WSN技術(shù)在電力系統(tǒng)自動(dòng)抄表中的應(yīng)用

一、當(dāng)前供電部門(mén)碰到的問(wèn)題

隨著國(guó)家電網(wǎng)公司的兩網(wǎng)改造工作逐漸推進(jìn)，“一戶(hù)一表，管電到戶(hù)”政策的貫徹，用電網(wǎng)絡(luò)急劇膨脹，抄表的工作量越來(lái)越大，使得供電企業(yè)對(duì)用電網(wǎng)絡(luò)的管理任務(wù)日益加劇。

如何把龐大且分散用戶(hù)的用電量及其它數(shù)據(jù)及時(shí)有效而且準(zhǔn)確無(wú)誤地收集、統(tǒng)計(jì)及分析，成為供電企業(yè)一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。如何貫徹國(guó)家新能源政策，為下一步對(duì)居民用戶(hù)進(jìn)行峰、平、谷計(jì)價(jià)作好準(zhǔn)備工作，需要管理部門(mén)完善抄表過(guò)程中的自動(dòng)化水平。

目前自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，遠(yuǎn)距離傳輸借用現(xiàn)有的各種通訊網(wǎng)絡(luò)，如PSTN、Internet、GPRS/CDMA或電力企業(yè)自身的光纖以太網(wǎng)等，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而技術(shù)瓶頸正在于所謂的“最后一公里”。

二、當(dāng)前解決問(wèn)題的方案及存在的困難

1、人工抄表

存在的問(wèn)題：工作量大，效率低，而且由人工抄表所帶來(lái)的漏抄、誤抄、估抄，甚至抄表人員同用電戶(hù)合伙作弊，給供電企業(yè)帶來(lái)不可估量的損失。

2、低壓載波在自動(dòng)化抄表的應(yīng)用

存在的困難：低壓電力載波的自動(dòng)抄表，因國(guó)內(nèi)低壓電網(wǎng)噪音污染大、負(fù)載多變，尤其是變頻電器和中小功率電機(jī)，對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響，直接影響到通信可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率及實(shí)時(shí)性。

3、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線自動(dòng)抄表（如無(wú)線掌機(jī)和無(wú)線抄表車(chē)）存在的困難：在工作效率及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性方面尚不能滿(mǎn)足供電部門(mén)的實(shí)際需要，而數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性是計(jì)算線損的重要依據(jù)。

以上存在的困難，主要體現(xiàn)在如何解決“最后一公里”自動(dòng)化抄表的問(wèn)題上，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，最新的WSN(無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò))技術(shù)通過(guò)在北京順義區(qū)（三萬(wàn)戶(hù)）的應(yīng)用很好解決上述困難。

三、WSN(無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò))技術(shù)簡(jiǎn)介

1、基本概念

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，wireless sensor networks)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)像的信息，這些信息通過(guò)無(wú)線方式被發(fā)送，并以自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶(hù)終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類(lèi)社會(huì)三元世界的連通。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由許許多多功能相同或不同的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存儲(chǔ)器)、通信模塊(無(wú)線收發(fā)器)和供電模塊(電池、DC/AC能量轉(zhuǎn)換器)等組成。

2、WSN的優(yōu)勢(shì)

2.1、節(jié)點(diǎn)硬件成本低。

WSN節(jié)點(diǎn)采用嵌入式處理器和存儲(chǔ)器，計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力十分有限，網(wǎng)絡(luò)在有限計(jì)算能力的條件下進(jìn)行協(xié)作分布式信息處理。所以就單個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，硬件成本是較低的。

2.2、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)多冗余高可靠性。

WSN沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。

2.3、自組織。

網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開(kāi)無(wú)需依賴(lài)于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。

2.4、多跳（Multi-hop）路由。

WSN節(jié)點(diǎn)通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十米到幾百米，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的。

2.5、動(dòng)態(tài)拓?fù)洹?br />
WSN是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。

四、基于WSN技術(shù)的電力系統(tǒng)自動(dòng)抄表解決方案

通過(guò)對(duì)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的實(shí)際需求分析，結(jié)合WSN技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，認(rèn)為采用WSN技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)“最后一公里”自動(dòng)抄表是一個(gè)非常理想的解決方案。基于WSN技術(shù)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

　　WSN技術(shù)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)抄表售電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1、方案具體介紹

1.1、將分布較為集中的電力用戶(hù)（自然村、居民小區(qū)、街道小商業(yè)用戶(hù)、配網(wǎng)線路等）按地理區(qū)域分區(qū)，并且在用戶(hù)電子式電能表上安裝內(nèi)置式或外置式WSN無(wú)線模塊（有條件可幾塊表共用一個(gè)無(wú)線模塊），使每個(gè)分區(qū)的電能表組成一個(gè)WSN網(wǎng)絡(luò)。

1.2、通過(guò)電能量采集器與分區(qū)WSN網(wǎng)絡(luò)所有電能表進(jìn)行無(wú)線通訊，讀取電能表的電量信息及電費(fèi)、費(fèi)率、費(fèi)率時(shí)段等信息；每個(gè)分區(qū)可以使用不同的信道，以避免同頻干擾。

1.3、電能量采集器再通過(guò)成熟的GPRS/CDMA等方式上傳到主站電量管理系統(tǒng)。

1.4、手持式售電終端、供電所臺(tái)式售電終端和銀行的售電系統(tǒng)，經(jīng)通訊網(wǎng)絡(luò)連接到主站電量管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，進(jìn)行遠(yuǎn)程售電；售電后的用戶(hù)電量信息，通過(guò)電能量采集器和WSN網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到各自的用戶(hù)電能表中。

　2、解決方案的優(yōu)勢(shì)：

2.1、低成本。

WSN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以將數(shù)百塊電能表連接在一起，只使用一臺(tái)采集器就可以完成與主站的通訊，大大節(jié)省了價(jià)格較高的采集器的使用數(shù)量，也節(jié)省了GPRS/CDMA的運(yùn)行費(fèi)用。

2.2、高可靠性。

WSN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具備自組織自愈能力，增加和刪除節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)位置變化、節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等，都對(duì)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有影響，無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)仍可正常運(yùn)行。

2.3、安全性。

從WSN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、電能量采集器、到GPRS等公網(wǎng)，提供了從電表到計(jì)費(fèi)工作站的一個(gè)透明通道，電量數(shù)據(jù)及電費(fèi)信息，在電能表、售電終端和計(jì)費(fèi)軟件之間加密傳輸，密鑰組由供電局管理，保證了電量及電費(fèi)數(shù)據(jù)的安全性。

2.4、先進(jìn)性。

WSN技術(shù)被譽(yù)為新世紀(jì)的四大高新技術(shù)之一，而在居民自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，多跳自動(dòng)路由技術(shù)的采用已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)和行業(yè)共識(shí)。

2.5、實(shí)用性

WSN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)抄表方案，既實(shí)現(xiàn)了用電預(yù)付費(fèi)，又使供電企業(yè)能夠獲得電能量使用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為實(shí)施峰谷計(jì)價(jià)做好技術(shù)準(zhǔn)備，并為供電企業(yè)完善需求側(cè)管理系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

五、基于WSN的無(wú)線抄表方案的實(shí)用案例

在北京市順義區(qū)，上述方案從2006年開(kāi)始實(shí)施，至今已達(dá)到十多萬(wàn)戶(hù)的應(yīng)用規(guī)模，并且仍在快速增加。在經(jīng)過(guò)換表改造的村鎮(zhèn)，居民可以在銀行、供電所及村里的臨時(shí)售電點(diǎn)購(gòu)電，而購(gòu)電數(shù)據(jù)并不是寫(xiě)入IC卡，需要插入電表才能讀出，而是經(jīng)過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)寫(xiě)入用戶(hù)電表，既實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)，又方便了居民使用。而局里可以及時(shí)準(zhǔn)確的獲得電能表數(shù)據(jù)，便于線損統(tǒng)計(jì)分析，完善了需求側(cè)管理系統(tǒng)。