1 低壓用電信息采集
低壓用電信息采集指通過無線通信技術(shù)實現(xiàn)對低壓用戶用電數(shù)據(jù)的實時采集或定時采集，包括電能表的讀數(shù)、電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率及電能質(zhì)量等參數(shù)[3]。低壓用電信息采集的應(yīng)用場景是低壓配電網(wǎng)，主要涉及住宅、商業(yè)、工業(yè)等。低壓用電信息采集的目的是實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確、可靠及安全的數(shù)據(jù)傳輸，滿足電網(wǎng)的計量、結(jié)算、監(jiān)控及優(yōu)化等需求。
2.2.2 分布式能源接入
分布式能源接入指通過無線通信技術(shù)實現(xiàn)對分布式能源的接入管理，包括分布式能源的識別、接入、控制、調(diào)度及保護等。分布式能源接入的應(yīng)用場景是分布式能源網(wǎng)，主要涉及風(fēng)能、光伏、儲能及燃氣等可再生能源[4]。分布式能源接入的目的是實現(xiàn)高速、穩(wěn)定、靈活及智能的數(shù)據(jù)傳輸，滿足電網(wǎng)的平衡、協(xié)調(diào)、優(yōu)化等需求。
2.2.3 智能電網(wǎng)監(jiān)控
智能電網(wǎng)監(jiān)控指通過無線通信技術(shù)實現(xiàn)對電網(wǎng)的實時監(jiān)控和故障診斷，包括電網(wǎng)的狀態(tài)量、故障量、告警量及事件量等。智能電網(wǎng)監(jiān)控的應(yīng)用場景是智能電網(wǎng)，主要涉及輸電、變電及配電等電網(wǎng)設(shè)施。智能電網(wǎng)監(jiān)控的目的是實現(xiàn)高容量、高質(zhì)量、高效率及高智能的數(shù)據(jù)傳輸，滿足電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟及環(huán)保等要求。
2.3 無線通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用效果和性能指標(biāo)
無線通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用效果和性能指標(biāo)，主要反映無線通信技術(shù)在可靠性、實時性、安全性及經(jīng)濟性等方面的優(yōu)勢和局限[5]。無線通信技術(shù)包括微功率無線通信、RF Mesh、ZigBee、M-Bus、通用分組無線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）以及長期演進（Long Term Evolution，LTE）等，各自的特點和適用場景如下。
2.3.1 微功率無線通信
微功率無線通信是一種利用微波頻段（433 MHz、868 MHz、915 MHz 等）進行短距離、低速率信息傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，適用于低壓用電信息采集、需求響應(yīng)管理等應(yīng)用場景。微功率無線通信能夠?qū)崿F(xiàn)低壓用戶用電數(shù)據(jù)的高效、準(zhǔn)確、可靠及安全傳輸，滿足電網(wǎng)的計量、結(jié)算、監(jiān)控及優(yōu)化等功能。微功率無線通信的性能指標(biāo)是通信速率為1.2 ～100 kb/s，通信距離為100 ～1 000 m，通信成功率為95%以上，通信延時為10 s 以內(nèi)，通信功耗為10 mW 以下。微功率無線通信的優(yōu)點是功耗低、成本低、抗干擾強及安全性高，缺點是速率低、距離短、容量小，不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的組建和高速數(shù)據(jù)的傳輸。
2.3.2 RF Mesh
RF Mesh 是一種利用射頻頻段（2.4 GHz、5.8 GHz等）進行中距離、中速率信息傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，適用于智能電網(wǎng)監(jiān)控和分布式能源接入等應(yīng)用場景。RF Mesh 利用多跳路由的方式，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)施的實時監(jiān)控和故障診斷，滿足電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟及環(huán)保等要求。RF Mesh 的性能指標(biāo)是通信速率為10 ～10 000 kb/s，通信距離為100 ～5 000 m，通信成功率為98%，通信時延為1 s，通信功耗為100m W 以下。RF Mesh的優(yōu)點是覆蓋廣、速率高、實時性好及兼容性強，缺點是功耗高、成本高、干擾多及安全性低，需要結(jié)合加密算法和相應(yīng)的安全機制開展通信工作。
2.3.3 ZigBee
ZigBee 是一種利用2.4 GHz 頻段進行短距離、低速率信息傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，適用于智能家居、智能表箱及智能分支箱等應(yīng)用場景。ZigBee 通過將家庭網(wǎng)關(guān)（智能電表）與用戶戶內(nèi)可控的電器或裝置連接起來，使用戶能夠積極參與需求響應(yīng)。ZigBee 的性能指標(biāo)是通信速率為20 ～250 kb/s，通信距離為10 ～100 m，通信成功率為99%以上，通信延時為0.1 s 以內(nèi)，通信功耗為1 mW 以下。ZigBee 的優(yōu)點是功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)靈活及傳輸穩(wěn)定，缺點是速率低、距離短、容量小，不適合大數(shù)據(jù)量的傳輸和復(fù)雜環(huán)境的覆蓋。ZigBee 的通信方式如圖2 所示。
圖2 ZigBee 的通信方式
由圖2 可知，通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計相當(dāng)精細，每1 個電表箱內(nèi)都通過RS-485 有線總線形成了1 個小型的網(wǎng)絡(luò)。而在每個電表箱內(nèi)，均安裝1 個ZigBee節(jié)點作為采集器與RS-485 網(wǎng)絡(luò)相連。ZigBee 節(jié)點負(fù)責(zé)將本箱內(nèi)的采集數(shù)據(jù)以無線方式傳輸?shù)桨惭b在臺區(qū)計量箱中的另一個ZigBee 節(jié)點，降低布線難度，提高系統(tǒng)的靈活性。臺區(qū)計量箱的總計量關(guān)口電能表采用傳統(tǒng)的RS-485 方式與ZigBee 節(jié)點相連，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。
2.3.4 M-Bus
M-Bus 是一種利用433 MHz 頻段進行短距離、低速率信息傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，適用于電能表、斷路器、開關(guān)、充電樁及傳感器等應(yīng)用場景。M-Bus 的應(yīng)用實現(xiàn)多種設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制，滿足電網(wǎng)的多業(yè)務(wù)場景。M-Bus 的性能指標(biāo)是通信速率為2.4 ～100 kb/s，通信距離為10 ～500 m，通信成功率為95%以上，通信延時為10 s 以內(nèi)，通信功耗為10 mW 以下。M-Bus 的優(yōu)點是功耗低、成本低、抗干擾強及安全性高，缺點是速率低、距離短、容量小，不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的組建和高速數(shù)據(jù)的傳輸。
2.3.5 GPRS
GPRS 是一種利用公共移動通信網(wǎng)絡(luò)，如全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile communications，GSM）進行長距離、高速率信息傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，適用于智能電網(wǎng)監(jiān)控、分布式能源接入等應(yīng)用場景。GPRS 利用公共移動通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)施的實時監(jiān)控和故障診斷，滿足電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟及環(huán)保等功能。GPRS 的性能指標(biāo)是通信速率為10 ～100 kb/s，通信距離為無限制，通信成功率為99%以上，通信延時為0.1 s 以內(nèi)，通信功耗為500 mW 以下。GPRS 的優(yōu)點是覆蓋廣、速率高、實時性好及兼容性強，缺點是功耗高、成本高、干擾多及安全性低，需要結(jié)合加密算法和相應(yīng)的安全機制。
2.3.6 LTE
LTE 是一種利用公共移動通信網(wǎng)絡(luò)進行長距離、高速率信息傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，適用于智能電網(wǎng)監(jiān)控、分布式能源接入等應(yīng)用場景。LTE 利用公共移動通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)施的實時監(jiān)控和故障診斷，滿足電網(wǎng)的安全、可靠、經(jīng)濟及環(huán)保等功能。LTE 的性能指標(biāo)是通信速率為10 ～10 000 kb/s，通信距離無限制，通信成功率為99%以上，通信延時為0.1 s以內(nèi)，通信功耗為500 mW 以下。LTE 的優(yōu)點是覆蓋廣、速率高、實時性好及兼容性強，缺點是功耗高、成本高、干擾多及安全性低，需要結(jié)合加密算法和相應(yīng)的安全機制。
3 結(jié) 論
文章從無線通信技術(shù)的基本原理和特點、無線通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用場景和需求、應(yīng)用方案和技術(shù)特點、應(yīng)用效果和性能指標(biāo)等方面，全面分析和研究無線通信技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究和工程實踐提供參考。
