電力物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)傳輸

引言

電力物聯(lián)網(wǎng)使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)來采集信息,采集數(shù)據(jù)類型除電壓、電流、功率等基本信息之外，還包括了傳感器的RFID、環(huán)境參數(shù)(如溫度、濃度等)、自檢狀態(tài)、扌艮警信息等數(shù)據(jù)，其采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目和數(shù)據(jù)量較電力數(shù)據(jù)采集有顯著增加。而在功能上，除了普通的信息匯聚過程之外，還包括協(xié)同感知和反饋控制。

協(xié)同感知是指通過多傳感器節(jié)點(diǎn)的共同感知信息，而不是只采用某一個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過不同位置的傳感器節(jié)點(diǎn)共同的感知信息比較，可以更有效地提高信息的準(zhǔn)確性和可靠性，并能通過傳感器位置來找出故障所在位置，提高檢測效率。

另外，物聯(lián)網(wǎng)中的信息管理系統(tǒng)需要具有更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和分析能力，能夠有效檢測故障并提出故障解決方案。

1電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模型

電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由智能電表、集中器和信息管理系統(tǒng)所組成。三者實(shí)現(xiàn)不同的功能。其基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

通過比較現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品，如國電南瑞公司的OPEN-3500調(diào)度綜合數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)、PBS-2000J電能量計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、許繼集團(tuán)的低壓電力線集中抄表系統(tǒng)、EIS5000電能量信息綜合管理系統(tǒng)、XJT-500/b采集終端、DTSI566三相電子式載波電能表、DTSF566/DSSF566型三相電子式復(fù)費(fèi)率電能表、DTSD566/DSSD566型電子式遠(yuǎn)傳多功能電表等產(chǎn)品，即可以分析并總結(jié)其特點(diǎn)。

1.1智能電表

智能電表為與用戶直接相聯(lián)系的采集終端，安裝在小區(qū)單元樓下。有關(guān)數(shù)據(jù)采集方面，需要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

(1)基本數(shù)據(jù)采集?；緮?shù)據(jù)采集包括(單相及三相)電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、電壓電流相位差、時(shí)鐘等?；竟δ芘c傳統(tǒng)電表相同，并能提供分時(shí)段、分費(fèi)率計(jì)費(fèi)功能。

(2)數(shù)據(jù)傳輸與反饋。通過RS485、電力載波、GPRS等

通信方式實(shí)現(xiàn)智能電表與集中器的數(shù)據(jù)傳輸和反饋。

（3）狀態(tài)自檢。智能電表需要設(shè)備自檢功能，能夠向集中器報(bào)告運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，包括自身運(yùn)行工況、表計(jì)通信異常、參數(shù)修改、人工校時(shí)和設(shè)置數(shù)據(jù)值、電能量數(shù)據(jù)異常等。

1.2集中器

集中器與智能電表和信息管理系統(tǒng)進(jìn)行雙向通信，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)暫存、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。其主要功能有?

（1）數(shù)據(jù)傳輸和反饋。通過RS485通信規(guī)約或GPRS等方式與智能電表進(jìn)行通信和反饋。通過GPRS、以太網(wǎng)等通信方式與信息管理系統(tǒng)進(jìn)行通信和反饋。通過ARQ等方式進(jìn)行通信狀態(tài)反饋。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。對集中器的抄表數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和統(tǒng)計(jì),以便在完成各智能電表的數(shù)據(jù)匯集之后，能夠?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給信息管理系統(tǒng)。需要小型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

（3）狀態(tài)自檢。集中器需要設(shè)備自檢功能，能夠向信息管理系統(tǒng)報(bào)告運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，包括自身運(yùn)行工況、表計(jì)通信異常、參數(shù)修改、人工校時(shí)和設(shè)置數(shù)據(jù)值、電能量數(shù)據(jù)異常等。

1.3信息管理系統(tǒng)

信息管理系統(tǒng)主要對采集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、統(tǒng)計(jì)、分析和反饋。

其中，數(shù)據(jù)傳輸和反饋主要通過GPRS、以太網(wǎng)等通信方式與集中器進(jìn)行通信和反饋，并通過ARQ、FEC等方式進(jìn)行通信狀態(tài)反饋。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)就是對各集中器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行保存，生成有關(guān)大型數(shù)據(jù)庫，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、基本電量、統(tǒng)計(jì)電量、核算電費(fèi)等信息，并可提供分時(shí)間、分類型、分用戶等多方位、多視圖的數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式。數(shù)據(jù)分析就是使用數(shù)據(jù)挖掘軟件，對歷史電量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,預(yù)測未來電量走勢，為發(fā)電配電提供數(shù)據(jù)參考。通過分析用戶用電情況，統(tǒng)計(jì)、排查用電異常用戶。而數(shù)據(jù)反饋即是反饋抄表起止時(shí)間、抄表用戶、參數(shù)設(shè)置等信息給集中器，并提供公共數(shù)據(jù)接口，供電費(fèi)核算、用電管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。

2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于智能電表和集中器的特殊性，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不同于一般的網(wǎng)絡(luò)，整體網(wǎng)絡(luò)具有下列組成部分：智能電表、集中器、小區(qū)電力中心、城區(qū)（縣鎮(zhèn)）電力中心、市電力中心、區(qū)域國家電網(wǎng)。其關(guān)系類似于樹狀圖，圖2所示就是一個(gè)電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成圖。

下面介紹對不同網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)其定位、數(shù)量、傳輸數(shù)據(jù)量、安全性要求等方面進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的方法。本文給出的應(yīng)用于電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的通信方式主要有電力載波、GPRS、RS485通信規(guī)約及其他射頻通信方式等。

2.1電力載波

電力載波通信方式是利用電力線進(jìn)行傳輸，優(yōu)點(diǎn)是無需另外架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，投資較少。其缺點(diǎn)是本身復(fù)雜性很高,我國電力線信號質(zhì)量差、噪聲嚴(yán)重，可靠性還存在一定問題。

在安全性方面，由于電力載波屬于專網(wǎng)傳輸，所以對于普通用戶的安全保障較高；但是對于專業(yè)的入侵者，由于缺乏有效的接入控制和加密解密標(biāo)準(zhǔn)，攻擊者可使用多種攻擊手段,其對數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩Ｕ蠙C(jī)制不夠完善。因此，對于具有一定保密要求和可靠性要求的電力數(shù)據(jù)而言，電力載波是經(jīng)濟(jì)的方式，但并不適用。

RS485通信規(guī)約

RS485通信規(guī)約是在RS232接口的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的通信接口技術(shù)，主要應(yīng)用于智能電力設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸方面。其技術(shù)發(fā)展比較成熟，已經(jīng)具有一定的商業(yè)化規(guī)模。

RS485最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mb/s，如果傳輸更長的距離，需要加485中繼器。RS485總線一般最大支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果使用特制的485芯片，可以達(dá)到128個(gè)或者256個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大的可以支持到400個(gè)節(jié)點(diǎn)。

RS485通信在低速短距離條件下可以采用普通的雙絞線,在高速短距離條件下則必須使用阻抗匹配的專用RS485電纜。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，智能電表和集中器的網(wǎng)絡(luò)傳輸可選用此通信方式。但由于需要架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，需要一定的資金投入，而且考慮遠(yuǎn)程抄表的便攜性問題，采用此方式會大打折扣。所以,RS485對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并不是最好的方式，可作為備選方案加以考慮，或是作為在主要通信方式故障時(shí)所采用的備用的通信方式。

2.3射頻通信方式

借助于各種射頻通信模塊，智能電表和集中器及集中器和小區(qū)電力中心的信息管理系統(tǒng)可選用射頻通信方式來傳輸數(shù)據(jù)。例如參考文獻(xiàn)采用了TI（德州儀器）的CC1020無線射頻收發(fā)芯片，選用433MHz發(fā)射頻段，可實(shí)現(xiàn)智能電表和集中器之間、集中器和小區(qū)電力中心之間的數(shù)據(jù)通信。在安全性方面，該方案采用了DES算法來保證加密數(shù)據(jù)的安全,基本能滿足電力數(shù)據(jù)安全性要求。

采用射頻通信方式來建立低層的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，成本較低，是較好的方案。但是，由于應(yīng)用于電力系統(tǒng)的射頻通信并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定，導(dǎo)致了采用不同方案的不同設(shè)備之間無法進(jìn)行通信。其在兼容性和可擴(kuò)展性方面具有一定的問題。

2.4GPRS

GPRS作為GSM的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具有最高114Kb/s的速率，能夠滿足低層的數(shù)據(jù)傳輸要求。其商業(yè)化規(guī)模已經(jīng)非常成熟，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能夠滿足低層的數(shù)據(jù)傳輸要求。

由于采用GPRS無需另外架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只需要租用移動運(yùn)營商現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)即可，而目前的GPRS通信流量費(fèi)用比較低廉，對于數(shù)據(jù)量并不大的低層數(shù)據(jù)傳輸而言，是較好的網(wǎng)絡(luò)方式。

但是，由于GPRS屬于公用網(wǎng)絡(luò)，其接入控制和數(shù)據(jù)安全性保障都達(dá)不到電力系統(tǒng)的要求，所以在具體應(yīng)用GPRS時(shí),需要借助于另一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：虛擬專用網(wǎng)VPN?；贕PRS的VPN傳輸方式將在下一節(jié)具體介紹和分析。

2.5其他方式

其他方式主要包括藍(lán)牙、3G、有線寬帶、光纖等。其中,藍(lán)牙在手持設(shè)備中比較普遍，其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用較多，缺點(diǎn)是容易受干擾，距離和地形的影響較大，安全性不高，擴(kuò)展性不強(qiáng),可作為備選方案；3G目前還未完全普及，是無線通信的趨勢,優(yōu)點(diǎn)是速率較快，有一定的商業(yè)化規(guī)模，缺點(diǎn)是成本價(jià)格較高;有線寬帶的普及率很高，對于各電力中心之間需要傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)而言，有線寬帶才能夠滿足電力系統(tǒng)的速率和帶寬要求,是各電力中心之間數(shù)據(jù)傳輸較好的方式，而對于安全性要求，也可通過VPN的方式加以保障；光纖的速率和帶寬完全能滿足要求，由于是專用網(wǎng)絡(luò)，所以安全性也很高，但缺點(diǎn)是成本也很高，只適用于國家電網(wǎng)的主干網(wǎng)絡(luò)使用。表1所列是電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式的一些特點(diǎn)。

3電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)分析，本文電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案如下：

智能電表到集中器設(shè)計(jì)為射頻通信方式或基于GPRS的VPN方式；RS485為備選方案。

集中器是小區(qū)電力中心：基于GPRS的VPN方式；未來可選用基于3G標(biāo)準(zhǔn)的VPN方式。小區(qū)到城區(qū)（縣鎮(zhèn)）選擇基于有線寬帶的VPN方式。城區(qū)到市也選擇基于有線寬帶的VPN方式。市到區(qū)域國家電網(wǎng)：可選擇基于有線寬帶的VPN方式或光纖專網(wǎng)。其總體網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

4數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

在本文的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，主要使用的方式為基于GPRS和基于有線寬帶的VPN方式。為滿足實(shí)際應(yīng)用需要，現(xiàn)對這種網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行符合現(xiàn)實(shí)狀況的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

VPN的實(shí)現(xiàn)

VPN作為網(wǎng)絡(luò)安全性的重要保障，需要專門為電力部門分別設(shè)計(jì)基于GPRS和有線寬帶的VPN客戶端，其應(yīng)用平臺可根據(jù)不同通信平臺、不同電力局的需求來進(jìn)行選擇，例如,集中器可選擇專用PDA或某一手機(jī)智能系統(tǒng)作為平臺。

GPRS的實(shí)現(xiàn)

GPRS網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)可直接租用移動運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)。例如，中國移動公司浙江分公司的GPRS收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為0.01元/KB,可根據(jù)不同數(shù)據(jù)量大小來選擇不同的套餐。比如，5元套餐包含國內(nèi)流量30MB；50元套餐包含國內(nèi)流量500MB；200元套餐包含國內(nèi)流量5GB。

4.3有線寬帶的實(shí)現(xiàn)

有線寬帶網(wǎng)絡(luò)也可直接租用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商的網(wǎng)絡(luò)。例如,中國電信安裝費(fèi)用為100元，1M寬帶一年為980元，4M寬帶一年為1580元，且租用兩年均有不同程度的優(yōu)惠。不同電力中心可根據(jù)數(shù)據(jù)量大小來選擇不同的寬帶，對于數(shù)據(jù)量很大的電力局，可租用多個(gè)4M寬帶來解決帶寬問題。

5結(jié)語

除了本文的方法外，實(shí)際上還存在許多的設(shè)計(jì)方式,但是,由于它們的部分特征不能滿足要求，或是技術(shù)還不夠成熟、商業(yè)化應(yīng)用不多等原因，因此本文未對其進(jìn)行討論。

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