配電網(wǎng)能效管理及互動(dòng)節(jié)電管理系統(tǒng)通信方式研究

王亮 袁玉湘 于坤山 姜學(xué)平

【摘要】配電網(wǎng)能效管理及互動(dòng)節(jié)電管理系統(tǒng)是當(dāng)前智能電網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)，本文依據(jù)中國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)實(shí)際，提出適合中國(guó)國(guó)情的智能用電體系架構(gòu)，它基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算關(guān)鍵支撐技術(shù)，應(yīng)用于智能小區(qū)、智能樓宇和智能園區(qū)的典型實(shí)踐。同時(shí)本文對(duì)其中的通信方式做了重點(diǎn)闡述，并且得出了適用于各個(gè)環(huán)節(jié)的通信方式的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng);配電網(wǎng)能效管理;電力物聯(lián)網(wǎng)通信

1.引言

配電網(wǎng)能效及互動(dòng)節(jié)電綜合管理系統(tǒng)，是基于用電環(huán)節(jié)與配電環(huán)節(jié)的信息集成，通過物聯(lián)網(wǎng)能效需求響應(yīng)終端、通訊網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)量采集設(shè)備、智能傳感控制管理設(shè)備等構(gòu)建供電企業(yè)和電力用戶之間準(zhǔn)實(shí)時(shí)、雙向互動(dòng)信息共享平臺(tái)，從而提高電網(wǎng)需求和用戶需求的智能化互動(dòng)水平、能源利用效率和最大發(fā)揮電力設(shè)備使用效率，提升供電企業(yè)市場(chǎng)營(yíng)銷管理水平、服務(wù)品質(zhì)和用戶側(cè)自動(dòng)需求響應(yīng)管理水平，擴(kuò)大電力市場(chǎng)、促進(jìn)節(jié)能減排、提高配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.配電網(wǎng)能效管理及互動(dòng)節(jié)電管理系統(tǒng)架構(gòu)

配電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)由于規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，信息流大且分散。為了便于管理，我們?cè)O(shè)計(jì)了層次化為七層的能效管理及互動(dòng)節(jié)電管理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)能效管理及互動(dòng)節(jié)電管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

從上圖看到配用電網(wǎng)架復(fù)雜、節(jié)電數(shù)量多而分散、業(yè)務(wù)種類復(fù)雜。為了達(dá)到配用電測(cè)高效、安全、準(zhǔn)實(shí)時(shí)雙向的通信支撐，需要詳細(xì)研究適用于電力通信領(lǐng)域的通信方案。

3.電力物聯(lián)網(wǎng)有線通信方式介紹：

3.1 以太網(wǎng)結(jié)合光纖EPON技術(shù)

無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的概念提出較早，它可以節(jié)省光纖資源、對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議透明，在光接入網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要的角色。同時(shí)，以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，靠其簡(jiǎn)便實(shí)用、價(jià)格低廉的特性，統(tǒng)治了局域網(wǎng)，事實(shí)上是承載IP數(shù)據(jù)包的最佳載體。隨著IP業(yè)務(wù)在城際和骨干網(wǎng)傳輸中所占的比例不斷加大，以太網(wǎng)也在通過傳輸速率、可管理性等方面的改進(jìn)，逐漸向接入網(wǎng)、城域網(wǎng)甚至骨干網(wǎng)上滲透。而EPON是以太網(wǎng)與PON的結(jié)合（ethernet passive optical network，基于以太網(wǎng)的無源光纖網(wǎng)絡(luò)），它具備了以太網(wǎng)和PON的優(yōu)點(diǎn)，正成為光接入網(wǎng)領(lǐng)域的熱門。

基于EPON的無源串行模式采用單纖波分復(fù)用技術(shù)（下行1490nm，上行1310nm），僅需一個(gè)OLT（光線路終端）和一根主干光纖，傳輸距離可達(dá)20公里。在ONU（光網(wǎng)絡(luò)單元）側(cè)通過多級(jí)光分路分給最多為64個(gè)用戶，可大大降低OLT和主干光纖的成本壓力。典型方案如圖2所示。

圖2 配網(wǎng)EPON典型方案圖

我國(guó)中壓配電網(wǎng)大部分采用多分段、開環(huán)運(yùn)行的放射形接線方式供電，該接線方式和EPON的服務(wù)架構(gòu)最為接近。因此，智能配電網(wǎng)通信組網(wǎng)技術(shù)選用EPON作為通信技術(shù)支撐將是最合理可靠的。

針對(duì)智能配、用電系統(tǒng)的特殊應(yīng)用環(huán)境和特殊應(yīng)用要求.國(guó)內(nèi)展開對(duì)下一代PON的研究.解決高性能電磁兼容和大容量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)的難題.以適應(yīng)智能配、用電系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展。對(duì)下一代PON技術(shù)中的芯片級(jí)控制策略（如多點(diǎn)控制協(xié)議MPMC、動(dòng)態(tài)帶寬分配DBA、前向編碼糾錯(cuò)FEC、大容量數(shù)據(jù)低延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)等技術(shù)）、協(xié)議級(jí)管理策略（如多協(xié)議優(yōu)先級(jí)QoS、VLAN等技術(shù)）以及針對(duì)智能電力配、用電系統(tǒng)的應(yīng)用級(jí)（如電磁加固、抗干擾等技術(shù)）均進(jìn)行深入研究。

3.2 RS485通信技術(shù)

RS485通訊有二線制和四線制兩種，四線制屬于全雙工的通訊方式，但是也只能進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，所以其使用也逐漸減少，如今工業(yè)組網(wǎng)使用最普遍的即為二線制半雙工RS485通訊。

RS485通訊組網(wǎng)采用的是主從結(jié)構(gòu)的總線模式。即使用一條總線，將一定數(shù)量的具有RS485通訊功能的設(shè)備連接起來，在同一條通訊總線中只有一個(gè)主站，其他均為從站，每個(gè)從站在組網(wǎng)時(shí)已設(shè)置好通訊地址。在同一總線中的設(shè)備使用相同的通訊協(xié)議，現(xiàn)使用最普遍的為MODBUS協(xié)議。在每一個(gè)通訊過程中，先由主站以廣播的形式下發(fā)命令數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀通過通訊總線傳到每個(gè)從站，從站在接收數(shù)據(jù)后首先查看數(shù)據(jù)幀中地址位，只有地址位符合的從站才會(huì)對(duì)控制指令進(jìn)行回應(yīng)。理論上，通信速率在100Kbps及以下時(shí)，RS485的最長(zhǎng)傳輸距離可達(dá)1200米，但在實(shí)際應(yīng)用中傳輸?shù)木嚯x也因芯片及電纜的傳輸特性而所差異。在傳輸過程中可以采用增加中繼的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，最多可以加八個(gè)中繼，也就是說理論上RS485的最大傳輸距離可以達(dá)到10.8公里。如果真需要長(zhǎng)距離傳輸，可以采用光纖為傳播介質(zhì)，收發(fā)兩端各加一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，多模光纖的傳輸距離是1公里以內(nèi)，而采用單模光纖可達(dá)50公里的傳播距離。

由此可看出，要成功完成RS485通訊的布網(wǎng)，需要同時(shí)注意硬件上的網(wǎng)路線路的連接和軟件上的通訊協(xié)議兩個(gè)方面。在硬件連接上需注意連接的穩(wěn)定性，采用抗干擾能力強(qiáng)的布線方式，布線采用具有屏蔽層的雙絞線，并保證總線阻抗的連續(xù)性，同時(shí)在通訊終端進(jìn)行阻抗的匹配，以吸收總線終端反射的干擾信號(hào)。在軟件程序的設(shè)計(jì)上采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議，以兼容市場(chǎng)上大部分的使用RS485通訊的設(shè)備。

RS485總線不應(yīng)采用星形或環(huán)形連接，最佳的接線方式為手拉手式連接，如圖3所示：

圖3 RS485手拉手連接圖

3.3 PLC通信技術(shù)

電力線載波技術(shù)簡(jiǎn)稱PLC技術(shù)，是英文Power line Communication的簡(jiǎn)稱。電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通訊是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)，最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，利用1.6～30MHz，頻帶范圍在電力線路上傳輸信號(hào)。在發(fā)送時(shí)，利用GMSK或OFDM調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制、線路耦合，然后在電力線上進(jìn)行傳輸.在接收端，先經(jīng)過耦合、濾波，將調(diào)制信號(hào)從電力線路上濾出，再經(jīng)過解調(diào)，還原成原信號(hào)，如圖4所示。目前可達(dá)到的通信速率依具體設(shè)備不同在4.5～45MB/s之間。

圖4 PLC通信結(jié)構(gòu)圖

另外，電力線載波通訊因?yàn)橛幸韵氯秉c(diǎn)，導(dǎo)致電力載波技術(shù)主要應(yīng)用-網(wǎng)絡(luò)通訊（電力上網(wǎng)）未能大規(guī)模應(yīng)用：

（1）配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送;

（2）三相電力線間有很大信號(hào)損失（10dB-30dB）。通訊距離很近時(shí)，不同相間可能會(huì)收不到信號(hào)。一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸;

（3）不同信號(hào)藕合方式對(duì)電力載波信號(hào)損失不同，藕合方式有線-地藕合和線-中線藕合。線-地藕合方式與線-中線藕合方式相比，電力載波信號(hào)少損失十幾dB，但線-地藕合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用;

（4）電力線存在本身因有的脈沖干擾。目前使用的交流電有50HZ和60HZ，則周期為20ms和16.7ms，在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會(huì)帶來兩次脈沖干擾，即電力線上有固定的100HZ或120HZ脈沖干擾，干擾時(shí)間約2ms，因此干擾必須加以處理。有一種利用波形過零點(diǎn)的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ捎谶^零點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)代通訊數(shù)據(jù)幀又比較長(zhǎng)，所以難以應(yīng)用;

4.電力物聯(lián)網(wǎng)無線通信方式介紹

4.1 WiFi無線通信技術(shù)

WiFi是wireless Fidelity（無線保真），又稱IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)，最大的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速率高，可以達(dá)到11mbps。WiFi具有功耗低（發(fā)射功率不超過100mW）、無需布線、寬帶接入、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，目前在IT產(chǎn)業(yè)中許多終端都配置了WiFi功能，在服務(wù)業(yè)各個(gè)服務(wù)商也為客戶提供了Wi-Fi上網(wǎng)環(huán)境，在電力行業(yè)，隨著光纖和寬帶無線技術(shù)的規(guī)?；?，電力中的大部分地區(qū)都有了電力通信網(wǎng)的接入，然而在電力通信網(wǎng)末端，由于地理位置、環(huán)境等因素的影響，有些地區(qū)無法實(shí)現(xiàn)電力通信網(wǎng)接入，此時(shí)WiFi作為該網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充較為合適。WiFi作為傳感網(wǎng)中的一種通信方式，可在智能家庭網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要的作用，覆蓋范圍可以達(dá)到100m，實(shí)現(xiàn)各種智能設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)接入功能，為用戶提供高速的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用解決方案，為智能電網(wǎng)用電服務(wù)體系建設(shè)提供了高效、可靠的寬帶通信手段。

4.2 ZigBee無線通信技術(shù)

ZigBee是一種短距離、低功耗、低成本的無線自組網(wǎng)技術(shù)，主要用于組建近距離的無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)工作在2.4GHz頻段下，在歐美工作在868/928MHz頻段下。在2.4～2.485GHz的工作頻段下，ZigBee技術(shù)采用QPSK的調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到250Kbps，共有16個(gè)通信信道，每個(gè)信道提供5MHz的帶寬。在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可以支持多達(dá)65000個(gè)無線通信終端，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的差異，各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的通信距離各不相同，傳輸范圍從10米到100米不等。由于ZigBee協(xié)議的簡(jiǎn)單化，網(wǎng)絡(luò)對(duì)于通信設(shè)備要求較低，因此成木很低。ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)所要求ZigBee終端設(shè)備具有簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、成木低廉、能耗少的特點(diǎn)。

ZigBee的組網(wǎng)形式可以快速、簡(jiǎn)易、高效地組建，符合通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性、可靠性的需求。

4.3 藍(lán)牙bluetooth無線通信技術(shù)

作為一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，藍(lán)牙以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接，完成數(shù)據(jù)信息的短程無線傳輸。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是要建立通用的無線電空中接口（Radio Air Interface）及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn)，使通信和計(jì)算機(jī)進(jìn)一步結(jié)合，使不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能夠在近距離范圍內(nèi)具有互用、互操作的性能（Interoperability）。藍(lán)牙以無線LANs的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ)。藍(lán)牙技術(shù)有：成本低，功耗低、體積小，近距離通信，安全性好的特點(diǎn)。藍(lán)牙在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中得到一定的應(yīng)用，有辦公場(chǎng)所，家庭智能家居等環(huán)境。

4.4 GPRS無線通信技術(shù)

通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS），使用分組交換模式以及無線接入技術(shù)。GPRS 可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌且苑獍≒acket）式來傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，因而價(jià)格較貴。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。GPRS技術(shù)由于使用流量計(jì)費(fèi)，故不太適合本系統(tǒng)長(zhǎng)期使用。

5.各種通信方式對(duì)比（見表2）

6.結(jié)論

通過表1的對(duì)比結(jié)果，結(jié)合我們的能效管理系統(tǒng)的具體架構(gòu)，我們可以對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的通信環(huán)節(jié)作出如下規(guī)劃：

（1）大物聯(lián)網(wǎng)能效交互終端：由于下轄用電管理節(jié)點(diǎn)不少于100個(gè)，用電節(jié)點(diǎn)不少于10000個(gè)，并且地域范圍跨度比較大，故建議上行通訊GPRS、或者EPON為組合，本地通訊以WiFi來組網(wǎng)。

（2）智能交互終端、導(dǎo)軌表、分路控制器、網(wǎng)絡(luò)斷路器：本地用電節(jié)點(diǎn)不少于100個(gè)，需要速度較快的通信速率，考慮到智能園區(qū)和家庭需要的覆蓋范圍，建議上下行通信以WiFi來組網(wǎng)。

（3）采集器、低壓網(wǎng)絡(luò)開關(guān)智能開關(guān)、低壓網(wǎng)絡(luò)智能插座等用戶一對(duì)一設(shè)備：對(duì)實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)的傳輸速率以及信號(hào)越障能力要求較高，建議用WiFi來組網(wǎng)。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：2013年國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目支持（編號(hào)：SGRI-WD-71-13-011）。

作者簡(jiǎn)介：

王亮【通訊作者】（1985—），男，山西人，碩士研究生，現(xiàn)就職于國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

袁玉湘（1979—），男，博士研究生，高級(jí)工程師，IEEE會(huì)員，現(xiàn)就職于國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，研究方向：微電子技術(shù)。

于坤山（1963—），男，碩士研究生，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，研究方向：電力電子技術(shù)。

姜學(xué)平（1963—），男，博士研究生，高級(jí)工程師，IEEE高級(jí)會(huì)員，現(xiàn)就職于國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，研究方向：微電子技術(shù)。