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用电信息采集系统采用的关键技术及发展趋势

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  北极星智能电网在线讯:随着电力市场化改革的不断深入,居民用户用电信息的采集方式也发生了较大变化,人工抄表收费的方法已不能适应现代化管理的要求,解决中低压用户的抄表收费问题开始提到日程,远方集中抄表技术成为国内外研究的热点。从20世纪90年代至今,中国的电力公司根据业务发展需要建立了针对不同类型用户的电能信息采集系统,主要包括关口电能量采集系统、电力负荷管理系统、客户电能量采集系统、低压集中抄表系统和配电自动化系统。但这些系统由网省、地市公司自行建设,缺乏统一的规划和标准,只能实现对部分用户的电能信息采集和初级功能应用,营销人员无法及时、准确、全面地掌握所有用户的用电信息,不能满足营销业务应用的需要。

  为适应电力市场化运作和营销现代化建设的要求,需要全面建设电力用户用电信息采集系统,提升企业集约化、精益化和标准化管理水平,改变长期以来不能及时准确掌控电力用户用电信息的局面,满足电力企业各层面、各专业对用电信息的迫切需求。2008年9月,国家电网公司启动了“计量、抄表、收费标准化建设”项目研究工作,在公司系统范围内,统一了智能电能表和用电信息采集系统的技术规范,对智能电能表和用电信息采集终端的外形结构、功能配置、可靠性要求、通信协议、信息交换安全认证、验收检验等方面都提出了具体要求,形成了智能电能表的12项技术标准和用电信息采集终端的24项技术标准,为产品的设计开发、生产制造和规模化应用提供了系统性的基础技术文件,为智能电网工作的稳步推进和用电信息采集系统建设提供支撑和保障。

  2009年以来,国家电网公司以“全覆盖、全采集、全费控”为建设目标,按照“统一规划、统一标准、统一实施”的原则推动智能电能表应用和用电信息采集系统建设。

  截至2015年年底,国家电网公司累计安装智能电能表2.9亿只,实现采集2.95亿户,采集覆盖率为71%,自动抄表核算率超过97%。国家电网公司智能电能表应用量占全球的一半,采集系统成为世界上最大的电能计量自动化系统,不仅为生产、运营监控分析系统提供实时数据,还为大数据管理、云计算应用提供了海量数据支撑。

  目前,国家电网公司系统27个省公司的采集系统主站建设已全部完成并投入运行,采集数据在抄表收费、营业稽查、线损分析、业扩报装、故障抢修、有序用电、互动服务、电力交易、配电网运行与电能质量监测等多项业务中得到应用。中国用电信息采集系统的建设和应用提高了用电信息采集自动化水平,提高了线损分析的准确性和时效性,对于提升客户服务能力、满足客户多元化需求、制定有序用电方案、保障电网安全稳定运行具有重要意义。

  用电信息采集系统构成

  用电信息采集系统是智能电网的重要组成部分,是SG186营销业务应用重要的数据支撑平台。采集系统物理结构由采集主站层、远程通信信道层、采集设备层、本地通信信道层和电能表层组成,详见下图。采集系统是通过对配电变压器和终端用户用电数据的采集和分析,实现自动抄表、用电监控、阶梯电价执行、有序用电、负荷管理、线损分析等功能,最终实现自动抄表出费、推广费控管理、加强用电检查和需求侧管理、提升用户互动服务水平和降损增效等目的。

  (1)采集系统主站是对电力用户的用电信息进行收集、处理和实时监控的核心,可实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能。主站系统由数据库服务器、磁盘阵列、应用服务器、前置服务器、接口服务器、工作站、全球定位系统(GPS)时钟、防火墙以及相关的网络设备组成。

  (2)远程通信通道是指各类采集终端与采集系统主站之间的通信接入信道。远程通信技术包括:GPRS/CDMA无线公网、光纤专网、230MHz无线专网、有线电视通信网、中压电力线载波等。

  (3)用电信息采集终端是对各信息采集点实现用电信息采集的中间设备,简称采集终端。按应用场所分为专变采集终端、集中抄表终端(包括集中器、采集器)等类型。目前公司的采集设备实现了型式规范、标准统一,专变采集终端主要有3种型式(I型、II型、III型),集中器有2种型式(I型、II型),采集器有2种型式(I型、II型),采集系统主站通过通信信道和采集终端,实现电能表数据的采集、数据管理、数据双向传输、转发或控制命令的执行等功能。

  (4)本地通信信道是指采集终端之间、采集终端与电能表之间的通信接入信道。本地通信技术包括低压电力线窄带载波、RS-485总线、微功率无线、低压电力线宽带载波等。通信技术在采集系统中各业务之间的关系和部署模式如下图所示。

  

  采集系统通信部署模式有一段式、二段式和三段式三种模式。一段式部署没有本地信道,通常是GPRS/CDMA无线公网、光纤专网等远程信道直接接入电能表;二段式和三段式部署中,远程信道仅负责主站至专变终端、集中器之间的通信,相当于骨干网。专变终端、集中器通过本地信道接入电能表,相当于接入网;二段式部署的本地信道由低压电力线载波、微功率无线、RS-485等通信技术,直接由专变终端、集中器连接至电能表;三段式部署的本地信道由低压电力线载波、微功率无线等通信技术由集中器连接至采集器,采集器再通过RS-485连接电能表。

  用电信息采集系统采用的关键技术

  (1)通信技术

  通信技术是实现用电信息采集系统的基础。目前,应用于用电信息采集系统的通信技术主要有电力线载波通信、微功率无线通信、无线公网通信、无线专网230MHz通信和光纤通信。电力线载波通信施工方便,无需重新布线,但其通信的可靠性、实时性、稳定性较差;微功率无线通信覆盖范围小,传输距离受障碍物影响大,现场同频干扰现象严重;无线公网通信费用较高,运行维护及时性有待加强,局部地区信号弱、数据采集困难,尤其在紧急情况下容易造成信道拥堵;无线专网230MHz通信的接入容量有限,基站覆盖范围仅在30km左右,受地形地貌的影响,数据在传输过程中易受高层建筑物阻挡;光纤通信一次性投资大,成本较高,布线困难,工程量大。以上这些都是用电信息采集系统通信技术需要解决的关键问题。

  (2)主站应用技术

  用电信息采集系统主站部署模式分为集中式和分布式两种形式。

  集中式部署模式投资成本较低、运行维护统一,但故障影响范围涉及面较广,用户数量应低于500万户,数据处理工作量大,任务繁重,对系统业务处理能力要求较高。

  分布式部署模式对企业内部信息网的可靠性要求较低,网络资源负担小,但投资成本较高,对用户数量在500万户以上或地域面积过大的公司可采用省市两级部署的应用模式。在应用层面,用电信息采集系统主站要满足电费结算和电量分析、线损统计分析和异常处理、电能计量装置监测、防窃电分析及供电质量管理等业务需求。

  (3)智能费控技术

  按照“全覆盖、全采集、全费控”的建设目标,客户用电管理模式采用智能费控技术,用户需要先交费后用电。采集系统会连续采集用户的用电情况,计算剩余电费并显示给用户,在剩余电费不多时提示用户缴费,并在剩余电费为零时执行跳闸操作。智能费控技术由主站、采集终端和智能电能表多个环节协调执行,实现方式有主站费控技术、采集终端费控技术和智能电能表费控技术3种,其适用范围和工作要求如表1所示。

  智能费控技术对通信的响应能力要求较高,由于目前本地通信主要采用电力线载波,因此,需要进一步提高载波通信工作的实时性、可靠性与稳定性,为实现智能费控提供技术支撑。

  (4)用电信息安全防护技术

  由于用电信息采集系统采集信息量巨大、覆盖面广,面临的安全隐患较多,需要针对采集系统各环节可能存在的安全隐患,全面实施安全防护体系建设方案。系统主站要部署高速密码机,用于主站侧数据的加解密,主要实现身份认证、密钥协商、密钥更新、关键数据的加解密、消息认证码(messageauthenticationcode,MAC)计算和数据校验等功能。

  专变采集终端、集中器和智能电能表中安装安全加密模块,用于采集设备与主站、智能电能表之间进行的身份识别、安全认证、关键信息和敏感信息安全传输,实现设备内部数据的加解密,完成应用层数据完整性、机密性、可用性和可靠性保护。密码机和安全加密模块均采用硬件加密,密码机和采集终端的安全模块集成有国家密码管理局认可的对称密钥加密算法和非对称密钥加密算法,智能电能表的安全模块应至少集成国家密码管理局认可的对称密钥加密算法。另外,安全接入平台的推广应用进一步完善了采集终端在各种复杂网络环境下的实时监控、安全接入、数据安全传输与交换、主动防御预警等重要功能。

  用电信息采集系统发展趋势

  (1)通信网接入技术

  用电信息采集系统的建设和应用需要实时、可靠的通信技术作为支撑,接入网通信技术系统接口丰富,组网灵活,支持数据、语音、图像等业务的一体

  化接入,可以为用电信息采集、负荷监测和控制提高安全可靠的通信通道。因此,需要对目前存在的通信网络架构进行分析,提出用电信息采集系统通信网技术体系,研究适用于智能电网和用电信息采集系统建设的通信网接入技术。

  (2)信息共享与融合技术

  由于用电信息采集系统还处于规模化建设阶段,与其他业务系统之间缺乏有效整合,集成化水平较低,信息资源共享和公共服务功能需要进一步完善,在用电信息采集系统和既有营销业务系统的基础上,通过信息共享模式创新,利用数据采集手段和结果,针对系统的异构性和信息共享实际需求,构建基于面向服务架构的用电信息采集系统信息共享与融合技术方案,解决不同系统之间数据共享和应用互操作的难题,为营销系统业务应用提供多方位、多层次、多渠道的综合用电信息服务。

  (3)海量数据处理与分析应用

  国家电网公司经营区域涉及全国27个省(直辖市、自治区),经营范围内用户数量超过3亿户,其用电信息采集系统建立了全业务数据模型,以实现数据的综合利用和功能的高级应用。由于用户数量多,采集数据量大,需要深入研究多线程处理、并行数据处理、批量数据处理、集群、负载均衡、分区存储、容灾备份等技术,实现海量数据和多任务的并发处理,提高主站运行的可靠性。

  (4)移动作业技术

  传统的计量作业需要先打印工作单,再根据作业指导书进行操作,现场工作完成后,将手工抄录的客户数据录入至服务器,工作效率和准确度较低。电力营销移动作业支持系统是基于移动作业平台的电力移动营销类业务应用,可针对计量现场作业任务,完成现场抄核收、用电检查、业务办理、计量作业、移动地理信息系统(GIS)应用、移动知识库、教育培训等功能,可有效提高工作人员的工作效率和数据准确性,进一步提升计量现场作业的精细化管理水平,具有很好的应用前景。

  (4)基于三网融合的用电信息采集技术

  围绕中国建设智能电网的总体目标,利用现有的通信网络和基础设施构建完整的系统架构,提出基于电信网、广播电视网和互联网的用电信息采集技术方案,实现数据、语音、视频等业务的融合,可以节省很多通信线路投资和运行费用,提高网络的综合运营效率和系统运行的可靠性、实时性、经济性,在节能环保方面优势明显,同时为用户提供更加便利和现代化的生活方式。

  (5)智能用电双向交互技术

  智能用电双向交互借助于用电信息采集系统建成的光纤信道和小区内电力线载波信道,采集和分析用电信息、电能质量等数据,监控与管理家庭用电设备,基于网络化、人机交互和业务融合原则,提供实时用电信息(停电信息、缴费信息)、告警信息、电价政策,提供历史用电记录、数据统计图形,指导用户合理用电,调节电网峰谷负荷。另外,智能用电双向交互技术可提供友好、可视的用电交互平台,为用户提供增值服务信息。

  原标题:电力线通信技术(4)-用电信息采集系统

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