基于電力光纖的智能電網(wǎng)終端模型構(gòu)建

時海剛，王澤眾，杜 彬，李宏毅

（1.國家電網(wǎng)技術(shù)學院，山東 泰安 271000；2.華北電力大學，北京 102206）

0 引言

近幾年來，智能電網(wǎng)技術(shù)的研究與開發(fā)日漸深入。智能電網(wǎng)技術(shù)是將能源資源開發(fā)、輸送、存儲、轉(zhuǎn)換（發(fā)電）、輸電、配電、供電、售電、服務(wù)以及蓄能與能源終端用戶的各種電氣設(shè)備和其它用能設(shè)施通過數(shù)字信息化網(wǎng)絡(luò)連接在一起［1］?？梢韵胍?，多種形式能源的智能接入、負荷的智能調(diào)度、電力設(shè)備的智能控制、終端用戶的智能服務(wù)、智能化的數(shù)據(jù)挖掘與分析共同組成了電網(wǎng)智能的核心。特別是終端用戶，不僅僅指用能者，而是連接在智能電網(wǎng)中的所有用戶。只有全面了解和把握終端用戶的詳細信息和需求，與用戶實現(xiàn)交互功能，才能實現(xiàn)電網(wǎng)的真正智能化。

電力光纖是指電力電纜（線）中加入光纖，把電力電纜（線）打造成一條信息共享的“高速路”，在這條“高速路”上，既可輸送電能和智能電網(wǎng)信息，也可搭載互聯(lián)網(wǎng)和電信、廣播電視信號，最大程度地整合了各項資源。電力光纖秉承了光纖頻帶寬、傳輸容量大、無中繼傳輸距離長的特點，更為重要的是其抗干擾、抗銹蝕、耐高溫、防電磁輻射、可繞性好更適合隨電力線一同敷設(shè)［2］。上述特性決定完全可在更高電壓等級的電力電纜中搭載多芯光纖。在數(shù)字通信和物聯(lián)網(wǎng)時代，電力光纖隨電力線延伸到各行各業(yè)、每家每戶，具有非常重要的意義。

下面以電力光纖為基礎(chǔ)來分析和研究電網(wǎng)智能終端模型的構(gòu)建問題。以區(qū)域電網(wǎng)公司為終端模型單元，采用樹形結(jié)構(gòu)，區(qū)域電網(wǎng)公司服務(wù)器為模型的根，下面分支（層）為變電站所（發(fā)電廠）、街區(qū)、小區(qū)、樓宇、住戶。區(qū)域電網(wǎng)公司服務(wù)器又是上層模型的分支，同時也是其他網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 終端模型架構(gòu)

該終端模型就是要實現(xiàn)這樣一種技術(shù)：電視網(wǎng)、電話網(wǎng)、Internet數(shù)據(jù)通過三網(wǎng)合一終端，和電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部分通過合波器混合在一起進入?yún)^(qū)域電網(wǎng)公司服務(wù)器，服務(wù)器中提供WEB和WAP管理軟件，用于電網(wǎng)管理；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過電力光纖連接到變電站、小區(qū)、樓宇、單元、家庭用戶。在這個過程中，通過分波器在下行光纖中取出各自需要的信息；通過合波器把需要的用戶信息耦合進上行光纖。比如在家庭用戶中，取出需要的三網(wǎng)數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)，同時還要把各種設(shè)備，包括水、電、氣、熱四表數(shù)據(jù)耦合進上行光纖。當然，考慮到電網(wǎng)實際結(jié)構(gòu)，電力光纖和普通光纖也可以混合使用，而不會影響傳輸效果。具體架構(gòu)參見圖2。從圖中可以看到，僅僅通過一根電力光纖就可實現(xiàn)各種功能。

圖1 終端模型的樹形結(jié)構(gòu)

圖2 終端模型架構(gòu)

三網(wǎng)合一終端實現(xiàn)三網(wǎng)數(shù)據(jù)交換功能；合波器實現(xiàn)多個光源的混合功能；區(qū)域供電公司服務(wù)器是模型的核心，是整個網(wǎng)絡(luò)的管理和控制中樞，負責該區(qū)域四網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理，同時作為網(wǎng)關(guān)使用；變電站相當于中繼器，同時又是一個監(jiān)控節(jié)點；小區(qū)箱式變電站相當于智能小區(qū)管理中樞，也是一個監(jiān)控節(jié)點；小區(qū)低壓配電箱負責為各個樓宇配線，通常和小區(qū)箱式變電站整合在一起；單元接線箱提供該單元視頻對講、指紋等系統(tǒng)接口；用戶機提供用戶和光網(wǎng)絡(luò)接口；用戶主要是指用戶的室內(nèi)設(shè)備和設(shè)施，也是一個重要監(jiān)控節(jié)點。

該模型可在任意位置架設(shè)無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）AP 接入點［3］，以促進將來的移動互聯(lián)。

2 模型的功能模塊

2.1 變電站

區(qū)域電網(wǎng)公司到變電站的電力光纖建議采用8～12芯單模光纖結(jié)構(gòu)。其中2～4芯用于變電站監(jiān)控。

實際上，為了實時監(jiān)控的需要，區(qū)域電網(wǎng)公司到變電站的光纖網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成。要做的工作主要是光纖網(wǎng)絡(luò)的增容和改造。

電力光纖下行光纖連接光分接器取出所需信號，該變電站監(jiān)控信息通過合波器耦合進上行光纖進行傳輸。同時上行和下行光纖接至變電站低壓側(cè)出口。具體結(jié)構(gòu)參見圖3。

圖3 變電站

2.2 小區(qū)箱式變電站

小區(qū)箱式變電站入口即為變電站出口，其結(jié)構(gòu)與變電站類似。不僅為小區(qū)提供更低電壓等級的電能，還要負責該小區(qū)四網(wǎng)信號的傳輸。同時，針對長期以來小區(qū)變電箱缺少監(jiān)控和管理的問題，設(shè)計了一種基于ARM處理器的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，采用流行的通用技術(shù)，對小區(qū)箱式變電站進行監(jiān)控和管理，監(jiān)控信號同樣通過電力光纖傳輸。其結(jié)構(gòu)參見圖4。

圖4 小區(qū)箱式變電站

小區(qū)箱式變電站的出口為各分區(qū)入口，當然也可不設(shè)分區(qū)，或者一小區(qū)一個，要看實際情況而定，建議采用4～8芯單模光纖結(jié)構(gòu)。

2.3 小區(qū)低壓配電箱

小區(qū)低壓配電箱和智能電表模組集成在一起，為的是使用現(xiàn)成的智能電表，在節(jié)省大量資源的同時，與其進行通信聯(lián)絡(luò)，配置、更新電表設(shè)置信息。

配電箱還提供小區(qū)各種參數(shù)監(jiān)視和報警，小區(qū)監(jiān)控探頭也可通過各樓宇配電箱引入。到時，智能小區(qū)問題就是連一根網(wǎng)線到配電箱的問題。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。建議采用4～8芯單模光纖結(jié)構(gòu)。

圖5 小區(qū)低壓配電箱

2.4 用戶機

用戶機可以安在室外，也可安在室內(nèi)。處理用戶、網(wǎng)絡(luò)、電力、水、電、氣、熱等信息。另外，還要和安防系統(tǒng)接口，提供指紋、視頻、對講功能。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。建議用戶門口機采用2～3芯單模光纖結(jié)構(gòu)。

圖6 用戶機

2.5 用戶

用戶是指該用戶所有的家庭設(shè)備或設(shè)施，包括移動終端。典型用戶配置如圖7所示。

圖7 用戶模型

實際上，用戶端是一個難點，即要保證信號的統(tǒng)一，又要保證信號的質(zhì)量，還要保證環(huán)保，對人體無害，同時還要經(jīng)濟。另外，用戶設(shè)施類型繁多、布置分散。以上這些問題說明，用戶端所用的技術(shù)是一個多種技術(shù)的綜合體，這就需要制定一個規(guī)范進行約束，以適合上述要求，而不論這些技術(shù)先進與否。

3 模型實現(xiàn)

由于變電站監(jiān)控系統(tǒng)早就在電網(wǎng)公司實現(xiàn)，因此，從模型的功能來看，要實現(xiàn)其他所有功能，首先必須具備高性能電力光纖傳輸系統(tǒng)以及為該系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)并進行通信的智能設(shè)備和技術(shù)；其次是能實現(xiàn)所有中間智能節(jié)點功能的技術(shù)；最后是能實現(xiàn)終端用戶的智能化功能。除此之外，還要對一些智能設(shè)備的接口進行規(guī)范設(shè)計，統(tǒng)一通信協(xié)議。至于采用何種技術(shù)，可以不加或略加限制。

3.1 電力光纖傳輸系統(tǒng)

電力光纖傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，線路上的節(jié)點多，數(shù)據(jù)交換復雜頻繁。因此，必須采用光的波分復用技術(shù)實現(xiàn)不同信息的傳輸。也就是說，下行光纖要進行分接復用（復接），取出所需數(shù)據(jù)的同時，不影響其他數(shù)據(jù)的傳輸；上行光纖要把不同節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行合波，然后進行傳輸。本模型采用同步數(shù)字體系（SDH）作為傳輸系統(tǒng)，采用8～12芯單模光纖結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

從圖8可以看出，5種不同速率的標準信號分別裝進5個標準容器C-n；C-n作為信息凈負荷與通道開銷信號映射進低階虛容器VC-n；VC-n加上相應支路定位指針裝入支路單元TU-n；一個或多個TU-n組成支路單元組TUG；6 Mb/s速率的TUG-2既能復用進48 Mb/s的高階虛容器VC-3再復用進50 Mb/s的管理單元AU-3，也可復用進49 Mb/s的TUG-3，通過150 Mb/s的高階虛容器VC-4復用進150 Mb/s的管理單元 AU-4；AU-3、AU-4及管理單元指針共同組成150 Mb/s管理單元組，復用為155.52 Mb/s的STM-1同步數(shù)字傳送模塊。在我國，為了追求經(jīng)濟效益，省去了1.5 Mb/s和6 Mb/s速率接口，并采用AU-4復用線路。也就是去掉上圖中的C-2、C-11支路以及高階VC-3、AU-3支路。但考慮到智能電網(wǎng)傳輸信息的多樣性，推薦使用標準SDH。

SDH的同步傳送模塊STM-N目前只支持N=1，4，16，64，其速率分別為 155.52 Mb/s的 N 倍，也就是說最高數(shù)率達到9 953.28 Mb/s。

SDH可實現(xiàn)高速無協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，包括圖像、語音等。同時具有實時性、保密性強的特點，非常適合智能電網(wǎng)要求。

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的選擇

除了電力光纖之外，全網(wǎng)的設(shè)備布置無論從地域還是空間來看，都顯得較為復雜。為了實現(xiàn)全面覆蓋，就需要一些相應技術(shù)能夠執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)指令、采集用戶信息數(shù)據(jù)、設(shè)置局部系統(tǒng)參數(shù)等。同時，還必須具備新能源發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)。

在現(xiàn)場，如果設(shè)置局部系統(tǒng)參數(shù)，比如小區(qū)箱式變電站，人機交互是必備功能，可選擇嵌入式系統(tǒng)；如果設(shè)備比較分散，比如油田設(shè)施，可采用無線技術(shù)先行處理，再經(jīng)光纖傳輸；如果設(shè)備相對集中，但種類繁多，比如一般工廠和家庭，可采用LonWorks技術(shù)；如果是特殊應用，可采用單片機技術(shù)進行開發(fā)。另外，在管理側(cè)，有可能是用戶也有可能是管理人員或者是領(lǐng)導者，這就需要提供全方位的管理軟件適應不同的人群和不同的登錄方式（有線和無線終端），并賦予不同的管理權(quán)限，這一點，只有基于Web的MIS才能做到。

3.2.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以專門應用的實現(xiàn)為中心、以計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件可按需增加和刪除，硬件可按需配置，系統(tǒng)可靠性、成本、體積、功耗要求嚴格的專用計算機系統(tǒng)［4］。硬件采用以ARM處理器為核心的開發(fā)平臺，軟件采用以Linux操作系統(tǒng)為主導的C、Java開發(fā)平臺，Android操作系統(tǒng)。典型嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)參見圖9。

圖8 同步數(shù)字體系STM-1

3.2.2 無線技術(shù)

無線技術(shù)就是利用電磁波進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)手段，常見的有 GSM、3G、4G、藍牙、Wi-Fi、紅外、ZigBee（IEEE802.15.4）等。本模型用到的是后面4種短距離無線通信技術(shù)，特別是ZigBee，它是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，功耗低，被業(yè)界認為是最有可能應用在工控場合的無線方式。它同樣使用2.4 GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴頻技術(shù)。另外，它可與254個節(jié)點聯(lián)網(wǎng)，節(jié)點可以包括儀器和家庭自動化應用設(shè)備，具有功耗小、成本低、時延短、容量大、安全、可靠等特點，使其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間［5］。

3.2.3 LonWorks技術(shù)

LonWorks是美國Echelon公司研制開發(fā)的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)核心元件是一個具有3個8位CPU的神經(jīng)元Neuron芯片。該技術(shù)采用LonTalk協(xié)議，具有ISO/OSI 7層模型，可在雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外、電力線等傳輸媒體中進行通信，對于不同媒體，采用不同的收發(fā)和路由器，在最高通信速率1.25 Mb/s（傳輸距離130 m）和最遠通信距離2 700 m（傳輸速率 78 kb/s）具有極高的可靠性［6］。 該技術(shù)非常適合用戶端的要求，建議采用。缺點是價格昂貴，開發(fā)系統(tǒng)不夠開放，每一個節(jié)點都需要購買。

3.2.4 單片機技術(shù)

單片機系統(tǒng)集CPU、EPROM、ROM、I/O 接口、中斷系統(tǒng)及電源、晶振于一體，可以很容易地構(gòu)建一個簡單控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對數(shù)字信號的處理和控制［7］。因此，利用單片機系統(tǒng)同樣可以實現(xiàn)客戶端的大部分要求，但是存在開發(fā)較復雜、修改困難、維護不便的缺點。所以，特殊場合的應用可以考慮采用單片機。

3.2.5 智能逆變技術(shù)

智能電網(wǎng)的要求必須為多種新能源提供混合接入手段，鼓勵新能源的使用和推廣。如果用戶安裝了太陽能光電板或小型風力發(fā)電機，應該讓他們并入電網(wǎng)且不會影響電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定，這就需要智能逆變技術(shù)，把直流電轉(zhuǎn)化成交流電。智能逆變就是讓逆變器偽裝成同步發(fā)電機，實時跟蹤電網(wǎng)電壓波形的變化，保持同期或同步，能和調(diào)度中心進行通信和聯(lián)絡(luò)，以便下達控制指令和進行功率等的監(jiān)視。建議采用以DSP（數(shù)字信號處理器）為核心處理部件的智能逆變器系統(tǒng)［8］。

當然，僅靠這種智能調(diào)節(jié)是有限的，根本的解決辦法是采用大規(guī)模儲能技術(shù)，推薦抽水蓄能與風能組合成一個電源對象的負荷調(diào)節(jié)方法，即對象內(nèi)部風能的消納由抽水蓄能電站來解決，整個對象輸出利于調(diào)峰或相對平穩(wěn)。

3.2.6 基于Web的管理信息系統(tǒng)

信息管理離不開Web和數(shù)據(jù)庫。Web不僅能提供良好的人機交互界面，而且只在服務(wù)器端安裝，用戶端僅需瀏覽器即可，使軟件的修改和維護變得非常容易；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用來存儲、查詢、更新、刪除數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的安全、可靠［9］。可以這樣說，現(xiàn)代系統(tǒng)管理如果離開了Web和數(shù)據(jù)庫，那就不是一個完善的系統(tǒng)。建議采用Java軟件為用戶界面開發(fā)平臺，可以整合不同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，比如MySQL、SQL SERVER、Oracle 等［10］。

3.3 中間智能結(jié)點的實現(xiàn)

中間智能結(jié)點林林總總，大型變電站已經(jīng)實現(xiàn)了智能監(jiān)控，除此之外，還包括箱式變電站、配電箱、小區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)、WLAN接入點等等。

小區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)由小區(qū)箱式變電站、低壓配電箱、路燈、安防、視頻以及總的水、氣、熱等的監(jiān)控共同組成。箱式變電站和低壓配電箱采用嵌入式系統(tǒng)進行管理；路燈控制和水、氣、熱監(jiān)控采用LonWorks技術(shù)；安防系統(tǒng)的遙控采用無線技術(shù)；視頻和數(shù)據(jù)的匯總傳輸采用電力光纖；小區(qū)WLAN可在適當位置多個設(shè)置，保證全面覆蓋。 其它中間智能節(jié)點與其基本類似。

3.4 終端用戶智能節(jié)點的實現(xiàn)

終端用戶智能節(jié)點的典型設(shè)備是用戶機。用戶機采用ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，作為用戶和外界連接和管理的設(shè)備。

在用戶側(cè)，網(wǎng)絡(luò)、視頻、電話數(shù)據(jù)采用電力光纖傳輸并解碼；溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)用無線傳輸；空調(diào)、燈光、電飯煲、水、電、熱等設(shè)備監(jiān)控采用LonWorks技術(shù)傳輸和控制。最后匯總到用戶機。

在外側(cè)，連接外來電力光纖，包括以下數(shù)據(jù)：三網(wǎng)和電網(wǎng)數(shù)據(jù)、安防數(shù)據(jù)（比如單元門的可視對講數(shù)據(jù)）、小區(qū)通信數(shù)據(jù)（比如內(nèi)部電話）以及用戶的控制數(shù)據(jù)等等。

在內(nèi)部，集成智能電表模組以及傳感器電源；進行光的分光和混合；下載存儲指紋數(shù)據(jù)；下載存儲階梯電價等等。

上述架構(gòu)和技術(shù)已經(jīng)在國網(wǎng)技術(shù)學院和武漢大學合作的 《基于電力光纖入戶的智能家居用電控制系統(tǒng)的研制》科研項目中得到充分應用和證明。

4 結(jié)語

基于電力光纖智能電網(wǎng)終端的全面覆蓋是未來的發(fā)展方向，根據(jù)適用范圍獵尋其他多種可能的技術(shù)，抓住當前有利時機加快試點和推廣，提前做好布局，最終實現(xiàn)電力流、信息流、業(yè)務(wù)流高度融合。電能的管理將變得容易，不僅可以進行網(wǎng)上購電，而且特殊人群和企業(yè)的免費額度、計量單價以及階梯電價的計量時限，都可以通過網(wǎng)絡(luò)自動寫入用戶的智能電表。智能化的電網(wǎng)將把觸角延伸到每一個角落，橫跨多個領(lǐng)域，掌握更多信息，適應所有形式的新能源發(fā)電并網(wǎng)。在物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃剛剛出臺、移動互聯(lián)剛剛起步的今天，依托電力光纖不僅能實現(xiàn)電網(wǎng)自身的智能化發(fā)展，而且有能力、有條件打造新一代綜合網(wǎng)絡(luò)。

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