电力用户用电信息采集系统设计方案3

第1章通信信道及接口
通信网络主站、采集传输终端、电能表，是信息交互的承载体。

通信网络的主要方式有光纤通信、230MHz无线通信、公网无线通信、载波通信等。

图 1. 远程、本地通信说明图
远程通信是指采集终端和系统主站之间的数据通信。

可分为专网通信及公网通信。

本地通信是指采集终端和用户电能计量装置之间的数据通信，在本系统中主要集中器和采集器、集中器和电能表、采集器和电能表之间的通信。

1.1通信信道建设原则
通信通道的建设以满足系统需求为出发点，综合考虑技术成熟、实时性、通信安全、分布围、系统可维护、工程建设简易、造价经济以及面向企业发展等因素，根据各网省公司的现实情况选择组件通信网络平台，为低压集抄系统提供稳
定可靠的数据交互通道。

1)易于安装
指通信网络中相关的设备在初次安装、故障或周期轮换时，安装和参数配置
的难易程度。

主要表现在各种设备的即插即拔特性和网络系统自适应能力上。

2)易于维护
指当系统应用需求发生变更时，计量仪表和系统维护的难易程度。

如因价格
体系或结算周期发生变更时，造成的费率结构和冻结时间在线或离线调整。

3)系统兼容性
指对采集系统中各种采集和传输终端通信方式的兼容性，以及能够适应未来
通信技术的不断发展。

4)标准化的接口
通信网络系统各个设备之间的互联接口应采用标准接插件或者是事实上的
标准接插件。

5)一体化通信
通信网络系统是采集主站、采集终端、计量表计之间通信的载体，由于管理需求和用户性质的不同，三者之间能够采用的通信信道媒介差别很大，为保持主站系统的数据采集功能的专一性，建立一体化的通信机制，保证采集主站可以通
过标准的统一的方式透明地和采集终端和计量表计通信。

6)经济性
通信网络系统在满足系统需求和立足长远发展的基础上，所选用的网络系统应该具有相对好的经济性。

为适应各种通信方式的需要在主站数据采集服务器和集中器之间建立一个通信平台。

通信平台以网桥的形式存在，综合处理转换采集服务器和远程通信网络之间的信息交换。

通信平台和主站采集服务器之间以IP网络方式相连接，通信平台经过处理转换之后根据远程网络情况采用适应的方式和集中器通信。

实现采集服务器和集
中器之间的透明通信，屏蔽远程通信的通信方式差异。

采集服务器对集中器的寻址方式：在IP链路建立之后，以此为物理链路，按照集中器逻辑地址为目的地址进行寻址，通信平台根据集中器逻辑地址选择对应的远程通信方式转发信息。

图 2. 通信平台示意图
1.2远程通信
远程通信可分为专网信道通信和公网信道通信。

专网信道是电力系统为满足自身通信需要建设维护的专用信道，可分为230MHz无线专网及光纤专网两大类。

230MHz无线专网使用国家无委会批准的电力负荷管理系统专用频点，其中有15组双工频点和10组单工频点。

光纤专网是指依据电力通信规划而建设的以光纤为信道的一种电力系统部通信网络。

公网信道是相对于电力系统自身建设的专用信道而言的，它指的是使用或租用通信运营商建设的公共通信资源。

根据公网的分布特点和本系统的数据通信特点公网信道设计使用无线公网通道。

1.2.1远程信道接口设计
远程信道软件接口是指通信平台中的对远程通信的通信转换的软件接口。

硬件接口是指远程通信中各种通信方式的集中器中的通信终端的接口。

主主主主
图 3. 硬件接口示意图
主要原则：
模块化：通信软硬件接口应该按照模块化的方式进行设计，终端硬件通信模块具有标准的通信接口；
适应性：软件通信接口应能适应通信方式，并具有很好的扩展性，能够适应系统规模的不断扩大，能够适应新通信方式的接入；
标准化：采用现有的工业标准化如标准如RJ45、RJ11、RS232、USB等
即插即用：硬件接口应能够满足即插即用的功能。

互换性：硬件接口应该是通用的，具有很好的互换性。

1.2.2典型远程信道组网方案
1.2.2.1光纤专网
1.2.2.1.1基本条件与建设围
目前35KV、66KV、110KV及以上变电站基本具备骨干光纤通信，具备至1*2M
或10M以太网接口，在此基础上具备向下延伸的网络基础。

光纤专网旨在电力通信网的基础上，向配网延伸，覆盖全部10KV线路，将高速以太网延伸至每个台区，形成光纤通信专网。

业务流向为将低压侧业务，如居民用电信息和商业用户统一接入，由上级变电站通信节点上传至供电公司数据中心。

图 4. 光纤组网示意图
1.2.2.1.2光缆建设方案
1．对于架空线路，同杆塔敷设自承式或复合式特种光缆；
2．对于具备电力管道路径情况，同路由敷设电力非金属阻燃光缆；
3．光缆芯数与模式选择，根据线路台区数量可选择12-24芯光缆，但不得少于12芯，光纤类型优先选用单模。

1.2.2.1.3光纤组网方案
分为以太无源光网络（EPON），传统SDH/PDH混合组网和光调制解调器组网三种类型。

1．以太无源光网络（EPON）：EPON是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。

它在物理层采用了PON（无源光网络）技术，光线路终端（OLT）与光网络单元（ONU）之间仅有光纤、光分路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此，可有效节省建设和运营维护成本，尤其适应于10KV线路配网结构，具备通信保护能力。

EPON在链路层使用以太网协议，使用标准以太网（I）利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。

因此，它综合了PON技术和以太网技术的优点：低成本；高带宽；扩展性强，灵活快速的服务重组；与现有以太网的兼容性；方便的管理等等。

基于EPON技术的两种组网方式的无源光网络系统示意图如下：
图 5. 以太无源光网络组网方式一
多级分光方式。

此种方式采用单纤波分复用技术（下行1490nm，上行1310nm），仅需一根主干光纤和一个OLT（光线路终端），传输距离可达20公里。

在ONU（光网络单元）侧通过多级光分路分送给最多64个用户，因此可大大降低OLT（光线路终端）和主干光纤的成本压力成本较低。

此方案适合呈带状或链
状分布的10KV线路。

图 6. 无源光网络组网方式二
在OLT（光线路终端）侧配置多路分光器，直接输出至多路终端进行通信。

此种方式组网方式灵活，覆盖半径大，布放多芯光缆时仅需放置分纤器而不使用分光器，传输距离较远。

此方案适合业务需求密集的城镇地区。

2．SDH/PDH混合组网方式是电力通信专网比较传统的通信方式，在骨干网络上应用广泛，即需要在每个站点配置光端机，技术成熟，运行稳定，但对运行环境要求较高。

成本较无源光网络亦高。

图 7. SDH/PDH网络组网方式
此种组网方式每一级都需要进行一次光电转换，通信网节点较多，维护量大。

但在已建成的网络中扩展非常方便，只需布放较短距离的光缆即可对网络进行延伸，适用于对通信速度要求不高的场合。

3．光调制解调器方式组网，在简单点对点通信中应用较广，技术成熟。

但对于大数量台区组网，会大量占用光纤资源，增加建设成本。

图 8. 光调制解调器组网方式
在变电站放置光收发池，点对点和业务点进行通信。

此种方式应用较为广泛，覆盖半径大，设备升级扩展方便，但在原有网络上增加通信节点可能需要重新布放光缆和添置局端设备，成本较高，适合业务数据量较大的城镇地区选用。

4．推荐使用方案
综合以上组网技术和电力网络的实际情况，推荐采用EPON技术进行组网。

目前的电力骨干网络已满足向10KV线路延伸的基本条件，EPON技术非常适合于呈带状或链状分布的10KV线路，系统建设成本低，易于维护，标准10/100BASE-T RJ-45以太网接口输出至终端，方便应用和扩展，也方便原有业务终端的接入。

1.2.2.2GPRS/CDMA
1.2.2.2.1主要特点
表 1. 公网信道分类及特点
公网信道的适用围如下表：
表 2. 公网信道适用围
1.2.2.2.2 GPRS/CDMA 组网方式
1
2
n
图 9.
GPRS/CDMA 无线公网组网方式
说明：
采集终端接口方式：
集中器以无线MODEM 的方式和GSM/CDMA 基站进行数据信号的调制通信，遵循GPRS/CDMA 无线传输标准。

GPRS/CDMA 核心网和系统接入设备之间组建独立的APN/VPN 私有虚拟专网，公网和采集系统之间以专线形式连接。

终端和通信平台之间建立建立TCP/IP 协议，并一次作为用电信息采集系统通信的物理。

终端地址分配：静态分配方式MS 与IP 地址进行绑定。

终端保持GPRS 永远在线状态。

1.2.2.2.3 要求 1.2.2.2.3.1 安全性要求
必须组建独立的APN/VPN 私有虚拟专网，从IP 层予以隔离，隧道外的公网IP 无法访问隧道的IP ，隧道的IP 不能访问隧道外的IP ，隧道的IP 互访也仅限于授权的资源。

通信运营商需采用IPSec 、ACL 、信息加密等技术保障公网的通
信安全。

与通信运营商对接的通信设备必须放置在隔离区，通过防火墙予以隔离。

必须设置完善的身份认证体系，拦截非授权设备接入。

应建立终端IP绑定机制，身份唯一识别。

应建立终端SIM/UIM卡号认证体系，拦截非法SIM/UIM登录。

应建立终端主叫识别机制，拦截非法指令。

1.2.2.2.3.2可靠性要求
通信网关必须可靠，硬件设备可采用集群机制保障可靠性，单点设备故障不影响整个通信网关的正常通信。

通信网关软硬件应具备自诊断、自守护、自恢复
功能。

1.2.2.2.3.3实时性要求
信道接入应尽量缩短通信延时。

正常情况下，采用ADSL、GPRS、CDMA信道遥控响应时间≤5s，SMS信道召测响应时间≤30s。

1.2.2.2.3.4可扩展性要求
当接入终端规模不断扩大时，公网信道应具备很强的可扩展性，通过增加通
信设备或增加通信进程(线程)满足不断增大的系统通信需求。

1.2.2.2.3.5经济性要求
在使用公网信道时，应充分考虑使用成本，优先选择性价比高的信道。

公网信道中移动通信网络（GPRS/CDMA/SMS）覆盖面广、可靠性高、实时性好（GPRS/CDMA）、资费低，应优先采用。

移动通信网络（GPRS/CDMA/SMS）建议使用GPRS/CDMA为主信道，SMS作为备用信道。

使用移动通信网络需支付每台终端的月通信费用，一般采用包月套餐，包月资费含：主信道(GPRS/CDMA)流量不低于xMByte，外加短信不低于y条，包月资
费不高于z元/月（x,y,z值依赖于系统的规模及商务谈判）。

采用省公司（直辖市）统一与通信服务商协商可以获取较低的通信费用，也便于维护。

对于短信部分，可以采取捆绑一定数量短信的策略，即采用全省（直辖市）捆绑使用，一年结算一次的方式，以降低短信总资费。

在使用过程中，应建立通信费用监控、预警与评估机制，及时发现通信异常，杜绝终端费用超标现象发生。

1.2.2.3230MHz
1.2.2.3.1单信道无线组网
拥有一组双工频点的单信道无线组网技术，采用一点多址的应答式通信方式，是无线电力负荷管理系统最常见的组网方式之一。

一般主站电台采用双机双天馈热备模式，并能自动及手动切换。

主站电台直接与各终端通信，如下图所示：
图 10. 单信道双机双天馈热备组网方式示意图
1.2.2.3.2双信道或多信道无线电组网
系统规模达到一定数量时需要采用双信道或多信道同时工作，从而缩短巡测时间，满足实际使用要求。

地市局可以采用多信道集中管理模式，各市县局采用远程工作站方式监控并采集数据。

在多信道系统中频率的选用必须解决系统的互调干扰和同频干扰的问题。

集中控制管理模式最大优点是可采用频率复用技术，增加信道数量。

同时多信道集中管理，保证了边远用户通信覆盖的重叠区域，使这些用户有更多的选择余地，避免和减少了盲点。

多信道系统可以采用双工、单工频点实现混合组网。

多信道组网如下图所示：
图 11. 多信道组网示意图
1.2.2.3.3中继组网
主要有倒频中继、光纤中继、微波中继、网络中继、扩频中继组网等组网方式，可依据实际情况加以选择。

典型的二组频点无线中继组网如下图所示：
图 12. 典型的二组频点的无线中继组网示意图
光纤中继组网如下图所示：
图 13. 光纤中继组网示意图
1.2.3远程网络信道链路建立过程
基于双向对等网络的通讯终端和主站的链路建立做一个初步的设计
终端工作在客户端模式，链路建立：
1．终端为客户端模式，主站通信服务器为服务器模式，终端上电自检后GPRS/CDMA网络，根据APN和SIM号注册登录GPRS/CDMA网络；
2．根据SIM号获取GPRS/CDMA网络分配的静态IP地址；
3．IP路由的建立：GPRS/CDMA网关网络企业根据APN/VPN两端网关建立的从终端到GPRS/CDMA接入设备的IP路由，GPRS/CDMA接入设备和通信平台之间
设置IP路由，通信平台对终端私网地址设置地址翻译，确立终端到主站之间的有效IP路由；
4．终端向采集服务器发送请求，采集服务器响应，建立终端到采集服务器之间的IP链路，以此为上层数据交互协议的物理链路，根据上层协议需要注册终端信息。

图 14. GPRS/CDMA 终端链路建立过程图
1.3本地通信
目前，采用电力线载波（窄带、宽带）通信技术和RS 485总线结合的典型
组网方式主要有两种：“集中器-载波电能表”方式，即集中器通过电力线载波直接与具有载波通信功能的电能表通信；“集中器-采集器-电能表”方式，即集中器通过电力线载波与采集器通信，采集器通过RS-485总线与485电能表通信。

1.3.1
窄带载波
集中器—载波表组网方式如图11所示，集中器－采集器组网方式如图12所示。

电能表
电能表
图 15. 集中器-载波表组网方式示意图
电能表
图 16. 集中器-采集器组网示意图
窄带载波的路由：集中器的路由设定应当是采用自我学习，自动优化设定的方式。

1.3.2
宽带载波
图 17. 宽带载波组网拓扑图
在每个配电变压器低压出线侧安装集中器（含宽带电力线载波通信模块并与光网络设备通过RJ45接口连接）进行宽带载波信号注入，各计量表箱安装采集器，通过485线对表箱的电表进行采集。

集中器作为宽带电力线载波的头端设备与宽带载波采集器组成宽带电力线网络，形成以电力线为传输介质的高速IP网络。

采集的数据通过电力线网络传至主站。

在通信效果欠佳的情况下，可通过安装中继器增强通信效果。

宽带PLC信号耦合方式一般采用“相-零”耦合，在所有小区都能顺利实施。

在地线完备的小区，可采用地线耦合宽带电力线载波信号进行数据传输，地线上分支少干扰小，信噪比更高，可带来更好和传输效果和稳定性。

在通信效果欠佳的情况下，可通过安装中继器增强通信效果。

宽带PLC技术支持时分和频分中继，用于应对电力线传输阻抗失配较大或延伸通信距离。

且中继是基于数据链路层（OSI的第二层）或物理层，对上层组网不产生影响，透明传输各种数据流和业务流。

得益于高速的传输带宽，中继之后仍能保持高速的传输速度。

如85M物理速度的系统中继之后，仍有20-40M的物理速度。

支持多级中继。

中继器能够通过中继实现距离超长或干扰较大配网的信号覆盖。

中继器可以
采用时分或频分实现中继功能，中继需在数据链路层或物理层实现，以保证网络对业务应用的透明性和设备的兼容性。

图 18. 典型宽带载波中继数据流
1.3.3RS-485接口
RS-485总线方式主要是指集中器和配电总表以及采集器和电能表的通信，组网方式如本地通信中的窄带载波章节。

技术要求：
1 接收器的输入电阻R IN≥12kΩ。

2. 驱动器能输出±7V的共模电压。

3. 输入端的电容≤50pF。

4. 在节点数为32个，配置了120Ω的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关）。

5. 接收器的输入灵敏度为200mV。

6. 接入容量依据采集对象数量可设计为8、16、32块电能表；传输距离为1200m，若增加传输距离及接入容量，应加入中继器。

第2章终端设备
本章节主要描述终端设备在电力用户信息采集系统中的作用，按照用户全面覆盖、信息全面采集的原则给出终端设备分类，终端设备的典型设计方案，并分别对终端设备的功能、性能以及系统互换性、部模块互换性等提出要求。

2.1终端分类
终端设备按电力用户用电信息采集模式进行分类，对于大型专变用户和中小型专变用户应采用专变采集终端+RS-485多功能电能表采集模式，大型专变用户选择安装带交流采样专变终端或不带交流采样专变终端，中小型专变用户选择安装不带交流采样的专变终端。

对于低压三相一般工商业可选择安装远程多功能电能表，也可以是集中器采集方式。

对于低压单相一般工商业和居民用户采用集中器+载波预付费电能表或集中器+采集终端+载波电能表两种采集形式。

对公变计量点采用集中器+RS-485多功能电能表数据转发形式实现管。

专线用户用电信息采集模式通常由厂站终端完成。

远程终端与主站通信信道优先选用电力光纤专网，对于未完成光纤通道建设的各省可选用无线专网（GPRS、CDMA等）、230MHz 专网、公共交换网信道。

2.2终端选型
2.2.1专变终端
专变中端在使用技术条件和功能要求方面必须支持DL/T 698《电能信息采集与管理系统》相关规定，专变终端按照I/O配置分可分为有交流采样模块型和不带交流采样模块的基本型终端。

专变终端应尽量采用模块化结构设计，通讯方式可以通过更换以太网通信模块、GPRS/CDMA模块或PSTN模块实现互换。

根据DL/T698.31 电能采集终端通用要求，专变终端类型标识、功能和适用
用户见表26。

表 3. 终端类型及功能对照表
2.2.2集抄终端
集抄终端通常包含集中器和采集器两部分，用于厂站关口电能量采集和非居民用户、居民用户用电信息采集，并对用电异常信息进行管理和监控。

一个配变台区的居民用电信息采集组网方式主要有下列两种：
a) 集中器与具有通信模块的电能表(载波表)直接交换数据；
b) 集中器、采集器和电能表组成二级数据传输网络，采集器采集多个电能表电能信息，集中器与多个采集器交换数据。

实际应用中可采用上述二种方式混合组网。

集中器可直接与主站连接，也可通过RS 485接口与公变采集终端连接级联，利用公变采集终端通信信道上传。

集中器和采集器的选型，在实际应用中根据具体情况确定。

2.2.3远程多功能电能表
远程多功能表是在多功能电能表中加入采集模块和控制开关实现单个用户用电信息采集和监控能力。

通常针对低压三相一般工商业用户用电信息采集。

多功能电能表采集形式主要以多功能表+通讯模块（光纤专网、无线公网GSM/GPRS、CDMA等、公共交换网等）对电能表信息进行管理和传输，接受主站调度任务。

远程多功能表另一种形式是载波+预付费电能表形式，对电能表信息进行管理和传输，接受主站调度任务。

根据上述终端定义和用户分类，上述终端配置见表27。

表 4. 用户终端型号对照表
2.3终端设计功能要求
2.3.1专变终端
2.3.1.1结构要求
整体结构应采用分体设计结构，模块化设计方式，将上行通信模块独立进行设计，并在结构上能够与主机分离，除230MHZz电台终端外，外形尺寸应不大于320mm×220mm×120mm。

终端的其它结构和环境要求应符合《DL/T698-2008电能信息采集系统》中
专变终端的相关要求。

交流采样装置完成两个主要功能，一是作为防窃电功能主要的一种技术支持手段，独立作为一个测量点对用户的用电信息进行测量和计量，与电能表测量的信息进行超差对比；另一方面，其测得的功率数据可以作为功率控制的依据。

2.3.1.2终端设计
负控终端功能框图如下图，远程通讯模块可以按照远程通信信道的不同进行更换，可选择GPRS、CDMA、PSTN Modem模块、以太网络模块或230MHz无线电台。

图 19. 负荷控制终端功能框图
专变终端功能功能要求如下
表 5. 终端功能配置表
序号项目有交采
型
无交采型
1 数据采
集
状态量采集√√
电能表数据采集√√
脉冲量采集√
交流(电压、电流)模拟量采集√
2 数据处
理
实时和当前数据√√
历史日数据√√
历史月数据√√
电能质量数据统计√
电能表运行状况监测√√
3 参数设时钟召测和对时√√
a: FKXB4型终端无功率定值闭环控制功能
专变终端的功能详细设计要求按照《DL/T698-2008电能信息采集系统》的要求执行。

2.3.1.3性能要求
专变终端应满足《DL/T698-2008电能信息采集系统》中专变终端的有关性能要求，并对电子器件的选择作出规定。

终端选用的处理器（CPU）芯片、电解电容、压敏电阻、热敏电阻、晶振、片式二极管、片式电阻、片式电容、光耦、电池、RS-485芯片、变压器、通讯模块等主要元器件应选择高可靠性的工业级产品。

处理器
要求采用主流32位或以上微处理器（如ARM7及以上系列芯片、Motorola PowerPC系列等）配置嵌入式操作系统设计的方案，以保证终端通信、数据采集、数据压缩等复杂功能要求。

为将来功能扩展提供稳定可靠的硬件平台。

●通信模块
通信模块采用业界主流厂商工业级的通信芯片，通信模块使用温度围应在-25℃～70℃。

●电解电容
应使用105℃、4000小时及以上的进口名牌长寿命电解电容。

●压敏电阻
电压输入部分应使用峰值电流≥8000A的压敏电阻。

●电池
应使用柱状锂电池，在完全停电的状态下可维持终端时钟运行10年以上。

2.3.2集抄终端
2.3.2.1集中器
2.3.2.1.1结构要求
●整体结构应采用分体设计结构，模块化设计方式，将上行通信模块、下
行通信模块独立进行设计，并在结构上能够与主机分离。

●外形尺寸
外形尺寸应不大于320mm×220mm×120mm
2.3.2.1.2终端设计
集中器功能框图如下图，整体设计采用分体式模块化设计，上行通讯模块可以按照远程通信信道的不同进行更换，可选择GPRS/CDMA模块、以太网络模块,要求接口统一定义规，做到不同厂家不同通道的通信模块可以互换，下行信道要求做到接口统一、定义规做到不同厂家产品、不同载波模块可以互换。

集中器软件应提供软件对信道的识别能力，在信道进行切换时无需更改软件。