在智能電網用電信息采集系統(tǒng)中的寬帶通信技術

0 引言

按照國家電網公司2009 年發(fā)布的“建設堅強智能電網”規(guī)劃，我國智能電網建設將包含發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度共六個環(huán)節(jié)，具有信息化、數字化、自動化、互動化的技術特征，到2020 年，中國電網的資源配置能力、安全穩(wěn)定水平，電網與電源和用戶之間的互動性得到顯著提高?？梢?，如何有效搭建用戶與電網之間溝通橋梁，提供安全可靠的用電信息采集服務，是實現電網數字化、自動化、互動化的基礎，同時也是電力公司增強電網綜合服務能力，滿足互動營銷需求，提升服務水平的必然要求，可以預見用電信息采集系統(tǒng)將在我國智能電網配用電部分建設中起到至關重要的作用。

用電信息采集系統(tǒng)依托光纖、無線和電力線載波等通信技術構筑的網絡，通過采集器、集中器、智能表計、用戶智能交互終端等設備，在用戶和電網公司之間形成網絡互動和即時連接，從而實現電力、信息、應用數據的高速傳輸和遠程家電控制等功能。相對其它通信技術，寬帶電力線通信技術采用低壓電力線作為傳輸介質，具有線路資源豐 富、傳輸速率高、網絡建設成本低等技術優(yōu)勢，有望在未來用電信息采集系統(tǒng)的網絡建設中發(fā)揮重要的作用。

1 智能電網用電信息采集系統(tǒng)應用現狀

近年來，各地供電公司根據各自的應用需求，也陸續(xù)開展了智能電網用電信息采集系統(tǒng)的試點建設，在負荷預測分析、電費結算、需求側管理、線損統(tǒng)計分析、反竊電分 析及供電質量管理等業(yè)務中取得了一定的效果。然而，調研和分析結果表明：這些僅僅 作為試點建設的智能電網用電信息采集系統(tǒng)規(guī)模小、分散孤立，總體采集覆蓋率低，只占到電網公司經營區(qū)域內電力用戶總數的不到5%，離上述的總體目標還相差甚遠，無法滿足公司系統(tǒng)各層面、各專業(yè)準確掌控電力用戶信息的需求。

究其原因，已經試點建設的智能電網用電信息采集系統(tǒng)之所以沒有進行大規(guī)模的推廣應用，除了受系統(tǒng)規(guī)劃、標準建立、運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據采集系統(tǒng)的通信方式不能滿足現實的需求。

目前，國內現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線的通信方式。這些抄表系 統(tǒng)或者是施工量太大，不方便大范圍實施(如485 布線) ;或者是受電力線負載特性的影響較大，而造成通信信道的不穩(wěn)定不可靠(如窄帶低頻電力線載波) 。而它們的共同弱點都是帶寬過窄、速率過低、實時性差、不能實現雙向快速通信等，因此已建系統(tǒng)的實用化程度低，無法滿足供電公司建設用電信息一體化采集平臺的需求，更不能滿足用 電預付費、斷復電和防竊電等更高層面上的管理需求。因此，大多數供電公司沒有把握進行大范圍的推廣應用，現在仍以現場人工抄表為主。

因此，供電公司要打造適合于各層面、各專業(yè)共享的用電信息一體化采集平臺，能 夠滿足線損的統(tǒng)計與計算、供電用戶用電負荷曲線分析和異常用電情況查詢，實現對電力用戶的遠程通斷電控制和預付費管理等更高的管理需求，就必須升級智能電網用電信息采集系統(tǒng)的通信方式，以確保系統(tǒng)的數據通信是實時的、快速的、可靠的、穩(wěn)定的。而如同其它工商業(yè)用戶信息與控制網絡一樣，網絡寬帶化將是是智能電網用電信息采集系統(tǒng)發(fā)展的必然方向。

2電力線寬帶通信的技術特點

電力線寬帶通信(Broadband Power Line Communication，簡稱BPLC)技術，是以太網技術發(fā)展的分支。它采用先進的OFDM 通信編碼技術，利用覆蓋范圍最為廣泛的電力線作為高速數據通信的載體，可以免布線、低成本地實現用戶的數據終端接入寬帶通信網絡，適應了現代節(jié)約型社會的建設需求。國內寬帶PLC 的應用起始于 1999 年原 國家電力公司的科技項目，并在 2001 年由原國電通信中心組織開始采用BPLC 產品，在北京居民區(qū)進行電力線上網試驗，隨后在北京正式開展電力線上網商業(yè)化試運營，在上海、南京、深圳等各地大中城市，也都相繼出現了推廣電力線上網的企業(yè)，使得全國的電力線上網用戶達到了近十萬戶。

國家電網公司“電力用戶智能電網用電信息采集系統(tǒng)建設領導小組”頒布的建設模式及技術方案研究報告中， 將電力線寬帶載波技術列為居民用戶用電信息采集本地通信的主要通信方式之一，指出“寬帶通信占用頻帶寬，數據傳輸速率高，數據容量大，雙向傳輸，無需另外鋪設通信線路，安裝方便、可以方便地將電力通信網絡延伸到低壓用 戶側，實現對用戶電表的數據采集和控制”，認為“相對窄帶載波通信，寬帶載波安全性更好，通信可靠性更高，這種模式適合用戶電表集中的城市臺區(qū)，能夠通過網絡實現 預付費功能。國家電網公司對該技術的科學評價，將極大地推動基于電力線寬帶通信 ”技術的電力用戶智能電網用電信息采集系統(tǒng)的大規(guī)模推廣應用。

電力線寬帶通信技術充分利用現有的配電網絡線路，無需布線，可以較大程度上節(jié)省網絡建設投資，符合我國建設節(jié)約型社會的宗旨，也是低成本實現用戶終端寬帶網絡 化重要手段之一。因為傳統(tǒng)的以太網建設需要敷設大量的光纖和雙絞線，安裝大量的網 絡交換設備。盡管光纖和雙絞線可靠性高，但施工量太大，而且安裝技術要求高，造成 初裝成本高，目前尚不適宜于電力用戶計量終端網絡的建設。電力線寬帶通信以電力線 為載體，覆蓋范圍廣、無需布線、建設投資小，而且終端連接方便，接入電源就等于接入網絡。因此，利用供電公司 380V/220V 低壓供電網絡，完全可以建立起從局端直達每個低壓用戶的端到端的寬帶通信網絡，既可以為供電公司遠程用電管理的各種應用提供統(tǒng)一的寬帶通信平臺，又可以為其它基于互聯網的社區(qū)、樓宇與家庭的諸多應用提供經濟實惠的寬帶傳輸手段。

3 電力線寬通信在抄表領域與其他通信方式的比較

3.1抄表領域的主要通信方式

在抄表領域，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線等。

(1)RS-485總線。RS-485是一種雙向、半雙工通信的工業(yè)總線標準，允許多個驅動器和接收器掛接在總線上，數據信號采用差分傳輸方式，具有較高共模范圍(-7V至+12V )。其優(yōu)勢在于資源消耗小，易于實現，成本低廉，信號傳輸可靠性高，因此得到了廣泛的應用。但每條RS-485總線上的終端數量有限，多臺設備共存時需要分級轉發(fā)，因此系統(tǒng)安裝調試復雜;因終端共用總線，任何一個節(jié)點故障都會導致總線無法通信，因此故障排查工作量大;RS-485總線的實現需要敷設專用線路，施工量大，容易遭 受外部電磁干擾和人為破壞。

(2)窄帶載波通信方式。低壓窄帶載波通信技術是指載波信號頻率范圍≤500kHz的低 壓電力線載波通信，數據傳輸速率較低。采用這種通信方式時無需另外鋪設通信線路 ，安裝方便、可以方便地將電力通信網絡延伸到低壓用戶側，實現對用戶電表的數據采集和控制，適應性好。因為電力線信道具有信號衰減大、噪聲源多且干擾強、受負 載特性影響大特性，從而降低了低壓窄帶載波通信的可靠性，使其推廣應用遭遇一些 技術障礙，需要在應用時采用軟、硬件技術結合完成組網優(yōu)化。因此低壓窄帶載波通信方式適用于電能表安裝位置分散、布線困難、用電負載特性變化較小的臺區(qū)，例如城鄉(xiāng)公變臺區(qū)供電區(qū)域、別墅區(qū)等。

(3)電力線寬帶通信方式。低壓電力線寬帶通信技術指載波信號頻率范圍>1MHz的低 壓電力線載波通信。低壓電力線寬帶通信占用頻帶寬，數據傳輸速率高，數據容量大，雙向傳輸，無需另外鋪設通信線路，安裝方便、可以方便地將電力通信網絡延伸到 低壓用戶側，實現對用戶電表的數據采集和控制，適應性好。因其采用較高頻率的載波信號，在電力線中信號衰減較快，因此在長距離通信中，可通過在適當條件下加裝中繼方式實現可靠傳輸。電力線寬帶通信所使用的頻段在電力線上干擾較少，通信可靠性更高、更穩(wěn)定，安全性更好，這種模式適合用戶電表集中的城市社區(qū)，能夠通過網絡實現預付費功能。

(4)無線通信方式。無線通信的頻段是工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段微功率，包括433MH z、868MHz(歐洲)、915MHz(美國)和2.4GHz，節(jié)點間的通信方式包括點對點、固定 中繼和自組網等類型。無線通信方式主要包括ZIGBEE、微蜂窩及由這些技術衍生出來 的類ZIGBEE等方式。無線通信的優(yōu)點在于安裝簡便，無需布線，適應性強。但因其標準不統(tǒng)一，實現方式各異，性能參差不齊。除了距離衰減外，建筑物、天氣、空間電磁干擾等外部環(huán)境變化都會對無線通信造成影響，因此無線通信方式在抄表領域的應 用也必須根據現場環(huán)境，采用中繼、轉發(fā)、組網等方式來實現數據的傳輸，使其推廣受到阻礙，更適合于作為其他本地通信方式的補充形式。

3.2 通信方式對比

綜上所述，各種通信方式都各具特點，根據國家電網公司“電力用戶智能電網用電信息采集系統(tǒng)建設領導小組”提供的有關研究報告，抄表系統(tǒng)的幾種通信方式的優(yōu)缺點比較如下：

總體來說，電力線載波方式，包括窄帶和寬帶電力線通信在系統(tǒng)可實現性上具有優(yōu)勢，但在兩者相比較來看，寬帶電力線載波通信方式無疑具有較高的技術水平和性能，在速率、可靠性、擴展性上的優(yōu)勢尤為明顯，其主要理由如下：

1) 寬帶載波作為以太網技術發(fā)展的一個新分支，是基于已經過廣泛驗證的TCP/IP 網絡協議，因而具有完善的鏈路層和網絡層數據保護與驗證，遠非各種窄帶載 波的結點組織和中繼算法可比。

2) 寬帶通信速率高，每個IP 包在毫秒級時間內即完成數據傳輸，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的載波偵聽多路訪問網絡協議(CSMA/CD)迅速重發(fā)，確保數據可靠。

3) 寬帶載波芯片大都基于高性能32 位核心和 DSP 技術制造，在技術等級和性能上都具有優(yōu)勢。

4) 即使是在窄帶載波較有優(yōu)勢的通信距離上，目前的寬帶載波設備也可通過自身已具備的自動路由選址和中繼組網機制，可以更好的滿足端到端的通信解決方案。

5) 基于 TCP/IP 機制的寬帶載波，通信性能高、速率快、穩(wěn)定性安全性高、擴展 能力強，應用于低壓用戶集中抄表的本地通信，可確保抄表數據的通信成功率 和準確率，是實現電力營銷將來預付費管理模式的可靠平臺。

4 基于電力線寬帶通信技術的低壓用戶集中抄表系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)簡介

基于電力線寬帶載波技術的低壓用戶集中抄表系統(tǒng)， 就是把先進的電力線寬帶通信技術(BPLC)和智能化抄表技術相結合，實現電表實時數據采集與寬帶傳輸于一體的新一代低壓用戶集中抄表解決方案。本系統(tǒng)適用于電力用戶集中的城市臺區(qū)，如居民小區(qū)和普通工商業(yè)用戶。所采集的電表類型包括帶有RS485 通訊接口的普通單相、三相電子表。系統(tǒng)的特點是：利用臺變以下的低壓電力線作為通信傳輸介質，采用電力線寬帶通信模塊進行數字信號的調制 和解調，免布線、低成本地實現用戶終端電表的網絡化采集環(huán)境。

4.2 系統(tǒng)架構

基于電力線寬帶載波技術的低壓用戶集中抄表系統(tǒng)以城鎮(zhèn)公用配變臺區(qū)或居民小區(qū)(多配變臺區(qū))為采集單位，對該配變臺區(qū)或居民小區(qū)的全部居民電表(還包括配電臺區(qū)的單、三相工商業(yè)用戶電表)以及配變臺區(qū)的總表進行用電信息采集，并遠程上傳給局端主站系統(tǒng)。局端主站系統(tǒng)通過系統(tǒng)構建的寬帶通信網絡，可以實現對用戶電表的 遠程通斷電控制和未來的預付費管理等網絡服務功能。

4.3 系統(tǒng)架構說明

基于電力線寬帶載波技術的低壓用戶集中抄表系統(tǒng)可根據部署位置分為主站、通信信道和采集設備三部分。系統(tǒng)的架構如圖 1 所示。

(1)系統(tǒng)主站

主站部分的物理結構主要由數據庫服務器、應用服務器、通信前置機、防火墻設備 以及相關的網絡設備組成。建議單獨組網，與營銷應用系統(tǒng)和其它應用系統(tǒng)以及公網信道采用防火墻進行安全隔離，保證系統(tǒng)的信息安全。

(2)通信信道

通信信道分為遠程通信信道和本地通信信道。

遠程通信信道是指系統(tǒng)主站與遠端網絡集中器之間的通信信道，主要包括光纖信 道、GPRS/ADSL公用網絡信道、230MHz 無線電力專用信道等。由于光纖信道的高帶寬、高速率和高可靠性，在有條件的情況下建議將電力通信光纖專網向配網延伸至每個臺區(qū)，覆蓋全部10KV 線路，以確保骨干通信網絡的專有性和安全性。

本地通信信道是指網絡集中器與采集器、采集器與電能表計之間的通信信道。網絡集中器與采集器之間通過電力線寬帶通信技術，形成以電力線為傳輸介質的高速IP 網絡。采集器與電能表計之間的通信信道為RS-485 總線。

(3)采集設備

采集設備指安裝在現場的終端及計量設備，主要包括網絡集中器、電力線寬帶載波 采集器以及電能表計等，分別介紹如下：

1) 網絡集中器：用于收集各采集終端的數據，并進行處理儲存，同時能和主站或手持設備進行數據交換。集中器具有以太網絡接口，下行與采集器之間的通信 采用電力線寬帶載波技術，完成集中器對采集器的數據收集和集中管理。上行 通過電力專用的光纖網絡，或電信運營商的 GPRS/ADSL 信道，上傳抄表數據給系統(tǒng)主站，并接受主站的管理指令，完成對用戶電表的集中控制與管理，未來可通過電表實現預購電管理功能。

2) 電力線寬帶載波采集器：用于采集多個電能表的電能信息，并通過電力線寬帶載波信道與集中器交換數據。

3) 電能表：系統(tǒng)支持帶有 RS-485 通信接口的電能表。

5 結語

采用電力線寬帶通信技術的智能電網用電信息采集系統(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)提供遠程用電管理的雙向通信平臺，建立用戶與電網之間實時、互動的數字網絡，實現全采集、全覆蓋、全費控功能，創(chuàng)建用電新型電力營銷管理模式，提供其它網絡增值服務功能，為實現智能電網營銷自動化，提高營銷和服務管理水平創(chuàng)造了技術條件。