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基于5G的新一代电力用户用电采集系统研究及应用

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赵丰

【关键词】5G;电力用户;用电采集;系统

一、绪论

在新一代移动通讯5G建设的大背景下，本文对电力用户用电采集系统（简称用电采集系统）发展方向进行分析，旨在通过理论分析为实践操作提供依据。用电采集系统的全面建设，有利于提升电网智能量测水平，电网运行稳定，促进电力行业服务水平，为电量计量、电费计算、配网监测、线损分析、故障抢修等业务提供了支撐功能。

随着配电网拓步结构的日益复杂，以及大量分布式电源的接入，基于光纤通道建设的采集系统存在周期长、成本高、难度大、利用率低等缺点，第五代移动通讯技术具备大连接、高可靠性、低延迟、多连接等特点;新一代的电力用户用电采集系统的建设应该基于5G移动网。

二、关键技术

（一）扩容技术

1、mMTC

mMTC即海量机器类通信，主要应用在大规模物联网。一个百万居民的现代城市需要的智能采集设备数量多.分布范围广、连接庞大，要求通讯网络具备千万级的连接支持能力，传统的4G通信网络已经无法胜任。5G的mMTC具有千亿级的连接支持能力，连接密度达到100万/km2的技术指标。完全满足用电用户信息采集系统低功耗、大连接应用场景。

2、大规模MIMO

大规模MIMO是一种多输入多输出的天线配置技术。通过“波束成形”成倍增加无线基站天线链路的容量。可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在智能采集设备位置形成电磁波的叠加，从而达到提高接收信号强度的目的，这些天线能够将信号强度集中到较小的空间区域，通过将信号准确导向所需位置来提高总体效率和吞吐量。

（二）时延技术

1、uRLLC

uRLLC是一项具备高可靠、超低时延的通信技术。这项技术在电力远程费控、负荷控制等应用场景的作用尤其显著，由于电网设备控制要求精准性、即时性、可靠性非常高，uRLLC通过更小时间资源单位（mini-slot）、减少数据发送等待时延、免授权调度传输方式、有效的编码策略（MCS）等数据，有效提高了网络传输的时效和可靠性。

2、MEC

多接入网络边缘计算（MEC）通过减少距离用户邻近设备的响应时延，与电力网络中差动保护装置要求十分契合。差动保护装置作为电力网络的安全保护设备，通过采集、传输、对比输电线路两端电流信号，进行安全保护动作。MEC重新定义了核心网和网络边缘，改变原有通信必须全部由核心传输的方式，通过用户控制面下沉技术进一步缩短传输路径，大大减小网络响应用户请求的时延，降低了传输网和核心网部分发生网络拥塞的风险。

（三）多通道技术

在电力用户用电采集系统中，不同业务应用场景对于网络规模、网络时延、网络安全、传输可靠性的要求不尽相同;例如：采集业务设备数量庞大，电网控制业务要求数据传输可靠性、时延低，巡查业务移动作业性强。5G可以通过网络切片技术分割物理网络，将其划分为多个虚拟网络;并根据具体应用需求，灵活定制不同虚拟网络切片。因此，通过构建采集子网（大容量），控制子网（低时延），巡查子网（移动）三个不同特性的虚拟子网络，满足不同性能要求的应用。

三、采集主站

（一）系统架构

1、总体架构

从感知层、网络层、核心服务层、应用层等四方面进行分析新一代用户用电采集系统架构。

（二）通信层

1、5G网络

为满足5G多样化的应用场景需求，5G的关键性能指标更加多元化。ITU定义了5G八大关键性能指标，其中高速率、低时延、大连接成为5G最突出的特征，用户体验速率达1Gbps，时延低至1ms，用户连接能力达100万连接/平方公里。

2、通信前置

通信前置用于管理主站与采集设备连接，保持前置与设备间的通信。由于服务器资源限制，单台通信前置最多管理65535个连接，因此，需负载均衡设备将众多连接分布在不同的通信前置服务器。

3、通讯协议

电力用户用电信息采集系统使用的网络协议如下：

（1）5G-NR协议

5G-NR（NewRadio）即新空口无线协议栈。NR能工作FR1（小于6GHz频段）、FR2（毫米波频段）两种频段，最大信道带宽达400MHz，远远大于LTE的最大信道带宽20MHz。其采用了信道复用、多天线技术、和波束赋形等技术，能够频带资源得到充分利用频带资源。其包括用户面和控制面。用户面（UserPlane，UP）协议栈即用户数据传输采用的协议簇，控制面（ControlPlane，CP）协议栈即系统的控制信令传输采用的协议簇。

（2）HPLC协议

高速电力线载波HPLC是通过低压电力线上传输数据传输的技术，也称为宽带电力线载波。HPLC的工作频率为2M-12Mhz，通信延迟小于30ms，满足96点曲线采集（15分钟）、日冻结电量采集、停电事件实时上报等业务，抗时变噪声，抗衰减性小于85db，保证采集成功的提高。

（3）376.1协议

376.1协议