智能电表远程抄表推介方案

《智能电表远程抄表推介方案》 2015年5月目录一、背景介绍 21.1能源的精确计量是全球性节能减排的要求 21.2政府及电力部门相关政策推动 21.3电能计量是智能电网的核心 3二、电力系统电能计量 42.1电能计量点设置 4设置原那么 4主要计量点 52.2智能电能表是核心的计量装置 5电能计量装置的分类 52.2.2计量信息的采集与传输 6三、电力客户需求及现有方案分析 73.1客户需求分析 73.2现有远程抄表解决方案分析 9组网架构 9远程抄表终端及连接方式 103.3实际应用中的缺乏 12四、智能电表远程抄表解决方案 134.1方案概述 134.2组网架构 144.3远程抄表终端 14集中器的硬件构成 14通信模组 154.3.3通信卡选配 164.4通信传输网络 17网络搭建 17码号资源及数据配置 18终端认证机制 194.5中心控制平台 194.5.1SIM卡全生命周期管理 194.5.2SIM卡实时状态监测及自动化管控 204.5.3远程故障诊断 204.5.4API集成 204.6常见通信卡故障分析 21五、产品推广模式及思考 225.1推广模式 225.2思考 22一、背景介绍1.1能源的精确计量是全球性节能减排的要求全球性的节能减排要求必须进行能量的精确计量，促进各用电主体根据能量的变化进行用电控制，改变用电习惯。在工、农业生产、商贸经营等各项工作用电中，为加强经营管理，大力节约能源，考核单位产品耗电量，制定电力消耗定额，提高经济效果，电能计量装置是必备的计量器具。2010年4月，欧盟委员会公布了涵盖电、气、水和热计量在内的智能表计安装方案，要求2020年完成80%的智能电表安装，相比欧盟委员会公布的此项方案，欧洲许多国家制定了更为紧迫的时间方案表。1.2政府及电力部门相关政策推动近几年政府及电力部门连续出台一户一表、分时电价等多项与电能表行业开展相关的政策，实施城乡电网改造、防窃电改造、西电东送等战略性工程，以及房地产的迅速开展，极大地拉动了电能表需求的上升，对电能表产业规模扩大与市场格局变化产生了关键影响。2000年初，中国电力供给紧张，国家试行并加大两部制电价和分时计费的应用范围；2002年，国家发改委正式发布推荐使用分时计费的产业政策；2003年，国家发改委出台了《关于运用价格杠杆调节电力供求合理用电有关问题的通知》。在保持电价总体水平根本稳定的前提下，大力推行峰谷分时电价，鼓励发电企业充分利用发电能力，促进用户用电移峰填谷。政策的出台，为复费率电能表的生产带来广阔的市场空间；2010年6月住房城乡建设部《住宅远传抄表系统》要求必须解决好水、电、气、热等住宅能源管理的智能化抄表问题；2011年11月，国家开展改革委制定了《关于居民生活用电试行阶梯电价的指导意见》。1.3电能计量是智能电网的核心电能是国民经济、工业、商业等人民生活的重要二次能源。电力的生产和其他产品的生产不一样，其特点是发、供、用这三个部门连成一个系统，他们之间互相如何销售，如何经济计算，就需要一个计量器具在三个部门之间进行测量计算出电能的数量，这个装置就是电能计量装置。在电力系统发、供、用电的各个环节中，装设了大量的电能计量装置，用来测量发电量、厂用电量、供电量、售电量等，为制定生产方案，搞好经济核算，计收电量提供依据。国家电网2009提出智能电网建设规划，要建设以“特高压电网为骨干网架，各级电网协调开展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网”，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，涵盖电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节。2011年—2015年是国家电网公司智能电网的全面建设阶段,各类电能计量表计的需求旺盛，居民用单相电表占75%、工业用三相智能电表占25%。二、电力系统电能计量2.1电能计量点设置电力系统包括“发、输、变、配”四大环节。涉及到的企业包括有五大发电集团、国家电网公司及南方电网公司两大供电集团。在整个电能的生命周期中，每个环节都需要电能的精准计量。设置原那么贸易结算用电能计量点此计量点涉及结算，要求表计的准确度较高。原那么上设置在购售电设施产权分界处，当产权分界处不适宜安装时，应由购售电双方或多方协商，确定电能计量装置安装位置。考核用电能计量点根据需要设置在电能经营企业或供电企业内部用于经济技术指标考核的各类电压等级的变压器侧、输电和配电线路端以及无功补偿设备处。主要计量点贸易结算发电企业发电机出口：产区归属发电企业并网线路侧：线路产权归属电网企业并网线路对侧：线路产权归属发电企业启备变线路侧：产权归属发电企业启备变线对路侧：产权归属发电企业主变高压侧：机组产权不同或电价不同电力客户高压供电系统变电站线路侧：线路产权归客户客户高压线路侧：线路产权归电网企业客户低压线路侧：线路产权归电网企业低压供电三相客户进线侧：线路产权归电网企业单相客户进线侧：线路产权归电网企业电网经营企业系统联络线某一侧指标考核发电机出口线路产权归电网企业系统联络线某一侧变电站线路侧变电站主变高、中、低、压侧变电站站用变高压侧公用变低压侧无功补偿设备处2.2智能电能表是核心的计量装置2.2.1电能计量装置的分类所有电能计量点均应安装电能计量装置，电能计量装置是用来测量和记录发电量、厂用电量、供电量、线损电量和销售电量的电能计量器具及其辅助设备组合。主要包括：各种类型电能表〔有功、无功电能表，多费率电能表〕、计量用电压、最大需量表、失压计时仪、电流互感器及其二次回路、电能计量柜〔箱〕等。电能计量装置从电力系统管理角度，按照其所计量电能量的多少和计量对象的重要程度分五类:Ⅰ类电能计量装置月平均用电量500万kWh及以上或变压器容量为10000kVA及以上的高压计费用户、200MW及以上发电机、发电企业上网电量、电网经营企业之间的电量交换点、省级电网经营企业与其供电企业的供电关口计量点的电能计量装置。Ⅱ类电能计量装置月平均用电量100万kWh及以上或变压器容量为2000kVA及以上的高压计费用户、100MW及以上发电机、供电企业之间的电量交换点的电能计量装置。Ⅲ类电能计量装置月平均用电量10万kWh及以上或变压器容量为315kVA及以上的计费用户、100MW以下发电机、发电企业厂〔站〕用电量、供电企业内部用于承包考核的计量点、考核有功电量平衡的110kVA及以上的送电线路电能计量装置。Ⅳ类电能计量装置负荷容量为315kVA以下的计费用户、发供电企业内部经济技术指标分析、考核用的电能计量装置。Ⅴ类电能计量装置单相供电的电力用户计费用电能计量装置。2.2.2计量信息的采集与传输电能计量信息的采集和传输遵循中国电力联合会制定的行业标准及电网公司制定的企业标准，后者由电网公司下属电力科学研究院研究制定，包括各种采集终端技术标准、终端与主站的通信协议等。信息传输介质以电力专网传输为主。电力专网是电力系统自建的一张私有通信网络，由电力系统专业团队〔国家电网信通公司〕负责整个网络的规划设计、建设和维护，涵盖“发、变、输、配”各个环节，传输介质包括光纤、电力电缆、无线〔电力专用频段230MHz〕等，出于平安考虑，目前以有线传输为主；在配电网的末端，局部采用运营商通信网络〔以GPRS为主〕。三、电力客户需求及现有方案分析3.1客户需求分析电力系统对运营商的通信需求主要集中在配电网侧。电力系统配电网是由架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿电容以及一些附属设施等组成的，在电力网中起重要分配电能作用的网络。按电压等级可分为高压配电网〔35—110KV〕，中压配电网〔6—10KV〕，低压配电网〔220/380V〕。电力系统配网自动化系统架构如下列图示：…...…营销管理系统CIS生产管理系统…...…营销管理系统CIS生产管理系统PMS企业资源方案ERP企业GIS应用系统平安隔离区平安隔离区上级调度自动化系统居民用电信息采集专变及公变监测上级调度自动化系统居民用电信息采集专变及公变监测配电主站通信网通信网馈线自动化区馈线自动化区配电子站配电子站通信网通信网DTU通信网通信网DTUTIUFTU开闭所DTUFTUTIUFTU开闭所DTUFTU环网柜柱上开关环网柜柱上开关重要配变柱上开重要配变柱上开关对运营商的合作需求主要集中在“远程抄表〔居民用电、专变监测〕、人工巡检、配网监测、高压输电线路监测及电力应急抢修”等领域。其中，以远程抄表规模最大，以下将以此为例进行阐述。电网公司集团总部每年根据各省的需求，分批次对智能电能表〔以下简称智能电表〕进行招标，电表生产商都会提前按照电网公司招标要求及时间，进行智能表具的硬件预组装〔数据采集、数据处理单元、通信模组、射频天线等〕。招标结果电网公司总部会下发到省公司，省公司根据此结果进行采购。而配网自动化系统中涉及的通信效劳类招标，由省电网公司自行负责、并列入其运营本钱。需求如下：抄表信息的稳定、可靠传输智能电表采集终端的安装位置多为人工抄表不容易抄到的偏僻区域，这就要求运营商的通信网络信号覆盖足够好。有远程故障定位手段智能电表采集终端数量多、分布广，电网公司维护力量有限，这就要求监控中心能远程进行故障预判，以节约人力、物力。有效的本钱管控手段智能电表每年都在级数递增，省电网公司的通信本钱也在逐年攀升。由于无法准确知道每个采集终端的实际流量使用情况，为防止因通信卡流量缺乏导致断网，电网公司往往要求运营商更低的资费、提供更多的流量。3.2现有远程抄表解决方案分析3.2.1组网架构远程抄表终端与中心管理平台之间采用VPDN组网方式，中心管理平台通过专线接入联通GGSN，与前端的抄表终端组成VPDN专网，与互联网隔离，组网方案如下列图所示：联通GGSN：即网关支持节点,抄表终端通过WCDMA/GPRS无线网络接入，GGSN判断是VPN用户，向指定的LNS发起L2TP连接。联通AAA效劳器：负责对用户的域名进行鉴权认证，AAA效劳器对登录用户的域名和该用户的用户名密码核对验证。验证通过后，方可接入联通网络。专线：通过此专线将联通的GGSN和企业的LNS设备连接起来。用户侧路由器〔LNS〕：需支持L2TP协议，RADIUS协议,要与GGSN建立L2TP隧道。企业AAA效劳器：用于认证、授权、计费，实现对拨号用户名、密码和IP地址的管理，此效劳器为可选配置，用于提高网络的平安性。3.2.2远程抄表终端及连接方式远程抄表终端是对用户电能使用信息进行采集的设备，具体包括：集中器+采集器+远传表具。无线通信模块通常集成在集中器里，集中器以RS485总线、电力线载波等方式经采集器采集远传表具的数据信息，通过无线通信网络，完成与电网管理平台的数据交互。一般节点数量较少的情况下，远传表具可以不经过采集器，直接与集中器相连。如专用变压器采集信息后直接上传。主要硬件及功能如下：主要设备主要功能通信功能集中器收集各采集器或远传表具的数据，并进行处理、储存，同时能通过无线网络和中心管理平台进行数据交换的设备。—上行通信：内置无线通信模块，与中心管理平台通信—下行通信：与表具通信支持RS485/PLC/RF/M-BUS采集器处于集中器和远传表具之间，用于采集多个表具的用量信息,保存表具数据，响应集中器的命令上传数据或向表具下传执行命令。—上行通信：与集中器通信支持RS485/PLC/RF/M-BUS—下行抄表：与表具通信支持RS485/PLC/RF/M-BUS远传表具按照国家及行业相关标准完成计量工作。—上行通信支持RS485/PLC/M-BUS/RF集中器、采集器、远传表具之间的连接方式如下列图所示。不同的网络接口连接方式比照见下表：连接方式介质优点缺点适用范围数据总线RS485双芯/四芯屏蔽通信线，通讯距离可达1000米通讯可靠性很高、实时性很好；采集范围不受变压器限制。需专门布线，安装和维护工作量大，易遭人为破坏；节点数受限、不适于大规模的自动抄表。表计集中安装、易布线、管理好的新建小区，电表远程抄表较常用；电力线载波：PLC低压电力线，通讯距离可达3000米。通讯可靠性高；无需布线，易安装、易维护；本钱低。易受干扰，稳定性与可靠性较低，通讯实时性较差；采集范围限于同一变压器供电范围内。表计集中、不易布线的已有小区；电表远程抄表最常用。微功率无线：RF315M/433M/470M/861M/915M/2.4GHz微功率无线，点对点可视通讯距离可达800米，穿墙能力7堵/150米。优点：通讯可靠性高、实时性好；采集范围不受变压器限制；无需布线，易安装、易维护缺点：新技术应用较少、本钱较高。表计分散、不易布线、管理较好的小区；常用于无线远传水表和气表的远程抄表。计数器总线：M-BUS〔Meter-Bus〕无极性双芯屏蔽通信线，通信距离可达4000米。可靠性强、本钱较低、抗干扰能力强；易布线施工、维护简便。欧洲标准。节点多、容量大、长距离、表记分散的新建小区；常用于无源直读水表和气表的远程抄表。3.3实际应用中的缺乏智能电表集中器的通信模组以GPRS制式为主，从频带资源和单频本钱上，我们与移动公司相比不具竞争优势。随着电表数量的增多，电网公司为降低整体运营本钱，不断压低单卡的通信价格，为争夺市场占有率，运营商一度陷入低价恶性竞争局面。电力抄表多为小流量卡，ARPU值低，随着智能电表规模化的开展，对普通码号资源占用也日益严重。现网SIM卡多为普通消费级卡，不具备防震、防尘、防腐蚀等性能,在实际应用中故障率较高。GPRS制式的通信模组技术壁垒低，市场良莠不齐、故障多发。一旦出现故障很难判断是模组本身质量问题、还是通信卡的问题，频繁换卡增加了运营商的本钱。四、智能电表远程抄表解决方案4.1方案概述面向电网公司，立足智能通信管道，在现有方案的根底上将智能管道向终端及平台侧延伸，提供“端、管、云”的一体化解决方案，满足电网公司集中管控需求、提高本钱管控能力。整个系统由远程抄表终端、通信传输网络、中心控制平台三大局部组成。其中，远程抄表终端内采用物联网专用码号资源；通信传输网络采用物联网中心专用网元M-GGSN进行数据交换，各省电网公司数据中心通过专线接入物联网平台；中心控制平台提供企业自效劳管理功能，通过账号和密码登录使用。4.2组网架构4.3远程抄表终端4.3.1集中器的硬件构成远程抄表终端可分为三大组成局部：数据采集单元、数据处理单元、数据通信单元。以集中器为例：数据采集单元用于将下挂的智能电表的数据进行轮训采集，一般居民远程抄表一栋楼安装一个集中器，用于采集整栋居民楼的智能电表，一个集中器可以下挂1024块智能电表，实际应用中下挂的电表越多，完成一次抄表所用的时间越长；数据处理单元负责将采集的数据处理成可以传输的格式；数据通信单元将数据上传给主站。其内部构造及原理图如下所示：主板反面主板芯片外观主板反面主板芯片外观4.3.2通信模组数据通信单元可分为三个组成局部：通信模组、电路、射频天线。其中通信模组又分为消费级和工业级〔车载终端是车规级〕，智能电表要求采用工业级的通信模组，以保证使用稳定。通信模组支持的通信制式及频段如下表所示：通信制式频段GPRS850/900/1800/1900UMTSWSCDMA/HSDPA/HSUPA/HSPA+900/1800(850/1900，850/2100)GSM/GPRS/EDGE850/900/1800/1900HSPA+WSCDMA/HSDPA/HSUPA/HSPA+850/900/1800/2100(900/2100)GSM/GPRS/EDGE850/900/1800/1900LTELTE(FDD)B1/B2/B3/B5/B7/B8/B20DC-HSPA+/HSPA+/HSPA/UMTS850/900/1800/2100GSM/GPRS/EDGE850/900/1800/1900通信模组价格参考2G通信模组：本钱在几十元左右、门槛低、市场良莠不齐，生产厂家众多、规模最大；3G通信模组：价格在百元左右，国内主要生产厂家有华为、中兴等；4G通信模组：价格在几百元，由于价格较高，应用较少。目前移动公司采用补贴的形式大力推广移动定制化的4G模组。模组采用的主芯片有美国高通、华为海思等，采用哪种芯片直接决定了模组的价格。模组运行环境要求工作温度:-20℃to70℃〔扩展-40℃to85℃〕工作电压：3.2Vto4.2V(typical:3.8V)通信参数设置包括：接入点名称、主站接口、主站IP地址、心跳周期〔如5分钟〕、短信中心地址、在线模式〔永久在线〕等。4.3.3通信卡选配智能电表可使用插拔式M2M专用卡，它的性能参数相比普通消费级SIM卡有了较大程度的提高，如物联网卡产品4，相关性能参数如下表：该物联网专用卡的存储器擦写次数50万次，是普通消费级的5倍。4.4通信传输网络4.4.1网络搭建远程抄表终端与中心管理平台之间仍采用中国联通无线专网组网方式，满足自动化无线数据采集的实时性、平安性、准确性的需要。在各省电力机房的LNS与中国联通物联网运营支撑中心专用网元M-GGSN〔设立南京、广州两个效劳中心〕间建立一条MSTP专线〔建议采用双路由保护〕，开通无线专网，单条电路带宽2-10M。组网架构图如下：中国联通物联网南京、广州专用网元节点效劳区域分工如下：4.4.2码号资源及数据配置码号资源统一采用10646********物联网专用号段;核心侧数据配置：由联通物联网运营中心进行数据配置，包括：M-HLR号码签约、域名地址分配、行业计费模块配置以及与客户效劳器建立通信隧道等。4.4.3终端认证机制平台通过M-HLR签约实现终端与固定IP地址的绑定，企业客户可以通过API进行修改。同时，通过平安SIM实现终端的二次认证。如设定用户名为10646********号，密码为设备出厂序列号。具体采用什么方式，需要与电网公司协商确定。4.5中心控制平台4.5.1SIM卡全生命周期管理SIM卡在发到客户手中前可设置为“预备激活”状态，客户可通过平台进行手工激活，也可按照约定的自动化规那么3个月〔此时间可调整〕后自动激活。激活后的SIM卡开始进行正常计费。客户可通过平台对单个SIM卡进行停用，停用一段时间〔时间长短可自定义〕后卡自动失效，失效后卡仍可重新激活。4.5