智能电表远程抄表推介方案

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 目目 录录 一 背景介绍 2 1 1 能源的精确计量是全球性节能减排的要求 2 1 2 政府及电力部门相关政策推动 2 1 3 电能计量是智能电网的核心 3 二 电力系统电能计量 4 2 1 电能计量点设置 4 2 1 1 设置原则 4 2 1 2 主要计量点 5 2 2 智能电能表是核心的计量装置 5 2 2 1 电能计量装置的分类 5 2 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 7 3 1 客户需求分析 7 3 2 现有远程抄表解决方案分析 9 3 2 1 组网架构 9 3 2 2 远程抄表终端及连接方式 10 3 3 实际应用中的不足 12 四 智能电表远程抄表解决方案 13 4 1 方案概述 13 4 2 组网架构 14 4 3 远程抄表终端 14 4 3 1 集中器的硬件构成 14 4 3 2 通信模组 15 4 3 3 通信卡选配 16 4 4 通信传输网络 17 4 4 1 网络搭建 17 4 4 2 码号资源及数据配置 18 4 4 3 终端认证机制 19 4 5 中心控制平台 19 4 5 1 SIM 卡全生命周期管理 19 4 5 2 SIM 卡实时状态监测及自动化管控 20 4 5 3 远程故障诊断 20 4 5 4 API 集成 20 4 6 常见通信卡故障分析 21 五 产品推广模式及思考 22 5 1 推广模式 22 5 2 思考 22 一 一 背景介绍背景介绍 1 11 1 能源的精确计量是全球性节能减排的要求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 欧盟委员会颁布了涵盖电 气 水和热计量在内 的智能表计安装计划 要求 2020 年完成 80 的智能电表安装 相比 欧盟委员会颁布的此项计划 欧洲许多国家制定了更为紧迫的时间 计划表 1 21 2 政府及电力部门相关政策推动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 电能表行业发展相关的政策 实施城乡电网改造 防窃电改造 西 电东送等战略性工程 以及房地产的迅速发展 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 中国电力供应紧张 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基 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 国家发展改革委制定了 关于居 民生活用电试行阶梯电价的指导意见 1 31 3 电能计量是智能电网的核心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 为制定生产计划 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 各级电网协调发展 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 电力系统电能计量二 电力系统电能计量 2 12 1 电能计量点设置电能计量点设置 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 2 1 12 1 1 设置原则设置原则 贸易结算用电能计量点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 原则上设置在购 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 2 1 22 1 2 主要计量点主要计量点 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 发电企业发电企业 主变高压侧 机组产权不同或电价不同 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高压供电 客户低压线路侧 线路产权归电网企业 三相客户进线侧 线路产权归电网企业 电力客户电力客户 低压供电 单相客户进线侧 线路产权归电网企业 贸易结算贸易结算 电网经营企业电网经营企业系统联络线某一侧 发电机出口 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 指标考核指标考核 无功补偿设备处 线路产 权归电 网企业 2 22 2 智能电能表是核心的计量装置智能电能表是核心的计量装置 2 2 12 2 1 电能计量装置的分类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 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 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 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 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 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 22 2 2 计量信息的采集与传输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规范 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 出于安全考虑 目前以有线传输为主 在配电网的末 端 部分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三 电力客户需求及现有方案分析 3 13 1 客户需求分析客户需求分析 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 统架构如下图示 企业企 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 企业 GIS 应 用系统 生产管理系 统 PMS 营销管理系 统 CIS 企业资源计 划 ERP 安全隔离区 通信网 配电主站专变及公变 监测 居民用电信 息采集 上级调度自 动化系统 馈 线 自 动 化 区 柱上开关 配电子站 柱上开关环网柜 开闭所 重要配变 FTUTIU 通信网 配电子站 FTUDTU DTU 通信网 的通信服务类招标 由省电网公司自行负责 并列入其运营成本 已知需求如下 抄表信息的稳定 可靠传输抄表信息的稳定 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 有效的成本管控手段有效的成本管控手段 智能电表每年都在级数递增 省电网公司的通信成本也在逐年 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 止因通信卡流量不足导致断网 电网公司往往要求运营商更低的资 费 提供更多的流量 3 23 2 现有远程抄表解决方案分析现有远程抄表解决方案分析 3 2 13 2 1 组网架构组网架构 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 组网方案如下图所示 抄抄表表业业务务平平台台 监监控控终终端端 抄抄表表终终端端 LNS 抄抄表表终终端端 抄抄表表业业务务平平台台 监监控控终终端端 抄抄表表终终端端 LNS 抄抄表表终终端端 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 服务器 负责对用户的域名进行鉴权认证 AAA 服务器 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 服务器 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 此服务器为可选配置 用于提高网络的 安全性 3 2 23 2 2 远程抄表终端远程抄表终端及连接方式及连接方式 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 主要设备主要设备主要功能主要功能通信功能通信功能 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图所示 电力线载波 采集器 电力线载波 电表 RS485 采集器 RS485 电表 RS485 水表 RS485 燃气表 微功率无线 水表 微功率无线 燃气表 微功率无线 采集 M BUS 水表 M BUS 燃气表 M BUS 采集器 WCDMA GPRS RS485 PLC RF M BUS RS485 采集器 RS485 采集器 M BUS 采集器 微功率无线 采集 电力线载波 采集器 电力线载波 电表 RS485 采集器 RS485 电表 RS485 水表 RS485 燃气表 微功率无线 水表 微功率无线 燃气表 微功率无线 采集 M BUS 水表 M BUS 燃气表 M BUS 采集器 WCDMA GPRS RS485 PLC RF M BUS RS485 采集器 RS485 采集器 M BUS 采集器 微功率无线 采集 不同的网络接口连接方式对比见下表 连接方式连接方式介质介质优点优点缺点缺点适用范围适用范围 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 成本低 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 RF 315M 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 成 本较高 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 Mete r Bus 无极性双芯屏蔽通信 线 通信距离可达 4000 米 可靠性强 成本较 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 33 3 实际应用中的不足实际应用中的不足 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 频成本上 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成本 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发展 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成本 四 智能电表远程抄表解决方案四 智能电表远程抄表解决方案 4 14 1 方案概述方案概述 面向电网公司 立足智能通信管道 在现有方案的基础上将智 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 提高成本管控能力 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 部分组成 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 服务管理功能 通过账号和密码登录使用 4 24 2 组网架构组网架构 4 34 3 远程抄表终端远程抄表终端 4 3 14 3 1 集中器的硬件构成集中器的硬件构成 远程抄表终端可分为三大组成部分 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 4 3 24 3 2 通信模组通信模组 数据通信单元可分为三个组成部分 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 通信制式通信制式频段频段 GPRS850 900 1800 1900 UMTSWSCDMA HSDPA HSUPA HSPA 主板背面 主板芯片 外观 900 1800 850 1900 850 2100 GSM GPRS EDGE 850 900 1800 1900 HSPA WSCDMA HSDPA HSUPA HSPA 850 900 1800 2100 900 2100 GSM GPRS EDGE850 900 1800 1900 LTELTE FDD B1 B2 B3 B5 B7 B8 B20 DC HSPA HSPA HSPA UMTS 850 900 1800 2100 GSM GPRS EDGE 850 900 1800 1900 通信模组价格参考 2G 通信模组 成本在几十元左右 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 to 70 扩展 40 to 85 工作电压 3 2 V to 4 2 V typical 3 8 V 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 34 3 3 通信卡选配通信卡选配 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 44 4 通信传输网络通信传输网络 4 4 14 4 1 网络搭建网络搭建 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 安全性 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 广州两个服务中心 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 广州专用网元节点服务区域分工如下 4 4 24 4 2 码号资源及数据配置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服务器建立通信 隧道等 4 4 34 4 3 终端认证机制终端认证机制 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 通过安全 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 54 5 中心控制平台中心控制平台 4 5 14 5 1 SIMSIM 卡全生命周期管理卡全生命周期管理 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则 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