劉 峰

(沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，沈陽110136)

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，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，只占電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)電力用戶總數(shù)的5%以內(nèi)，離上述的總體目標(biāo)還相差甚遠，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)試點建設(shè)的智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)除了受系統(tǒng)規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)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［1］。

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)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，造成了通信信道的不穩(wěn)定不可靠(如窄帶低頻電力線載波)。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，而且已建的系統(tǒng)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。

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，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。用電信息采集系統(tǒng)的覆蓋情況見如表1所示。

表1 用戶用電信息采集覆蓋情況表

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。抄表系統(tǒng)的幾種通信方式的優(yōu)缺點比較如表2所示。

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)在窄帶載波較有優(yōu)勢的通信距離上，寬帶載波設(shè)備可通過自身具備的自動路由選址和中繼組網(wǎng)機制，更好地滿足端到端的通信解決方案。

5)基于TCP/IP機制的寬帶載波，通信性能好、速率快、擴展能力強、穩(wěn)定性及安全性高。因此應(yīng)用于低壓用戶集中抄表的本地通信系統(tǒng)，可確保抄表數(shù)據(jù)的通信成功率和準(zhǔn)確率，同時可作為實現(xiàn)電力營銷將來預(yù)付費管理模式的可靠平臺［2］。

2 BPLC用電信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用

電力線寬帶通信技術(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，將互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成高頻無線電波，這些電波在特定端口被送回到效用柵格中，并經(jīng)過效用變壓器進入用戶家庭和公司。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。

2.1 組網(wǎng)模式

電力線寬帶載波抄表系統(tǒng)由采集器、電力線載波交換機、集中器、主站以及傳輸通道組成。采集器通過485端口與智能電能表連接，把采集到的電表數(shù)據(jù)通過耦合環(huán)將信號耦合/注入電力線，傳輸匯聚至電力線載波交換機，并通過交換機把數(shù)據(jù)匯集到寬帶載波集中器內(nèi)，集中器通過光纖通道將傳送數(shù)據(jù)至主站。集中器上行方面采用EPON光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳［3］。具體模式如圖1所示。

表2 通信方式對比

圖1 組網(wǎng)模式圖

2.2 系統(tǒng)特點

基于電力線寬帶通信技術(shù)的電力用戶用電信息采集系統(tǒng)調(diào)制方式采用多載波調(diào)制(OFDM)，載波頻率使用1～34 MHz，最高速度可達200 Mbit/s，數(shù)據(jù)傳輸速率高、容量大，噪聲干擾相對較小，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性相對較高;可實現(xiàn)多具表計的雙向?qū)崟r并發(fā)采集和遠程購售電管理控制，無需另外鋪設(shè)通信線路，安裝方便。這種模式適合用戶電表集中、數(shù)量不大的城市臺區(qū)，能夠通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)預(yù)付費功能。

由于電力線本身為供電線路、用電負荷具有隨機性，因此信道不穩(wěn)定。影響通信性能的客觀因素主要為電力線的噪聲和阻抗，阻抗包括接入阻抗和線路阻抗，接入阻抗越大越好，線路阻抗越小越好。

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［4］。

2.3 組網(wǎng)架構(gòu)

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)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。

1)系統(tǒng)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。用電信息采集系統(tǒng)主站系統(tǒng)可實現(xiàn)基于GIS的配電監(jiān)測及遠程抄表一體化管理［5］。

2)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、230 MHz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，因此，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10 kV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:

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。

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)。

電能表:系統(tǒng)支持帶有RS－485通信接口的電能表［6］。

2.4 網(wǎng)絡(luò)管理

寬帶集抄全面支持基于SNMP網(wǎng)絡(luò)管理，主要包括以下方面:

1)配置管理?？梢赃h程設(shè)置、獲取采集器及集中器各種參數(shù)。支持人工設(shè)置，也支持自動下載。

2)性能監(jiān)測。支持設(shè)備運行狀態(tài)遠程監(jiān)控，可實時監(jiān)測電力線通信鏈路狀態(tài)，包括通信速率、信道SNR曲線、載波調(diào)制等。

3)應(yīng)用升級。支持通信控制及應(yīng)用軟件遠程升級，可以采用整體或分模塊升級，為新應(yīng)用業(yè)務(wù)開展提供了簡單、經(jīng)濟的解決手段。

2.5 信息安全

1)數(shù)據(jù)鏈路層采用3DES或128位AES數(shù)據(jù)加密傳輸。

2)數(shù)據(jù)傳輸采用TCP/IP通信協(xié)議，支持用戶自定義應(yīng)用加密且實現(xiàn)方便。

3)基于MAC地址的訪問控制，未列入許可的MAC地址不能接入網(wǎng)絡(luò)［7］。

2.6 組網(wǎng)方法

1)由電力公司相關(guān)工程隊敷設(shè)四芯光纖到小區(qū)配電房內(nèi)，在配電房內(nèi)安裝一網(wǎng)絡(luò)柜用于安放光網(wǎng)絡(luò)所需的EPON設(shè)備及電力線寬帶載波抄表所需的集中器、電力載波交換機等設(shè)備，如圖2所示。

圖2 設(shè)備安裝圖

2)從網(wǎng)絡(luò)柜布放載波信號耦合線(采用屏蔽五類線)到配電柜內(nèi)，配電柜內(nèi)的相線或零線上采用電磁耦合與阻容耦合相結(jié)合的復(fù)合耦合方式，基于OFDM的INT5130調(diào)制解調(diào)芯片，把載波信號加載到小區(qū)電網(wǎng)內(nèi)。

3)在單元樓內(nèi)的電能表柜內(nèi)安裝寬帶載波采集器，采集器通過485接口與樓內(nèi)的電能表聯(lián)接，并通過電容耦合或電感耦合方式把采集器的載波信號加載到380 V主干線路上。為了更好地避開載波信號的衰減點，目前小區(qū)內(nèi)主要采用電感耦合方式［8］。

4)某小區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，如圖3所示。

5)設(shè)備的配置情況:集中器1臺，采集器27臺，電力交換機1臺，耦合器33個。

2.7 運維情況

某小區(qū)集中器采用自動定時采集數(shù)據(jù)的方式進行數(shù)據(jù)采集，每小時采集4次數(shù)據(jù)，單次采集數(shù)據(jù)成功率達到99%以上。該小區(qū)不僅實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)采集，還集中遠程視頻監(jiān)控、用戶多媒體用戶數(shù)據(jù)查詢等相關(guān)業(yè)務(wù)，可實現(xiàn)遠程斷電、送電控制等功能。

2.8 剩余寬帶的利用

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

智能某小區(qū)的成功試點，說明電力線寬帶載波取得一定的效果。采用電力線寬帶載波通信不僅解決了抄表問題，同時也為電網(wǎng)用戶在原有電力線上提供了足夠的帶寬。如何更好地利用剩余的帶寬，如何嵌入更好地服務(wù)項目為用戶提供更多的服務(wù)，則是今后工作的一個重點。目前，利用剩余帶寬可以進行傳輸數(shù)據(jù)、語音和視頻業(yè)務(wù)。但需解決電力線上傳遞數(shù)據(jù)存在的多種干擾因素，如電器開關(guān)、變頻空調(diào)、調(diào)亮燈具、吸塵器等。解決干擾因素應(yīng)選用合適調(diào)制技術(shù)，如OFDM技術(shù)。以住宅小區(qū)為例，在樓宇內(nèi)通過多個電力線頭端設(shè)備對整個樓宇進行覆蓋。頭端設(shè)備體積小、耗電少，可以放置在配電箱或管線井內(nèi)或掛在墻面上，通常高層塔樓每2至3層布設(shè)一個頭端設(shè)備，普通低層住宅樓每單元門布設(shè)一個頭端設(shè)備。這種模式下，無論從覆蓋面積、通信距離還是帶寬保障上都是可靠和經(jīng)濟的。用戶端可采用RJ－45或USB接口的電力調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)Internet訪問、IP電話、可視電話等業(yè)務(wù)。用戶業(yè)務(wù)通過電力網(wǎng)絡(luò)匯集到小區(qū)機房，通過光纜或微波接入等方式接入到IP骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，運營商的業(yè)務(wù)支撐平臺再分別對不同業(yè)務(wù)進行處理。采用電力線寬帶接入方式，技術(shù)已經(jīng)成熟，從商業(yè)模式來看，可以為用戶實現(xiàn)語音視頻等增值服務(wù)，有效解決駐地網(wǎng)收斂用戶，增強其他電信運營競爭力，也可為電力企業(yè)本身實現(xiàn)新的業(yè)務(wù)增長點提供機遇［9］。

3 結(jié)論

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。同時，創(chuàng)建用電新型電力營銷管理模式，能提供其它網(wǎng)絡(luò)增值服務(wù)功能，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。

［1］韓熙媛.電力線寬帶載波通信在智能電網(wǎng)的應(yīng)用［J］.云南電力技術(shù)，2012，10(5):17 －18.

［2］馬夢軒.基于EPON技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)［J］.電力系統(tǒng)及其自動化，2013(1):43－46.

［3］孫增友.中壓電力線寬帶載波通信耦合技術(shù)［J］.中國電力，2012，45(8):78 －82.

［4］王曉峰.用電信息采集系統(tǒng)發(fā)展新趨勢［J］.中國電力，2010(9).

［5］Anon.Advanced Metering Infrastructure.Pub ID:RRIN 1762464.［R］.［S.1.］:Research Reports International，2007.

［6］姚李孝，彭金寧.低壓電力用戶信息采集系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.計算機工程，2004，30(17):173 －174.

［7］樊建學(xué)，盛新富.低壓電力線載波集中抄表系統(tǒng)的研究［J］.繼電器，2005，33(17):49 －52.

［8］韓谷靜，殷小貢.面向配電自動化的中壓電力線高速數(shù)據(jù)通信終端設(shè)計［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2007，22(3):128 －133.

［9］劉鋒，潘永湘，毛芳仁.基于GPRS配電網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)終端的設(shè)計與工程實現(xiàn)［J］.電力自動化設(shè)備，2005，25(1):54 －57，62.