寬帶電力載波技術(shù)在智能用電系統(tǒng)的應(yīng)用

胡昌斌， 何 威， 張合強， 王 雷， 曹驍勇， 鄒 航，

陳 瑜1， 王 軼1

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 昆明供電局，云南 昆明 650011；2. 珠?；坌盼㈦娮佑邢薰荆瑥V東 珠海 519085)

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寬帶電力載波技術(shù)在智能用電系統(tǒng)的應(yīng)用

胡昌斌1， 何 威2， 張合強1， 王 雷1， 曹驍勇1， 鄒 航1，

陳 瑜1， 王 軼1

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 昆明供電局，云南 昆明 650011；2. 珠?；坌盼㈦娮佑邢薰荆瑥V東 珠海 519085)

將基于Homeplug Green Phy協(xié)議的寬帶電力線載波技術(shù)應(yīng)用于智能用電系統(tǒng)，提出了一種遵循智能用電原則的高速載波集抄方案，并將該方案運用于南方電網(wǎng)云南省昆明供電局呈貢農(nóng)網(wǎng)5個遠程集抄試點。試點運行結(jié)果表明：基于寬帶電力線載波技術(shù)的遠程集抄系統(tǒng)，可實現(xiàn)"分鐘組網(wǎng)、秒級抄表"應(yīng)用效果。采集規(guī)模最大的集抄臺區(qū)——洛龍村的170塊智能電能表的當前正向有功信息，平均僅耗時4 s，成功率97%以上。使臺區(qū)的集抄實時性、采集成功率實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，為智能用電系統(tǒng)的功能擴展和業(yè)務(wù)推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)。

智能用電； Homeplug Green Phy； 寬帶載波； 遠程集抄

0 引 言

近年來，以美國等一些國家提出了組建智能電網(wǎng)[-2]的構(gòu)想，智能電網(wǎng)因其自愈性、安全性、交互性、經(jīng)濟性、優(yōu)質(zhì)高效、清潔環(huán)保和市場化程度高等特點備受親睞。2010年，中國政府提出了構(gòu)建“堅強智能電網(wǎng)”的理念，國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司相繼制定了相應(yīng)政策和發(fā)展規(guī)劃，如國家電網(wǎng)公司2009年提出的實現(xiàn)用戶用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的“全覆蓋、全采集、全預(yù)付費”理念?！吨袊戏诫娋W(wǎng)有限責(zé)任公司“十二五”電能計量規(guī)劃》中提出的智能計量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向信息交互、能效評估、需求響應(yīng)等新功能，為確保智能電網(wǎng)建設(shè)目標的順利實現(xiàn)指引了方向。

智能用電系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分之一。智能用電，作為電網(wǎng)電能“發(fā)、輸、調(diào)、變、配、用”的重要環(huán)節(jié)，是社會公眾感知電網(wǎng)智能化服務(wù)的關(guān)鍵所在[3]。受到電網(wǎng)政策管理體制以及監(jiān)管制度的約束，我國智能用電系統(tǒng)的發(fā)展歷程主要分為三個階段：用電負荷管理階段、峰谷電價調(diào)節(jié)階段、實時電價發(fā)布階段[4]。隨著以自動抄表為主的遠程集抄系統(tǒng)如雨后春筍般在國內(nèi)外大范圍建設(shè)，當前成熟的電力線載波集抄系統(tǒng)和微功率無線集抄系統(tǒng)因其高智能化、無需架設(shè)專門通信線路、節(jié)省人力、便于監(jiān)控管理等特點已成為用電信息采集系統(tǒng)[5-6]的弄潮兒。電力企業(yè)欲通過對大量用戶用電信息的自動采集與實時監(jiān)控，掌握用戶用電規(guī)律，建立實時電價模型，提升市場分析能力。

然而，已有的窄帶電力線載波、微功率無線技術(shù)因其數(shù)據(jù)傳輸速率低、組網(wǎng)進程慢、抗干擾能力差、路由自愈性差，不支持遠程在線升級等缺點制約著智能用電實時性、交互性的發(fā)展。為了突破以上瓶頸，滿足智能電網(wǎng)高速通信、雙向智能的建設(shè)需求，Homeplug聯(lián)盟提出了Homeplug Green Phy協(xié)議，它是一種小成本、低功耗的寬帶電力線通信技術(shù)，是世界范圍內(nèi)公認的寬帶電力線載波標準之一。珠?；坌盼㈦娮佑邢薰?簡稱珠?；坌?通過解析該協(xié)議，研發(fā)了寬帶載波系列產(chǎn)品。云南電網(wǎng)公司昆明供電局致力于推行智能用電系統(tǒng)的建設(shè)，給電力用戶提供方便、快捷的互動營銷服務(wù)和用電策略，聯(lián)合珠?；坌牛诶ッ魇谐守晠^(qū)農(nóng)網(wǎng)江尾村、小新冊B2、小新冊B3、斗南B4和洛龍村五個試點臺區(qū)建設(shè)了寬帶電力線載波遠程集抄系統(tǒng)，結(jié)合試點臺區(qū)的實際運行情況，為智能用電系統(tǒng)的全面推廣積蓄了力量。

1 智能用電系統(tǒng)

智能用電的指導(dǎo)思想就是采用信息化手段，利用價格杠桿，通過互動策略，調(diào)動電力用戶參與需方響應(yīng)，實現(xiàn)電力負荷需求的理想化[3-4]。智能用電系統(tǒng)包括計量主站、遠程信道、現(xiàn)場終端、本地信道和電力用戶，其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能用電系統(tǒng)框架圖

從圖1可以看出，智能用電系統(tǒng)的主站由電力業(yè)務(wù)應(yīng)用、信息采集、數(shù)據(jù)存儲管理、營銷支持、前置通信等組成。系統(tǒng)的遠程信道將主站與現(xiàn)場終端進行了有機的銜接，其上行用于傳送采集終端收集的用戶電能信息，下行則用于下發(fā)定抄命令、遠程計量、事件監(jiān)測與上報[7]等。考慮到未來智能電網(wǎng)營銷業(yè)務(wù)的拓展和用戶參與的需要，可利用遠程信道向電力用戶推行梯形電價、實現(xiàn)多次結(jié)算、有序管理用電、在線監(jiān)測設(shè)備運行和保障用電安全。目前常用的遠程信道有GPRS/CDMA無線公網(wǎng)、光纖專網(wǎng)、230 MHz無線專網(wǎng)和中壓電力線載波網(wǎng)絡(luò)。由于國內(nèi)各地的經(jīng)濟發(fā)展水平存在差異，不同地區(qū)的智能用電系統(tǒng)需對遠程信道進行特色化靈活配置，以加快建設(shè)進程。

現(xiàn)場終端包括采集終端、智能表計(電能表、水表、熱量表、燃氣表、壓力表)、各類傳感器、家用電器、智能開關(guān)和工業(yè)設(shè)備等。一般工商業(yè)和居民用戶的采集終端為集中器和采集器，其主要功能為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置與查詢、事件記錄、數(shù)據(jù)傳輸、本地狀態(tài)指示與接口維護、終端維護等。智能表計是自動測量體系(AMI)的基本計量設(shè)施，其設(shè)計應(yīng)遵循以下三個原則：考慮分布式能源的接入；考慮通信信道的實際承受能力；考慮用戶互動的便捷性[3-4]。主要功能有：能效計量、費率控制、時段管理、預(yù)付費、數(shù)據(jù)存儲、事件記錄、用戶加密、雙向通信。

本地通信主干網(wǎng)為低壓電力線載波或微功率無線技術(shù)。家用電器、各類傳感器、智能開關(guān)、工業(yè)設(shè)備等是智能用電系統(tǒng)架構(gòu)下的基礎(chǔ)通信單元。利用諸如RS485[8]、RS232、M-Bus、CAN總線等有線方式或ZigBee、GPRS、Bluetooth、紅外等無線方式形成多信道融合互聯(lián)自組網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，對采集終端、智能表計、家電設(shè)備等注入控制策略，使其智能化、集成化、自動化，提供全方位的信息交互功能。

居民用戶、企業(yè)用戶和社會公共設(shè)施等構(gòu)成了智能用電系統(tǒng)的電力用戶，是供電營銷系統(tǒng)的主要服務(wù)對象。通過實時采集、存儲、分析、核算電力用戶的用電信息，可幫助居民用戶了解電價、停復(fù)電及繳費等信息，為企業(yè)用戶提供節(jié)能減排、用電優(yōu)化、安全用電等信息，指導(dǎo)社會科學(xué)用電，及時發(fā)現(xiàn)用電隱患、排查故障。

2 基于Homeplug Green Phy的寬帶電力線載波技術(shù)

寬帶電力線載波技術(shù)[9](BPLC)，即將載波信號加載到頻段為1～30 MHz的調(diào)制信號上，使用多載波正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，在電力線上完成信息傳遞與數(shù)據(jù)采集的通信技術(shù)。Homeplug Green Phy協(xié)議是Homeplug聯(lián)盟針對智能電網(wǎng)的應(yīng)用需求，提出的小成本、低耗電解決方案，與Homeplug AV和IEEE 1901規(guī)約兼容。在物理層，Homeplug Green Phy規(guī)定了信號的工作頻段為2～30 MHz。1 155個OFDM子載波僅使用QPSK調(diào)制方式，子載波間隔24.414 kHz。數(shù)據(jù)傳輸采用前向糾錯機制，Turbo碼率1/2。在魯棒模式下可分別實現(xiàn)4、5、10 Mb/s的通信速率。由OFDM自適應(yīng)比特位加載原理可知，在通信系統(tǒng)中，若以一種固定的調(diào)制方式和數(shù)據(jù)傳輸速率進行信息傳輸，可使用裕量最大化準則使信號的總發(fā)射功率最小化[10-11]，從而降低載波通信單元的功耗。

將Homeplug Green Phy技術(shù)用于寬帶電力線載波集抄系統(tǒng)，可有效解決通信單元功耗高、抗干擾能力差、組網(wǎng)實時性低等致命缺點。目前我國載波集抄系統(tǒng)主要使用的是窄帶載波產(chǎn)品，并且因地域不同、解決方案的差異使得集抄臺區(qū)的運行效果參差不齊。為體現(xiàn)寬帶載波產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)越性，選取國內(nèi)典型的窄帶載波產(chǎn)品進行參數(shù)對比，如表1所示。

表1 窄帶/寬帶載波產(chǎn)品參數(shù)對比

從表1可知，窄帶與寬帶載波產(chǎn)品的最大通信速率竟相差6 600多倍。窄帶載波330～1 500 b/s的通信速率僅適用于普通抄表，且實時性差，無法給電力用戶帶來高速即時的業(yè)務(wù)體驗，而基于Homeplug Green Phy的寬帶載波產(chǎn)品則能解決這一難題。

3 寬帶電力線載波技術(shù)應(yīng)用

為檢驗寬帶電力線載波技術(shù)在智能用電系統(tǒng)中的可行性與優(yōu)越性，網(wǎng)省昆明供電局將該技術(shù)先行應(yīng)用于呈貢區(qū)農(nóng)網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)。根據(jù)呈貢區(qū)江尾村、小新冊B2、小新冊B3、斗南B4及洛龍村五個集抄臺區(qū)共計653戶居民用戶的窄帶載波應(yīng)用情況，制定了相應(yīng)的改造實施方案，如表2所示。

表2 呈貢區(qū)遠程集抄試點臺區(qū)改造實施方案

呈貢區(qū)五個集抄臺區(qū)原使用的是中心頻率為421 kHz的窄帶載波方案，653戶居民用戶配用的均是遵循國網(wǎng)Q/GDW 355-2009規(guī)范的單相智能電能表，使用全載波集抄方式。規(guī)模最大的斗南B4臺區(qū)進行一次集中輪抄需近1 h，集抄成功率90%以下。為了有效提高集抄成功率，縮短用電信息采集耗時，對呈貢區(qū)五個集抄臺區(qū)內(nèi)的所有集中器和智能表進行安裝改造，將通信模塊更換為珠?；坌诺膶拵лd波產(chǎn)品，如圖2所示。

圖2 寬帶載波臺區(qū)改造施工示意圖

改造完畢后，將各臺區(qū)所轄居民用戶的電能表檔案導(dǎo)入集中器及上位機“寬帶載波測試管理軟件”。通過“寬帶載波測試管理軟件”觀察各臺區(qū)電能表的上線情況。在被改造的臺區(qū)中，洛龍村的供電距離最遠，線路衰減及噪聲狀況也最為惡劣。以洛龍村作為示范臺區(qū)，對其遠程集抄運行效果進行評估分析。

對洛龍村臺變集中器重新上電，待其所轄170塊電能表全部上線時，記錄組網(wǎng)時間t1=4 min。查看當前上線電能表的拓撲結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 洛龍村臺區(qū)電能表組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

寬帶載波集中器本地通信單元含有3個載波集抄主節(jié)點(CCo)，分別分布在A、B、C三相。每個CCo可容納253個載波集抄從節(jié)點(STA)，為其分配設(shè)備端口號(TEI)。圖3中，紅色頭端為CCo的物理地址，藍色頭端為起中繼功能的電能表地址，黃色頭端則是普通電能表地址。寬帶載波模塊擁有組網(wǎng)[12-15]自遍歷中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能，可自動快速形成堅強拓撲結(jié)構(gòu)，且具有路由記憶能力，最大可達16級中繼深度。顯然，洛龍村集抄臺區(qū)形成了5級中繼深度。

打開“寬帶載波測試管理軟件”，啟動上位機經(jīng)集中器載波路由向洛龍村臺區(qū)所有的電能表下發(fā)遠程集中抄表指令。待一輪集抄結(jié)束，得到的運行效果圖如圖4所示。

圖4 洛龍村遠程集抄效果圖

從圖4可以看出，洛龍村臺區(qū)集中器對170塊電能表的當前正向有功電能數(shù)據(jù)進行抄讀時，僅歷經(jīng)3 s，集抄成功率100%，得到了“分鐘組網(wǎng)，秒級抄表”的運行效果。

在網(wǎng)省昆明供電局計量中心，借助計量主站獲取了2015年7月5個日期的江尾村、小新冊B2、小新冊B3、斗南B4和洛龍村五個臺區(qū)的寬帶載波遠程集抄數(shù)據(jù)，對比2014年同期窄帶載波遠程集抄的運行數(shù)據(jù)，匯集如表3所示。

表3 呈貢區(qū)7月遠程集抄臺區(qū)運行數(shù)據(jù)

呈貢區(qū)5個集抄臺區(qū)7月份同期運行數(shù)據(jù)顯示，寬帶載波遠程集抄方案不僅有效地提高了用電信息采集成功率，達到了97%以上，而且在更大程度上降低了采集耗時，將臺區(qū)表計輪抄限定在了秒級，減輕了抄表人員的工作強度。憑借寬帶載波遠程集抄系統(tǒng)高速、即時的用電信息采集效率，可助力供電營銷方對區(qū)域、行業(yè)、產(chǎn)業(yè)進行市場分析，提高輸配電線路線損分析的時效性，制定科學(xué)、有序的用電方案。

4 結(jié) 語

本文介紹了基于Homeplug Green Phy的寬帶電力線載波技術(shù)，并將該技術(shù)方案運用于智能用電系統(tǒng)遠程集抄，在昆明市呈貢區(qū)農(nóng)網(wǎng)集抄試點臺區(qū)取得了良好的運行效果，使集抄實時性、采集成功率得到了大幅提升，滿足智能用電營銷體系與電力用戶業(yè)務(wù)信息互動的需求。依托寬帶電力線載波技術(shù)在智能用電系統(tǒng)中取得的示范作用，下一步將在智能家居、樓宇自動化和工業(yè)物聯(lián)中推進寬帶載波產(chǎn)品的應(yīng)用。

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Research on Broadband Power Line Carrier in the Application of Smart Power Utilization System

HUChang-bin1,HEWei2,ZHANGHe-qiang1,WANGLei1,CAOXiao-yong1,ZOUHang1,CHENYu1,WANGYi1

(1. Kunming Electric Power Supply Bureau, Yunnan Power Grid Co., Ltd, Kunming 650000, China;2. Zhuhai Wellthing Microelectronics Co., Ltd, Zhuhai 519085, China)

In order to construct a smart power-using grid with the characteristics of high speed and real-time, and encourage power users and grid company to participate in interactive services, an information collection system is developed. A novel strategy named broadband power line carrier communication based on Homeplug Green Phy protocol is utilized in remote meter reading system. A high speed carrier meter reading scheme abode by smart power utilization is proposed and applied to 5 Kunming rural remote metering pilots. Pilot result certifies that the metering system based on broadband power line carrier can achieve the function of "minute networking, seconds metering". Collecting the current positive active data of 170 smart meters in Luolong village only takes 4 seconds on average, with success rate up to 97%. It will render a qualitative leap for real-time and success rate for metering and lay a foundation for function development and service promotion for smart power-using system.

smart power utilization; Homeplug Green Phy; broadband carrier; remote meter reading

2015-01-05

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項目(KJKM2014098)

胡昌斌(1978-)，男，云南宣威人，碩士，高級工程師，研究方向：電力科技。E-mail：huchangbin@126.com

TM 76

A

1006-7167(2016)04-0047-05