劉麗娜，李方碩，王 韜，屈 鳴，易 黎，熊思宇

(1.國網(wǎng)四川省電力公司計量中心， 成都 610045；2.國網(wǎng)四川省電力公司綿陽供電公司, 四川 綿陽 621053；3.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 成都 611756)

0 引言

傳統(tǒng)電力信息采集在數(shù)據(jù)采集和控制方面，對電表的采集實時性要求不高，大部分屬于非實時性數(shù)據(jù)采集?；贖PLC的用電信息采集系統(tǒng)可實現(xiàn)高頻數(shù)據(jù)采集[1]、停電主動上報[2]、時鐘精準(zhǔn)管理[3]、檔案自動同步[4]、通信性能監(jiān)測和網(wǎng)通信性能監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[5]等應(yīng)用功能，能夠滿足用電信息采集的最基本需求[6]。但隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，無源設(shè)備、智能感知等設(shè)備接入種類和數(shù)量的提升，以及有序充電[7]、分布式儲能[8]、現(xiàn)貨市場交易[9]、線路阻抗測量[10]、光伏發(fā)電[11]、綜合能源計量[12]等業(yè)務(wù)場景的擴(kuò)展，使電力行業(yè)更加注重數(shù)據(jù)實時處理、監(jiān)控及分析。這些新業(yè)務(wù)對于通信的實時性提出了更高的要求。

徐文濤[13]提出一種基于OFDM(正交頻分復(fù)用技術(shù))+DSSS(直接序列擴(kuò)頻)通信協(xié)議的用電信息采集系統(tǒng)，為當(dāng)前HPLC通信技術(shù)在用電采集系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了借鑒。張浩等[14]提出基于OFDM的低壓電力線載波抄表系統(tǒng)，一定程度上克服了低壓電力線載波通信中惡劣的信道環(huán)境，改善了抄表系統(tǒng)的通信能力；李楠等[15]提出基于電力線載波和GPRS(通用分組無線服務(wù)技術(shù))的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，提高了抄表系統(tǒng)工作效率。而目前HPLC技術(shù)最快都只能實現(xiàn)15 min上傳1次電力凍結(jié)數(shù)據(jù)，且采集的數(shù)據(jù)曲線攜帶的信息較少，不能較好地支持泛在電力物聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務(wù)的開展。為此，在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，提出了一種分鐘級電表數(shù)據(jù)采集方案，該方案通過在STA的應(yīng)用層增設(shè)采集任務(wù)模塊以實現(xiàn)分鐘級數(shù)據(jù)的凍結(jié)與上傳，同時將CCO與集中器之間采用的異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver transmitter，UART)串口通信更替為以太網(wǎng)通信，并在CCO應(yīng)用層增設(shè)相應(yīng)的收發(fā)模塊，由此克服數(shù)據(jù)傳輸速度瓶頸，最后引入電表采用的規(guī)約DL/T698.45替換原有下行通訊采用的Q/GDW1376.2協(xié)議，實現(xiàn)由STA到終端都采用同一種協(xié)議進(jìn)行通信，提高數(shù)據(jù)幀的有效數(shù)據(jù)占比。分鐘級數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)對客戶側(cè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的開展有深刻意義。

1 現(xiàn)有采集情況分析

目前，集中器抄表的下行協(xié)議通常采用 Q/GDW1376.2協(xié)議。傳統(tǒng)方案抄表總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

每次抄表時，集中器根據(jù)待抄讀的電表規(guī)約(07/645、97/645、698.45等)和待抄讀的數(shù)據(jù)，組好抄讀電表的數(shù)據(jù)幀，再將組好的幀放置于Q/GDW1376.2協(xié)議結(jié)構(gòu)的用戶數(shù)據(jù)區(qū)中，然后將組好的Q/GDW1376.2的幀通過UART串口通訊下發(fā)給CCO。CCO通過組好的網(wǎng)絡(luò)將抄表幀發(fā)給各個STA。STA提取HPLC通信協(xié)議抄表幀并通過UART串口通訊下發(fā)給電表。不同規(guī)約的電表與STA間的通訊采用不同的協(xié)議(645規(guī)約的電表采用DL/T645協(xié)議，698.45規(guī)約的電表采用DL/T698.45協(xié)議)，待電表打包凍結(jié)數(shù)據(jù)并通過對應(yīng)協(xié)議回幀后，數(shù)據(jù)流將由STA發(fā)送至集中器，集中器將Q/GDW1376.2協(xié)議的幀頭與幀尾去掉，只留下電表的回幀進(jìn)行解析。

圖1 傳統(tǒng)方案抄表總體結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)現(xiàn)場的情況分析，目前的數(shù)據(jù)采集主要存在以下問題：

1) 傳輸過程中每次抄表均由集中器發(fā)起，完整的抄表過程都需要集中器發(fā)出和接收2個過程，集中器與STA的通信次數(shù)較頻繁，每n次抄表需要集中器與STA通信2 n次。

2) 傳統(tǒng)方案中，STA采集的電表數(shù)據(jù)為698.45協(xié)議，由于CCO與集中器采用1376.2協(xié)議通信，需要將STA上傳的數(shù)據(jù)幀封裝至1376.2協(xié)議的應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元，而分鐘級采集方案中，CCO與集中器直接采用698.45進(jìn)行通訊，不存在不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，有效數(shù)據(jù)占比因此提高。

3) 采用DL/T645協(xié)議的電表雖然可以獲取實時數(shù)據(jù)，但只能產(chǎn)生15 min以上的凍結(jié)數(shù)據(jù)，僅靠電表將凍結(jié)數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)幀無法實現(xiàn)分鐘級實時電力數(shù)據(jù)的采集。

4) 集中器與CCO之間采用UART串口進(jìn)行通信，交互通信速率較低，數(shù)據(jù)傳輸速度太慢。

2 抄表流程改進(jìn)

2.1 流程框架改進(jìn)

如圖2所示，在分鐘級數(shù)據(jù)采集方案中，用以太網(wǎng)通信替換集中器和CCO之間采用的UART串口通信以改善數(shù)據(jù)傳輸慢的缺點(diǎn)。

圖2 新方案抄表總體結(jié)構(gòu)框圖

新方案中采集任務(wù)無需每次都由終端發(fā)起，STA將自行完成實時數(shù)據(jù)的采集并產(chǎn)生分鐘級凍結(jié)數(shù)據(jù)。這使得集中器上電時只需發(fā)送1次抄表命令，而其他時刻抄表只需等待從STA響應(yīng)的分鐘級凍結(jié)數(shù)據(jù)。所以，當(dāng)有n次抄表任務(wù)時，STA與集中器的通訊次數(shù)為n+1。

改進(jìn)后的抄表流程為：集中器將檔案下發(fā)給CCO，并給CCO設(shè)置采集任務(wù)和方案。待STA組網(wǎng)完成后，CCO與STA通信，設(shè)置STA的采集任務(wù)和采集方案。當(dāng)STA采集任務(wù)啟動時，直接通過串口采集表計數(shù)據(jù)，并將不同表計規(guī)約數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DL/T698.45的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行存儲。然后，STA再根據(jù)上報策略進(jìn)行主動上報或響應(yīng)CCO主動請求數(shù)據(jù)，上報和響應(yīng)請求時均使用DL/T698.45的格式。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)CCO時，CCO驗證幀格式，格式正確時進(jìn)行匯集處理，處理完成后，將數(shù)據(jù)打包上報至集中器。

2.2 下行規(guī)約改進(jìn)

2.2.1DL/T698.45可行性分析

DL/T698.45協(xié)議是由中國電力企業(yè)聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)化中心提出并起草的一種具有面向?qū)ο蟮膽?yīng)用層數(shù)據(jù)交換協(xié)議[16]，主要應(yīng)用于電力采集系統(tǒng)的主站或終端與電表之間的通信過程。DL/T698.45協(xié)議結(jié)構(gòu)主要包括有3個部分，幀頭、幀尾和用戶數(shù)據(jù)，其具體的協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

DL/T698.45協(xié)議與Q/GDW1376.2協(xié)議都可實現(xiàn)抄表、透傳、文件傳輸和模塊控制。新抄表流程通信協(xié)議統(tǒng)一，不需要DL/T698.45協(xié)議具有模塊信息查詢功能，所以DL/T698.4協(xié)議在新抄表流程下可完全替代Q/GDW1376.2協(xié)議，并且大部分的集中器無須硬件替換，僅靠原有平臺應(yīng)用層升級就可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)采用DL/T698.4協(xié)議進(jìn)行通信[17]，協(xié)議更替流程較為方便。

2.2.2DL/T698.45的優(yōu)勢

1) 有效數(shù)據(jù)占比較高：系統(tǒng)發(fā)送報文時使用Q/GDW1376.2的傳輸方式需要在完整的抄表幀外再添加一層376.2協(xié)議，這樣有效數(shù)據(jù)占比少，幀長度增加。另外，在HPLC并發(fā)抄表中，若表計為07/645表計則需要多條07/645抄表幀。而1幀698.45可代替1幀1 376.2和多幀07/645，數(shù)據(jù)有效率差距十分明顯。

2) 通信協(xié)議具有統(tǒng)一性和規(guī)范性：傳統(tǒng)抄表流程中STA與不同規(guī)約的電表通信需通過不同協(xié)議分別進(jìn)行，之后STA將不同的數(shù)據(jù)幀格式上傳CCO，CCO再將數(shù)據(jù)按Q/GDW1376.2協(xié)議封裝并傳輸至集中器，集中器需去掉數(shù)據(jù)的幀頭和幀尾再將數(shù)據(jù)按DL/T698.45協(xié)議封裝后上傳主站。而按照文章方案進(jìn)行改進(jìn)后，可在STA處將協(xié)議統(tǒng)一為DL/T698.45，中途不需要協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

3 CCO方案設(shè)計

在原有CCO應(yīng)用層框架上進(jìn)行調(diào)整，增加以太網(wǎng)收發(fā)子層和OOP收發(fā)子層，改進(jìn)后的CCO模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 CCO模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

新增模塊與驅(qū)動層的功能定義如下：

1) 以太網(wǎng)收發(fā)子層：負(fù)責(zé)SOCKET鏈接的建立和維護(hù)；單個OOP報文的接受和發(fā)送。

2) OOP報文收發(fā)子層：負(fù)責(zé)合并OOP報文并分發(fā)到應(yīng)用層；按照協(xié)商參數(shù)對發(fā)送報文進(jìn)行分幀。

3) 驅(qū)動層：采用SPI和Ethernet網(wǎng)口鏈接，SPI與以太網(wǎng)芯片連接，可通過片選信號選通。

4 STA方案設(shè)計

4.1 總體方案設(shè)計

STA總體設(shè)計方案如圖4所示。根據(jù)需求在STA的應(yīng)用層增加采集任務(wù)模塊用于實現(xiàn)分鐘級數(shù)據(jù)采集。

圖4 STA總體設(shè)計方案框圖

4.2 采集任務(wù)模塊

采集任務(wù)中包含4個子任務(wù)，分別是時鐘同步、配置、抄讀和凍結(jié)任務(wù)，4個子任務(wù)介紹如下：

1) 時鐘同步任務(wù)：完成系統(tǒng)的校時，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的時鐘。STA進(jìn)行上電初始化時，根據(jù)本地時鐘和偏差得到網(wǎng)絡(luò)時鐘，如果沒進(jìn)行過校時操作，則網(wǎng)絡(luò)時鐘置為無效狀態(tài)。收到校時報文時，校對網(wǎng)絡(luò)時鐘，并存儲本地與網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前時鐘偏差。

2) 配置任務(wù)：主要是用來處理載波配置報文，并完成采集功能相關(guān)任務(wù)和方案配置。其基本流程是首先解析對象標(biāo)識(object identification，OI)，并判斷其是否為任務(wù)配置或方案配置，若是則解析任務(wù)配置或方案配置參數(shù)，然后配置任務(wù)并等待響應(yīng)數(shù)據(jù)配置成功；反之，則響應(yīng)數(shù)據(jù)配置失敗。

3) 抄讀任務(wù)：主要是用來處理載波抄讀報文，完成采集數(shù)據(jù)抄讀，其收到采集抄表報文，解析抄讀數(shù)據(jù)項，獲取抄讀 數(shù)據(jù)并響應(yīng)報文。

4) 凍結(jié)任務(wù)：支持采集任務(wù)和采集方案的增加、刪除和清除。此外，可根據(jù)當(dāng)前采集任務(wù)的配置參數(shù)進(jìn)行周期數(shù)據(jù)凍結(jié)，支持645和698.45兩種規(guī)約配置，其基本流程是，上電后完成采集任務(wù)加載，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時鐘周期執(zhí)行645/698.45電表數(shù)據(jù)采集任務(wù)，完成凍結(jié)數(shù)據(jù)存儲。

5 應(yīng)用實例分析

5.1 方案流程

為驗證所提抄表方案的正確性，在實驗室與現(xiàn)場臺區(qū)分別測試方案效果。具體流程為：首先，設(shè)置CCO通訊地址，并使其與集中器相同，下發(fā)采集檔案配置表和任務(wù)配置表，此時任務(wù)狀態(tài)為停用；然后，讀取STA采集監(jiān)控參數(shù)下發(fā)狀態(tài)，滿足特定條件后認(rèn)為下發(fā)采集監(jiān)控參數(shù)完成并更改任務(wù)狀態(tài)為正常；最后，CCO根據(jù)配置的采集任務(wù)在每個周期內(nèi)上報抄讀數(shù)據(jù)回幀。

該方案已完成與積成電子集中器配合調(diào)試，目前正常運(yùn)行無異常，可采集集中器內(nèi)檔案電表分鐘數(shù)據(jù)，并將STA內(nèi)存儲的采集數(shù)據(jù)上報至集中器。

5.2 實驗室臺區(qū)實驗

實驗室臺區(qū)測試環(huán)境如圖5所示，共包括300只電表，其中200只645-2007規(guī)約電表，100只698.45規(guī)約電表。需要抄讀的6項數(shù)據(jù)為時間、電壓、電流、功率、功率因數(shù)、正向有功。

圖5 實驗室臺區(qū)測試環(huán)境場景圖

1) 1 min采集方案：STA在每min內(nèi)提取上1 min的凍結(jié)數(shù)據(jù)。CCO采集300只電表6項數(shù)據(jù)的耗時記錄如下：

上述數(shù)據(jù)中，read count表示讀取電表數(shù)，timeout count表示抄表超時次數(shù)，read last time表示最后讀取時間，即完成時間。測試打印log顯示十組數(shù)據(jù)中出現(xiàn)1組中有1個數(shù)據(jù)抄讀失敗，實驗室環(huán)境1 min采集方案僅用33 s左右將300只電表6項數(shù)據(jù)采集完成。

2) 5 min采集方案：STA從0 min開始每隔5 min提取前5 min的凍結(jié)數(shù)據(jù)。CCO采集300只電表6項數(shù)據(jù)的耗時記錄如下：

測試打印log顯示，10組數(shù)據(jù)中平均每組有1個數(shù)據(jù)抄讀失敗，實驗室環(huán)境按5 min采集方案采集300只電表6項數(shù)據(jù)的時間為52 s。

3) 傳統(tǒng)采集方案(15 min)：集中器添加采集任務(wù)，采集任務(wù)周期設(shè)置為15 min，采集6個抄讀數(shù)據(jù)項，并發(fā)數(shù)為5。集中器采集300只表6個數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)的耗時統(tǒng)計如表2所示。通過測試主站查詢傳統(tǒng)抄表方案的抄讀時間，所測300只電表6項數(shù)據(jù)時間為330 s，且沒有出現(xiàn)抄表失敗案例。

表2 傳統(tǒng)采集方案數(shù)據(jù)結(jié)果

5.3 現(xiàn)場臺區(qū)實驗

臺區(qū)為高層新建小區(qū)(30層)，臺區(qū)部分結(jié)構(gòu)如圖6所示，臺區(qū)電表數(shù)量298只，電表規(guī)約采用645-2007規(guī)約?，F(xiàn)場臺區(qū)部分用戶示意圖見圖6。其中需要抄讀的數(shù)據(jù)項為：時間、電壓、電流、功率、功率因數(shù)、正向有功。

圖6 現(xiàn)場臺區(qū)部分用戶示意圖

1) 1 min采集方案：STA在每min提取上1 min的凍結(jié)數(shù)據(jù)。該方案的數(shù)據(jù)抄讀時間為55 s，多次測試中CCO在55 s時間可完成260只左右電表6項數(shù)據(jù)的采集。而1 min前后不進(jìn)行數(shù)據(jù)提取操作，目的是防止CCO與STA時間不同步以及給STA凍結(jié)電表數(shù)據(jù)預(yù)留時間，因此1 min采集方案在現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境不具備普適性。

2) 5 min采集方案：STA從0 min開始每隔5 min提取前5 min的凍結(jié)數(shù)據(jù)。CCO采集298只電表6項數(shù)據(jù)的耗時記錄如下：

現(xiàn)場臺區(qū)環(huán)境5 min采集方案298只電表6項數(shù)據(jù)的平均采集時間為64 s左右。

5.4 結(jié)論

實驗室臺區(qū)以及現(xiàn)場臺區(qū)抄表測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實驗室和現(xiàn)場臺區(qū)抄表測試數(shù)據(jù)

測試數(shù)據(jù)分析可以看出：

1) 改進(jìn)后的分鐘采集方案較傳統(tǒng)采集方案具有明顯速度優(yōu)勢，1 min采集方案平均抄讀時間提升為傳統(tǒng)采集方案抄表時間的9倍，可以實現(xiàn)電表分鐘級的數(shù)據(jù)提取，5 min采集方案現(xiàn)場實驗的平均抄讀時間提升為傳統(tǒng)采集方案抄表時間的5倍左右，且沒有出現(xiàn)抄表失敗案例。

2) 1 min采集方案在現(xiàn)場臺區(qū)環(huán)境下不具備普適性，但5 min采集方案可以滿足現(xiàn)場需求，從測試數(shù)據(jù)看剩余空閑抄表時間還比較充足。

3) 5 min采集方案較1 min方案更具優(yōu)勢，優(yōu)勢如下：① 現(xiàn)場環(huán)境普適性高，可適應(yīng)絕大多數(shù)現(xiàn)場采集需求；② 保證采集完整數(shù)據(jù)情況下，依然可滿足HPLC其他深化應(yīng)用功能需求；③ 集中器與主站數(shù)據(jù)通信壓力較1 min采集方案要小，主站系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)處理壓力相對較小。

新方案與傳統(tǒng)方案的測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表4所示。

表4 新方案與傳統(tǒng)方案測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果

6 結(jié)論

提出了分鐘級電表數(shù)據(jù)采集方案,在站點(diǎn)STA應(yīng)用層增設(shè)采集任務(wù)模塊用以實現(xiàn)分鐘級數(shù)據(jù)的凍結(jié)與上傳，將CCO與集中器之間采用的UART串口通信更替為以太網(wǎng)通信，并在CCO 應(yīng)用層增設(shè)相應(yīng)的收發(fā)模塊，由此克服數(shù)據(jù)傳輸速度瓶頸。引入DL/T698.45替換原有Q/GDW1376.2協(xié)議，使STA到終端采用同一種協(xié)議進(jìn)行通信，提高了數(shù)據(jù)幀的有效數(shù)據(jù)占比。經(jīng)實驗室模擬和現(xiàn)場臺區(qū)驗證，所提的采集效率優(yōu)化方案可實現(xiàn)現(xiàn)場臺區(qū)5 min凍結(jié)數(shù)據(jù)采集，且上傳時間維持在70 s內(nèi)，由此可在相同采集時間段內(nèi)獲得更多電力數(shù)據(jù)，對泛在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起到推動作用。