电力物联网的数据采集系统与网络传输

摘 要：阐述了电力物联网的数据采集系统模型以及数据采集的网络传输方式，给出了电力系统数据采集网络设计与数据采集网络的实现方法。

关键词：智能电表；电力载波；射频通信；VPN；GPRS

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）11-0040-03

0 引 言

电力物联网使用无线传感器网络（WSN）来采集信息，采集数据类型除电压、电流、功率等基本信息之外，还包括了传感器的RFID、环境参数（如温度、浓度等）、自检状态、报警信息等数据，其采集节点数目和数据量较电力数据采集有显著增加。而在功能上，除了普通的信息汇聚过程之外，还包括协同感知和反馈控制。

协同感知是指通过多传感器节点的共同感知信息，而不是只采用某一个节点。通过不同位置的传感器节点共同的感知信息比较，可以更有效地提高信息的准确性和可靠性，并能通过传感器位置来找出故障所在位置，提高检测效率。

另外，物联网中的信息管理系统需要具有更强大的数据管理和分析能力，能够有效检测故障并提出故障解决方案。

1 电力系统中的数据采集系统模型

电力系统中数据采集系统主要由智能电表、集中器和信息管理系统所组成。三者实现不同的功能。其基本网络架构如图 1所示。

通过比较现有的数据采集系统产品，如国电南瑞公司的OPEN-3500调度综合数据平台系统、PBS-2000J电能量计量计费系统、许继集团的低压电力线集中抄表系统、EIS5000电能量信息综合管理系统、XJT-500/b采集终端、DTSI566三相电子式载波电能表、DTSF566/DSSF566型三相电子式复费率电能表、DTSD566/DSSD566型电子式远传多功能电表等产品，即可以分析并总结其特点。

1.1 智能电表

智能电表为与用户直接相联系的采集终端，安装在小区单元楼下。有关数据采集方面，需要实现的功能如下：

（1）基本数据采集。基本数据采集包括（单相及三相）电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、电压电流相位差、时钟等。基本功能与传统电表相同，并能提供分时段、分费率计费功能。

（2）数据传输与反馈。通过RS485、电力载波、GPRS等通信方式实现智能电表与集中器的数据传输和反馈。

（3）状态自检。智能电表需要设备自检功能，能够向集中器报告运行状态和故障信息，包括自身运行工况、表计通信异常、参数修改、人工校时和设置数据值、电能量数据异常等。

1.2 集中器

集中器与智能电表和信息管理系统进行双向通信，可实现数据汇集、数据暂存、数据传输等功能。其主要功能有：

（1）数据传输和反馈。通过RS485通信规约或GPRS等方式与智能电表进行通信和反馈。通过GPRS、以太网等通信方式与信息管理系统进行通信和反馈。通过ARQ等方式进行通信状态反馈。

（2）数据统计。对集中器的抄表数据进行存储和统计，以便在完成各智能电表的数据汇集之后，能够将数据转发给信息管理系统。需要小型的数据库系统。

（3）状态自检。集中器需要设备自检功能，能够向信息管理系统报告运行状态和故障信息，包括自身运行工况、表计通信异常、参数修改、人工校时和设置数据值、电能量数据异常等。

1.3 信息管理系统

信息管理系统主要对采集的海量数据进行保存、统计、分析和反馈。

其中，数据传输和反馈主要通过GPRS、以太网等通信方式与集中器进行通信和反馈，并通过ARQ、FEC等方式进行通信状态反馈。数据统计就是对各集中器传输的数据进行保存，生成有关大型数据库，提供实时数据、计算数据、历史数据、基本电量、统计电量、核算电费等信息，并可提供分时间、分类型、分用户等多方位、多视图的数据展现方式。数据分析就是使用数据挖掘软件，对历史电量数据进行分析，预测未来电量走势，为发电配电提供数据参考。通过分析用户用电情况，统计、排查用电异常用户。而数据反馈即是反馈抄表起止时间、抄表用户、参数设置等信息给集中器，并提供公共数据接口，供电费核算、用电管理信息系统数据交换。

2 数据采集系统的网络传输

数据采集系统由于智能电表和集中器的特殊性，其网络架构不同于一般的网络，整体网络具有下列组成部分：智能电表、集中器、小区电力中心、城区（县镇）电力中心、市电力中心、区域国家电网。其关系类似于树状图，图2所示就是一个电力系统中的数据采集系统的网络构成图。

下面介绍对不同网络，根据其定位、数量、传输数据量、安全性要求等方面进行具体设计的方法。本文给出的应用于电力系统数据采集的通信方式主要有电力载波、GPRS、RS485通信规约及其他射频通信方式等。

2.1 电力载波

电力载波通信方式是利用电力线进行传输，优点是无需另外架构网络设施，投资较少。其缺点是本身复杂性很高，我国电力线信号质量差、噪声严重，可靠性还存在一定问题[14]。在安全性方面，由于电力载波属于专网传输，所以对于普通用户的安全保障较高；但是对于专业的入侵者，由于缺乏有效的接入控制和加密解密标准，攻击者可使用多种攻击手段，其对数据传输的安全保障机制不够完善。因此，对于具有一定保密要求和可靠性要求的电力数据而言，电力载波是经济的方式，但并不适用。

2.2 RS485通信规约

RS485通信规约是在RS232接口的基础上发展起来的通信接口技术，主要应用于智能电力设备的数据传输方面。其技术发展比较成熟，已经具有一定的商业化规模。

RS485最大的通信距离约为1 219 m，最大传输速率为10Mb/s，如果传输更长的距离，需要加485中继器。RS485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

RS485通信在低速短距离条件下可以采用普通的双绞线，在高速短距离条件下则必须使用阻抗匹配的专用RS485电缆。在具体实现时，智能电表和集中器的网络传输可选用此通信方式。但由于需要架设有线网络，需要一定的资金投入，而且考虑远程抄表的便携性问题，采用此方式会大打折扣。所以，RS485对于数据采集系统并不是最好的方式，可作为备选方案加以考虑，或是作为在主要通信方式故障时所采用的备用的通信方式。

2.3 射频通信方式

借助于各种射频通信模块，智能电表和集中器及集中器和小区电力中心的信息管理系统可选用射频通信方式来传输数据。例如参考文献[16]采用了TI（德州仪器）的CC1020无线射频收发芯片，选用433 MHz发射频段，可实现智能电表和集中器之间、集中器和小区电力中心之间的数据通信。在安全性方面，该方案采用了DES算法来保证加密数据的安全，基本能满足电力数据安全性要求。

采用射频通信方式来建立低层的数据传输网络，成本较低，是较好的方案。但是，由于应用于电力系统的射频通信并无统一标准或规定，导致了采用不同方案的不同设备之间无法进行通信。其在兼容性和可扩展性方面具有一定的问题。

2.4 GPRS

GPRS作为GSM的移动数据业务，具有最高114 Kb/s的速率，能够满足低层的数据传输要求。其商业化规模已经非常成熟，现有的网络覆盖能够满足低层的数据传输要求。

由于采用GPRS无需另外架设网络，只需要租用移动运营商现有的GPRS网络即可，而目前的GPRS通信流量费用比较低廉，对于数据量并不大的低层数据传输而言，是较好的网络方式。

但是，由于GPRS属于公用网络，其接入控制和数据安全性保障都达不到电力系统的要求，所以在具体应用GPRS时，需要借助于另一种网络技术：虚拟专用网VPN。基于GPRS的VPN传输方式将在下一节具体介绍和分析。

2.5 其他方式

其他方式主要包括蓝牙、3G、有线宽带、光纤等。其中，蓝牙在手持设备中比较普遍，其优点是应用较多，缺点是容易受干扰，距离和地形的影响较大，安全性不高，扩展性不强，可作为备选方案；3G目前还未完全普及，是无线通信的趋势，优点是速率较快，有一定的商业化规模，缺点是成本价格较高；有线宽带的普及率很高，对于各电力中心之间需要传输的大量数据而言，有线宽带才能够满足电力系统的速率和带宽要求，是各电力中心之间数据传输较好的方式，而对于安全性要求，也可通过VPN的方式加以保障；光纤的速率和带宽完全能满足要求，由于是专用网络，所以安全性也很高，但缺点是成本也很高，只适用于国家电网的主干网络使用。表1所列是电力系统数据传输方式的一些特点。

3 电力系统数据采集网络设计

根据分析，本文电力系统数据采集网络设计方案如下：

智能电表到集中器设计为射频通信方式或基于GPRS的VPN方式；RS485为备选方案。

集中器是小区电力中心：基于GPRS的VPN方式；未来可选用基于3G标准的VPN方式。小区到城区（县镇）选择基于有线宽带的VPN方式。城区到市也选择基于有线宽带的VPN方式。市到区域国家电网：可选择基于有线宽带的VPN方式或光纤专网。其总体网络如图3所示。

4 数据采集网络的实现

在本文的网络设计中，主要使用的方式为基于GPRS和基于有线宽带的VPN方式。为满足实际应用需要，现对这种网络方式进行符合现实状况的设计与实现。

4.1 VPN的实现

VPN作为网络安全性的重要保障，需要专门为电力部门分别设计基于GPRS和有线宽带的VPN客户端，其应用平台可根据不同通信平台、不同电力局的需求来进行选择，例如，集中器可选择专用PDA或某一手机智能系统作为平台。

4.2 GPRS的实现

GPRS网络的实现可直接租用移动运营商网络。例如，中国移动公司浙江分公司的GPRS收费标准为0.01元/KB，可根据不同数据量大小来选择不同的套餐。比如，5元套餐包含国内流量30 MB；50元套餐包含国内流量500 MB；200元套餐包含国内流量5 GB。

4.3 有线宽带的实现

有线宽带网络也可直接租用网络服务商的网络。例如，中国电信安装费用为100元，1M宽带一年为980元，4M宽带一年为1 580元，且租用两年均有不同程度的优惠。不同电力中心可根据数据量大小来选择不同的宽带，对于数据量很大的电力局，可租用多个4M宽带来解决带宽问题。

5 结 语

除了本文的方法外，实际上还存在许多的设计方式，但是，由于它们的部分特征不能满足要求，或是技术还不够成熟、商业化应用不多等原因，因此本文未对其进行讨论。

参 考 文 献

[1]朱丰磊.VPN虚拟专网技术与应用[J].中国电子商务，2009（11）：88-89.

[2]刘晓胜.远程多表抄收与安全防范系统的现状分析[J]. 低压电器，2002（1）：：28-30.

[3]百度百科.RS485[EB/OL].[ 2013-09-05].http：///view/196467.htm.

[4]胡慧锋.无线电力数据采集系统的研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[5]孙晨.对GPRS在电力系统应用的分析[J]. 电力系统通信，2003（11）：38-40.