王亮 袁玉湘 于坤山 姜學平

【摘要】配電網能效管理及互動節(jié)電管理系統(tǒng)是當前智能電網建設的重點，本文依據(jù)中國智能電網建設實際，提出適合中國國情的智能用電體系架構，它基于物聯(lián)網和云計算關鍵支撐技術，應用于智能小區(qū)、智能樓宇和智能園區(qū)的典型實踐。同時本文對其中的通信方式做了重點闡述，并且得出了適用于各個環(huán)節(jié)的通信方式的結論。

【關鍵詞】智能電網;配電網能效管理;電力物聯(lián)網通信

1.引言

配電網能效及互動節(jié)電綜合管理系統(tǒng)，是基于用電環(huán)節(jié)與配電環(huán)節(jié)的信息集成，通過物聯(lián)網能效需求響應終端、通訊網絡、網絡計量采集設備、智能傳感控制管理設備等構建供電企業(yè)和電力用戶之間準實時、雙向互動信息共享平臺，從而提高電網需求和用戶需求的智能化互動水平、能源利用效率和最大發(fā)揮電力設備使用效率，提升供電企業(yè)市場營銷管理水平、服務品質和用戶側自動需求響應管理水平，擴大電力市場、促進節(jié)能減排、提高配電網經濟運行。

2.配電網能效管理及互動節(jié)電管理系統(tǒng)架構

配電網能效管理系統(tǒng)由于規(guī)模大，結構復雜，設計的設備節(jié)點數(shù)量多，信息流大且分散。為了便于管理，我們設計了層次化為七層的能效管理及互動節(jié)電管理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 配電網能效管理及互動節(jié)電管理系統(tǒng)架構圖

從上圖看到配用電網架復雜、節(jié)電數(shù)量多而分散、業(yè)務種類復雜。為了達到配用電測高效、安全、準實時雙向的通信支撐，需要詳細研究適用于電力通信領域的通信方案。

3.電力物聯(lián)網有線通信方式介紹：

3.1 以太網結合光纖EPON技術

無源光網絡（PON）的概念提出較早，它可以節(jié)省光纖資源、對網絡協(xié)議透明，在光接入網絡中扮演著重要的角色。同時，以太網技術經過多年發(fā)展，靠其簡便實用、價格低廉的特性，統(tǒng)治了局域網，事實上是承載IP數(shù)據(jù)包的最佳載體。隨著IP業(yè)務在城際和骨干網傳輸中所占的比例不斷加大，以太網也在通過傳輸速率、可管理性等方面的改進，逐漸向接入網、城域網甚至骨干網上滲透。而EPON是以太網與PON的結合（ethernet passive optical network，基于以太網的無源光纖網絡），它具備了以太網和PON的優(yōu)點，正成為光接入網領域的熱門。

基于EPON的無源串行模式采用單纖波分復用技術（下行1490nm，上行1310nm），僅需一個OLT（光線路終端）和一根主干光纖，傳輸距離可達20公里。在ONU（光網絡單元）側通過多級光分路分給最多為64個用戶，可大大降低OLT和主干光纖的成本壓力。典型方案如圖2所示。

圖2 配網EPON典型方案圖

我國中壓配電網大部分采用多分段、開環(huán)運行的放射形接線方式供電，該接線方式和EPON的服務架構最為接近。因此，智能配電網通信組網技術選用EPON作為通信技術支撐將是最合理可靠的。

針對智能配、用電系統(tǒng)的特殊應用環(huán)境和特殊應用要求.國內展開對下一代PON的研究.解決高性能電磁兼容和大容量數(shù)據(jù)轉發(fā)延時的難題.以適應智能配、用電系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展。對下一代PON技術中的芯片級控制策略（如多點控制協(xié)議MPMC、動態(tài)帶寬分配DBA、前向編碼糾錯FEC、大容量數(shù)據(jù)低延時轉發(fā)等技術）、協(xié)議級管理策略（如多協(xié)議優(yōu)先級QoS、VLAN等技術）以及針對智能電力配、用電系統(tǒng)的應用級（如電磁加固、抗干擾等技術）均進行深入研究。

3.2 RS485通信技術

RS485通訊有二線制和四線制兩種，四線制屬于全雙工的通訊方式，但是也只能進行點對點的傳輸，所以其使用也逐漸減少，如今工業(yè)組網使用最普遍的即為二線制半雙工RS485通訊。

RS485通訊組網采用的是主從結構的總線模式。即使用一條總線，將一定數(shù)量的具有RS485通訊功能的設備連接起來，在同一條通訊總線中只有一個主站，其他均為從站，每個從站在組網時已設置好通訊地址。在同一總線中的設備使用相同的通訊協(xié)議，現(xiàn)使用最普遍的為MODBUS協(xié)議。在每一個通訊過程中，先由主站以廣播的形式下發(fā)命令數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀通過通訊總線傳到每個從站，從站在接收數(shù)據(jù)后首先查看數(shù)據(jù)幀中地址位，只有地址位符合的從站才會對控制指令進行回應。理論上，通信速率在100Kbps及以下時，RS485的最長傳輸距離可達1200米，但在實際應用中傳輸?shù)木嚯x也因芯片及電纜的傳輸特性而所差異。在傳輸過程中可以采用增加中繼的方法對信號進行放大，最多可以加八個中繼，也就是說理論上RS485的最大傳輸距離可以達到10.8公里。如果真需要長距離傳輸，可以采用光纖為傳播介質，收發(fā)兩端各加一個光電轉換器，多模光纖的傳輸距離是1公里以內，而采用單模光纖可達50公里的傳播距離。

由此可看出，要成功完成RS485通訊的布網，需要同時注意硬件上的網路線路的連接和軟件上的通訊協(xié)議兩個方面。在硬件連接上需注意連接的穩(wěn)定性，采用抗干擾能力強的布線方式，布線采用具有屏蔽層的雙絞線，并保證總線阻抗的連續(xù)性，同時在通訊終端進行阻抗的匹配，以吸收總線終端反射的干擾信號。在軟件程序的設計上采用標準的MODBUS協(xié)議，以兼容市場上大部分的使用RS485通訊的設備。

RS485總線不應采用星形或環(huán)形連接，最佳的接線方式為手拉手式連接，如圖3所示：

圖3 RS485手拉手連接圖

3.3 PLC通信技術

電力線載波技術簡稱PLC技術，是英文Power line Communication的簡稱。電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通訊是指利用現(xiàn)有電力線，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，最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線，就能進行數(shù)據(jù)傳遞，利用1.6～30MHz，頻帶范圍在電力線路上傳輸信號。在發(fā)送時，利用GMSK或OFDM調制技術將用戶數(shù)據(jù)進行調制、線路耦合，然后在電力線上進行傳輸.在接收端，先經過耦合、濾波，將調制信號從電力線路上濾出，再經過解調，還原成原信號，如圖4所示。目前可達到的通信速率依具體設備不同在4.5～45MB/s之間。

圖4 PLC通信結構圖

另外，電力線載波通訊因為有以下缺點，導致電力載波技術主要應用-網絡通訊（電力上網）未能大規(guī)模應用：

（1）配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內傳送;

（2）三相電力線間有很大信號損失（10dB-30dB）。通訊距離很近時，不同相間可能會收不到信號。一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸;

（3）不同信號藕合方式對電力載波信號損失不同，藕合方式有線-地藕合和線-中線藕合。線-地藕合方式與線-中線藕合方式相比，電力載波信號少損失十幾dB，但線-地藕合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用;

（4）電力線存在本身因有的脈沖干擾。目前使用的交流電有50HZ和60HZ，則周期為20ms和16.7ms，在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，即電力線上有固定的100HZ或120HZ脈沖干擾，干擾時間約2ms，因此干擾必須加以處理。有一種利用波形過零點的短時間內進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，但由于過零點時間短，實際應用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)代通訊數(shù)據(jù)幀又比較長，所以難以應用;

4.電力物聯(lián)網無線通信方式介紹

4.1 WiFi無線通信技術

WiFi是wireless Fidelity（無線保真），又稱IEEE802.11b標準，最大的優(yōu)點是傳輸速率高，可以達到11mbps。WiFi具有功耗低（發(fā)射功率不超過100mW）、無需布線、寬帶接入、組網靈活等特點，目前在IT產業(yè)中許多終端都配置了WiFi功能，在服務業(yè)各個服務商也為客戶提供了Wi-Fi上網環(huán)境，在電力行業(yè)，隨著光纖和寬帶無線技術的規(guī)?；娏χ械拇蟛糠值貐^(qū)都有了電力通信網的接入，然而在電力通信網末端，由于地理位置、環(huán)境等因素的影響，有些地區(qū)無法實現(xiàn)電力通信網接入，此時WiFi作為該網絡的補充較為合適。WiFi作為傳感網中的一種通信方式，可在智能家庭網絡中發(fā)揮重要的作用，覆蓋范圍可以達到100m，實現(xiàn)各種智能設備的互聯(lián)網接入功能，為用戶提供高速的互聯(lián)網應用解決方案，為智能電網用電服務體系建設提供了高效、可靠的寬帶通信手段。

4.2 ZigBee無線通信技術

ZigBee是一種短距離、低功耗、低成本的無線自組網技術，主要用于組建近距離的無線網絡。ZigBee技術基于IEEE802.15.4標準，在國內工作在2.4GHz頻段下，在歐美工作在868/928MHz頻段下。在2.4～2.485GHz的工作頻段下，ZigBee技術采用QPSK的調制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率達到250Kbps，共有16個通信信道，每個信道提供5MHz的帶寬。在一個ZigBee網絡內，可以支持多達65000個無線通信終端，根據(jù)網絡環(huán)境的差異，各個設備節(jié)點之間的通信距離各不相同，傳輸范圍從10米到100米不等。由于ZigBee協(xié)議的簡單化，網絡對于通信設備要求較低，因此成木很低。ZigBee組網技術的特點及應用場所要求ZigBee終端設備具有簡單、工作穩(wěn)定、成木低廉、能耗少的特點。

ZigBee的組網形式可以快速、簡易、高效地組建，符合通信網絡實時性、可靠性的需求。

4.3 藍牙bluetooth無線通信技術

作為一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，藍牙以低成本的近距離無線連接為基礎，為固定與移動設備通信環(huán)境建立一個特別連接，完成數(shù)據(jù)信息的短程無線傳輸。其實質內容是要建立通用的無線電空中接口（Radio Air Interface）及其控制軟件的公開標準，使通信和計算機進一步結合，使不同廠家生產的便攜式設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能夠在近距離范圍內具有互用、互操作的性能（Interoperability）。藍牙以無線LANs的IEEE802.11標準技術為基礎。藍牙技術有：成本低，功耗低、體積小，近距離通信，安全性好的特點。藍牙在物聯(lián)網發(fā)展中得到一定的應用，有辦公場所，家庭智能家居等環(huán)境。

4.4 GPRS無線通信技術

通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS），使用分組交換模式以及無線接入技術。GPRS 可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，因而價格較貴。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。GPRS技術由于使用流量計費，故不太適合本系統(tǒng)長期使用。

5.各種通信方式對比（見表2）

6.結論

通過表1的對比結果，結合我們的能效管理系統(tǒng)的具體架構，我們可以對各個環(huán)節(jié)的通信環(huán)節(jié)作出如下規(guī)劃：

（1）大物聯(lián)網能效交互終端：由于下轄用電管理節(jié)點不少于100個，用電節(jié)點不少于10000個，并且地域范圍跨度比較大，故建議上行通訊GPRS、或者EPON為組合，本地通訊以WiFi來組網。

（2）智能交互終端、導軌表、分路控制器、網絡斷路器：本地用電節(jié)點不少于100個，需要速度較快的通信速率，考慮到智能園區(qū)和家庭需要的覆蓋范圍，建議上下行通信以WiFi來組網。

（3）采集器、低壓網絡開關智能開關、低壓網絡智能插座等用戶一對一設備：對實時性和數(shù)據(jù)的傳輸速率以及信號越障能力要求較高，建議用WiFi來組網。

參考文獻

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基金項目：2013年國家電網公司總部科技項目支持（編號：SGRI-WD-71-13-011）。

作者簡介：

王亮【通訊作者】（1985—），男，山西人，碩士研究生，現(xiàn)就職于國網智能電網研究院，研究方向：物聯(lián)網技術。

袁玉湘（1979—），男，博士研究生，高級工程師，IEEE會員，現(xiàn)就職于國網智能電網研究院，研究方向：微電子技術。

于坤山（1963—），男，碩士研究生，教授級高級工程師，現(xiàn)就職于國網智能電網研究院，研究方向：電力電子技術。

姜學平（1963—），男，博士研究生，高級工程師，IEEE高級會員，現(xiàn)就職于國網智能電網研究院，研究方向：微電子技術。