基于BPLC的智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用研究

劉 峰

(沈陽(yáng)工程學(xué)院電力學(xué)院，沈陽(yáng)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(lái)，各地供電公司根據(jù)各自的應(yīng)用需求，陸續(xù)開(kāi)展了智能電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)的試點(diǎn)建設(shè)，在負(fù)荷預(yù)測(cè)分析、電費(fèi)結(jié)算、需求側(cè)管理、線損統(tǒng)計(jì)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(diǎn)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(yíng)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(yuǎn)，無(wú)法滿足公司系統(tǒng)各層面、各專(zhuān)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(diǎn)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(yùn)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(shí)的需求［1］。

目前，國(guó)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(wú)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(shí)施(如485布線)，或者是受電力線負(fù)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(diǎn)都是帶寬過(guò)窄、速率過(guò)低、實(shí)時(shí)性差、不能實(shí)現(xiàn)雙向快速通信等，而且已建的系統(tǒng)實(shí)用化程度低，無(wú)法滿足供電公司建設(shè)用電信息一體化采集平臺(tái)的需求，更不能滿足用電預(yù)付費(fèi)、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(méi)有把握進(jìn)行大范圍的推廣應(yīng)用，現(xiàn)在仍以現(xiàn)場(chǎng)人工抄表為主。

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(tái)，能夠滿足線損的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算、供電用戶用電負(fù)荷曲線分析和異常用電情況查詢，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力用戶的遠(yuǎn)程通斷電控制和預(yù)付費(fèi)管理等更高的管理需求，必須升級(jí)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(shí)時(shí)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(jiàn)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(wú)線等。抄表系統(tǒng)的幾種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2所示。

總體來(lái)說(shuō)，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(shí)現(xiàn)性上具有優(yōu)勢(shì)，但在兩者相比來(lái)看，寬帶電力線載波通信方式無(wú)疑具有較高的技術(shù)水平和性能，在速率、可靠性、擴(kuò)展性上的優(yōu)勢(shì)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(yàn)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(hù)與驗(yàn)證，遠(yuǎn)非各種窄帶載波的結(jié)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(jí)時(shí)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(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)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(jí)和性能上都具有優(yōu)勢(shì)。

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

5)基于TCP/IP機(jī)制的寬帶載波，通信性能好、速率快、擴(kuò)展能力強(qiáng)、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(shí)可作為實(shí)現(xiàn)電力營(yíng)銷(xiāo)將來(lái)預(yù)付費(fèi)管理模式的可靠平臺(tái)［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(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換成高頻無(wú)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(guò)效用變壓器進(jìn)入用戶家庭和公司?？梢悦獠季€、低成本地實(shí)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(huì)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(jī)、集中器、主站以及傳輸通道組成。采集器通過(guò)485端口與智能電能表連接，把采集到的電表數(shù)據(jù)通過(guò)耦合環(huán)將信號(hào)耦合/注入電力線，傳輸匯聚至電力線載波交換機(jī)，并通過(guò)交換機(jī)把數(shù)據(jù)匯集到寬帶載波集中器內(nèi)，集中器通過(guò)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(shí)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(duì)比

圖1 組網(wǎng)模式圖

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

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(dá)200 Mbit/s，數(shù)據(jù)傳輸速率高、容量大，噪聲干擾相對(duì)較小，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性相對(duì)較高;可實(shí)現(xiàn)多具表計(jì)的雙向?qū)崟r(shí)并發(fā)采集和遠(yuǎn)程購(gòu)售電管理控制，無(wú)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(tái)區(qū)，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能。

由于電力線本身為供電線路、用電負(fù)荷具有隨機(jī)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(gè)新分支，是基于已經(jīng)過(guò)廣泛驗(yàn)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(hù)與驗(yàn)證，遠(yuǎn)非各種窄帶載波的結(jié)點(diǎn)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(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信前置機(jī)、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(dú)組網(wǎng)，與營(yíng)銷(xiāo)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(jìn)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(shí)現(xiàn)基于GIS的配電監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程抄表一體化管理［5］。

2)通信信道分為遠(yuǎn)程通信信道和本地通信信道。

遠(yuǎn)程通信信道是指系統(tǒng)主站與遠(yuǎn)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(wú)線電力專(zhuān)用信道等。由于光纖信道的高帶寬、高速率和高可靠性，因此，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(tái)區(qū)，覆蓋全部10 kV線路，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(jì)之間的通信信道。

網(wǎng)絡(luò)集中器與采集器之間通過(guò)電力線寬帶通信技術(shù)，形成以電力線為傳輸介質(zhì)的高速I(mǎi)P網(wǎng)絡(luò)。采集器與電能表計(jì)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(chǎng)的終端及計(jì)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(jì)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(jìn)行處理儲(chǔ)存，同時(shí)能和主站或手持設(shè)備進(jìn)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(duì)采集器的數(shù)據(jù)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(yùn)營(yíng)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(duì)用戶電表的集中控制與管理，未來(lái)可通過(guò)電表實(shí)現(xiàn)預(yù)購(gòu)電管理功能。

電力線寬帶載波采集器: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(yuǎn)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(dòng)下載。

2)性能監(jiān)測(cè)。支持設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jí)。支持通信控制及應(yīng)用軟件遠(yuǎn)程升級(jí)，可以采用整體或分模塊升級(jí)，為新應(yīng)用業(yè)務(wù)開(kāi)展提供了簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)方便。

3)基于MAC地址的訪問(wèn)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(duì)敷設(shè)四芯光纖到小區(qū)配電房?jī)?nèi)，在配電房?jī)?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(jī)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(hào)耦合線(采用屏蔽五類(lèi)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(hào)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(guò)485接口與樓內(nèi)的電能表聯(lián)接，并通過(guò)電容耦合或電感耦合方式把采集器的載波信號(hào)加載到380 V主干線路上。為了更好地避開(kāi)載波信號(hào)的衰減點(diǎn)，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?fù)鋱D，如圖3所示。

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

2.7 運(yùn)維情況

某小區(qū)集中器采用自動(dòng)定時(shí)采集數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每小時(shí)采集4次數(shù)據(jù)，單次采集數(shù)據(jù)成功率達(dá)到99%以上。該小區(qū)不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，還集中遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

智能某小區(qū)的成功試點(diǎn)，說(shuō)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(wèn)題，同時(shí)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(xiàng)目為用戶提供更多的服務(wù)，則是今后工作的一個(gè)重點(diǎn)。目前，利用剩余帶寬可以進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)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(kāi)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(guò)多個(gè)電力線頭端設(shè)備對(duì)整個(gè)樓宇進(jìn)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(gè)頭端設(shè)備，普通低層住宅樓每單元門(mén)布設(shè)一個(gè)頭端設(shè)備。這種模式下，無(wú)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(jì)的。用戶端可采用RJ－45或USB接口的電力調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)Internet訪問(wèn)、IP電話、可視電話等業(yè)務(wù)。用戶業(yè)務(wù)通過(guò)電力網(wǎng)絡(luò)匯集到小區(qū)機(jī)房，通過(guò)光纜或微波接入等方式接入到IP骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)再分別對(duì)不同業(yè)務(wù)進(jìn)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(lái)看，可以為用戶實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音視頻等增值服務(wù)，有效解決駐地網(wǎng)收斂用戶，增強(qiáng)其他電信運(yùn)營(yíng)競(jìng)爭(zhēng)力，也可為電力企業(yè)本身實(shí)現(xiàn)新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)提供機(jī)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(yuǎn)程用電管理的雙向通信平臺(tái)，建立用戶與電網(wǎng)之間實(shí)時(shí)、互動(dòng)的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全采集、全覆蓋、全費(fèi)控功能。同時(shí)，創(chuàng)建用電新型電力營(yíng)銷(xiāo)管理模式，能提供其它網(wǎng)絡(luò)增值服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)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。

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