劉曉芳

（浙江新能量科技有限公司，杭州 310005）

節(jié)能是當(dāng)前社會關(guān)注的熱點。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源已經(jīng)成為未來經(jīng)濟社會發(fā)展的重要制約因素，而電力在能源消費中所占的比重較大。長期以來，我國的經(jīng)濟增長對電力消費有著較強的依賴性。對用戶側(cè)的電能利用進行科學(xué)有效的管理優(yōu)化，提高電力用戶的電能利用效率，實現(xiàn)需求側(cè)智能用電對社會的節(jié)能減排意義重大。智能用電[1]的前提是電能管理的精細(xì)化和信息化，加快建設(shè)和應(yīng)用基于信息和通信技術(shù)的電能管理信息服務(wù)系統(tǒng)已成為十分迫切的現(xiàn)實需要。

電能管理信息服務(wù)系統(tǒng)融合了現(xiàn)代測量技術(shù)、通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等多項前沿科學(xué)技術(shù)，是一個面向多類用戶的第三方公共電能管理服務(wù)平臺，可為電力用戶、政府部門、節(jié)能服務(wù)公司等多方提供科學(xué)管理的實用信息服務(wù)和決策支持。構(gòu)建電能管理服務(wù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是信息通信技術(shù)，即本地通信和遠程通信組網(wǎng)方式的優(yōu)化選擇，而衡量系統(tǒng)通信方式優(yōu)劣的重要指標(biāo)是數(shù)據(jù)的采集成功率。傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式往往較為單一，系統(tǒng)的采集成功率不能得到有效保證，加上現(xiàn)場環(huán)境影響帶來的施工問題等，在很大程度上制約了電能管理服務(wù)系統(tǒng)的全面推廣和應(yīng)用。

本文提出了一種利用多種通信技術(shù)混合組網(wǎng)構(gòu)建用戶電能管理服務(wù)系統(tǒng)的解決方案，將多種有線和無線通訊技術(shù)運用在電能管理服務(wù)系統(tǒng)中，克服了以往單一通信技術(shù)帶來的可靠性不高、實時性不強的問題。可根據(jù)企業(yè)的應(yīng)用需求、現(xiàn)場環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)配置情況靈活選擇組網(wǎng)方式，提高數(shù)據(jù)采集成功率和實時性，降低設(shè)備投資。對企業(yè)電能節(jié)約及優(yōu)化有著重要意義，具有較高的推廣價值。

1 電能管理服務(wù)系統(tǒng)通信方式研究

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

電能管理服務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為3層，分別是，現(xiàn)場終端采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理中心層。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能用電管理云服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

電能管理服務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由兩大通道組成：①布置在企業(yè)的數(shù)據(jù)集中器與系統(tǒng)主站之間的實時雙向通信，即遠程通信網(wǎng)絡(luò)；②企業(yè)內(nèi)部各監(jiān)測點與數(shù)據(jù)集中器的通信網(wǎng)絡(luò)，即下層網(wǎng)絡(luò)或者本地網(wǎng)絡(luò)。

1.2 本地網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式

系統(tǒng)本地組網(wǎng)方式主要是指現(xiàn)場采集設(shè)備與數(shù)據(jù)集中器之間的通信，屬于電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下層網(wǎng)絡(luò)。對這一級網(wǎng)絡(luò)的要求是：實時性；兼容性；可擴展性。內(nèi)部接入新的采集設(shè)備或第三方設(shè)備接入時能自動感知，系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)需要擴展。

常用的本地組網(wǎng)有線通信方式有 RS485、電力載波；無線方式中主要介紹Zigbee技術(shù)的應(yīng)用。

1）電力載波通信

通信電力線載波通信是以電力線作為傳輸媒介，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。其最大特點是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進行數(shù)據(jù)傳遞。低壓載波技術(shù)在智能家居、智能小區(qū)、路燈控制、遠程集中抄表系統(tǒng)等領(lǐng)域都得到快速發(fā)展。但是載波通信有其局限性：電力線信號干擾大、信號衰減快，可靠性不高；載波受變壓器阻隔，通信距離受限，因此在實際應(yīng)用中往往需要采取另外措施以克服上述缺點和不足，從而限制了電力載波方式的應(yīng)用。

2）RS485總線通信

RS485總線通信組網(wǎng)是采用RS485數(shù)據(jù)線作為采集設(shè)備與數(shù)據(jù)集中器的通信信道。485是一種異步半雙工總線通信標(biāo)準(zhǔn)。只需兩根線便可實現(xiàn) 雙向通信，可以很方便地構(gòu)成一點對多點或多點之間的相互通信網(wǎng)絡(luò)，具有通信可靠性高，實時性強，通信距離遠等優(yōu)點，是當(dāng)前測量儀表所廣泛支持的一種通信方式。但是485通信也存在布線工程量大、信道易損壞、故障排除困難、恢復(fù)慢、信道維護工作量大等不足。

3）無線組網(wǎng)Zigbee通信

Zigbee具有低成本、近距離、低功耗、自組網(wǎng)、自愈、抗干擾強等特點，被廣泛的應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的各種數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中，是一種很好的短距離通信方式。這種方式最大的優(yōu)點是不需拉設(shè)專用通信線，利用無線電波進行通信，減少投資便于安裝，將這種技術(shù)應(yīng)用于電能管理系統(tǒng)中，構(gòu)建基于Zigbee通信技術(shù)的配電信息采集系統(tǒng)是一種發(fā)展趨勢[3-4]。

表1 本地通信方式分析表

電能管理云服務(wù)系統(tǒng)中，配置在數(shù)據(jù)集中器中的Zigbee模塊可看成是Zigbee主協(xié)調(diào)節(jié)點，配置在數(shù)據(jù)采集器上的 Zigbee模塊可看成是 Zigbee子節(jié)點，子節(jié)點通過ZigBee無線電波可將數(shù)據(jù)直接傳送到主協(xié)調(diào)節(jié)點，也可在信號覆蓋范圍內(nèi)作為路由節(jié)點，建立孤立節(jié)點與上級路由節(jié)點或主協(xié)調(diào)節(jié)點之間的信息中轉(zhuǎn)通道。眾多的子節(jié)點和主協(xié)調(diào)節(jié)點構(gòu)成一個Zigbee本地通信子網(wǎng)。這種組網(wǎng)方式適用于數(shù)據(jù)監(jiān)測點較多，位置分散，對數(shù)據(jù)實時性要求不高的情況下，特別是安裝難度較大的企業(yè)廠房車間、樓層等，尤其是布線困難的改造項目中。

1.3 遠程網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式

電能管理服務(wù)系統(tǒng)的遠程上行網(wǎng)絡(luò)主要是數(shù)據(jù)集中器與系統(tǒng)主站服務(wù)器之間的聯(lián)網(wǎng)，能夠支持以太網(wǎng)通信和GPRS無線公網(wǎng)通信兩種信道。上行通信采用模塊方式，以太網(wǎng)和GPRS無線公網(wǎng)通信模塊都集成在數(shù)據(jù)集中器中，視現(xiàn)場環(huán)境可互相替換。

1）以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是當(dāng)前局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其中采用光纖專網(wǎng)的以太網(wǎng)通信技術(shù)以其大容量傳輸和超低損耗成為國家信息高速公路的主要傳輸手段，也是電力企業(yè)用電信息采集系統(tǒng)的首選通信方式，但是投資巨大，對于市場第三方為電力用戶提供電能管理系統(tǒng)服務(wù)并不適合。

如果將具備以太網(wǎng)接口的數(shù)據(jù)集中器接入企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)集中器從現(xiàn)場采集器中獲取的數(shù)據(jù)即可通過內(nèi)部網(wǎng)關(guān)連接到外部Internet上，再經(jīng)由Internet將數(shù)據(jù)傳輸給電能管理服務(wù)系統(tǒng)的主站服務(wù)器。企業(yè)用電數(shù)據(jù)只需從遠程服務(wù)器中獲取，采用的傳輸介質(zhì)可以是光纖，或者是雙絞線。適用于數(shù)據(jù)流量較大，傳輸實時性和可靠性要求較高，內(nèi)部已經(jīng)建設(shè)局域網(wǎng)的用戶。

2）無線公網(wǎng)GPRS/CDMA

無線公網(wǎng)通信指移動運營商所提供的公共網(wǎng)絡(luò)方式，包括CDMA、GPRS等方式，是一種基于GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)）、CDMA（碼分多址）的無線通信技術(shù)，可以利用短消息實現(xiàn)電能監(jiān)控。具有實時在線、登陸快捷、通信穩(wěn)定、按量收費、高速傳輸?shù)葍?yōu)點。由于其投資少、接入速度快、調(diào)試維護簡單，越來越為電力市場所看好[5-6]，特別是內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議的GPRS/CDMA通信模塊的工業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)趨向成熟，可以用于Internet連接。將其應(yīng)用在電能管理服務(wù)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的設(shè)計、施工和維護都大大簡化。適用于數(shù)據(jù)流量小且穩(wěn)定、實時性要求不是很高、現(xiàn)場不具備有線網(wǎng)絡(luò)但是無線公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋完整的環(huán)境。但系統(tǒng)也有依賴性強、系統(tǒng)安全性不高等缺點。

表2是兩種遠程通信方式的對比分析。

表2 遠程通信方式分析表

2 混合組網(wǎng)方案設(shè)計

系統(tǒng)組網(wǎng)方式的設(shè)計原則是：傳輸可靠、覆蓋面廣、投資經(jīng)濟、施工簡單、維護方便。下面從兩個工程案例的組網(wǎng)方案設(shè)計進行說明：

2.1 案例1

某生產(chǎn)企業(yè)需要構(gòu)建電能管理系統(tǒng)，企業(yè)的基本情況是：內(nèi)部局域網(wǎng)只局限在辦公樓，配電房和車間內(nèi)都無網(wǎng)絡(luò)接口；企業(yè)的高低配電房獨立在廠房外。

1）遠程網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式。由于企業(yè)的配電站和車間廠房無有線網(wǎng)絡(luò)，但是無線GPRS信號良好，故遠程網(wǎng)絡(luò)采用GPRS組網(wǎng)方式。

2）本地網(wǎng)絡(luò)的選取需結(jié)合實際情況采用混合組網(wǎng)：

（1）車間面積大、監(jiān)測設(shè)備分散。采用485總線組網(wǎng)布線困難，較好的解決的方案是采用 Zigbee專用無線通信子網(wǎng)，選用帶有Zigbee子模塊的數(shù)據(jù)采集器和帶有Zigbee路由節(jié)點的數(shù)據(jù)集中器，組建成小型Zigbee局域網(wǎng)。

（2）配電房的變壓器和出線監(jiān)測點較為集中，可利用電纜溝敷設(shè)通信線，故采用485總線構(gòu)建本地網(wǎng)絡(luò)。

通過上述分析，構(gòu)建的電能管理服務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計案例1

按照此方案構(gòu)建的電能管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過6個月的運行，系統(tǒng)通信運行穩(wěn)定，整體采集成功率得到了很好的保障，日采集成功率最高達到了99.75%，最低97.5%，平均采集成功率為98.6%。

2.2 案例2

該企業(yè)的基本情況是，廠區(qū)內(nèi)正在進行內(nèi)部局域網(wǎng)的升級改造，且高低配電房布置在車間內(nèi)。

1）可利用企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)改造的機會，將網(wǎng)絡(luò)接口布置到配電房車間中，電能管理系統(tǒng)的遠程網(wǎng)絡(luò)可采用以太網(wǎng)方式。

2）由于配電房與車間位置集中，就地網(wǎng)絡(luò)可全部采用Zigbee方式。系統(tǒng)的組網(wǎng)示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計案例2

此系統(tǒng)上線運行3個月以來，雖然受制于Zigbee通信技術(shù)的缺陷，在遇到一些障礙物阻擋時，網(wǎng)絡(luò)通信會受到一定程度的影響，但是系統(tǒng)的平均采集成功率還是達到了97.5%，滿足了企業(yè)開展日常電能管理的需要。以上兩個應(yīng)用案例充分說明了混合組網(wǎng)方式在保障數(shù)據(jù)可靠、實時傳輸方面的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

通信方案的選擇和應(yīng)用是電能管理服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)中的難點，直接決定著系統(tǒng)建設(shè)的成敗，本文通過對常用的本地通信方案和遠程通信方案的分析比較，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境，分別提出了針對不同環(huán)境的系統(tǒng)通信應(yīng)用方案，為系統(tǒng)的建設(shè)提供參考和指導(dǎo)意義。

[1] 王廣輝.中國智能用電的實踐與未來展望[J].中國電力,2012, 1.

[2] 饒威,丁堅勇.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].華中電力, 2011, 2.

[3] 肖文,黃虎成.Zigbee技術(shù)在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2010, 13.

[4] 談加西,樂秀璠,基于Zigbee的電力參數(shù)無線測量[J].電力系統(tǒng)通信, 2010, 1.

[5] 李蔚.電網(wǎng)調(diào)度自動 GPRS技術(shù)研究及應(yīng)用[J].電站系統(tǒng)工程, 2012, 1.

[6] 夏敏.基于GPRS的遠程電能計量裝置檢測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].電氣技術(shù), 2011, 7.