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
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201624.htm按照國家電網(wǎng)公司2009 年發(fā)布的“建設(shè)堅強智能電網(wǎng)”規(guī)劃,我國智能電網(wǎng)建設(shè)將包含發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度共六個環(huán)節(jié),具有信息化、數(shù)字化、自動化、互動化的技術(shù)特征,到2020 年,中國電網(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性得到顯著提高。可見,如何有效搭建用戶與電網(wǎng)之間溝通橋梁,提供安全可靠的用電信息采集服務(wù),是實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)字化、自動化、互動化的基礎(chǔ),同時也是電力公司增強電網(wǎng)綜合服務(wù)能力,滿足互動營銷需求,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、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)互動和即時連接,從而實現(xiàn)電力、信息、應(yīng)用數(shù)據(jù)的高速傳輸和遠程家電控制等功能。相對其它通信技術(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,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)的試點建設(shè),在負荷預(yù)測分析、電費結(jié)算、需求側(cè)管理、線損統(tǒng)計分析、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)營區(qū)域內(nèi)電力用戶總數(shù)的不到5%,離上述的總體目標還相差甚遠,無法滿足公司系統(tǒng)各層面、各專業(yè)準確掌控電力用戶信息的需求。
究其原因,已經(jīng)試點建設(shè)的智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)之所以沒有進行大規(guī)模的推廣應(yīng)用,除了受系統(tǒng)規(guī)劃、標準建立、運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)實的需求。
目前,國內(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,不方便大范圍實施(如485 布線) ;或者是受電力線負載特性的影響較大,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) 。而它們的共同弱點都是帶寬過窄、速率過低、實時性差、不能實現(xiàn)雙向快速通信等,因此已建系統(tǒng)的實用化程度低,無法滿足供電公司建設(shè)用電信息一體化采集平臺的需求,更不能滿足用 電預(yù)付費、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行大范圍的推廣應(yīng)用,現(xiàn)在仍以現(xiàn)場人工抄表為主。
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,能 夠滿足線損的統(tǒng)計與計算、供電用戶用電負荷曲線分析和異常用電情況查詢,實現(xiàn)對電力用戶的遠程通斷電控制和預(yù)付費管理等更高的管理需求,就必須升級智能電網(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)通信是實時的、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
電力線寬帶通信(Broadband Power Line Communication,簡稱BPLC)技術(shù),是以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的分支。它采用先進的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)約型社會的建設(shè)需求。國內(nèi)寬帶PLC 的應(yīng)用起始于 1999 年原 國家電力公司的科技項目,并在 2001 年由原國電通信中心組織開始采用BPLC 產(chǎn)品,在北京居民區(qū)進行電力線上網(wǎng)試驗,隨后在北京正式開展電力線上網(wǎng)商業(yè)化試運營,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),使得全國的電力線上網(wǎng)用戶達到了近十萬戶。
國家電網(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),實現(xiàn)對用戶電表的數(shù)據(jù)采集和控制”,認為“相對窄帶載波通信,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區(qū),能夠通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn) 預(yù)付費功能。國家電網(wǎng)公司對該技術(shù)的科學(xué)評價,將極大地推動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,符合我國建設(shè)節(jié)約型社會的宗旨,也是低成本實現(xiàn)用戶終端寬帶網(wǎng)絡(luò) 化重要手段之一。因為傳統(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每個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程用電管理的各種應(yīng)用提供統(tǒng)一的寬帶通信平臺,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)濟實惠的寬帶傳輸手段。
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)總線標準,允許多個驅(qū)動器和接收器掛接在總線上,數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式,具有較高共模范圍(-7V至+12V )。其優(yōu)勢在于資源消耗小,易于實現(xiàn),成本低廉,信號傳輸可靠性高,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,多臺設(shè)備共存時需要分級轉(zhuǎn)發(fā),因此系統(tǒng)安裝調(diào)試復(fù)雜;因終端共用總線,任何一個節(jié)點故障都會導(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),實現(xiàn)對用戶電表的數(shù)據(jù)采集和控制,適應(yīng)性好。因為電力線信道具有信號衰減大、噪聲源多且干擾強、受負 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、用電負載特性變化較小的臺區(qū),例如城鄉(xiāng)公變臺區(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),實現(xiàn)對用戶電表的數(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,在電力線中信號衰減較快,因此在長距離通信中,可通過在適當條件下加裝中繼方式實現(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)實現(xiàn)預(yù)付費功能。
(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)和2.4GHz,節(jié)點間的通信方式包括點對點、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)點在于安裝簡便,無需布線,適應(yīng)性強。但因其標準不統(tǒng)一,實現(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)境變化都會對無線通信造成影響,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)場環(huán)境,采用中繼、轉(zhuǎn)發(fā)、組網(wǎng)等方式來實現(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充形式。
3.2 通信方式對比
綜上所述,各種通信方式都各具特點,根據(jù)國家電網(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)研究報告,抄表系統(tǒng)的幾種通信方式的優(yōu)缺點比較如下:
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)可實現(xiàn)性上具有優(yōu)勢,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、擴展性上的優(yōu)勢尤為明顯,其主要理由如下:
1) 寬帶載波作為以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的一個新分支,是基于已經(jīng)過廣泛驗證的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)保護與驗證,遠非各種窄帶載 波的結(jié)點組織和中繼算法可比。
2) 寬帶通信速率高,每個IP 包在毫秒級時間內(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)等級和性能上都具有優(yōu)勢。
4) 即使是在窄帶載波較有優(yōu)勢的通信距離上,目前的寬帶載波設(shè)備也可通過自身已具備的自動路由選址和中繼組網(wǎng)機制,可以更好的滿足端到端的通信解決方案。
5) 基于 TCP/IP 機制的寬帶載波,通信性能高、速率快、穩(wěn)定性安全性高、擴展 能力強,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 和準確率,是實現(xiàn)電力營銷將來預(yù)付費管理模式的可靠平臺。
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,實現(xiàn)電表實時數(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)的特點是:利用臺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行數(shù)字信號的調(diào)制 和解調(diào),免布線、低成本地實現(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)公用配變臺區(qū)或居民小區(qū)(多配變臺區(qū))為采集單位,對該配變臺區(qū)或居民小區(qū)的全部居民電表(還包括配電臺區(qū)的單、三相工商業(yè)用戶電表)以及配變臺區(qū)的總表進行用電信息采集,并遠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),可以實現(xiàn)對用戶電表的 遠程通斷電控制和未來的預(yù)付費管理等網(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)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信前置機、防火墻設(shè)備 以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。建議單獨組網(wǎng),與營銷應(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
通信信道分為遠程通信信道和本地通信信道。
遠程通信信道是指系統(tǒng)主站與遠端網(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)延伸至每個臺區(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)場的終端及計量設(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),并進行處理儲存,同時能和主站或手持設(shè)備進行數(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),或電信運營商的 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,完成對用戶電表的集中控制與管理,未來可通過電表實現(xiàn)預(yù)購電管理功能。
2) 電力線寬帶載波采集器:用于采集多個電能表的電能信息,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
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)提供遠程用電管理的雙向通信平臺,建立用戶與電網(wǎng)之間實時、互動的數(shù)字網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)全采集、全覆蓋、全費控功能,創(chuàng)建用電新型電力營銷管理模式,提供其它網(wǎng)絡(luò)增值服務(wù)功能,為實現(xiàn)智能電網(wǎng)營銷自動化,提高營銷和服務(wù)管理水平創(chuàng)造了技術(shù)條件。
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