WSN技术在电力系统自动抄表中的应用

一、当前供电部门碰到的问题

随着国家电网公司的两网改造工作逐渐推进，“一户一表，管电到户”政策的贯彻，用电网络急剧膨胀，抄表的工作量越来越大，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。

如何把庞大且分散用户的用电量及其它数据及时有效而且准确无误地收集、统计及分析，成为供电企业一个迫切需要解决的问题。如何贯彻国家新能源政策，为下一步对居民用户进行峰、平、谷计价作好准备工作，需要管理部门完善抄表过程中的自动化水平。

目前自动抄表系统中，远距离传输借用现有的各种通讯网络，如PSTN、Internet、GPRS/CDMA或电力企业自身的光纤以太网等，实现稳定可靠的数据传输，而技术瓶颈正在于所谓的“最后一公里”。

二、当前解决问题的方案及存在的困难

1、人工抄表

存在的问题：工作量大，效率低，而且由人工抄表所带来的漏抄、误抄、估抄，甚至抄表人员同用电户合伙作弊，给供电企业带来不可估量的损失。

2、低压载波在自动化抄表的应用

存在的困难：低压电力载波的自动抄表，因国内低压电网噪音污染大、负载多变，尤其是变频电器和中小功率电机，对电网负荷的影响，直接影响到通信可靠性和数据传输速率及实时性。

3、点对点、点对多点的无线自动抄表（如无线掌机和无线抄表车）存在的困难：在工作效率及数据实时性方面尚不能满足供电部门的实际需要，而数据的实时性是计算线损的重要依据。

以上存在的困难，主要体现在如何解决“最后一公里”自动化抄表的问题上，随着通信技术的快速发展，最新的WSN(无线传感器网络)技术通过在北京顺义区（三万户）的应用很好解决上述困难。

三、WSN(无线传感器网络)技术简介

1、基本概念

无线传感器网络(WSN，wireless sensor networks)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对像的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组织多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。

无线传感器网络(WSN)是由许许多多功能相同或不同的无线传感器节点组成，每一个传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、DC/AC能量转换器)等组成。

2、WSN的优势

2.1、节点硬件成本低。

WSN节点采用嵌入式处理器和存储器，计算能力和存储能力十分有限，网络在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理。所以就单个节点而言，硬件成本是较低的。

2.2、对等网络多冗余高可靠性。

WSN没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

2.3、自组织。

网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

2.4、多跳（Multi-hop）路由。

WSN节点通信能力有限，覆盖范围只有几十米到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。WSN中的多跳路由是由普通网络节点完成的。

2.5、动态拓扑。

WSN是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。

四、基于WSN技术的电力系统自动抄表解决方案

通过对自动抄表系统的实际需求分析，结合WSN技术特点和优势，认为采用WSN技术来实现“最后一公里”自动抄表是一个非常理想的解决方案。基于WSN技术的自动抄表系统结构图如下：

　　WSN技术网络自动抄表售电系统结构图

1、方案具体介绍

1.1、将分布较为集中的电力用户（自然村、居民小区、街道小商业用户、配网线路等）按地理区域分区，并且在用户电子式电能表上安装内置式或外置式WSN无线模块（有条件可几块表共用一个无线模块），使每个分区的电能表组成一个WSN网络。

1.2、通过电能量采集器与分区WSN网络所有电能表进行无线通讯，读取电能表的电量信息及电费、费率、费率时段等信息；每个分区可以使用不同的信道，以避免同频干扰。

1.3、电能量采集器再通过成熟的GPRS/CDMA等方式上传到主站电量管理系统。

1.4、手持式售电终端、供电所台式售电终端和银行的售电系统，经通讯网络连接到主站电量管理系统的数据库服务器，进行远程售电；售电后的用户电量信息，通过电能量采集器和WSN网络下发到各自的用户电能表中。

　2、解决方案的优势：

2.1、低成本。

WSN无线网络可以将数百块电能表连接在一起，只使用一台采集器就可以完成与主站的通讯，大大节省了价格较高的采集器的使用数量，也节省了GPRS/CDMA的运行费用。

2.2、高可靠性。

WSN无线网络具备自组织自愈能力，增加和删除节点、节点位置变化、节点发生故障等，都对网络没有影响，无需人工干预，网络仍可正常运行。

2.3、安全性。

从WSN无线网络、电能量采集器、到GPRS等公网，提供了从电表到计费工作站的一个透明通道，电量数据及电费信息，在电能表、售电终端和计费软件之间加密传输，密钥组由供电局管理，保证了电量及电费数据的安全性。

2.4、先进性。

WSN技术被誉为新世纪的四大高新技术之一，而在居民自动抄表系统中，多跳自动路由技术的采用已经成为发展趋势和行业共识。

2.5、实用性

WSN无线网络自动抄表方案，既实现了用电预付费，又使供电企业能够获得电能量使用的实时数据，为实施峰谷计价做好技术准备，并为供电企业完善需求侧管理系统打下坚实基础。

五、基于WSN的无线抄表方案的实用案例

在北京市顺义区，上述方案从2006年开始实施，至今已达到十多万户的应用规模，并且仍在快速增加。在经过换表改造的村镇，居民可以在银行、供电所及村里的临时售电点购电，而购电数据并不是写入IC卡，需要插入电表才能读出，而是经过通讯网络实时写入用户电表，既实现预付费，又方便了居民使用。而局里可以及时准确的获得电能表数据，便于线损统计分析，完善了需求侧管理系统。