基于 宽带电力载波的分钟级用电

采集策略研究

菅利彬 吴戈 舒畅 魏巍 全巧艳

（国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

摘 要： 当前的用电信息采集系统的数据采集方式普遍采用半双工一应一答的通信方式。该通信方式下，主节点发送数据采集命令至各下行中继节点，各中继节点通过其中继转发能力，将主节点的数据采集命令传送给指定的从节点，由相应从节点接收主节点采集数据的要求。由于数据请求采用应答方式，每一次的数据传输均需要依次进行下行发送、下行多级中继转发、串口数据抄读、串口数据应答、上行发送、上行多级中断转发等过程。目前应答方式下，每一步传输均需占用一定的时长，使得整个用电信息采集系统的数据采集效率低下，该方式很难满足当前用电信息采集系统对批量数据进行快速抄读的需求。鉴于此，本文重点研究基于宽带电力载波的采集器边缘计算的方式来汇集数据，达到分钟级采集用电数据的功能。

关键词：中继；电力载波；采集；

Research on minute level power consumption acquisition strategy based on broadband power carrier

Jian Libin Shu Chang Wei Wei Quan Qiaoyan Wu Ge

(NARI Technology Co., Ltd, Nanjing 211106, China）

Abstract: The data collection method of the current electricity consumption information collection system generally adopts a half-duplex one-on-one communication method. In this communication mode, the master node sends a data collection command to each downstream relay node, and each relay node transmits the data collection command of the master node to the designated slave node through its relay and forwarding capability, and the corresponding slave node receives the master node collection Data requirements.Since the data request adopts the response method, each data transmission needs to sequentially perform downstream transmission, downstream multi-level relay forwarding, UART data reading, UART data response, upstream transmission, and upstream multi-level interrupt forwarding. Under the current response mode, each step of transmission needs to occupy a certain time, which makes the data acquisition efficiency of the whole power consumption information acquisition system low. This mode is difficult to meet the demand of the current power consumption information acquisition system for rapid reading of batch data.In view of this, this paper focuses on the edge calculation of collector based on broadband power carrier to collect data and achieve the function of collecting power data at the minute level.

Key words: Relay; Power line carrier;Collection；

实现用电信息采集系统通讯的基本要求是低压电力线通信网络可靠性。电力线通信网络的运行特点决定了由于网络通信节点自身的增减和整个信道的任何变化，而引起载波通讯网络拓扑结构发生变化^[1]。在实际现场用电采集通讯测试中，不同信道中的电表子节点需要经过一次或多次中继才能接入网络。这些子节点的使用频率和信号强弱引起中继转发信号的不稳定．造成了网络拓扑随时改变的可能性，网络拓扑的变化也造成了中继级数的变化，往往一个电表的采集需要中转多次，严重影响用电采集的效率。利用高速宽带载波的高速率特点，通过采集器预抄读表计数据存储完成用户侧本地汇集，可实现电能表电压、电流、电能等数据的分钟级高频采集、停电主动上报，支撑供电线路老化趋势分析，监测电网电压质量和负荷监测分析等业务的应用^[2]。

基于高速宽带载波的高频采集的业务主要是在兼容现有用采业务基础上，通过主站给采集器配置用户侧本地采集任务^[3]，各表计数据通过采集器完成一次汇集、集中器完成二次汇集，最终汇集到采集主站，完成日冻结、月冻结、96点曲线和分钟级曲线等数据采集业务。

1 宽带载波的组网方式分析

本地信道用于现场终端到表计的通讯连接，高压用户在配电间安装专变终端到就近的计量表计，采用RS485方式连接。而在低压用户中，在一个公用配变下有大量电力用户，用电容量小，计量点分散^[4]。低压电力线网络因其覆盖面广，线路零成本，以及电源与通信介质统一的性质，使得低压电力线通信技术获得了广泛的关注，用电力线通信进行低压集中抄表，实现配变台区信息集中将是最理想的途径。为了高效快速的采集，目前集中器采集设备普遍采用宽带高速载波的通信方式作为最佳方案^[5]。

根据现场低压用户电能表安装方式和用电信息采集需求，宽带电力线载波通信的典型组网方式主要有三种：集中器+载波电能表，集中器+采集器+RS485电能表，集中器+采集器+RS485电能表+载波电能表^[6]。三种组网方式的网络拓扑结构如下描述：图1的方式主要用在电能表全部比较分散的情况下，图2的方式主要用在电能表分块集中的情况下，图3的方式主要用在电能表分布比较平均，有分散也有集中的情况下进行布局^[7]。这里的采集器功能主要是完成具有RS485接口的电子电表数据实时采集，并立即转发回复给载波主节点，不具备储存功能，如果在设置成自动路由的情况下，采集器还可作为信号中继的转发器，实现了数据信号中继转发的功能^[8]。

（1）集中器+载波电能表：

图1 集中器+载波电能表通信方案

（2）集中器+载波采集器+RS485电能表：

图2 集中器+载波采集器+RS485电能表通信方案

（3）集中器+载波采集器+RS485电能表+载波电能表：

图3 集中器+载波采集器+RS485电能表+载波电能表方案

低压电力线网络因其覆盖面广，线路零成本，在信息入户的应用中被广泛关注，宽带电力线载波技术应运而生。和窄带电力线载波技术不同，宽带电力线载波系统工作在1-40MHz频率范围内，较好地避开了KHz频段的常规低频干扰，采用正交或扩频调制方式实现兆级以上的数据传输，数据物理层传输速率最高可达200Mbps。

图4 载波不同速率的抄表时间比较图

其中窄带、高速窄带、宽带载波的速率和传输时间比较如下：从图4中可以看到，高速宽带的耗时是最少的，在传输500字节的情况下，从终端到主节点载波模块，再到电表端都是1秒左右，但是在电表数量较大的情况下，即便这样的速率还是不够，因为往往在抄读不同类型数据或同类型数据大量数据项时需要分帧，这样抄读完一个表的周期数据就要耗费6秒左右，甚至更长。在多个电表的情况下，比如100只电表，那么10分钟才能抄读一轮周期数据，这样5分钟曲线数据便不可能抄读完整，因此研究如何快速高效的完整抄读数据是非常有必要的。

2 宽带载波的新型抄表方案

宽带载波数据传输速率高，具有较强的抗干扰能力，可承载业务多，适应性强。但存在信号衰减大、单跳通信距离受限等问题，具体应用时需要在采集器、宽带载波表间进行中继、路由等优化措施。基于宽带载波的短距离和少分支的特性，宽带载波信道在用电信息采集系统中的适用对象为城区集中表箱布置的高层或者多层楼宇居民区如图5。

。

图5 电表集中分布的典型的应用组网方案

针对图5的宽带组网方案，这里的采集器我们进行功能改造，不仅仅作为中继路由使用，而且作为具备采集电表曲线、冻结数据的缓存设备。主节点发出条广播数据采集的命令后，所有收到广播数据采集的从节点，即可通过UART接口向电能表转发数据采集命令，UART将应答给从节点相关数据。即在这一时刻内，所有厂广播收到主节点数据采集命令的从节点均并行的通过各白的UART接口完成对电能表的数据采集，并存储在从节点的数据缓冲区内。

采集数据流程图如图6所示：

主节点广播网络节点信息，待入网从节点发送入网申请，主节点响应所述入网申请，生成所述待入网从节点的入网应答报文，并更新网络内各节点的路由表，完成组网;

主节点向网络中的从节点广播数据采集指令；

接收所述数据采集指令的各个从节点均分别按照广播下发的采集方案响应所述数据采集指令;解析所述数据采集指令，根据所述数据采集指令采集相应数据或读取本节点的下级从节点的相应数据，缓存所述数据；计 算本节点应答时隙步，各个节点，在本节点应答时隙内，分别将本节点缓存的所述数据打包并上报。

图6 宽带载波方式采集数据流程图

具体原理：主节点确定本网络MAC地址表，并逐级向各层级从节点广播网络节点信息，所述网络节点信息包括∶网络ID、节点短地址、层级、各层级对应的短地址范围。待入网从节点向其接入的从节点或直接向主节点发送入网申请，所述从节点在其应答时隙内逐级向上级节点报告所述入网申请，所述入网申请包括;待入网节点的MAC地址、接入节点的短地址;这里的上级节点包括主节点或层级高于本节点的从节点;主节点响应所述入网申请，判断待入网节点的MAC地址是否符合本网络MAC地址表，若符合则为所述待入网节点分配短地址、层级，生成该待入网从节点的入网应答报文，并逐级向各层级从节点广播所述入网应答报文;否则，拒绝所述入网申请，短地址按照如下规则确定∶首先，固定主节点的短地址。在对从节点进行短地址分配时，需根据节点所处层级，在本节点所处层级对应的短地址范围内。根据本节占的入网时间确定。具体而言，节点所处层级越低，节点短地址越小;节点入网时间越迟，分配的短地址越大。

当组网完成后，主节点与任意从节点之间将会建立一条传输路径，后续主节点要与某从节点进行数据交互时，即可通过一条传输路径进行载波信息的中继转发。主节点会存储所有与任一节点之间的路由信息（具体包括从节点的短地址、直接路由节占、层级、层级从节点总数、层级短地址的起止、子节点总数、子节点短地址的起止等），各从节点会存储相邻居节点的信息及中继深度信息，主节点在该网络中扮演路由管理、数据采集的角色。

然 后集中器通过串口给载波主节点进行采集方案的下发，主节点则向网络中的全部从节点逐级广播数据采集指令。主节点逐级向各层级从节点广播所述数据采集指令;数据采集指令具体包括电能表的采集密度（曲线、冻结）、数据项等信息，可以根据需要具体制定需要采集的数据项和密度。各个从节点接收所述数据采集指令，并逐级向本节点的下级从节点转发所述数据采集指令，直至所述数据采集指令所针对的从节点接收到所述数据采集指令。

图7 主从节点拓扑图

接收所述数据采集指令的各个从节点均分别根据所述数据采集指令采集相应数据或读取本节点的下级从节点的相应数据，缓存数据，然后计算本节点应答时隙，分别将本节点缓存的所述数据打包并上报。每一个应答时隙的时隙长度为∶应答数据报文长度/PLC波特率+10ms的报文传输间隔时间;应答数据报文长度固定，因而时隙长度也固定;应答时隙周期的计算方法如下∶应答时隙周期=数据采集指令发送时间+10ms的电表处理时间+电表数据采集时间+10ms的电表数据传输间隔时间+应答等待时间;数据采集指令发送时间=数据采集指令长度* （8个数据位+起始位+奇偶校验位+停止位+间隔时长）/UART波特率;所述电表数据采集时间=电表数据长度*（8个数据位+起始位+奇偶校验位+停止位+间隔时长）/UART波特率; 应答等待时间=（应答数据报文长度/PLC波特率+10ms的报文传输间隔时间）*（本节点短地址-最小短地址）。

因此上述基于短地址计算应答时隙的方法可以适用于系统中各个层级的全部节点如图7，而不至于产生时隙上的冲突。这使得原本需要多次的载波点名命令下发的，合并成只需要一次命令交互即可，从而大大节约的抄读时间。然后各从节点通过主节点分配的的短地址，计算出各从节占通村由力线载波信道首发送应答数据报立的时隙。所有从节点在应答时，在其应答时隙内均可独立占用全部的电力线载波信道,从而避免信道冲突，保障通信成功率，提高通信效率。

3 宽带载波新型抄表方案结果分析

表1 设置数据项和采集周期格式

这里规定集中器对载波主模块的发送格式如下表1,然后载波主模块广播通知采集器需要采集的周期和数据项，等采集周期到时，采集器把采集的数据按照图8的格式进行上报。

图8 采集器上报格式

测试环境是53只电表，抄读数据项设置为正向有功、反向有功、电压、电流四个，冻结密度设置为1分钟，经测试53只电表的分钟数据准确完整，抄表成功率为100%。

具体的数据库参加图9，根据用电采集的面向对象规约协议，第一列代表分钟冻结的对象，第二列代表电表的测量点号，第三列代表入库时间，这里可以看到基本每秒都有批量数据入库，后面五列依次是各个数据项正向有功、反向有功、冻结时间、电压、电流，最右面的框的数据是对应的相应的值，如图代表20000200代表是电压的值，测量点pn=1在2021年10月22日的09点2分1秒时对应的电压的A相值是16进制的08F7，也就是对应的实际值是229.5伏。对比以前的方案，一分钟内就可以抄读53只电表的四个数据项，大大提高了抄表效率。

图9 抄读数据库 参考文献

[1]戚佳金. 低压配电网电力线载波通信动态组网方法研究[D].哈尔滨工业大学,2009.

[2]郑伟.基于BPSK的电力通信系统载波智能恢复方法研究 [J].赤峰学院学报 （自然科学版），2019，35（8）:52-55

[3]卞敏杰.数字解调器设计与实现[J].物联网技术，2014(7):39-42

[4]F. Van Trimpont, G. B. Katumba, V. Moeyaert and S. Bette, "Smart blacklisting: A solution to increase performance of blacklisting in LOADng for low density networks," 2016 International Symposium on Power Line Communications and its Applications (ISPLC), Bottrop, 2016, pp. 121-125.

[5]梁红,姚青,赵小进等.PRIME和G3-PLC路由机制对比[J].电测与仪表,2014,(z1):156-158.

[6]A. Van Laere, S. Bette and V. Moeyaert, "Analysis tool for temporal evolution of frame error rate performance in narrowband PLC," 2015 IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications (ISPLC), Austin, TX, 2015, pp. 268-273.

[7]K. Razazian, A. Niktash, V. Loginov and J. Yazdani, "Enhanced 6LoWPAN Ad hoc routing for G3-PLC," 2013 IEEE 17th International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, Johannesburg, 2013, pp. 137-142.

[8]T. Sangsuwan, S. Thepphaeng and C. Pirak, "Experimental performance analysis of powerline communication technologies in AMI systems," The 20th Asia-Pacific Conference on Communication (APCC2014), Pattaya, 2014, pp. 382-386.

作者简介：

菅利彬（1985-），男，河北邢台，高级工程师，硕士研究生，研究方向：用电信息采集。

吴戈（1986-），男，江苏淮安，中级工程师，硕士研究生，研究方向：用电信息采集。

舒畅（1985-），男，湖北黄冈，高级工程师，硕士研究生，研究方向：用电信息采集系统，智能电能表。

魏巍（1978-），男，江苏南京，高级工程师，硕士研究生，研究方向：用电信息采集。

全巧艳（1984-），女，河北石家庄，高级工程师，硕士研究生，研究方向：用电信息采集。