无线传感网技术在智能电网用电信息采集系统中的应用

无线传感网技术在智能电网用电信息采集系统中的应用The Application o f W ireless Sensor in Electric -energyIn formation Collection o f Smart Power袁 静(重庆市计量质量检测研究院,重庆400020)摘 要:无线传感网在智能电网电能信息采集系统中的应用是为了保证智能电网建设规范有序推进,实现电力用户用电信息采集系统建设 全覆盖、全采集、全预付费 的总体目标,规范统一用电信息采集系统及主站、采集终端、通信单元的功能配置、型式结构、性能指标、通信协议、安全认证、检验方法等。

关键词:智能电网;用电信息采集;无线传感;UNIT1 概述AMI 是用来采集、测量、储存、分析、运用(用户)用电信息的完整网络系统,它由智能电表、广域通信网络、测量数据管理系统和用户户内网络四部分组成。

是传感与检测技术、通信技术、输配电技术、电力电子技术、储能技术的合成。

AMI 是建立在开放系统和共享的信息模式基础上,整合系统中的用电数据,以优化电网的运行和管理。

通过智能电表将用户之间、用户与电力公司之间形成即时连接的网络互动,从而实现数据读取的实时、快速、双向的功效,整体性地提高电网的综合效率。

而其更重要的职能是用电管理、交易服务、通信和数据处理服务,也可以连接到用户家中的智能电器,让用户更轻松而有效地节能。

AMI 还可以智能电表为互联网路由器,进行通信、运行宽带业务或传播电视信号等增值服务。

图1简明地表述了AMI 的功能。

2 电力用户用电信息采集系统电力用户用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统,实现用电信息的自动采集、计量异常和电能质量监测、用电分析和管理,具备相关信息发布、分布式能源的监控、智能用电设备的信息交互等功能。

系统物理结构如图1所示。

系统由3层物理结构组成。

第1层主站,是整个系统的管理中心。

负责整个系统的电能信息采集、用电管理以及数据管理和数据应用,包括管理全系统的数据传输、数据处理和数据应用以及系统运行和系统安全,并管理与其它系统的数据交换。

它是一个包括软件和硬件的计算机网络系统。

图1第2层数据采集层。

负责对各采集点电能信息的采集和监控,包括各种应用场所的电能信息采集终端。

电能信息采集终端,负责电能信息的采集、数据管理、数据传输以及执行或转发主站下发的控制命令。

按不同应用场所,电能信息采集终端可分为厂站电能采集终端、专变电能采集终端、公变电能采集终端和低压集中抄表终端(包括低压集中器和低压采集器)等几种类型。

第3层采集点监控设备,是电能信息采集源和监控对象,如电能表和相关测量设备、用户配电开关、无功补偿装置以及其他现场智能设备等。

这些设备通过各种接口与电能信息采集终端连接。

系统各层之间的数据传输通过通信网络完成。

系统主站和数据采集层设备间的数据传输为远程通信网络,可采用多种无线、有线数据传输网络,可以是专用或公共无线、有线通信网络以及电力线载波通信网络。

系统的数据采集层的采集终端之间以及采集终端与电能表之间的通信为本地通信网络,可采用电力线载波、微功率无线、RS485总线以及其它有线网络。

为保证系统网络安全,系统的局域网与其它信息系统互联时,必须采用横向安全隔离措施。

主站与电能信息采集终端以及直接通信的电能表通信单元间重要信息(重要参数设置、重要客户电能量、控制等)的传输应有纵5袁静:无线传感网技术在智能电网用电信息采集系统中的应用向认证和加密措施,防护重要信息的安全。

数据传输的另一重要内容是必需在系统内统一传输协议。

国际和国内的相关标准化组织都在努力进行通信协议的标准化工作。

常用的有IEC62056系列标准(我国国家标准已等同采用)、我国电力行业制定的DL/T645、DL/T698 41等。

综上所述,数据的获取、保护和利用都需要一个实时、高速、双向的通信系统来支持,可以说没有这样的系统智能电网的任何功能都无法实现。

3 无线传感网在用电信息采集系统(以下简称AMR)中的应用3 1 无线传感网技术简介无线传感网是集计算机、通信、网络、智能计算、传感器、嵌入式系统、微电子等多个领域交叉综合的新兴学科,它将大量多种类传感器节点(传感、采集、处理、收发、网络于一体)组成自治的无线网络,实现对物理世界的动态协同感知。

它能实时、动态获得物理世界的传感信息,并且将相关信息与通讯主干网融合,实现了现有的计算机网络虚拟世界向真实物理世界的延伸,改变了人类和自然界交互的方式,构建了真正意义上的完整的信息化系统。

无线传感网通信结构的一般形式如图2所示。

在传感网中,节点任意散落在被监测区域内,除了感测特定的对象,还进行简单的计算并维持互相之间的网络连接。

传感器网络具有自组织的功能,单个节点经过初始的通信和协商,形成一个传输信息的多跳网络。

每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关,传输网络是由一个单跳链接或一系列的无线网络节点组成的。

网关通过这个传输网络把感测数据从传感区域发送到提供远程连接和数据处理的基站,基站再通过INTERNE T 联系到远程数据库。

最后采集到的数据经过分析、挖掘后通过一个界面提供给终端用户。

图2 无线传感器网络的通信结构无线传感器网络在可靠性、数据安全性、实时性、抗干扰能力及对周围环境影响等方面都具有良好的特性。

因此可实现高速、非视矩的数据传输,提高信道利用率。

3 2 无线传感网在用电信息采集系统中的应用如将电能表视为电能传感器,在嵌入无线通信模块后则无线传感网就成为用电信息采集系统的本地通信网。

与其它本地通信网络相比,它具有以下技术优势:(1)它是一个自组织的网状网络,具有自动路由的功能。

因此可实现点对点无线通信不能实现的低功耗、跨障碍的数据传输。

在一定条件下,节点越多可选择的路由路径也就越多,网络的可靠性也就越高。

还能自动修复处于突发环境干扰中受的网络路径,即具有网络自愈功能。

(2)信道质量不会受电网质量的影响。

同时由于能自动组网,它可以寻找在一定射频信号强度范围内的所有无线电节点,不会受电力线拓扑结构的限制,实现跨台变组网。

(3)良好的实时性和双向通信,能将计量节点突发状态数据主动实时上报,实现重点监控、防窃电、故障报警等式功能。

(4)具有广泛的环境适应性,能普遍用于各种分散或集中安装电表的城镇、乡村电力用户。

且安装方便,无需布线。

(5)较高的通信速率(一般在9600bps 及以上),较大的单帧数据承载量(单个数据包可承载1600bit 以上有效数据)。

这既是满足系统通信实时性又是实现系统增值服务,如远程控制、实时用电稽查的技术基础。

无线传感网构建的本地通信网络根据应用模式的不同,可以有以下几种方案:方案一:集中器+带无线通信模块电能表(单相表/三相表)方案二:集中器+带无线通信模块采集器+RS485电能表(单相表/三相表)方案三:集中器+[带无线通信模块采集器+RS485电能表(单相表/三相表)]+带无线通信模块电能表(单相表/三相表)系统网络拓扑图如图3所示。

3 3 基于UNI T 技术平台的AMR(1)UNIT 技术平台UNI T(Ubiquitous Network Information Technology)是杭州家和智能控制有限公司在无线传感网基础上开发出一个面向产业化运用的技术研究平台。

这个技术平台包含的具体内容有:针对无线传感网特点的微小的、硬件资源和功耗受限的、分布式协同、实时、低速多样无线网络的、不平衡的C/S 结构等特点制定标准化规范;6计量与测试技术 2010年第37卷第8期图3 无线通信用电采集系统网络拓扑图统一的硬件抽象层;统一的适合无线传感网的操作系统;统一的低速无线通信协议栈簇,多样的协议栈集合;统一的方便移植的各种中间件,比如轻量虚拟机等。

中间件的重复利用能够极大方便开发的进行,大大提高开发的效率和降低开发成本;统一的标识;统一的编程用语,统一编程用于并不是统一编程语言;统一的关键数据;统一的开发工具环境;统一的行业应用解决方案。

(2)基于UNI T技术平台的网络产品的关键技术特性在突破了一系列关键技术后,基于UNIT平台开发出无线传感网产品具有以下几个优于其它微功率无线网络的特性:自主知识产权的通信协议栈具有组网速度快,网络规模大,网络拓扑可以自动改变,支持多跳网络,网络传输稳定等特点。

大规模并行自动路由自动并行路由的通信技术为无线传感网的大规模组网奠定了基础,大大提高了大规模组网的速度,降低了无线传感网络每个节点的工作功耗。

三维防通信碰撞通过变时间、功率和信道的三维参数建立防碰撞数学模型,其算法大大提高了通信可靠性和提高了空中无线通信速度。

轻量计算的高可靠性纠错算法无线传感网节点的嵌入式硬件适合轻量计算,这对复杂的纠错算法提出新的要求。

轻量计算的高可靠性纠错算法的实现解决了无线传感网数据纠错的问题。

网由(Netway)的使用网由是根据无线传感网的特点而提出的一个UNI T 平台特有的新概念,它不同于网关和路由,是在UNIT技术体系中解决无线传感网和通信主干网融合,以及多个异构传感网络融合的重要设备(包括软件和硬件)。

(3)UNIT无线传感网的主要技术参数(见表1)表1 UNIT无线传感网的主要技术参数序项目名称参数值备注1无线电通信1 1工作频段(470~510)MHz1 2频率误差100ppm1 3输出功率50mW1 4带宽200kHz1 5接收灵敏度-120dBm1 7杂散发射限-36dBm符合 微功率(短距离)无线电设备管理暂行规定2网络2 1调制方式GSFK2 1通信速率19 2kbps2 2数据承载量单帧1600bit2 4网络容量最大节点数无明确限制弹性容量2 5误码率10-62 6响应时间 60S3设备3 1工作电压12V/5v/3 3V视不同需要而定3 2非发射状态工作电流20mA4环境条件4 1环境温度-40~+854相对湿度 95%参考文献[1]栾文鹏. 高级量测系统 .2009南方电网技术第3卷第二期.[2]关文举. 从智能电网看A MI系统 .2009TC104年会讲.[3]王雪. 智能电网与高级计量体系AMI 2009.全国电工仪表行业智能电网论坛讲稿.[4]任殿义. 国内外智能电网走向与差别对行业和产品的影响与机遇 论坛讲稿.[5]赵丙镇. 智能电网用户服务试点情况汇报 2009会议资料.[6]中国仪器仪表行业协会电工仪器仪表分会. 中国电工仪器仪表行业发展报告(2008-2009) .[7]DL/T698.1-2009.电能信息采集与管理系统第1部分总则.[8]Q/GDW374.3-2009.电力用户用电信息采集系统技术规范.通信单元技术规范.[9]Q/GDW375.2-2009.电力用户用电信息采集系统型式规范.集中器型式规范.[10]Q/GD W375.3-2009.电力用户用电信息采集系统型式规范.采集器型式规范.作者简介:袁静,男,高级工程师。