寬帶載波智能電表的設計理論

馬樹良

（黑龍江龍電電氣有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090）

0 引 言

近年來，西方發達國家，如美國，提出了組建智能電網的想法。智能電網由于具備較強的安全性、交互性、經濟性、高效性及較高的市場化程度等特點，受到了社會的普遍認可。2010年，我國構建了智能電網理念，由國家電網公司、南方電網等相繼提出相應的政策和規劃。國家電網提出的智能計量系統，可實現需求響應、信息交互及能效評估，為智能電網建設提供了方向。智能電表是智能電網的重要組成，能夠用于發電、輸電等環節。

1 智能用電系統分析

智能用電是以信息化技術、價格杠桿，通過調動用戶參與需方響應互動策略，進一步實現電力系統的理想化狀態。電力系統包括計量主站、遠程通信、現場終端及電力用戶。其中，智能用電系統主站是由電力業務應用、信息收集、數據管理支持及前置通信構成的；遠程信道是主站與終端的銜接，其上部用于傳送采集終端，收集用戶電能信息，而下部用于下發抄命令、遠程計量等。由于考慮到智能電網營銷業務拓展以及用電用戶的參與需求，可以利用遠程信道向用戶推行梯形電價，多次結算，有序用電在線監測，以確保用電安全。近年來，常采用的通信遠程信道包括無線紅網、光纖專網、中央電力線以及載波網絡等。由于不同地區經濟發展水平不同，且不同區域智能用電系統對遠程信道進行靈活配置，強化信息建設，因此現場終端包括智能電表、傳感器及智能開關等。智能電表是自動測量體系的計量設施，設計過程中需要遵循三個原則。首先，需要接入分布式電源。其次，考慮通信信道的實際承受能力。最后，能夠實現用戶便捷互動。智能電表的功能包括預付費數據的儲存、時間記錄、能效計量、時段管理及雙向通信等[1]。

2 寬帶電力線載波技術

目前，寬帶電力線載波技術實際上是將載波信號加載到1～30 MHz的調制頻段信號，能夠使用多載波正交頻分復用技術在電力線上進行信息的傳遞以及數據采集；利用OFDM技術，實際上是Homeplug Green Phy協議對智能電網的應用需求，可提出耗電量低、成本低的方案。在物理層面，該協議規定了信號的具體工作頻段范圍為1～30 MHz，共有1155個多載波正交頻分復用，子載波采用了QPSK的調制方法，子載波間隔為24 kHz。將寬帶電力線載波通信單元用于集抄系統中，可解決通信單元抗干擾能力差、能量消耗高及組網實時性差等問題。目前，國內的載波集抄系統采用的是窄帶載波產品，由于處于不同的地理位置，其方案解決存在一定差異，使各集抄臺區運行效果不同。為體現利用寬帶載波產品的技術優勢，選取了國內比較典型的窄帶載波產品進行數據比較，寬帶和窄帶的載波產品參數比較如表1所示[2]。

表1 寬帶和窄帶的載波產品參數比較表

由表1可知，寬窄帶載波產品的最大通信速率可以相差6 000多倍。此外，窄帶載波通信速率屬于普通抄表，具有較差的實時性，無法為用戶帶來高速業務體驗，而基于Homeplug Green Phy協議的寬帶載波產品則能夠有效克服這一問題。

3 寬帶電力線載波技術的應用分析

智能電表中，為檢驗寬帶電力線載波技術的應用優勢，以某供電局應用農網用電信息采集系統為例。該系統存在5個不同的集抄臺區，共涉及652戶居民，對其進行窄帶載波情況分析，并制定了有效的改造方案。主站采用集中式，遠程信道采用GPRS/CDMA無線公網，其改造方案如表2所示。

表2 改造方案

所調查的5個集抄臺區最初使用的頻率為421 kHz的窄帶載波方案，這些居民用戶采用是國家電網要求的單相智能電能表，利用的是全載波集抄方式，其中規模較大的臺區進行一次集中短抄，統計時間為將近1 h，且成功率在90%以下。為提高集抄的成功率，縮短信息采集所需的時間，需要對5個集抄臺區的智能電表和集中器進行改造，將原始的通信模塊換為寬帶載波產品。圖1為某供電局應用農網用電信息采集系統改造方案。

圖1 某供電局應用農網用電信息采集系統改造方案

經過改造后發現，各臺區居民用戶的電能表檔案導入了集中器以及寬帶載波測試軟件[3]。通過該軟件能夠對5個臺區電能表的情況進行統計。改造中，對供電距離最遠的測試情況以及線路衰減情況最為惡劣的A村進行分析，發現當A村的集中器進行上電后，其所在區域的170塊電能表全部上線，其組網時間為4 min；查看當前所在線的電能表的拓撲結構發現，寬帶載波集中器本地通信單元含有三個載波集抄主節點，且同時分布在A、B、C三個相中；每一個載波集抄主節點能夠容納253個載波集抄，節點分布在相應的終端設備中，分別用不同的顏色表示載波集抄主節點的物理地址、集中器電能表位置及普通電能表地址；寬帶載波模塊能夠具備組網自遍歷中繼轉發功能，能夠自動形成拓撲結構，且具有路由記憶，可達到16級的中繼深度。該區域的集抄臺區能夠形成五級中繼深度。通過運行寬帶載波測試管理軟件發現，啟動上位機集中器載波路時，將A村的電能表下發到遠程集中集抄表中，以完成第一輪的集抄。該結果表明，A區集中器共計170塊電能表，利用有功電能表完成抄數這一過程所需要的時間為3 s，且成功率達100%，具有良好的運行效果。此外，還對5個集抄臺區同期運行數據進行調查。結果均表明，利用寬帶載波遠程集抄，不僅能提升信息的采集率，可以達到98%的成功率，而且能夠減少信息采集過程中的時間消耗，可將臺區表計輪抄限制在秒，減輕了人員的勞動強度。同時，利用寬帶載波遠程集抄系統可實現數據的高效傳輸，能夠幫助供電營銷區進行準確的市場分析，并制定科學合理的用電方案。

根據寬帶載波結構特點以及國家電網的相關要求，智能電能表通信系統由主站、光線路終端、光分配網絡、光網絡電源以及智能用戶終端構成。其通信系統的工作原理是：下行方向由主站將數據運用一定格式的可變長度數據包廣播傳輸給相應的光分配網絡，每個攜帶有傳輸目的地的光網絡單元標識符的信頭數據到達光網絡單元的同時，會有光網絡單元的媒體訪問控制層進行地址解析，獲取自身數據包，并丟棄無意義的數據包；在上行方向，各個光網絡單元數據幀采用突發方式和時分復用技術，通過信息共享信道使信息傳輸能夠讓各光網絡單元在光線路終端分配到不同時隙中，將數據幀組成一個時分復用信息源，并傳送到指定的光線路終端中。對于智能電能表光通信模塊的設計，可以通過RS232C串口與電能表進行互通，使用Homeplug Green Phy協議與電能表進行通信，通過TCP/IP與寬帶接口進行連接。光通信模塊能夠作為一種協議轉換模塊電動機被裝置，采用的是光儀表公司生產的單相費控電能表，遵循Homeplug Green Phy協議。對于嵌入式開發環境，采用的芯片型號為QCA8829。該芯片是以寬帶載波有線電纜數據作為服務接口，具有較低的成本、較小的體積及較強的實用性，是寬帶載波智能電能表通信模塊嵌入式芯片的首選。

4 結 論

本文闡述了基于Homeplug Green Phy協議的寬帶電力線載波技術，并將該技術運用于智能電表遠程集抄過程，通過實例分析了該技術的運行效果。結果發現，利用該技術能夠實現遠程集抄的實時性，提升信息采集的成功率，并不斷滿足用戶業務信息互動以及智能用電營銷體系的需求。此外，在智能電表中引入寬帶電力線載波技術能夠為智能家居、工業物聯等不斷推進寬帶載波技術應用提供經驗借鑒。