在智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)中的寬帶通信技術(shù)

0 引言

按照國(guó)家電網(wǎng)公司2009 年發(fā)布的“建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”規(guī)劃，我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)將包含發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度共六個(gè)環(huán)節(jié)，具有信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的技術(shù)特征，到2020 年，中國(guó)電網(wǎng)的資源配置能力、安全穩(wěn)定水平，電網(wǎng)與電源和用戶之間的互動(dòng)性得到顯著提高?？梢姡绾斡行Т罱ㄓ脩襞c電網(wǎng)之間溝通橋梁，提供安全可靠的用電信息采集服務(wù)，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的基礎(chǔ)，同時(shí)也是電力公司增強(qiáng)電網(wǎng)綜合服務(wù)能力，滿足互動(dòng)營(yíng)銷需求，提升服務(wù)水平的必然要求，可以預(yù)見用電信息采集系統(tǒng)將在我國(guó)智能電網(wǎng)配用電部分建設(shè)中起到至關(guān)重要的作用。

用電信息采集系統(tǒng)依托光纖、無線和電力線載波等通信技術(shù)構(gòu)筑的網(wǎng)絡(luò)，通過采集器、集中器、智能表計(jì)、用戶智能交互終端等設(shè)備，在用戶和電網(wǎng)公司之間形成網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)和即時(shí)連接，從而實(shí)現(xiàn)電力、信息、應(yīng)用數(shù)據(jù)的高速傳輸和遠(yuǎn)程家電控制等功能。相對(duì)其它通信技術(shù)，寬帶電力線通信技術(shù)采用低壓電力線作為傳輸介質(zhì)，具有線路資源豐 富、傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有望在未來用電信息采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中發(fā)揮重要的作用。

1 智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，各地供電公司根據(jù)各自的應(yīng)用需求，也陸續(xù)開展了智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)的試點(diǎn)建設(shè)，在負(fù)荷預(yù)測(cè)分析、電費(fèi)結(jié)算、需求側(cè)管理、線損統(tǒng)計(jì)分析、反竊電分 析及供電質(zhì)量管理等業(yè)務(wù)中取得了一定的效果。然而，調(diào)研和分析結(jié)果表明：這些僅僅 作為試點(diǎn)建設(shè)的智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)規(guī)模小、分散孤立，總體采集覆蓋率低，只占到電網(wǎng)公司經(jīng)營(yíng)區(qū)域內(nèi)電力用戶總數(shù)的不到5%，離上述的總體目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)，無法滿足公司系統(tǒng)各層面、各專業(yè)準(zhǔn)確掌控電力用戶信息的需求。

究其原因，已經(jīng)試點(diǎn)建設(shè)的智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)之所以沒有進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用，除了受系統(tǒng)規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)建立、運(yùn)行管理及資金投入等各方面因素制約以外，更 重要的因素是電表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信方式不能滿足現(xiàn)實(shí)的需求。

目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的電力用戶抄表系統(tǒng)在從電表或采集終端到抄表集中器的本地通信方式上，大都采取的是485 布線、窄帶低頻電力線載波或無線的通信方式。這些抄表系 統(tǒng)或者是施工量太大，不方便大范圍實(shí)施(如485 布線) ;或者是受電力線負(fù)載特性的影響較大，而造成通信信道的不穩(wěn)定不可靠(如窄帶低頻電力線載波) 。而它們的共同弱點(diǎn)都是帶寬過窄、速率過低、實(shí)時(shí)性差、不能實(shí)現(xiàn)雙向快速通信等，因此已建系統(tǒng)的實(shí)用化程度低，無法滿足供電公司建設(shè)用電信息一體化采集平臺(tái)的需求，更不能滿足用 電預(yù)付費(fèi)、斷復(fù)電和防竊電等更高層面上的管理需求。因此，大多數(shù)供電公司沒有把握進(jìn)行大范圍的推廣應(yīng)用，現(xiàn)在仍以現(xiàn)場(chǎng)人工抄表為主。

因此，供電公司要打造適合于各層面、各專業(yè)共享的用電信息一體化采集平臺(tái)，能 夠滿足線損的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算、供電用戶用電負(fù)荷曲線分析和異常用電情況查詢，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力用戶的遠(yuǎn)程通斷電控制和預(yù)付費(fèi)管理等更高的管理需求，就必須升級(jí)智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)的通信方式，以確保系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信是實(shí)時(shí)的、快速的、可靠的、穩(wěn)定的。而如同其它工商業(yè)用戶信息與控制網(wǎng)絡(luò)一樣，網(wǎng)絡(luò)寬帶化將是是智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)發(fā)展的必然方向。

2電力線寬帶通信的技術(shù)特點(diǎn)

電力線寬帶通信(Broadband Power Line Communication，簡(jiǎn)稱BPLC)技術(shù)，是以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的分支。它采用先進(jìn)的OFDM 通信編碼技術(shù)，利用覆蓋范圍最為廣泛的電力線作為高速數(shù)據(jù)通信的載體，可以免布線、低成本地實(shí)現(xiàn)用戶的數(shù)據(jù)終端接入寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)了現(xiàn)代節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)需求。國(guó)內(nèi)寬帶PLC 的應(yīng)用起始于 1999 年原 國(guó)家電力公司的科技項(xiàng)目，并在 2001 年由原國(guó)電通信中心組織開始采用BPLC 產(chǎn)品，在北京居民區(qū)進(jìn)行電力線上網(wǎng)試驗(yàn)，隨后在北京正式開展電力線上網(wǎng)商業(yè)化試運(yùn)營(yíng)，在上海、南京、深圳等各地大中城市，也都相繼出現(xiàn)了推廣電力線上網(wǎng)的企業(yè)，使得全國(guó)的電力線上網(wǎng)用戶達(dá)到了近十萬(wàn)戶。

國(guó)家電網(wǎng)公司“電力用戶智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組”頒布的建設(shè)模式及技術(shù)方案研究報(bào)告中， 將電力線寬帶載波技術(shù)列為居民用戶用電信息采集本地通信的主要通信方式之一，指出“寬帶通信占用頻帶寬，數(shù)據(jù)傳輸速率高，數(shù)據(jù)容量大，雙向傳輸，無需另外鋪設(shè)通信線路，安裝方便、可以方便地將電力通信網(wǎng)絡(luò)延伸到低壓用 戶側(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶電表的數(shù)據(jù)采集和控制”，認(rèn)為“相對(duì)窄帶載波通信，寬帶載波安全性更好，通信可靠性更高，這種模式適合用戶電表集中的城市臺(tái)區(qū)，能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn) 預(yù)付費(fèi)功能。國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)該技術(shù)的科學(xué)評(píng)價(jià)，將極大地推動(dòng)基于電力線寬帶通信 ”技術(shù)的電力用戶智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

電力線寬帶通信技術(shù)充分利用現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡(luò)線路，無需布線，可以較大程度上節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資，符合我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的宗旨，也是低成本實(shí)現(xiàn)用戶終端寬帶網(wǎng)絡(luò) 化重要手段之一。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的以太網(wǎng)建設(shè)需要敷設(shè)大量的光纖和雙絞線，安裝大量的網(wǎng) 絡(luò)交換設(shè)備。盡管光纖和雙絞線可靠性高，但施工量太大，而且安裝技術(shù)要求高，造成 初裝成本高，目前尚不適宜于電力用戶計(jì)量終端網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。電力線寬帶通信以電力線 為載體，覆蓋范圍廣、無需布線、建設(shè)投資小，而且終端連接方便，接入電源就等于接入網(wǎng)絡(luò)。因此，利用供電公司 380V/220V 低壓供電網(wǎng)絡(luò)，完全可以建立起從局端直達(dá)每個(gè)低壓用戶的端到端的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，既可以為供電公司遠(yuǎn)程用電管理的各種應(yīng)用提供統(tǒng)一的寬帶通信平臺(tái)，又可以為其它基于互聯(lián)網(wǎng)的社區(qū)、樓宇與家庭的諸多應(yīng)用提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的寬帶傳輸手段。

3 電力線寬通信在抄表領(lǐng)域與其他通信方式的比較

3.1抄表領(lǐng)域的主要通信方式

在抄表領(lǐng)域，本地通信信道的主要方式包括 RS-485 總線、窄帶電力線載波、寬帶電力線載波和短距離無線等。

(1)RS-485總線。RS-485是一種雙向、半雙工通信的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，允許多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器掛接在總線上，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，具有較高共模范圍(-7V至+12V )。其優(yōu)勢(shì)在于資源消耗小，易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉，信號(hào)傳輸可靠性高，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但每條RS-485總線上的終端數(shù)量有限，多臺(tái)設(shè)備共存時(shí)需要分級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)，因此系統(tǒng)安裝調(diào)試復(fù)雜;因終端共用總線，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障都會(huì)導(dǎo)致總線無法通信，因此故障排查工作量大;RS-485總線的實(shí)現(xiàn)需要敷設(shè)專用線路，施工量大，容易遭 受外部電磁干擾和人為破壞。

(2)窄帶載波通信方式。低壓窄帶載波通信技術(shù)是指載波信號(hào)頻率范圍≤500kHz的低 壓電力線載波通信，數(shù)據(jù)傳輸速率較低。采用這種通信方式時(shí)無需另外鋪設(shè)通信線路 ，安裝方便、可以方便地將電力通信網(wǎng)絡(luò)延伸到低壓用戶側(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶電表的數(shù)據(jù)采集和控制，適應(yīng)性好。因?yàn)殡娏€信道具有信號(hào)衰減大、噪聲源多且干擾強(qiáng)、受負(fù) 載特性影響大特性，從而降低了低壓窄帶載波通信的可靠性，使其推廣應(yīng)用遭遇一些 技術(shù)障礙，需要在應(yīng)用時(shí)采用軟、硬件技術(shù)結(jié)合完成組網(wǎng)優(yōu)化。因此低壓窄帶載波通信方式適用于電能表安裝位置分散、布線困難、用電負(fù)載特性變化較小的臺(tái)區(qū)，例如城鄉(xiāng)公變臺(tái)區(qū)供電區(qū)域、別墅區(qū)等。

(3)電力線寬帶通信方式。低壓電力線寬帶通信技術(shù)指載波信號(hào)頻率范圍>1MHz的低 壓電力線載波通信。低壓電力線寬帶通信占用頻帶寬，數(shù)據(jù)傳輸速率高，數(shù)據(jù)容量大，雙向傳輸，無需另外鋪設(shè)通信線路，安裝方便、可以方便地將電力通信網(wǎng)絡(luò)延伸到 低壓用戶側(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶電表的數(shù)據(jù)采集和控制，適應(yīng)性好。因其采用較高頻率的載波信號(hào)，在電力線中信號(hào)衰減較快，因此在長(zhǎng)距離通信中，可通過在適當(dāng)條件下加裝中繼方式實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。電力線寬帶通信所使用的頻段在電力線上干擾較少，通信可靠性更高、更穩(wěn)定，安全性更好，這種模式適合用戶電表集中的城市社區(qū)，能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能。

(4)無線通信方式。無線通信的頻段是工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段微功率，包括433MH z、868MHz(歐洲)、915MHz(美國(guó))和2.4GHz，節(jié)點(diǎn)間的通信方式包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、固定 中繼和自組網(wǎng)等類型。無線通信方式主要包括ZIGBEE、微蜂窩及由這些技術(shù)衍生出來 的類ZIGBEE等方式。無線通信的優(yōu)點(diǎn)在于安裝簡(jiǎn)便，無需布線，適應(yīng)性強(qiáng)。但因其標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)方式各異，性能參差不齊。除了距離衰減外，建筑物、天氣、空間電磁干擾等外部環(huán)境變化都會(huì)對(duì)無線通信造成影響，因此無線通信方式在抄表領(lǐng)域的應(yīng) 用也必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，采用中繼、轉(zhuǎn)發(fā)、組網(wǎng)等方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，使其推廣受到阻礙，更適合于作為其他本地通信方式的補(bǔ)充形式。

3.2 通信方式對(duì)比

綜上所述，各種通信方式都各具特點(diǎn)，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司“電力用戶智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組”提供的有關(guān)研究報(bào)告，抄表系統(tǒng)的幾種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下：

總體來說，電力線載波方式，包括窄帶和寬帶電力線通信在系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)性上具有優(yōu)勢(shì)，但在兩者相比較來看，寬帶電力線載波通信方式無疑具有較高的技術(shù)水平和性能，在速率、可靠性、擴(kuò)展性上的優(yōu)勢(shì)尤為明顯，其主要理由如下：

1) 寬帶載波作為以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新分支，是基于已經(jīng)過廣泛驗(yàn)證的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因而具有完善的鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)保護(hù)與驗(yàn)證，遠(yuǎn)非各種窄帶載 波的結(jié)點(diǎn)組織和中繼算法可比。

2) 寬帶通信速率高，每個(gè)IP 包在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)即完成數(shù)據(jù)傳輸，可大大降低遭 受突發(fā)干擾的影響，即使一次通信失敗，也可按照帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(CSMA/CD)迅速重發(fā)，確保數(shù)據(jù)可靠。

3) 寬帶載波芯片大都基于高性能32 位核心和 DSP 技術(shù)制造，在技術(shù)等級(jí)和性能上都具有優(yōu)勢(shì)。

4) 即使是在窄帶載波較有優(yōu)勢(shì)的通信距離上，目前的寬帶載波設(shè)備也可通過自身已具備的自動(dòng)路由選址和中繼組網(wǎng)機(jī)制，可以更好的滿足端到端的通信解決方案。

5) 基于 TCP/IP 機(jī)制的寬帶載波，通信性能高、速率快、穩(wěn)定性安全性高、擴(kuò)展 能力強(qiáng)，應(yīng)用于低壓用戶集中抄表的本地通信，可確保抄表數(shù)據(jù)的通信成功率 和準(zhǔn)確率，是實(shí)現(xiàn)電力營(yíng)銷將來預(yù)付費(fèi)管理模式的可靠平臺(tái)。

4 基于電力線寬帶通信技術(shù)的低壓用戶集中抄表系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

基于電力線寬帶載波技術(shù)的低壓用戶集中抄表系統(tǒng)， 就是把先進(jìn)的電力線寬帶通信技術(shù)(BPLC)和智能化抄表技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與寬帶傳輸于一體的新一代低壓用戶集中抄表解決方案。本系統(tǒng)適用于電力用戶集中的城市臺(tái)區(qū)，如居民小區(qū)和普通工商業(yè)用戶。所采集的電表類型包括帶有RS485 通訊接口的普通單相、三相電子表。系統(tǒng)的特點(diǎn)是：利用臺(tái)變以下的低壓電力線作為通信傳輸介質(zhì)，采用電力線寬帶通信模塊進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的調(diào)制 和解調(diào)，免布線、低成本地實(shí)現(xiàn)用戶終端電表的網(wǎng)絡(luò)化采集環(huán)境。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于電力線寬帶載波技術(shù)的低壓用戶集中抄表系統(tǒng)以城鎮(zhèn)公用配變臺(tái)區(qū)或居民小區(qū)(多配變臺(tái)區(qū))為采集單位，對(duì)該配變臺(tái)區(qū)或居民小區(qū)的全部居民電表(還包括配電臺(tái)區(qū)的單、三相工商業(yè)用戶電表)以及配變臺(tái)區(qū)的總表進(jìn)行用電信息采集，并遠(yuǎn)程上傳給局端主站系統(tǒng)。局端主站系統(tǒng)通過系統(tǒng)構(gòu)建的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶電表的 遠(yuǎn)程通斷電控制和未來的預(yù)付費(fèi)管理等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。

4.3 系統(tǒng)架構(gòu)說明

基于電力線寬帶載波技術(shù)的低壓用戶集中抄表系統(tǒng)可根據(jù)部署位置分為主站、通信信道和采集設(shè)備三部分。系統(tǒng)的架構(gòu)如圖 1 所示。

(1)系統(tǒng)主站

主站部分的物理結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信前置機(jī)、防火墻設(shè)備 以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。建議單獨(dú)組網(wǎng)，與營(yíng)銷應(yīng)用系統(tǒng)和其它應(yīng)用系統(tǒng)以及公網(wǎng)信道采用防火墻進(jìn)行安全隔離，保證系統(tǒng)的信息安全。

(2)通信信道

通信信道分為遠(yuǎn)程通信信道和本地通信信道。

遠(yuǎn)程通信信道是指系統(tǒng)主站與遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)集中器之間的通信信道，主要包括光纖信 道、GPRS/ADSL公用網(wǎng)絡(luò)信道、230MHz 無線電力專用信道等。由于光纖信道的高帶寬、高速率和高可靠性，在有條件的情況下建議將電力通信光纖專網(wǎng)向配網(wǎng)延伸至每個(gè)臺(tái)區(qū)，覆蓋全部10KV 線路，以確保骨干通信網(wǎng)絡(luò)的專有性和安全性。

本地通信信道是指網(wǎng)絡(luò)集中器與采集器、采集器與電能表計(jì)之間的通信信道。網(wǎng)絡(luò)集中器與采集器之間通過電力線寬帶通信技術(shù)，形成以電力線為傳輸介質(zhì)的高速IP 網(wǎng)絡(luò)。采集器與電能表計(jì)之間的通信信道為RS-485 總線。

(3)采集設(shè)備

采集設(shè)備指安裝在現(xiàn)場(chǎng)的終端及計(jì)量設(shè)備，主要包括網(wǎng)絡(luò)集中器、電力線寬帶載波 采集器以及電能表計(jì)等，分別介紹如下：

1) 網(wǎng)絡(luò)集中器：用于收集各采集終端的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理儲(chǔ)存，同時(shí)能和主站或手持設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。集中器具有以太網(wǎng)絡(luò)接口，下行與采集器之間的通信 采用電力線寬帶載波技術(shù)，完成集中器對(duì)采集器的數(shù)據(jù)收集和集中管理。上行 通過電力專用的光纖網(wǎng)絡(luò)，或電信運(yùn)營(yíng)商的 GPRS/ADSL 信道，上傳抄表數(shù)據(jù)給系統(tǒng)主站，并接受主站的管理指令，完成對(duì)用戶電表的集中控制與管理，未來可通過電表實(shí)現(xiàn)預(yù)購(gòu)電管理功能。

2) 電力線寬帶載波采集器：用于采集多個(gè)電能表的電能信息，并通過電力線寬帶載波信道與集中器交換數(shù)據(jù)。

3) 電能表：系統(tǒng)支持帶有 RS-485 通信接口的電能表。

5 結(jié)語(yǔ)

采用電力線寬帶通信技術(shù)的智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)，不僅大大提高了信息采集工作效率，而且可為供電企業(yè)提供遠(yuǎn)程用電管理的雙向通信平臺(tái)，建立用戶與電網(wǎng)之間實(shí)時(shí)、互動(dòng)的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全采集、全覆蓋、全費(fèi)控功能，創(chuàng)建用電新型電力營(yíng)銷管理模式，提供其它網(wǎng)絡(luò)增值服務(wù)功能，為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)營(yíng)銷自動(dòng)化，提高營(yíng)銷和服務(wù)管理水平創(chuàng)造了技術(shù)條件。