基于5G的新一代電力用戶用電采集系統(tǒng)研究及應(yīng)用

趙豐

【關(guān)鍵詞】5G;電力用戶;用電采集;系統(tǒng)

一、緒論

在新一代移動(dòng)通訊5G建設(shè)的大背景下，本文對(duì)電力用戶用電采集系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱用電采集系統(tǒng)）發(fā)展方向進(jìn)行分析，旨在通過(guò)理論分析為實(shí)踐操作提供依據(jù)。用電采集系統(tǒng)的全面建設(shè)，有利于提升電網(wǎng)智能量測(cè)水平，電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，促進(jìn)電力行業(yè)服務(wù)水平，為電量計(jì)量、電費(fèi)計(jì)算、配網(wǎng)監(jiān)測(cè)、線損分析、故障搶修等業(yè)務(wù)提供了支撐功能。

隨著配電網(wǎng)拓步結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，以及大量分布式電源的接入，基于光纖通道建設(shè)的采集系統(tǒng)存在周期長(zhǎng)、成本高、難度大、利用率低等缺點(diǎn)，第五代移動(dòng)通訊技術(shù)具備大連接、高可靠性、低延遲、多連接等特點(diǎn);新一代的電力用戶用電采集系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)該基于5G移動(dòng)網(wǎng)。

二、關(guān)鍵技術(shù)

（一）擴(kuò)容技術(shù)

1、mMTC

mMTC即海量機(jī)器類通信，主要應(yīng)用在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)。一個(gè)百萬(wàn)居民的現(xiàn)代城市需要的智能采集設(shè)備數(shù)量多.分布范圍廣、連接龐大，要求通訊網(wǎng)絡(luò)具備千萬(wàn)級(jí)的連接支持能力，傳統(tǒng)的4G通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法勝任。5G的mMTC具有千億級(jí)的連接支持能力，連接密度達(dá)到100萬(wàn)/km2的技術(shù)指標(biāo)。完全滿足用電用戶信息采集系統(tǒng)低功耗、大連接應(yīng)用場(chǎng)景。

2、大規(guī)模MIMO

大規(guī)模MIMO是一種多輸入多輸出的天線配置技術(shù)。通過(guò)“波束成形”成倍增加無(wú)線基站天線鏈路的容量?？梢宰詣?dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的相位，使其在智能采集設(shè)備位置形成電磁波的疊加，從而達(dá)到提高接收信號(hào)強(qiáng)度的目的，這些天線能夠?qū)⑿盘?hào)強(qiáng)度集中到較小的空間區(qū)域，通過(guò)將信號(hào)準(zhǔn)確導(dǎo)向所需位置來(lái)提高總體效率和吞吐量。

（二）時(shí)延技術(shù)

1、uRLLC

uRLLC是一項(xiàng)具備高可靠、超低時(shí)延的通信技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)在電力遠(yuǎn)程費(fèi)控、負(fù)荷控制等應(yīng)用場(chǎng)景的作用尤其顯著，由于電網(wǎng)設(shè)備控制要求精準(zhǔn)性、即時(shí)性、可靠性非常高，uRLLC通過(guò)更小時(shí)間資源單位（mini-slot）、減少數(shù)據(jù)發(fā)送等待時(shí)延、免授權(quán)調(diào)度傳輸方式、有效的編碼策略（ MCS）等數(shù)據(jù)，有效提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)效和可靠性。

2、MEC

多接入網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算（MEC）通過(guò)減少距離用戶鄰近設(shè)備的響應(yīng)時(shí)延，與電力網(wǎng)絡(luò)中差動(dòng)保護(hù)裝置要求十分契合。差動(dòng)保護(hù)裝置作為電力網(wǎng)絡(luò)的安全保護(hù)設(shè)備，通過(guò)采集、傳輸、對(duì)比輸電線路兩端電流信號(hào)，進(jìn)行安全保護(hù)動(dòng)作。MEC重新定義了核心網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)邊緣，改變?cè)型ㄐ疟仨毴坑珊诵膫鬏數(shù)姆绞?，通過(guò)用戶控制面下沉技術(shù)進(jìn)一步縮短傳輸路徑，大大減小網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)用戶請(qǐng)求的時(shí)延，降低了傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)部分發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的風(fēng)險(xiǎn)。

（三）多通道技術(shù)

在電力用戶用電采集系統(tǒng)中，不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)安全、傳輸可靠性的要求不盡相同;例如：采集業(yè)務(wù)設(shè)備數(shù)量龐大，電網(wǎng)控制業(yè)務(wù)要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性、時(shí)延低，巡查業(yè)務(wù)移動(dòng)作業(yè)性強(qiáng)。5G可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)分割物理網(wǎng)絡(luò)，將其劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò);并根據(jù)具體應(yīng)用需求，靈活定制不同虛擬網(wǎng)絡(luò)切片。因此，通過(guò)構(gòu)建采集子網(wǎng)（大容量），控制子網(wǎng)（低時(shí)延），巡查子網(wǎng)（移動(dòng)）三個(gè)不同特性的虛擬子網(wǎng)絡(luò)，滿足不同性能要求的應(yīng)用。

三、采集主站

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

1、總體架構(gòu)

從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、核心服務(wù)層、應(yīng)用層等四方面進(jìn)行分析新一代用戶用電采集系統(tǒng)架構(gòu)。

（二）通信層

1、5G網(wǎng)絡(luò)

為滿足5G多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景需求，5G的關(guān)鍵性能指標(biāo)更加多元化。ITU定義了5G八大關(guān)鍵性能指標(biāo)，其中高速率、低時(shí)延、大連接成為5G最突出的特征，用戶體驗(yàn)速率達(dá)1Gbps，時(shí)延低至1ms，用戶連接能力達(dá)100萬(wàn)連接/平方公里。

2、通信前置

通信前置用于管理主站與采集設(shè)備連接，保持前置與設(shè)備間的通信。由于服務(wù)器資源限制，單臺(tái)通信前置最多管理65535個(gè)連接，因此，需負(fù)載均衡設(shè)備將眾多連接分布在不同的通信前置服務(wù)器。

3、通訊協(xié)議

電力用戶用電信息采集系統(tǒng)使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如下：

（1） 5G-NR協(xié)議

5G-NR（ New Radio）即新空口無(wú)線協(xié)議棧。NR能工作FR1（小于6GHz頻段）、FR2（毫米波頻段）兩種頻段，最大信道帶寬達(dá)400MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LTE的最大信道帶寬20MHz。其采用了信道復(fù)用、多天線技術(shù)、和波束賦形等技術(shù)，能夠頻帶資源得到充分利用頻帶資源。其包括用戶面和控制面。用戶面（ User Plane，UP）協(xié)議棧即用戶數(shù)據(jù)傳輸采用的協(xié)議簇，控制面（ Control Plane，CP）協(xié)議棧即系統(tǒng)的控制信令傳輸采用的協(xié)議簇。

（ 2） HPLC協(xié)議

高速電力線載波HPLC是通過(guò)低壓電力線上傳輸數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，也稱為寬帶電力線載波。HPLC的工作頻率為2M-12Mhz，通信延遲小于30ms，滿足96點(diǎn)曲線采集（15分鐘）、日凍結(jié)電量采集、停電事件實(shí)時(shí)上報(bào)等業(yè)務(wù)，抗時(shí)變?cè)肼暎顾p性小于85db，保證采集成功的提高。

（3） 376.1協(xié)議

376.1協(xié)議是一種應(yīng)用層協(xié)議，通過(guò)二進(jìn)制編碼的方式，定義了采集主站向采集終端發(fā)送指令的格式，如何解析采集終端返回指令的一系列標(biāo)準(zhǔn)，是電力采集系統(tǒng)第一代的協(xié)議。

（4） 698協(xié)議

698協(xié)議是一種面向?qū)ο蟮膽?yīng)用層協(xié)議，通過(guò)數(shù)據(jù)和方法的分離技術(shù)，提供了協(xié)議擴(kuò)展的靈活性，是電力采集系統(tǒng)第二代的協(xié)議。

（三）感知層

1、智能電表

電表通過(guò)RS485接口將數(shù)據(jù)傳送到采集器中，采集數(shù)據(jù)按照小時(shí)、日、月數(shù)據(jù)信息保存，然后通過(guò)集中器統(tǒng)一上報(bào)采集主站。

（1）單相電表

單相電能表用于居民電量采集，可進(jìn)行有功電度量計(jì)量，計(jì)量準(zhǔn)確、模塊化小體積、安裝方便、無(wú)需外部電、工作溫度范圍寬。

（2）三相電表

三相電能表包括三相三線和三相四線兩種，用于工業(yè)用戶（商業(yè)用戶的）等大用戶的數(shù)據(jù)采集。可進(jìn)行有功電量、無(wú)功電量、電壓曲線、電流曲線、相位等多種數(shù)據(jù)項(xiàng)的采集，過(guò)載能力強(qiáng)、誤差線性好、質(zhì)量穩(wěn)定。

2、采集集中設(shè)備

集中器用于匯聚智能電表的網(wǎng)絡(luò)連接，可減少區(qū)域內(nèi)連接數(shù)量、并且具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)采集、即時(shí)反饋，體積小、重量輕、實(shí)時(shí)性好，常用戶匯聚小區(qū)或高層建筑居民的采集設(shè)備數(shù)據(jù)。

（四）核心層

1、數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是電力用戶用采信息采集系統(tǒng)的核心服務(wù)，其包括任務(wù)管理、數(shù)據(jù)補(bǔ)采、報(bào)文組裝、規(guī)約毹析、規(guī)約適配。

（1）任務(wù)管理

由于不同業(yè)務(wù)的智能采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)項(xiàng)、采集頻度、采集時(shí)間段等要求不同，任務(wù)管理通過(guò)均衡調(diào)度策略，優(yōu)先權(quán)調(diào)度策略;合理調(diào)度分配系統(tǒng)資源。保證通信服務(wù)、數(shù)據(jù)入庫(kù)服務(wù)、智能終端的負(fù)荷可控。

（2）報(bào)文組裝

報(bào)文組裝就是將Text/Json/Xml轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的376.1/698規(guī)約報(bào)文。當(dāng)用戶通過(guò)Web應(yīng)用對(duì)在線的采集設(shè)備發(fā)送采集電量、限電、上電等命令式時(shí)，應(yīng)用程序以Restful、RPC、WebService方式調(diào)用服務(wù)層接口，服務(wù)層將Text/Json/Xml格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，組裝成采集設(shè)備可識(shí)別的376.1/698規(guī)約報(bào)文。

（3）報(bào)文解析

報(bào)文組裝就是將376.1/698規(guī)約報(bào)文轉(zhuǎn)換成Text/Json/Xml格式。

（4）報(bào)文適配

報(bào)文適配即根據(jù)設(shè)備型號(hào)自動(dòng)匹配其支持的協(xié)議的功能。

（5）采集補(bǔ)采

采集失敗的設(shè)備按補(bǔ)采策略進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)采任務(wù)。

2、分布式緩存

Redis作為可基于內(nèi)存亦可持久化的日志型、Key-Value數(shù)據(jù)庫(kù)，讀寫速度高。適合緩存檔案參數(shù)、任務(wù)模板、終端狀態(tài)、指令步驟等頻繁讀取的數(shù)據(jù)。

3、分布式消息

Kafka是一種高吞吐量的分布式發(fā)布訂閱消息系統(tǒng)。大量地采集數(shù)據(jù)通過(guò)Kafka的緩沖后寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，可以減少采集服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的直接壓力。

4、大數(shù)據(jù)處理

大數(shù)據(jù)處理服務(wù)通過(guò)數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)歸約與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)挖掘等方式，從采集數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值信息。

（1）實(shí)時(shí)計(jì)算

實(shí)時(shí)計(jì)算一種時(shí)間復(fù)雜性較低的計(jì)算，通過(guò)快速計(jì)算，實(shí)時(shí)分析電網(wǎng)線損、重點(diǎn)用戶監(jiān)視、設(shè)備在線率等重要指標(biāo)。

（2）離線計(jì)算

離線計(jì)算一般用于數(shù)據(jù)量大，計(jì)算時(shí)間復(fù)雜性較高，實(shí)效性要求不高的場(chǎng)景，例如反竊電、行業(yè)用電趨勢(shì)分析等。

5、數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)采集服務(wù)采集數(shù)據(jù)量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，寫入壓力大，普通數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法滿足這樣的工作場(chǎng)景。HBase是一種構(gòu)建在HDFS之上的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，具有單表可以有上億行/上百萬(wàn)列、稀疏存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)多版本、高并發(fā)、去中心、可伸縮等技術(shù)特點(diǎn)，特別適合大數(shù)據(jù)量寫入的場(chǎng)景。

（五）應(yīng)用層

前端應(yīng)用：電力用電采集系統(tǒng)包括基礎(chǔ)應(yīng)用、運(yùn)行管理、高級(jí)應(yīng)用、有序用電、統(tǒng)計(jì)查詢、系統(tǒng)管理等。

1、基礎(chǔ)應(yīng)用

電力用電采集系統(tǒng)的功能基礎(chǔ)，維持系統(tǒng)的基本運(yùn)行，負(fù)責(zé)采集分布廣泛的采集設(shè)備各類數(shù)據(jù)項(xiàng)，調(diào)度采集任務(wù)，提供營(yíng)銷、生產(chǎn)等其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基本接口，進(jìn)行設(shè)備在線率、采集成功率、采集完整率、電量電費(fèi)、配電電網(wǎng)負(fù)荷計(jì)算等。

2、運(yùn)行管理

采集系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常需要使用的功能，例如：通信模塊管理、時(shí)鐘管理、檔案管理、采集方案管理，采集任務(wù)管理，設(shè)備調(diào)試等功能。

3、高級(jí)應(yīng)用

由采集系統(tǒng)作為基礎(chǔ)衍生出的支撐類功能，需要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、加工、數(shù)據(jù)挖掘，例如：線損計(jì)算、反竊電分析、重點(diǎn)用戶用電監(jiān)測(cè)、配網(wǎng)監(jiān)控。

4、統(tǒng)計(jì)查詢

從整體或某一業(yè)務(wù)領(lǐng)域角度，通過(guò)報(bào)表、圖型等可視化工具，直觀反映業(yè)務(wù)關(guān)鍵信息的功能。

5、系統(tǒng)管理

用戶權(quán)限、操作審計(jì)、單點(diǎn)登錄等系統(tǒng)配置類功能。

四、應(yīng)用場(chǎng)景

（一）電量采集業(yè)務(wù)

智能電表通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)凍結(jié)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)自動(dòng)將用戶的電量數(shù)據(jù)傳輸至電力用戶用電采集系統(tǒng)中，并自動(dòng)完成電量計(jì)量、電費(fèi)計(jì)算等工作，不但提高了電力服務(wù)的工作效率，降低了抄表環(huán)節(jié)人力成本，而且提高了服務(wù)質(zhì)量。但是由于采集設(shè)備數(shù)量不斷增加、采集可靠性、及時(shí)性要求的持續(xù)提高，傳統(tǒng)4G、Wi-Fi、Zigbee、藍(lán)牙等技術(shù)已經(jīng)滿足不了現(xiàn)有的應(yīng)用，需要尋求新的技術(shù)。

2019年廣州從化供電局在規(guī)劃建設(shè)了265個(gè)5G基站，4月底前已經(jīng)完成70座基站的建設(shè)工作，通過(guò)公變低壓供電的方式就近選取電源接入點(diǎn)。用電用戶報(bào)裝，可通過(guò)綠色通道，進(jìn)行“兩證報(bào)裝”，并且實(shí)現(xiàn)接電“零投資”，不需要對(duì)專用變壓器進(jìn)行再次投資建設(shè)，真正實(shí)現(xiàn)接電“零投資”。

（二）即裝即采業(yè)務(wù)

采集設(shè)備安裝后，需要通過(guò)正確的檔案配置，才能正常工作。在實(shí)際安裝施工過(guò)程中，一塊智能電表的安裝需要經(jīng)過(guò)開(kāi)戶、安裝、上網(wǎng)、配置、調(diào)試、采集等多個(gè)步驟，不但耗時(shí)長(zhǎng)、而且頗費(fèi)人力、物力。

湖南電力即裝即采的采集設(shè)備技術(shù)，在老舊小區(qū)電表?yè)Q裝過(guò)程通過(guò)上網(wǎng)、配置、調(diào)試自動(dòng)化，大大節(jié)省了安裝工作的工作量，而且減少了后期設(shè)備調(diào)試的時(shí)間。

（三）遠(yuǎn)程費(fèi)控業(yè)務(wù)

在實(shí)現(xiàn)用戶的精準(zhǔn)計(jì)量的基礎(chǔ)上，可以采集系統(tǒng)對(duì)欠費(fèi)的用戶遠(yuǎn)程限電。智能電能表遠(yuǎn)程費(fèi)控模式使電費(fèi)繳納的方式更加靈活。

2012年，智能電能表更換工程在山東省大規(guī)模開(kāi)展，邑縣供電公司作為首批試點(diǎn)縣公司，開(kāi)展小規(guī)模試點(diǎn)研究，使用遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)入發(fā)展快車道。通過(guò)遠(yuǎn)程費(fèi)控提高電費(fèi)風(fēng)險(xiǎn)控制能力，減少電費(fèi)回收的周期，提高資金利用效率。

（四）電網(wǎng)巡查業(yè)務(wù)

電網(wǎng)巡查是保障電網(wǎng)安全的重要環(huán)節(jié)。電網(wǎng)巡查、負(fù)荷監(jiān)控、故障搶修，是保護(hù)電網(wǎng)安全，減少電網(wǎng)安全隱患的基本工作。隨著5G通信技術(shù)的建設(shè)，無(wú)人機(jī)電網(wǎng)巡查、電力單兵巡檢裝備的應(yīng)用發(fā)展迅速。

2018年6日，冀北電力檢修公司在輸電線路通道中的導(dǎo)線運(yùn)維中，通過(guò)無(wú)人機(jī)巡航技術(shù)，試驗(yàn)其在電網(wǎng)檢修中的應(yīng)用方式，經(jīng)過(guò)無(wú)線線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛?、監(jiān)控站中通過(guò)立即可以通過(guò)激光建立三維模型。通過(guò)該技術(shù)將改變電力線路巡視員翻山越嶺巡視線路的工作方式，減少人工巡視危險(xiǎn)，確保電力設(shè)備的安全。

（五）異常告警功能

通過(guò)采集設(shè)備自動(dòng)識(shí)別電源異常、某區(qū)域失電、電壓超限、電流反向、三相不平衡、開(kāi)表蓋等異常情況，以主動(dòng)上報(bào)方式自動(dòng)發(fā)送至采集主站。

某區(qū)域水電甲線3號(hào)配變站，7月22日開(kāi)始起出現(xiàn)停抄戶22戶，5G用電信息采集系統(tǒng)故障預(yù)警機(jī)制立刻便感知到電網(wǎng)故障，并通過(guò)即時(shí)消息機(jī)制，發(fā)送消息通知當(dāng)?shù)仉娏景才艡z修人員，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查，發(fā)現(xiàn)由于集中器參數(shù)錯(cuò)誤，導(dǎo)致設(shè)備故障卡死，經(jīng)過(guò)及時(shí)調(diào)試修改，該區(qū)域恢復(fù)正常。

（六）相位識(shí)別功能

在智能電表安裝過(guò)程中，由于工期短、數(shù)量大，很難對(duì)每個(gè)載波通信節(jié)點(diǎn)的安裝相位進(jìn)行測(cè)量記錄。因此，對(duì)5G通信技術(shù)對(duì)用戶某區(qū)域相位進(jìn)行識(shí)別成為本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

五、結(jié)論

新一代型移動(dòng)通信技術(shù)5G具備mMTC（海量機(jī)器類通信）、uRLLC（高可靠，超低時(shí)延）、MEC（網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算）等諸多新特性，與電力用戶用電采集系統(tǒng)的需求高度契合。因此，基于5G的新一代電力用戶用電采集系統(tǒng)可以滿足智能電網(wǎng)發(fā)展需要。