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        配電網能效管理及互動節(jié)電管理系統(tǒng)通信方式研究

        2014-04-29 16:17:40王亮袁玉湘于坤山姜學平
        電子世界 2014年13期
        關鍵詞:智能電網

        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

        [1]楊文軒,何光宇,王偉,萬鈞力,王瓊,李嘉.用戶側能量管理原型系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2012,20(36):

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        [2]曹志剛.智能配用電園區(qū)用戶側雙向互動功能的設計與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,9(37):79-83.

        [3]代家強,孫智卿.基于無線網絡技術的智能家居能量管理系統(tǒng)開發(fā)及需求側管理應用研究[J].陜西電力,2013,41(10):

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        [4]章鹿華,王思彤等.面向智能用電的家庭綜合能源管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電測與儀表,2010,47(9):35-38.

        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。

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