刘丽娜，李方硕，王 韬，屈 鸣，易 黎，熊思宇

(1.国网四川省电力公司计量中心， 成都 610045；2.国网四川省电力公司绵阳供电公司, 四川 绵阳 621053；3.西南交通大学 电气工程学院， 成都 611756)

0 引言

传统电力信息采集在数据采集和控制方面，对电表的采集实时性要求不高，大部分属于非实时性数据采集。基于HPLC的用电信息采集系统可实现高频数据采集[1]、停电主动上报[2]、时钟精准管理[3]、档案自动同步[4]、通信性能监测和网通信性能监测和网络优化[5]等应用功能，能够满足用电信息采集的最基本需求[6]。但随着泛在电力物联网的不断发展，无源设备、智能感知等设备接入种类和数量的提升，以及有序充电[7]、分布式储能[8]、现货市场交易[9]、线路阻抗测量[10]、光伏发电[11]、综合能源计量[12]等业务场景的扩展，使电力行业更加注重数据实时处理、监控及分析。这些新业务对于通信的实时性提出了更高的要求。

徐文涛[13]提出一种基于OFDM(正交频分复用技术)+DSSS(直接序列扩频)通信协议的用电信息采集系统，为当前HPLC通信技术在用电采集系统中的应用提供了借鉴。张浩等[14]提出基于OFDM的低压电力线载波抄表系统，一定程度上克服了低压电力线载波通信中恶劣的信道环境，改善了抄表系统的通信能力；李楠等[15]提出基于电力线载波和GPRS(通用分组无线服务技术)的远程抄表系统，提高了抄表系统工作效率。而目前HPLC技术最快都只能实现15 min上传1次电力冻结数据，且采集的数据曲线携带的信息较少，不能较好地支持泛在电力物联网新业务的开展。为此，在相关研究基础上，提出了一种分钟级电表数据采集方案，该方案通过在STA的应用层增设采集任务模块以实现分钟级数据的冻结与上传，同时将CCO与集中器之间采用的异步收发传输器(universal asynchronous receiver transmitter，UART)串口通信更替为以太网通信，并在CCO应用层增设相应的收发模块，由此克服数据传输速度瓶颈，最后引入电表采用的规约DL/T698.45替换原有下行通讯采用的Q/GDW1376.2协议，实现由STA到终端都采用同一种协议进行通信，提高数据帧的有效数据占比。分钟级数据采集的实现对客户侧泛在电力物联网业务的开展有深刻意义。

1 现有采集情况分析

目前，集中器抄表的下行协议通常采用 Q/GDW1376.2协议。传统方案抄表总体结构如图1所示。

每次抄表时，集中器根据待抄读的电表规约(07/645、97/645、698.45等)和待抄读的数据，组好抄读电表的数据帧，再将组好的帧放置于Q/GDW1376.2协议结构的用户数据区中，然后将组好的Q/GDW1376.2的帧通过UART串口通讯下发给CCO。CCO通过组好的网络将抄表帧发给各个STA。STA提取HPLC通信协议抄表帧并通过UART串口通讯下发给电表。不同规约的电表与STA间的通讯采用不同的协议(645规约的电表采用DL/T645协议，698.45规约的电表采用DL/T698.45协议)，待电表打包冻结数据并通过对应协议回帧后，数据流将由STA发送至集中器，集中器将Q/GDW1376.2协议的帧头与帧尾去掉，只留下电表的回帧进行解析。

图1 传统方案抄表总体结构框图

根据现场的情况分析，目前的数据采集主要存在以下问题：

1) 传输过程中每次抄表均由集中器发起，完整的抄表过程都需要集中器发出和接收2个过程，集中器与STA的通信次数较频繁，每n次抄表需要集中器与STA通信2 n次。

2) 传统方案中，STA采集的电表数据为698.45协议，由于CCO与集中器采用1376.2协议通信，需要将STA上传的数据帧封装至1376.2协议的应用层协议数据单元，而分钟级采集方案中，CCO与集中器直接采用698.45进行通讯，不存在不同通信协议的转换，有效数据占比因此提高。

3) 采用DL/T645协议的电表虽然可以获取实时数据，但只能产生15 min以上的冻结数据，仅靠电表将冻结数据封装成数据帧无法实现分钟级实时电力数据的采集。

4) 集中器与CCO之间采用UART串口进行通信，交互通信速率较低，数据传输速度太慢。

2 抄表流程改进

2.1 流程框架改进

如图2所示，在分钟级数据采集方案中，用以太网通信替换集中器和CCO之间采用的UART串口通信以改善数据传输慢的缺点。

图2 新方案抄表总体结构框图

新方案中采集任务无需每次都由终端发起，STA将自行完成实时数据的采集并产生分钟级冻结数据。这使得集中器上电时只需发送1次抄表命令，而其他时刻抄表只需等待从STA响应的分钟级冻结数据。所以，当有n次抄表任务时，STA与集中器的通讯次数为n+1。

改进后的抄表流程为：集中器将档案下发给CCO，并给CCO设置采集任务和方案。待STA组网完成后，CCO与STA通信，设置STA的采集任务和采集方案。当STA采集任务启动时，直接通过串口采集表计数据，并将不同表计规约数据转换为DL/T698.45的数据类型进行存储。然后，STA再根据上报策略进行主动上报或响应CCO主动请求数据，上报和响应请求时均使用DL/T698.45的格式。当数据到达CCO时，CCO验证帧格式，格式正确时进行汇集处理，处理完成后，将数据打包上报至集中器。

2.2 下行规约改进

2.2.1DL/T698.45可行性分析

DL/T698.45协议是由中国电力企业联合标准化中心提出并起草的一种具有面向对象的应用层数据交换协议[16]，主要应用于电力采集系统的主站或终端与电表之间的通信过程。DL/T698.45协议结构主要包括有3个部分，帧头、帧尾和用户数据，其具体的协议帧结构如表1所示。

表1 协议帧结构

DL/T698.45协议与Q/GDW1376.2协议都可实现抄表、透传、文件传输和模块控制。新抄表流程通信协议统一，不需要DL/T698.45协议具有模块信息查询功能，所以DL/T698.4协议在新抄表流程下可完全替代Q/GDW1376.2协议，并且大部分的集中器无须硬件替换，仅靠原有平台应用层升级就可实现网络采用DL/T698.4协议进行通信[17]，协议更替流程较为方便。

2.2.2DL/T698.45的优势

1) 有效数据占比较高：系统发送报文时使用Q/GDW1376.2的传输方式需要在完整的抄表帧外再添加一层376.2协议，这样有效数据占比少，帧长度增加。另外，在HPLC并发抄表中，若表计为07/645表计则需要多条07/645抄表帧。而1帧698.45可代替1帧1 376.2和多帧07/645，数据有效率差距十分明显。

2) 通信协议具有统一性和规范性：传统抄表流程中STA与不同规约的电表通信需通过不同协议分别进行，之后STA将不同的数据帧格式上传CCO，CCO再将数据按Q/GDW1376.2协议封装并传输至集中器，集中器需去掉数据的帧头和帧尾再将数据按DL/T698.45协议封装后上传主站。而按照文章方案进行改进后，可在STA处将协议统一为DL/T698.45，中途不需要协议的转换。

3 CCO方案设计

在原有CCO应用层框架上进行调整，增加以太网收发子层和OOP收发子层，改进后的CCO模块系统结构如图3所示。

图3 CCO模块系统结构框图

新增模块与驱动层的功能定义如下：

1) 以太网收发子层：负责SOCKET链接的建立和维护；单个OOP报文的接受和发送。

2) OOP报文收发子层：负责合并OOP报文并分发到应用层；按照协商参数对发送报文进行分帧。

3) 驱动层：采用SPI和Ethernet网口链接，SPI与以太网芯片连接，可通过片选信号选通。

4 STA方案设计

4.1 总体方案设计

STA总体设计方案如图4所示。根据需求在STA的应用层增加采集任务模块用于实现分钟级数据采集。

图4 STA总体设计方案框图

4.2 采集任务模块

采集任务中包含4个子任务，分别是时钟同步、配置、抄读和冻结任务，4个子任务介绍如下：

1) 时钟同步任务：完成系统的校时，维护网络的时钟。STA进行上电初始化时，根据本地时钟和偏差得到网络时钟，如果没进行过校时操作，则网络时钟置为无效状态。收到校时报文时，校对网络时钟，并存储本地与网络当前时钟偏差。

2) 配置任务：主要是用来处理载波配置报文，并完成采集功能相关任务和方案配置。其基本流程是首先解析对象标识(object identification，OI)，并判断其是否为任务配置或方案配置，若是则解析任务配置或方案配置参数，然后配置任务并等待响应数据配置成功；反之，则响应数据配置失败。

3) 抄读任务：主要是用来处理载波抄读报文，完成采集数据抄读，其收到采集抄表报文，解析抄读数据项，获取抄读 数据并响应报文。

4) 冻结任务：支持采集任务和采集方案的增加、删除和清除。此外，可根据当前采集任务的配置参数进行周期数据冻结，支持645和698.45两种规约配置，其基本流程是，上电后完成采集任务加载，然后根据网络时钟周期执行645/698.45电表数据采集任务，完成冻结数据存储。

5 应用实例分析

5.1 方案流程

为验证所提抄表方案的正确性，在实验室与现场台区分别测试方案效果。具体流程为：首先，设置CCO通讯地址，并使其与集中器相同，下发采集档案配置表和任务配置表，此时任务状态为停用；然后，读取STA采集监控参数下发状态，满足特定条件后认为下发采集监控参数完成并更改任务状态为正常；最后，CCO根据配置的采集任务在每个周期内上报抄读数据回帧。

该方案已完成与积成电子集中器配合调试，目前正常运行无异常，可采集集中器内档案电表分钟数据，并将STA内存储的采集数据上报至集中器。

5.2 实验室台区实验

实验室台区测试环境如图5所示，共包括300只电表，其中200只645-2007规约电表，100只698.45规约电表。需要抄读的6项数据为时间、电压、电流、功率、功率因数、正向有功。

图5 实验室台区测试环境场景图

1) 1 min采集方案：STA在每min内提取上1 min的冻结数据。CCO采集300只电表6项数据的耗时记录如下：

上述数据中，read count表示读取电表数，timeout count表示抄表超时次数，read last time表示最后读取时间，即完成时间。测试打印log显示十组数据中出现1组中有1个数据抄读失败，实验室环境1 min采集方案仅用33 s左右将300只电表6项数据采集完成。

2) 5 min采集方案：STA从0 min开始每隔5 min提取前5 min的冻结数据。CCO采集300只电表6项数据的耗时记录如下：

测试打印log显示，10组数据中平均每组有1个数据抄读失败，实验室环境按5 min采集方案采集300只电表6项数据的时间为52 s。

3) 传统采集方案(15 min)：集中器添加采集任务，采集任务周期设置为15 min，采集6个抄读数据项，并发数为5。集中器采集300只表6个数据项数据的耗时统计如表2所示。通过测试主站查询传统抄表方案的抄读时间，所测300只电表6项数据时间为330 s，且没有出现抄表失败案例。

表2 传统采集方案数据结果

5.3 现场台区实验

台区为高层新建小区(30层)，台区部分结构如图6所示，台区电表数量298只，电表规约采用645-2007规约。现场台区部分用户示意图见图6。其中需要抄读的数据项为：时间、电压、电流、功率、功率因数、正向有功。

图6 现场台区部分用户示意图

1) 1 min采集方案：STA在每min提取上1 min的冻结数据。该方案的数据抄读时间为55 s，多次测试中CCO在55 s时间可完成260只左右电表6项数据的采集。而1 min前后不进行数据提取操作，目的是防止CCO与STA时间不同步以及给STA冻结电表数据预留时间，因此1 min采集方案在现场应用环境不具备普适性。

2) 5 min采集方案：STA从0 min开始每隔5 min提取前5 min的冻结数据。CCO采集298只电表6项数据的耗时记录如下：

现场台区环境5 min采集方案298只电表6项数据的平均采集时间为64 s左右。

5.4 结论

实验室台区以及现场台区抄表测试数据如表3所示。

表3 实验室和现场台区抄表测试数据

测试数据分析可以看出：

1) 改进后的分钟采集方案较传统采集方案具有明显速度优势，1 min采集方案平均抄读时间提升为传统采集方案抄表时间的9倍，可以实现电表分钟级的数据提取，5 min采集方案现场实验的平均抄读时间提升为传统采集方案抄表时间的5倍左右，且没有出现抄表失败案例。

2) 1 min采集方案在现场台区环境下不具备普适性，但5 min采集方案可以满足现场需求，从测试数据看剩余空闲抄表时间还比较充足。

3) 5 min采集方案较1 min方案更具优势，优势如下：① 现场环境普适性高，可适应绝大多数现场采集需求；② 保证采集完整数据情况下，依然可满足HPLC其他深化应用功能需求；③ 集中器与主站数据通信压力较1 min采集方案要小，主站系统响应数据处理压力相对较小。

新方案与传统方案的测试数据分析结果如表4所示。

表4 新方案与传统方案测试数据分析结果

6 结论

提出了分钟级电表数据采集方案,在站点STA应用层增设采集任务模块用以实现分钟级数据的冻结与上传，将CCO与集中器之间采用的UART串口通信更替为以太网通信，并在CCO 应用层增设相应的收发模块，由此克服数据传输速度瓶颈。引入DL/T698.45替换原有Q/GDW1376.2协议，使STA到终端采用同一种协议进行通信，提高了数据帧的有效数据占比。经实验室模拟和现场台区验证，所提的采集效率优化方案可实现现场台区5 min冻结数据采集，且上传时间维持在70 s内，由此可在相同采集时间段内获得更多电力数据，对泛在物联网的发展起到推动作用。