电力物联网的数据采集系统与网络传输宋晋杰

电力物联网的数据采集系统与网络传输宋晋杰

宋晋杰

（国网山西省电力公司夏县供电公司山西运城044000）

摘要：计算机技术、传感器技术、ZigBee技术、移动通信等物联网技术的快速发展，使得物联网技术在物流运输、环境监测、视频监控、安防保护、工业控制网络和智能家居等得到了广泛地普及和应用，有效提高了人们作业办公、家居生活的智能化、信息化和自动化。本文基于物联网技术开发实现了一套功能完善的智能用电管理系统，以便能够提高家庭用电的智能化、数字化，进而为合理控制用电量提供辅助决策。

关键词：电力物联网；数据采集系统；网络传输

前言：

电力物联网是结合网络技术、数据库技术、中间件技术等多种高级技术的智能型网络。本文阐述了电力物联网的数据采集系统模型以及数据采集的网络传输方式，给出了电力系统数据采集网络设计与数据采集网络的实现方法。

1电力系统中的数据采集系统模型

电力系统中数据采集系统主要由智能电表、集中器和信息管理系统所组成。三者实现不同的功能。

1.1智能电表

智能电表为与用户直接相联系的采集终端，安装在小区单元楼下。有关数据采集方面，需要实现的功能如下：

（1）基本数据采集。基本数据采集包括（单相及三相）电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、电压电流相位差、时钟等。基本功能与传统电表相同，并能提供分时段、分费率计费功能。

（2）数据传输与反馈。通过RS485、电力载波、GPRS等通信方式实现智能电表与集中器的数据传输和反馈。

（3）状态自检。智能电表需要设备自检功能，能够向集中器报告运行状态和故障信息，包括自身运行工况、表计通信异常、参数修改、人工校时和设置数据值、电能量数据异常等。

1.2集中器

集中器与智能电表和信息管理系统进行双向通信，可实现数据汇集、数据暂存、数据传输等功能。其主要功能有：

（1）数据传输和反馈。通过RS485通信规约或GPRS等方式与智能电表进行通信和反馈。通过GPRS、以太网等通信方式与信息管理系统进行通信和反馈。通过ARQ等方式进行通信状态反馈。

（2）数据统计。对集中器的抄表数据进行存储和统计，以便在完成各智能电表的数据汇集之后，能够将数据转发给信息管理系统。需要小型的数据库系统。

（3）状态自检。集中器需要设备自检功能，能够向信息管理系统报告运行状态和故障信息，包括自身运行工况、表计通信异常、参数修改、人工校时和设置数据值、电能量数据异常等。

1.3信息管理系统

信息管理系统主要对采集的海量数据进行保存、统计、分析和反馈。

其中，数据传输和反馈主要通过GPRS、以太网等通信方式与集中器进行通信和反馈，并通过ARQ、FEC等方式进行通信状态反馈。数据统计就是对各集中器传输的数据进行保存，生成有关大型数据库，提供实时数据、计算数据、历史数据、基本电量、统计电量、核算电费等信息，并可提供分时间、分类型、分用户等多方位、多视图的数据展现方式。数据分析就是使用数据挖掘软件，对历史电量数据进行分析，预测未来电量走势，为发电配电提供数据参考。通过分析用户用电情况，统计、排查用电异常用户。而数据反馈即是反馈抄表起止时间、抄表用户、参数设置等信息给集中器，并提供公共数据接口，供电费核算、用电管理信息系统数据交换。

2数据采集系统的网络传输

2.1电力载波

电力载波通信方式是利用电力线进行传输，优点是无需另外架构网络设施，投资较少。其缺点是本身复杂性很高，我国电力线信号质量差、噪声严重，可靠性还存在一定问题。在安全性方面，由于电力载波属于专网传输，所以对于普通用户的安全保障较高；但是对于专业的入侵者，由于缺乏有效的接入控制和加密解密标准，攻击者可使用多种攻击手段，其对数据传输的安全保障机制不够完善。因此，对于具有一定保密要求和可靠性要求的电力数据而言，电力载波是经济的方式，但并不适用。

2.2RS485通信规约

RS485通信规约是在RS232接口的基础上发展起来的通信接口技术，主要应用于智能电力设备的数据传输方面。其技术发展比较成熟，已经具有一定的商业化规模。

RS485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mb/s，如果传输更长的距离，需要加485中继器。RS485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

RS485通信在低速短距离条件下可以采用普通的双绞线，在高速短距离条件下则必须使用阻抗匹配的专用RS485电缆。在具体实现时，智能电表和集中器的网络传输可选用此通信方式。但由于需要架设有线网络，需要一定的资金投入，而且考虑远程抄表的便携性问题，采用此方式会大打折扣。所以，RS485对于数据采集系统并不是最好的方式，可作为备选方案加以考虑，或是作为在主要通信方式故障时所采用的备用的通信方式。

2.3射频通信方式

借助于各种射频通信模块，智能电表和集中器及集中器和小区电力中心的信息管理系统可选用射频通信方式来传输数据。例如采用TI（德州仪器）的CC1020无线射频收发芯片，选用433MHz发射频段，可实现智能电表和集中器之间、集中器和小区电力中心之间的数据通信。在安全性方面，该方案采用了DES算法来保证加密数据的安全，基本能满足电力数据安全性要求。

采用射频通信方式来建立低层的数据传输网络，成本较低，是较好的方案。但是，由于应用于电力系统的射频通信并无统一标准或规定，导致了采用不同方案的不同设备之间无法进行通信。其在兼容性和可扩展性方面具有一定的问题。

2.4GPRS

GPRS作为GSM的移动数据业务，具有最高速率，能够满足低层的数据传输要求。其商业化规模已经非常成熟，现有的网络覆盖能够满足低层的数据传输要求。

由于采用GPRS无需另外架设网络，只需要租用移动运营商现有的GPRS网络即可，而目前的GPRS通信流量费用比较低廉，对于数据量并不大的低层数据传输而言，是较好的网络方式。

但是，由于GPRS属于公用网络，其接入控制和数据安全性保障都达不到电力系统的要求，所以在具体应用GPRS时，需要借助于另一种网络技术：虚拟专用网VPN。

2.5其他方式

其他方式主要包括蓝牙、4G、有线宽带、光纤等。其中，蓝牙在手持设备中比较普遍，其优点是应用较多，缺点是容易受干扰，距离和地形的影响较大，安全性不高，扩展性不强，可作为备选方案；4G目前还未完全普及，是无线通信的趋势，优点是速率较快，有一定的商业化规模，缺点是成本价格较高；有线宽带的普及率很高，对于各电力中心之间需要传输的大量数据而言，有线宽带才能够满足电力系统的速率和带宽要求，是各电力中心之间数据传输较好的方式，而对于安全性要求，也可通过VPN的方式加以保障；光纤的速率和带宽完全能满足要求，由于是专用网络，所以安全性也很高，但缺点是成本也很高，只适用于国家电网的主干网络使用。

3电力系统数据采集网络设计

智能电表到集中器设计为射频通信方式或基于GPRS的VPN方式；RS485为备选方案。

集中器是小区电力中心：基于GPRS的VPN方式；未来可选用基于4G标准的VPN方式。小区到城区（县镇）选择基于有线宽带的VPN方式。城区到市也选择基于有线宽带的VPN方式。市到区域国家电网：可选择基于有线宽带的VPN方式或光纤专网。

4结语

电力物联网技术是创新发展电力计量数据采集系统的优势，我们一定要抓住这个契机，提高电力计量数据采集工作效率，同时做好相应的管理工作，把实际需求作为出发点，为国家经济发展和提高人民生活质量做贡献。

参考文献：

[1]周强辅，张丽丽，程凌森.基于B/S模式的智能用电服务系统设计与开发[J].物联网技术，2013，27（4）：41-44.

[2]张本利，刘和.物联网在智能电网中的机构框架与应用研究[J].通信管理与技术，2014，21（6）：24-25.

[3]曾志洪，郭谋发，杨耿杰等.采用ZigBee技术的智能家居用电信息采集系统[J].电工电气，2011，11（10）：25-29.