智能費控電能表光纖通信單元的研制及應用

董永樂，李 軒，王坤涵，吳佳偉

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.國家電網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，呼和浩特 010010；3.波特蘭州立大學，美國 波特蘭 97201）

0 引言

內蒙古電力（集團）有限責任公司“十三五”發展規劃要求進一步推進智能電網高級量測體系建設，助推通信技術與計量技術深度融合，促進電能計量新技術的應用，以多樣化的數據采集、傳輸方式提高用戶遠程抄表、繳費成功率，提升客戶服務質量[1-5]。本文針對現有采集模式存在的不足，以光纖高速數據傳輸為目標，研發智能費控電能表光纖通信單元，探索“互聯網+智能量測”的先進模式[6-14]。

1 智能費控電能表光纖通信單元結構及工作原理

1.1 光纖通信單元結構

光纖通信單元外形尺寸為111.9 mm（長）×96.2 mm（寬）×61.4 mm（高），內部結構見圖1。智能費控電能表光纖通信單元從電能表進線火線和零線上取電，再通過電源模塊（型號：AP05N05-Zero）轉變為12 V/5 W，作為模塊正常工作所需電源；單元與電能表電路僅通過通信端口連接，并聯到電能表進線段，不參與負載回路，不影響電能表計量準確度。智能費控電能表光纖通信單元主控芯片遵循DL/T 645—2007《通信規約協議》[15]，通過電能表通信接口、光纖接口處理器，將數據信息傳輸到系統主站，從而實現光纖抄表。

圖1 智能費控電能表光纖通信單元結構

1.2 光電轉換器

智能費控電能表光纖通信單元光電轉換器可以實現電信號和光信號的雙向轉換。光電轉換器基于HI5663H芯片實現光電轉換，HI5663H長期工作結溫最低值-30℃，最高值105℃，短期結溫最高值125℃（任何條件下芯片結溫都不能高于該數值，否則會引起芯片物理損傷）。

1.3 技術路線

智能費控電能表光纖通信單元從串行通信接口讀取上報信息，再將此信息轉換為以太網格式，通過光纖通道直接回傳到控制中心服務器。

1.4 測試原理

1.4.1 發送光功率

1.4.1.1 軟件命令

將Slope、offset和AD值轉換為真實數單位值uW和dbm，寫入slope、offset和讀取AD值的接口命令，自動測試系統抓取監控值的接口命令。

1.4.1.2 工作原理

通過命令調節APCSET_DAC和AUTO_ER_CTRL值，調試到最佳光眼圖，記錄當前APCSET_DAC。調節APCSET_DAC，用光功率計讀出不同Tx_PWR值，用命令行讀出對應的AD值，代入計算公式計算出slope和offset，用命令行寫入這兩個數值，比對光功率計讀值和命令行讀出的發送光功率是否在誤差范圍內。如果正常，再將APCSET_DAC改回APC_DACO。

1.4.2 接收光功率

1.4.2.1 軟件命令

將RX_PWR（slope C2，C1，offset C0）或RX_PWR4、RX_PWR3、RX_PWR2、RX_PWR1、RX_PWR0和AD值轉換為真實單位uW和dbm，寫入RX_PWR4、RX_PWR3、RX_PWR2、RX_PWR1、RX_PWR0和讀取AD值的接口命令，自動測試系統抓取監控值的接口命令。

1.4.2.2 工作原理

將光功率計接在RX方向末端（DUT處），誤碼儀發碼型調節可調光衰，記錄不同光衰值和對應的接收光功率值RX_PWR（主要補償線損和插損，毎個組網環境只需測1次）；然后去除光功率計，RX方向末端接DUT，調節可調光衰（之前記錄的至少5組值），讀取相應AD值，將AD值和相應RX_PWR值代入公式，計算出RX_PWR（slope C2，slope C1，off?set C0）或RX_PWR4、RX_PWR3、RX_PWR2、RX_PWR1、RX_PWR0，并用命令寫入。調節光衰，比對不同光衰值對應RX_PWR和命令行讀出的接收光功率是否在誤差范圍內。

1.5 散熱措施

1.5.1 設置通風口

通風口位置對準發熱器件，通過殼內外空氣對流將熱量傳到周圍空氣中。為了提高對流散熱效果，通風口進出口開在溫差最大兩處，位置一選擇在外置殼下方，位置二選擇在熱源HI5663H上方。冷空氣從外置殼下方進入，從HI5663H芯片上方流出，空氣流動帶走熱量，達到降溫目的。

1.5.2 設置散熱孔

通過設置散熱孔，使電路工作時產生的熱量能通過孔迅速傳至背面設置的銅箔散發掉。

2 新型電能信息采集傳輸與管理系統

2.1 系統實物結構

確定智能費控網絡電能表光纖通信單元的技術指標后，研發了智能費控網絡電能表光纖通信單元實物樣品（如圖2所示）。該光纖通信單元既能實現光纖抄表，又能實現家庭內任意電力插座自由上網。

圖2 智能費控網絡光纖通信單元實物樣品

2.2 系統功能特點

基于智能費控網絡電能表光纖通信單元可以構建新型電能信息采集、傳輸與管理系統。與傳統智能電能表采集架構方案相比，新式數據采集架構方案增加了光纖接入與光電轉換模塊、千兆以太網交換機模塊、高速電力線載波數據模塊和相關接口模塊。新式數據采集思路是通過光電轉換器將光信號轉變為可處理的電信號，經過以太網交換機模塊將一路以太網變為兩路以太網。一路光信號通過串口模塊進行采集數據交互，將數據通過光纖通信單元光纖傳輸到系統主站。另一路光信號通過高速電力線載波數據模塊轉變為電信號，經過入戶電力線進入家中，用戶可在家庭內任意220 V/380 V電力插座上網，新型系統結構示意圖見圖3。

圖3 新型電能信息采集傳輸與管理系統結示意圖

新型電能信息采集傳輸與管理系統核心功能架構（見圖4）由資源配置中心、采集任務負載調度、電能表智能發現模塊、電能表統一管理中心、實時檢測系統、數據規約協議、異常處理模塊組成，支撐電能信息采集、傳輸與管理系統高并發可視化的數據采集存儲任務。

圖4 新型電能信息采集、傳輸與管理系統核心功能架構

數據前置機由數據實時分布式采集、資源協調服務中心、數據存儲三層架構組成。數據實時分布式采集配置項負責新型電能信息采集、傳輸與管理系統按照DL/T 645—2007規約[15]進行數據信息實時交互。資源協調服務中心配置項負責新型系統統一配置和管理，調控服務終端，實現負載均衡功能，保證電力數據信息采集正常高效運行。數據存儲配置項負責匯總、同步、分析及處理電力數據。

3 現場應用數據分析

3.1 現場試掛項目

為測試智能費控電能表光纖通信單元現場實際運行情況，選擇某市供電局一個臺區進行了現場應用測試。現場測試期間，利用智能費控電能表光纖通信單元開展了數據召測和費控功能測試項目，如表1所示。數據召測共計28項，其中實時不加密數據12項、實時加密數據14項、日凍結數據2項。

表1 智能費控電能表光纖通信單元數據召測測試項目

費控功能測試預付費任務數據共計7項，分別為遠程開戶、遠程充值、結算日設置、電價設置、計費模式、階梯電量、保電模式。

3.2 現場應用結果分析

經過一個月的現場應用測試（測試中剔除因網絡波動與系統未優化發生的異常情況），智能費控網絡光纖通信模塊抄收率達到100%，數據準確率100%，系統整體運行穩定、狀態良好。測試結果表明，智能費控電能表光纖通信單元在電能計量、光纖抄表等方面技術性能優良，滿足國家電力行業、通信運營商相關技術標準的要求。

現場居民臺區實際應用時，公變終端與居民表之間主要通過低壓窄帶載波、HPLC模塊完成數據采集。為更好地體現智能費控電能表光纖通信單元的優越性，將光纖通信與低壓窄帶載波模塊、HPLC模塊傳輸數據耗時進行對比，如表2所示。

表2 不同通信方式傳輸數據耗時對比

從表2可看出，與其他通信方式相比，智能費控電能表光纖通信單元大大提高了數據通信速率，與低壓窄帶載波模塊相比至少提高80%，與HPLC模塊相比至少提高50%。另外，智能費控電能表光纖通信單元還能降低對現有用電信息采集設備的依賴和維護，便于采集海量的電力營銷大數據，實現用戶電力需求分析和臺區負荷預測，利用人工智能算法，直觀、量化地反映電力消費市場的當前狀態和發展趨勢，為電力公司進行電力資源調度、需求側管理等提供輔助決策參考。

4 結語

本文研發的智能費控電能表光纖通信單元是在不改變原電能表的計量功能和外觀的前提下，基于光纖傳輸的用電信息采集與上傳和運營商光纖寬帶接入功能的模塊。該光纖通信單元充分利用運營商鋪設的光纖城域網進行抄表信息傳輸，提高了抄表成功率以及通信速率，并降低了對現有用電信息采集設備的依賴和維護。除此之外，基于該智能費控電能表光纖通信單元搭建的電能量信息采集與監控平臺大大提高了信息數據采集的實時性、充分性和全面性，為構建用電信息大數據統計打下良好基礎。智能費控電能表光纖通信單元通信方式的優越性，使其具有很高的推廣應用價值。