基于5G的新一代電力用戶用電采集系統研究及應用

趙豐

【關鍵詞】5G;電力用戶;用電采集;系統

一、緒論

在新一代移動通訊5G建設的大背景下，本文對電力用戶用電采集系統（簡稱用電采集系統）發展方向進行分析，旨在通過理論分析為實踐操作提供依據。用電采集系統的全面建設，有利于提升電網智能量測水平，電網運行穩定，促進電力行業服務水平，為電量計量、電費計算、配網監測、線損分析、故障搶修等業務提供了支撐功能。

隨著配電網拓步結構的日益復雜，以及大量分布式電源的接入，基于光纖通道建設的采集系統存在周期長、成本高、難度大、利用率低等缺點，第五代移動通訊技術具備大連接、高可靠性、低延遲、多連接等特點;新一代的電力用戶用電采集系統的建設應該基于5G移動網。

二、關鍵技術

（一）擴容技術

1、mMTC

mMTC即海量機器類通信，主要應用在大規模物聯網。一個百萬居民的現代城市需要的智能采集設備數量多.分布范圍廣、連接龐大，要求通訊網絡具備千萬級的連接支持能力，傳統的4G通信網絡已經無法勝任。5G的mMTC具有千億級的連接支持能力，連接密度達到100萬/km2的技術指標。完全滿足用電用戶信息采集系統低功耗、大連接應用場景。

2、大規模MIMO

大規模MIMO是一種多輸入多輸出的天線配置技術。通過“波束成形”成倍增加無線基站天線鏈路的容量?？梢宰詣诱{節各個天線發射信號的相位，使其在智能采集設備位置形成電磁波的疊加，從而達到提高接收信號強度的目的，這些天線能夠將信號強度集中到較小的空間區域，通過將信號準確導向所需位置來提高總體效率和吞吐量。

（二）時延技術

1、uRLLC

uRLLC是一項具備高可靠、超低時延的通信技術。這項技術在電力遠程費控、負荷控制等應用場景的作用尤其顯著，由于電網設備控制要求精準性、即時性、可靠性非常高，uRLLC通過更小時間資源單位（mini-slot）、減少數據發送等待時延、免授權調度傳輸方式、有效的編碼策略（ MCS）等數據，有效提高了網絡傳輸的時效和可靠性。

2、MEC

多接入網絡邊緣計算（MEC）通過減少距離用戶鄰近設備的響應時延，與電力網絡中差動保護裝置要求十分契合。差動保護裝置作為電力網絡的安全保護設備，通過采集、傳輸、對比輸電線路兩端電流信號，進行安全保護動作。MEC重新定義了核心網和網絡邊緣，改變原有通信必須全部由核心傳輸的方式，通過用戶控制面下沉技術進一步縮短傳輸路徑，大大減小網絡響應用戶請求的時延，降低了傳輸網和核心網部分發生網絡擁塞的風險。

（三）多通道技術

在電力用戶用電采集系統中，不同業務應用場景對于網絡規模、網絡時延、網絡安全、傳輸可靠性的要求不盡相同;例如：采集業務設備數量龐大，電網控制業務要求數據傳輸可靠性、時延低，巡查業務移動作業性強。5G可以通過網絡切片技術分割物理網絡，將其劃分為多個虛擬網絡;并根據具體應用需求，靈活定制不同虛擬網絡切片。因此，通過構建采集子網（大容量），控制子網（低時延），巡查子網（移動）三個不同特性的虛擬子網絡，滿足不同性能要求的應用。

三、采集主站

（一）系統架構

1、總體架構

從感知層、網絡層、核心服務層、應用層等四方面進行分析新一代用戶用電采集系統架構。

（二）通信層

1、5G網絡

為滿足5G多樣化的應用場景需求，5G的關鍵性能指標更加多元化。ITU定義了5G八大關鍵性能指標，其中高速率、低時延、大連接成為5G最突出的特征，用戶體驗速率達1Gbps，時延低至1ms，用戶連接能力達100萬連接/平方公里。

2、通信前置

通信前置用于管理主站與采集設備連接，保持前置與設備間的通信。由于服務器資源限制，單臺通信前置最多管理65535個連接，因此，需負載均衡設備將眾多連接分布在不同的通信前置服務器。

3、通訊協議

電力用戶用電信息采集系統使用的網絡協議如下：

（1） 5G-NR協議

5G-NR（ New Radio）即新空口無線協議棧。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400MHz，遠遠大于LTE的最大信道帶寬20MHz。其采用了信道復用、多天線技術、和波束賦形等技術，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）協議棧即用戶數據傳輸采用的協議簇，控制面（ Control Plane，CP）協議棧即系統的控制信令傳輸采用的協議簇。

（ 2） HPLC協議

高速電力線載波HPLC是通過低壓電力線上傳輸數據傳輸的技術，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點曲線采集（15分鐘）、日凍結電量采集、停電事件實時上報等業務，抗時變噪聲，抗衰減性小于85db，保證采集成功的提高。

（3） 376.1協議

376.1協議是一種應用層協議，通過二進制編碼的方式，定義了采集主站向采集終端發送指令的格式，如何解析采集終端返回指令的一系列標準，是電力采集系統第一代的協議。

（4） 698協議

698協議是一種面向對象的應用層協議，通過數據和方法的分離技術，提供了協議擴展的靈活性，是電力采集系統第二代的協議。

（三）感知層

1、智能電表

電表通過RS485接口將數據傳送到采集器中，采集數據按照小時、日、月數據信息保存，然后通過集中器統一上報采集主站。

（1）單相電表

單相電能表用于居民電量采集，可進行有功電度量計量，計量準確、模塊化小體積、安裝方便、無需外部電、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，用于工業用戶（商業用戶的）等大用戶的數據采集?？蛇M行有功電量、無功電量、電壓曲線、電流曲線、相位等多種數據項的采集，過載能力強、誤差線性好、質量穩定。

2、采集集中設備

集中器用于匯聚智能電表的網絡連接，可減少區域內連接數量、并且具備數據存儲、自動采集、即時反饋，體積小、重量輕、實時性好，常用戶匯聚小區或高層建筑居民的采集設備數據。

（四）核心層

1、數據采集

數據采集是電力用戶用采信息采集系統的核心服務，其包括任務管理、數據補采、報文組裝、規約毹析、規約適配。

（1）任務管理

由于不同業務的智能采集設備采集的數據項、采集頻度、采集時間段等要求不同，任務管理通過均衡調度策略，優先權調度策略;合理調度分配系統資源。保證通信服務、數據入庫服務、智能終端的負荷可控。

（2）報文組裝

報文組裝就是將Text/Json/Xml轉換成二進制的376.1/698規約報文。當用戶通過Web應用對在線的采集設備發送采集電量、限電、上電等命令式時，應用程序以Restful、RPC、WebService方式調用服務層接口，服務層將Text/Json/Xml格式的數據進行編碼，組裝成采集設備可識別的376.1/698規約報文。

（3）報文解析

報文組裝就是將376.1/698規約報文轉換成Text/Json/Xml格式。

（4）報文適配

報文適配即根據設備型號自動匹配其支持的協議的功能。

（5）采集補采

采集失敗的設備按補采策略進行數據補采任務。

2、分布式緩存

Redis作為可基于內存亦可持久化的日志型、Key-Value數據庫，讀寫速度高。適合緩存檔案參數、任務模板、終端狀態、指令步驟等頻繁讀取的數據。

3、分布式消息

Kafka是一種高吞吐量的分布式發布訂閱消息系統。大量地采集數據通過Kafka的緩沖后寫入數據庫，可以減少采集服務對數據庫的直接壓力。

4、大數據處理

大數據處理服務通過數據清理、數據集成、數據歸約與數據轉換、數據挖掘等方式，從采集數據中提取有價值信息。

（1）實時計算

實時計算一種時間復雜性較低的計算，通過快速計算，實時分析電網線損、重點用戶監視、設備在線率等重要指標。

（2）離線計算

離線計算一般用于數據量大，計算時間復雜性較高，實效性要求不高的場景，例如反竊電、行業用電趨勢分析等。

5、數據庫

數據采集服務采集數據量大，持續時間長，寫入壓力大，普通數據庫無法滿足這樣的工作場景。HBase是一種構建在HDFS之上的分布式存儲系統，具有單表可以有上億行/上百萬列、稀疏存儲、數據多版本、高并發、去中心、可伸縮等技術特點，特別適合大數據量寫入的場景。

（五）應用層

前端應用：電力用電采集系統包括基礎應用、運行管理、高級應用、有序用電、統計查詢、系統管理等。

1、基礎應用

電力用電采集系統的功能基礎，維持系統的基本運行，負責采集分布廣泛的采集設備各類數據項，調度采集任務，提供營銷、生產等其他系統數據的基本接口，進行設備在線率、采集成功率、采集完整率、電量電費、配電電網負荷計算等。

2、運行管理

采集系統的運行過程中經常需要使用的功能，例如：通信模塊管理、時鐘管理、檔案管理、采集方案管理，采集任務管理，設備調試等功能。

3、高級應用

由采集系統作為基礎衍生出的支撐類功能，需要對采集數據進行分析、加工、數據挖掘，例如：線損計算、反竊電分析、重點用戶用電監測、配網監控。

4、統計查詢

從整體或某一業務領域角度，通過報表、圖型等可視化工具，直觀反映業務關鍵信息的功能。

5、系統管理

用戶權限、操作審計、單點登錄等系統配置類功能。

四、應用場景

（一）電量采集業務

智能電表通過數據采集、數據凍結、數據傳輸等技術自動將用戶的電量數據傳輸至電力用戶用電采集系統中，并自動完成電量計量、電費計算等工作，不但提高了電力服務的工作效率，降低了抄表環節人力成本，而且提高了服務質量。但是由于采集設備數量不斷增加、采集可靠性、及時性要求的持續提高，傳統4G、Wi-Fi、Zigbee、藍牙等技術已經滿足不了現有的應用，需要尋求新的技術。

2019年廣州從化供電局在規劃建設了265個5G基站，4月底前已經完成70座基站的建設工作，通過公變低壓供電的方式就近選取電源接入點。用電用戶報裝，可通過綠色通道，進行“兩證報裝”，并且實現接電“零投資”，不需要對專用變壓器進行再次投資建設，真正實現接電“零投資”。

（二）即裝即采業務

采集設備安裝后，需要通過正確的檔案配置，才能正常工作。在實際安裝施工過程中，一塊智能電表的安裝需要經過開戶、安裝、上網、配置、調試、采集等多個步驟，不但耗時長、而且頗費人力、物力。

湖南電力即裝即采的采集設備技術，在老舊小區電表換裝過程通過上網、配置、調試自動化，大大節省了安裝工作的工作量，而且減少了后期設備調試的時間。

（三）遠程費控業務

在實現用戶的精準計量的基礎上，可以采集系統對欠費的用戶遠程限電。智能電能表遠程費控模式使電費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模開展，邑縣供電公司作為首批試點縣公司，開展小規模試點研究，使用遠程費控系統建設進入發展快車道。通過遠程費控提高電費風險控制能力，減少電費回收的周期，提高資金利用效率。

（四）電網巡查業務

電網巡查是保障電網安全的重要環節。電網巡查、負荷監控、故障搶修，是保護電網安全，減少電網安全隱患的基本工作。隨著5G通信技術的建設，無人機電網巡查、電力單兵巡檢裝備的應用發展迅速。

2018年6日，冀北電力檢修公司在輸電線路通道中的導線運維中，通過無人機巡航技術，試驗其在電網檢修中的應用方式，經過無線線網絡傳輸到地面、監控站中通過立即可以通過激光建立三維模型。通過該技術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，確保電力設備的安全。

（五）異常告警功能

通過采集設備自動識別電源異常、某區域失電、電壓超限、電流反向、三相不平衡、開表蓋等異常情況，以主動上報方式自動發送至采集主站。

某區域水電甲線3號配變站，7月22日開始起出現停抄戶22戶，5G用電信息采集系統故障預警機制立刻便感知到電網故障，并通過即時消息機制，發送消息通知當地電力公司安排檢修人員，通過現場排查，發現由于集中器參數錯誤，導致設備故障卡死，經過及時調試修改，該區域恢復正常。

（六）相位識別功能

在智能電表安裝過程中，由于工期短、數量大，很難對每個載波通信節點的安裝相位進行測量記錄。因此，對5G通信技術對用戶某區域相位進行識別成為本領域亟待解決的技術問題。

五、結論

新一代型移動通信技術5G具備mMTC（海量機器類通信）、uRLLC（高可靠，超低時延）、MEC（網絡邊緣計算）等諸多新特性，與電力用戶用電采集系統的需求高度契合。因此，基于5G的新一代電力用戶用電采集系統可以滿足智能電網發展需要。