在智能電網(wǎng)用電信息采集系統中的寬帶通信技術(shù)

0 引言

按照國家電網(wǎng)公司2009 年發(fā)布的“建設堅強智能電網(wǎng)”規劃，我國智能電網(wǎng)建設將包含發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度共六個(gè)環(huán)節，具有信息化、數字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的技術(shù)特征，到2020 年，中國電網(wǎng)的資源配置能力、安全穩定水平，電網(wǎng)與電源和用戶(hù)之間的互動(dòng)性得到顯著(zhù)提高?？梢?jiàn)，如何有效搭建用戶(hù)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(shí)現電網(wǎng)數字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的基礎，同時(shí)也是電力公司增強電網(wǎng)綜合服務(wù)能力，滿(mǎn)足互動(dòng)營(yíng)銷(xiāo)需求，提升服務(wù)水平的必然要求，可以預見(jiàn)用電信息采集系統將在我國智能電網(wǎng)配用電部分建設中起到至關(guān)重要的作用。

用電信息采集系統依托光纖、無(wú)線(xiàn)和電力線(xiàn)載波等通信技術(shù)構筑的網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)采集器、集中器、智能表計、用戶(hù)智能交互終端等設備，在用戶(hù)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)現電力、信息、應用數據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(xiàn)通信技術(shù)采用低壓電力線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，具有線(xiàn)路資源豐 富、傳輸速率高、網(wǎng)絡(luò )建設成本低等技術(shù)優(yōu)勢，有望在未來(lái)用電信息采集系統的網(wǎng)絡(luò )建設中發(fā)揮重要的作用。

1 智能電網(wǎng)用電信息采集系統應用現狀

近年來(lái)，各地供電公司根據各自的應用需求，也陸續開(kāi)展了智能電網(wǎng)用電信息采集系統的試點(diǎn)建設，在負荷預測分析、電費結算、需求側管理、線(xiàn)損統計分析、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，調研和分析結果表明：這些僅僅 作為試點(diǎn)建設的智能電網(wǎng)用電信息采集系統規模小、分散孤立，總體采集覆蓋率低，只占到電網(wǎng)公司經(jīng)營(yíng)區域內電力用戶(hù)總數的不到5%，離上述的總體目標還相差甚遠，無(wú)法滿(mǎn)足公司系統各層面、各專(zhuān)業(yè)準確掌控電力用戶(hù)信息的需求。

究其原因，已經(jīng)試點(diǎn)建設的智能電網(wǎng)用電信息采集系統之所以沒(méi)有進(jìn)行大規模的推廣應用，除了受系統規劃、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據采集系統的通信方式不能滿(mǎn)足現實(shí)的需求。

目前，國內現有的電力用戶(hù)抄表系統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(xiàn)、窄帶低頻電力線(xiàn)載波或無(wú)線(xiàn)的通信方式。這些抄表系 統或者是施工量太大，不方便大范圍實(shí)施(如485 布線(xiàn)) ;或者是受電力線(xiàn)負載特性的影響較大，而造成通信信道的不穩定不可靠(如窄帶低頻電力線(xiàn)載波) 。而它們的共同弱點(diǎn)都是帶寬過(guò)窄、速率過(guò)低、實(shí)時(shí)性差、不能實(shí)現雙向快速通信等，因此已建系統的實(shí)用化程度低，無(wú)法滿(mǎn)足供電公司建設用電信息一體化采集平臺的需求，更不能滿(mǎn)足用 電預付費、斷復電和防竊電等更高層面上的管理需求。因此，大多數供電公司沒(méi)有把握進(jìn)行大范圍的推廣應用，現在仍以現場(chǎng)人工抄表為主。

因此，供電公司要打造適合于各層面、各專(zhuān)業(yè)共享的用電信息一體化采集平臺，能 夠滿(mǎn)足線(xiàn)損的統計與計算、供電用戶(hù)用電負荷曲線(xiàn)分析和異常用電情況查詢(xún)，實(shí)現對電力用戶(hù)的遠程通斷電控制和預付費管理等更高的管理需求，就必須升級智能電網(wǎng)用電信息采集系統的通信方式，以確保系統的數據通信是實(shí)時(shí)的、快速的、可靠的、穩定的。而如同其它工商業(yè)用戶(hù)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)用電信息采集系統發(fā)展的必然方向。

2電力線(xiàn)寬帶通信的技術(shù)特點(diǎn)

電力線(xiàn)寬帶通信(Broadband Power Line Communication，簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiàn)作為高速數據通信的載體，可以免布線(xiàn)、低成本地實(shí)現用戶(hù)的數據終端接入寬帶通信網(wǎng)絡(luò )，適應了現代節約型社會(huì )的建設需求。國內寬帶PLC 的應用起始于 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(kāi)始采用BPLC 產(chǎn)品，在北京居民區進(jìn)行電力線(xiàn)上網(wǎng)試驗，隨后在北京正式開(kāi)展電力線(xiàn)上網(wǎng)商業(yè)化試運營(yíng)，在上海、南京、深圳等各地大中城市，也都相繼出現了推廣電力線(xiàn)上網(wǎng)的企業(yè)，使得全國的電力線(xiàn)上網(wǎng)用戶(hù)達到了近十萬(wàn)戶(hù)。

國家電網(wǎng)公司“電力用戶(hù)智能電網(wǎng)用電信息采集系統建設領(lǐng)導小組”頒布的建設模式及技術(shù)方案研究報告中， 將電力線(xiàn)寬帶載波技術(shù)列為居民用戶(hù)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，數據傳輸速率高，數據容量大，雙向傳輸，無(wú)需另外鋪設通信線(xiàn)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(hù)側，實(shí)現對用戶(hù)電表的數據采集和控制”，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(hù)電表集中的城市臺區，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現 預付費功能。國家電網(wǎng)公司對該技術(shù)的科學(xué)評價(jià)，將極大地推動(dòng)基于電力線(xiàn)寬帶通信 ”技術(shù)的電力用戶(hù)智能電網(wǎng)用電信息采集系統的大規模推廣應用。

電力線(xiàn)寬帶通信技術(shù)充分利用現有的配電網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路，無(wú)需布線(xiàn)，可以較大程度上節省網(wǎng)絡(luò )建設投資，符合我國建設節約型社會(huì )的宗旨，也是低成本實(shí)現用戶(hù)終端寬帶網(wǎng)絡(luò ) 化重要手段之一。因為傳統的以太網(wǎng)建設需要敷設大量的光纖和雙絞線(xiàn)，安裝大量的網(wǎng) 絡(luò )交換設備。盡管光纖和雙絞線(xiàn)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(hù)計量終端網(wǎng)絡(luò )的建設。電力線(xiàn)寬帶通信以電力線(xiàn) 為載體，覆蓋范圍廣、無(wú)需布線(xiàn)、建設投資小，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(gè)低壓用戶(hù)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用提供統一的寬帶通信平臺，又可以為其它基于互聯(lián)網(wǎng)的社區、樓宇與家庭的諸多應用提供經(jīng)濟實(shí)惠的寬帶傳輸手段。

3 電力線(xiàn)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(xiàn)、窄帶電力線(xiàn)載波、寬帶電力線(xiàn)載波和短距離無(wú)線(xiàn)等。

(1)RS-485總線(xiàn)。RS-485是一種雙向、半雙工通信的工業(yè)總線(xiàn)標準，允許多個(gè)驅動(dòng)器和接收器掛接在總線(xiàn)上，數據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(shí)現，成本低廉，信號傳輸可靠性高，因此得到了廣泛的應用。但每條RS-485總線(xiàn)上的終端數量有限，多臺設備共存時(shí)需要分級轉發(fā)，因此系統安裝調試復雜;因終端共用總線(xiàn)，任何一個(gè)節點(diǎn)故障都會(huì )導致總線(xiàn)無(wú)法通信，因此故障排查工作量大;RS-485總線(xiàn)的實(shí)現需要敷設專(zhuān)用線(xiàn)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(xiàn)載波通信，數據傳輸速率較低。采用這種通信方式時(shí)無(wú)需另外鋪設通信線(xiàn)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(hù)側，實(shí)現對用戶(hù)電表的數據采集和控制，適應性好。因為電力線(xiàn)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，使其推廣應用遭遇一些 技術(shù)障礙，需要在應用時(shí)采用軟、硬件技術(shù)結合完成組網(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(xiàn)困難、用電負載特性變化較小的臺區，例如城鄉公變臺區供電區域、別墅區等。

(3)電力線(xiàn)寬帶通信方式。低壓電力線(xiàn)寬帶通信技術(shù)指載波信號頻率范圍>1MHz的低 壓電力線(xiàn)載波通信。低壓電力線(xiàn)寬帶通信占用頻帶寬，數據傳輸速率高，數據容量大，雙向傳輸，無(wú)需另外鋪設通信線(xiàn)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(hù)側，實(shí)現對用戶(hù)電表的數據采集和控制，適應性好。因其采用較高頻率的載波信號，在電力線(xiàn)中信號衰減較快，因此在長(cháng)距離通信中，可通過(guò)在適當條件下加裝中繼方式實(shí)現可靠傳輸。電力線(xiàn)寬帶通信所使用的頻段在電力線(xiàn)上干擾較少，通信可靠性更高、更穩定，安全性更好，這種模式適合用戶(hù)電表集中的城市社區，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現預付費功能。

(4)無(wú)線(xiàn)通信方式。無(wú)線(xiàn)通信的頻段是工業(yè)科學(xué)醫療(ISM)頻段微功率，包括433MH z、868MHz(歐洲)、915MHz(美國)和2.4GHz，節點(diǎn)間的通信方式包括點(diǎn)對點(diǎn)、固定 中繼和自組網(wǎng)等類(lèi)型。無(wú)線(xiàn)通信方式主要包括ZIGBEE、微蜂窩及由這些技術(shù)衍生出來(lái) 的類(lèi)ZIGBEE等方式。無(wú)線(xiàn)通信的優(yōu)點(diǎn)在于安裝簡(jiǎn)便，無(wú)需布線(xiàn)，適應性強。但因其標準不統一，實(shí)現方式各異，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 )對無(wú)線(xiàn)通信造成影響，因此無(wú)線(xiàn)通信方式在抄表領(lǐng)域的應 用也必須根據現場(chǎng)環(huán)境，采用中繼、轉發(fā)、組網(wǎng)等方式來(lái)實(shí)現數據的傳輸，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(diǎn)，根據國家電網(wǎng)公司“電力用戶(hù)智能電網(wǎng)用電信息采集系統建設領(lǐng)導小組”提供的有關(guān)研究報告，抄表系統的幾種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下：

總體來(lái)說(shuō)，電力線(xiàn)載波方式，包括窄帶和寬帶電力線(xiàn)通信在系統可實(shí)現性上具有優(yōu)勢，但在兩者相比較來(lái)看，寬帶電力線(xiàn)載波通信方式無(wú)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(gè)新分支，是基于已經(jīng)過(guò)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 )層數據保護與驗證，遠非各種窄帶載 波的結點(diǎn)組織和中繼算法可比。

2) 寬帶通信速率高，每個(gè)IP 包在毫秒級時(shí)間內即完成數據傳輸，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(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議(CSMA/CD)迅速重發(fā)，確保數據可靠。

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，目前的寬帶載波設備也可通過(guò)自身已具備的自動(dòng)路由選址和中繼組網(wǎng)機制，可以更好的滿(mǎn)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、穩定性安全性高、擴展 能力強，應用于低壓用戶(hù)集中抄表的本地通信，可確保抄表數據的通信成功率 和準確率，是實(shí)現電力營(yíng)銷(xiāo)將來(lái)預付費管理模式的可靠平臺。

4 基于電力線(xiàn)寬帶通信技術(shù)的低壓用戶(hù)集中抄表系統

4.1系統簡(jiǎn)介

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

4.2 系統架構

基于電力線(xiàn)寬帶載波技術(shù)的低壓用戶(hù)集中抄表系統以城鎮公用配變臺區或居民小區(多配變臺區)為采集單位，對該配變臺區或居民小區的全部居民電表(還包括配電臺區的單、三相工商業(yè)用戶(hù)電表)以及配變臺區的總表進(jìn)行用電信息采集，并遠程上傳給局端主站系統。局端主站系統通過(guò)系統構建的寬帶通信網(wǎng)絡(luò )，可以實(shí)現對用戶(hù)電表的 遠程通斷電控制和未來(lái)的預付費管理等網(wǎng)絡(luò )服務(wù)功能。

4.3 系統架構說(shuō)明

基于電力線(xiàn)寬帶載波技術(shù)的低壓用戶(hù)集中抄表系統可根據部署位置分為主站、通信信道和采集設備三部分。系統的架構如圖 1 所示。

(1)系統主站

主站部分的物理結構主要由數據庫服務(wù)器、應用服務(wù)器、通信前置機、防火墻設備 以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )設備組成。建議單獨組網(wǎng)，與營(yíng)銷(xiāo)應用系統和其它應用系統以及公網(wǎng)信道采用防火墻進(jìn)行安全隔離，保證系統的信息安全。

(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(wú)線(xiàn)電力專(zhuān)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(zhuān)網(wǎng)向配網(wǎng)延伸至每個(gè)臺區，覆蓋全部10KV 線(xiàn)路，以確保骨干通信網(wǎng)絡(luò )的專(zhuān)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(guò)電力線(xiàn)寬帶通信技術(shù)，形成以電力線(xiàn)為傳輸介質(zhì)的高速I(mǎi)P 網(wǎng)絡(luò )。采集器與電能表計之間的通信信道為RS-485 總線(xiàn)。

(3)采集設備

采集設備指安裝在現場(chǎng)的終端及計量設備，主要包括網(wǎng)絡(luò )集中器、電力線(xiàn)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據，并進(jìn)行處理儲存，同時(shí)能和主站或手持設備進(jìn)行數據交換。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(xiàn)寬帶載波技術(shù)，完成集中器對采集器的數據收集和集中管理。上行 通過(guò)電力專(zhuān)用的光纖網(wǎng)絡(luò )，或電信運營(yíng)商的 GPRS/ADSL 信道，上傳抄表數據給系統主站，并接受主站的管理指令，完成對用戶(hù)電表的集中控制與管理，未來(lái)可通過(guò)電表實(shí)現預購電管理功能。

2) 電力線(xiàn)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(guò)電力線(xiàn)寬帶載波信道與集中器交換數據。

3) 電能表：系統支持帶有 RS-485 通信接口的電能表。

5 結語(yǔ)

采用電力線(xiàn)寬帶通信技術(shù)的智能電網(wǎng)用電信息采集系統，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(hù)與電網(wǎng)之間實(shí)時(shí)、互動(dòng)的數字網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現全采集、全覆蓋、全費控功能，創(chuàng )建用電新型電力營(yíng)銷(xiāo)管理模式，提供其它網(wǎng)絡(luò )增值服務(wù)功能，為實(shí)現智能電網(wǎng)營(yíng)銷(xiāo)自動(dòng)化，提高營(yíng)銷(xiāo)和服務(wù)管理水平創(chuàng )造了技術(shù)條件。