智能抄表通信解决方案探讨

PowerEM系统组网架构 PowerEM智能抄表解决方案由后台主站（包括数据处理、业务应用和外部接口等）、网络层和终端设备层（包括计量表计和数据采集设备）组成。PowerEM智能抄表解决方案支持多种通信组网方案，包括RS485、电力线载波（PLC）、RF Mesh以及LoRa、NB-IoT等微功率无线方案，也可以通过GPRS、CDMA、3G等无线公网方式接入AMI（Advanced Metering Infrastructure）主站系统。PowerEM网络架构如图1所示。 RS485组网 表计设备具有RS-485通信接口，表计与采集管理终端通过RS-485进行数据交换，采集管理终端通过有线或无线的通信方式（如GPRS/CDMA/3G、以太网、PSTN等）与主站连接，将现场表计数据上传给后台主站。 1个采集管理终端通常配备2个RS485通道，能够接入64只RS-485智能表计，最远采集距离为1200m。 ●   该方案优点：抄表速度快，实时性好，通信稳定可靠，抗干扰性强，功能扩展容易，远程停送电可靠，通信范围不受变压器限制。 ●   该方案缺点：需要在表计设备和采集管理终端之间铺设通信线缆，现场总线布线施工工作量较大，需专业队伍安装和调试。且总线暴露在外容易被破坏，通信电缆的短路、开路故障查找困难，易遭受雷击，后期维护工作量大。 PLC组网 电能表通过电力线载波（PLC）与采集管理终端通信。气表和水表以RS-485总线/MBUS总线方式和采集器连接，采集器通过PLC连接集中器，数据经过集中器汇总后，由集中器通过有线或无线通信方式与主站连接。 常用的PLC方案包括S-FSK、B-FSK、G3、PRIME。G3和PRIME采用OFDM调制技术，是重要的电力线载波国际标准。BPLC（宽带PLC）是近年来开始逐步应用于智能抄表领域的载波技术，能够提供更高的通信速率，理论上可以达到2Mbps。由于电力线干扰信号频段通常在2MHz以下，BPLC的工作频段位于较高频段（2~12MHz），因此更不容易受到电网干扰的影响。基于PLC技术的集中器能够接入1024只表计，窄带PLC抄表距离工程上一般不超过400m，而宽带PLC工程上可达到1000m。 ●   该方案优点：网络结构简单，安装方便，无需敷设通信线路；上行通道投资低，一般情况下1个台区1台集中器即可，施工相对简单，可以利用已经更换的表计，资源得到合理利用。电表直接采用电力线通信，无需铺设通信电缆；气表、水表采用RS-485通信，通信方式稳定可靠，维护工作量小，投资较少。 ●   该方案缺点：通信实时性较差；在一些电磁干扰较强的区域，容易出现通信不稳定情况；出现远程无法采集抄表故障时，非常难以定位；采集范围限于同一变压器供电范围内，受现场环境、线路远近、电力负荷等因素影响较大，可能存在载波孤岛现象。 RF/Zigbee Mesh无线组网 在RF Mesh方案中，无论是气表、水表还是电表都嵌入安装RF无线通信模块（包括射频、Zigbee等），采集管理终端具备RF无线模块，与表计通信，并通过有线或无线通信方式与主站连接。 ●   该方案优点：安装维护简便、无需布线、工程量小，具备路由机制，信号覆盖范围较大；自组网、自诊断、自恢复，不受用电负荷影响，可跨变压器进行抄表；具有自动跳频的功能，能选择干净的频点进行通信，从而提高抗干扰能力。 ●   该方案缺点：考虑到RF无线自组网方式，存在有一定的调试和维护工作量，因表计内置RF无线模块，增加了表计设备投资，价格相对昂贵。另外RF无线方案当有障碍物阻挡时，影响通信传输距离。和大多数无线设备一样，会受物理环境影响，穿墙能力有限，对于集中器安装的位置有一定要求。 GPRS/CDMA无线组网 表计设备安装GPRS/CDMA/3G/LTE等通信模块，直接通过无线公网与主站连接，将现场表计数据上传给后台主站，系统实时监测表计工作状况。 ●   该方案优点：方案实现简便，无需组网，通信方式灵活，维护工作量较小。 ●   该方案缺点：首先GPRS/CDMA无线模块的成本比其他类型的高；其次工程运行中每个设备都需要配置一个SIM卡，运维成本中将增加无线通信费用。如果大规模设备统一采用GPRS/CDMA等无线通信方式，则对主站的连接压力是其他方式的几十倍甚至几百倍，则要采用高配甚至是多级高配主站，导致建设成本大幅上升。 LoRa/LoRaWAN/NB-IoT无线组网 LoRa通信技术给智能抄表架构中的“最后一公里”数据传输提供了一个全新的解决方案。相比原有的数据通信方案，LoRa技术有通信距离远、传输速率灵活可调、环境适应能力强、通信模块耗电量低等优点，这使得LoRa成为智能抄表系统中的绝佳短程通信方案。中兴通讯采用LoRa通信技术在灵敏度上可以达到-136±1dBm@240bps。根据实际应用的需求，LoRa技术可以灵活调整功率等级，适配数据传输中对于距离和速率的需求，下面是几个典型应用举例和速率：24000bps@200m、9600bps@500m、4800bps@1000m、800bps@2000m。前向纠错和数字扩频技术也应用在LoRa的数字信号处理中，这些技术的应用让LoRa具有更好的通信环境适应能力和更高的抗干扰能力。通信模块的耗电量相比之前的技术大幅降低，发射电流小于90mA@17dBm，接收电流小于20mA，待机电流小于10µA。 LoRa通常采用星型组网方案，比Mesh方式组网更快，而且LoRa具有较远的传输距离和较好的抗干扰能力，能够满足对无线覆盖范围的要求。LoRa并没有改变RF或Zigbee的网络架构，可以沿用电力抄表领域传统的集中器产品，而仅需要替换其中的通信模块，从而保护企业的技术投资，是一种易于在电力行业推广的组网方式，适合建设企业应用级的LoRa网络，投资少见效快。 LoRaWAN组网方式则完全脱离了智能抄表的传统组网架构，通过LoRa网关提供统一的网络覆盖，通过LoRaWAN Backbone为应用提供连接服务。LoRaWAN为应用和终端之间提供了一种端到端的连接方式，不需要应用再去部署专属的通信网关。图2为典型的LoRaWAN网关。 NB-IoT组网架构与LoRaWAN类似，但从电信运营商的角度来看，NB-IoT可复用运营商已经部署的基站，且采用专属网段，是适合面向所有物联网终端及应用进行运营的网络覆盖方案。 LoRaWAN和NB-IoT均能为智能抄表提供端到端的网络连接，从电力公司的角度看，不再需要部署集中器、采集器等区域通信接入设备，仅需要租用运营商的网络服务，大大降低了建设难度，缩短建设周期，并减少了投资。目前主要的问题在于LoRaWAN和NB-IoT的网络覆盖尚不能满足行业需求，未来在网络实现广泛覆盖的情况下，LoRAWAN和NB-IoT有望成为智能抄表领域主流的通信组网方案。 中兴通讯PowerEM智能抄表解决方案具有专业丰富的系统功能，开放先进的系统架构，稳定可靠的运行表现，以及强大的定制化能力，截至2016年三季度，方案已经广泛应用于亚非欧多个商用项目，拥有超过100万用户规模的应用经验。智能用电解决方案契合了能源网络智能化的发展趋势，未来借助能源互联网的发展和推广，全球能源行业对计量数据采集的精度、频率、实时性提出更高的要求，会掀起新一轮设备升级换代的浪潮，为智能抄表带来了新的市场和发展机遇。中兴通讯致力于为智能抄表提供优质的通信解决方案，与传统的表计厂家进行合作，强强联手，为能源互联网的发展提供助力。