智能抄表通信解决方案探讨

随着能源互联网的兴起,智能抄表作为能源互联网的感知层,是能源互联网的信息源,担负着能源计量以及计量数据采集的任务。表计接入到能源互联网离不开通信,典型的表计通常不具有很强的处理能力,并且处于较为恶劣的工作环境,周边没有方便的网络接入设施,因此解决表计的通信问题一直是行业痛点,为业界持续关注,并发展出了多种通信解决方案。本文对智能抄表的通信解决方案进行了综述,介绍不同解决方案的优缺点和适用场景,为构建智能抄表组网方案提供参考。

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。

说明:LoRa应用学习站通过公开互联网收集、整理并转载有关LoRa及物联网应用解决方案,以供广大LoRa应用开发者和爱好者共同学习交流和参考运用到实际生产生活中。本站所有转载的文章、图片、音频、视频等资料的版权归版权所有人所有并衷心感谢您的付出,由于本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者,如果本网所选内容的文章原创作者认为其作品不宜放在本站,请及时通过以下留言功能通知我们采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。如果您希望保留本文在LoRa学习站,但希望文章末尾提供对作者的致谢或者产品、网站交换链接的,也请将需求写入以下留言栏中,谢谢您的支持。让我们共同努力,打造万物互联的未来美好生活!

您的留言或需求: