寬帶載波智能電表的設(shè)計(jì)理論

馬樹良

（黑龍江龍電電氣有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090）

0 引 言

近年來，西方發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)，提出了組建智能電網(wǎng)的想法。智能電網(wǎng)由于具備較強(qiáng)的安全性、交互性、經(jīng)濟(jì)性、高效性及較高的市場(chǎng)化程度等特點(diǎn)，受到了社會(huì)的普遍認(rèn)可。2010年，我國(guó)構(gòu)建了智能電網(wǎng)理念，由國(guó)家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)等相繼提出相應(yīng)的政策和規(guī)劃。國(guó)家電網(wǎng)提出的智能計(jì)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)、信息交互及能效評(píng)估，為智能電網(wǎng)建設(shè)提供了方向。智能電表是智能電網(wǎng)的重要組成，能夠用于發(fā)電、輸電等環(huán)節(jié)。

1 智能用電系統(tǒng)分析

智能用電是以信息化技術(shù)、價(jià)格杠桿，通過調(diào)動(dòng)用戶參與需方響應(yīng)互動(dòng)策略，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的理想化狀態(tài)。電力系統(tǒng)包括計(jì)量主站、遠(yuǎn)程通信、現(xiàn)場(chǎng)終端及電力用戶。其中，智能用電系統(tǒng)主站是由電力業(yè)務(wù)應(yīng)用、信息收集、數(shù)據(jù)管理支持及前置通信構(gòu)成的；遠(yuǎn)程信道是主站與終端的銜接，其上部用于傳送采集終端，收集用戶電能信息，而下部用于下發(fā)抄命令、遠(yuǎn)程計(jì)量等。由于考慮到智能電網(wǎng)營(yíng)銷業(yè)務(wù)拓展以及用電用戶的參與需求，可以利用遠(yuǎn)程信道向用戶推行梯形電價(jià)，多次結(jié)算，有序用電在線監(jiān)測(cè)，以確保用電安全。近年來，常采用的通信遠(yuǎn)程信道包括無線紅網(wǎng)、光纖專網(wǎng)、中央電力線以及載波網(wǎng)絡(luò)等。由于不同地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，且不同區(qū)域智能用電系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程信道進(jìn)行靈活配置，強(qiáng)化信息建設(shè)，因此現(xiàn)場(chǎng)終端包括智能電表、傳感器及智能開關(guān)等。智能電表是自動(dòng)測(cè)量體系的計(jì)量設(shè)施，設(shè)計(jì)過程中需要遵循三個(gè)原則。首先，需要接入分布式電源。其次，考慮通信信道的實(shí)際承受能力。最后，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶便捷互動(dòng)。智能電表的功能包括預(yù)付費(fèi)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、時(shí)間記錄、能效計(jì)量、時(shí)段管理及雙向通信等[1]。

2 寬帶電力線載波技術(shù)

目前，寬帶電力線載波技術(shù)實(shí)際上是將載波信號(hào)加載到1～30 MHz的調(diào)制頻段信號(hào)，能夠使用多載波正交頻分復(fù)用技術(shù)在電力線上進(jìn)行信息的傳遞以及數(shù)據(jù)采集；利用OFDM技術(shù)，實(shí)際上是Homeplug Green Phy協(xié)議對(duì)智能電網(wǎng)的應(yīng)用需求，可提出耗電量低、成本低的方案。在物理層面，該協(xié)議規(guī)定了信號(hào)的具體工作頻段范圍為1～30 MHz，共有1155個(gè)多載波正交頻分復(fù)用，子載波采用了QPSK的調(diào)制方法，子載波間隔為24 kHz。將寬帶電力線載波通信單元用于集抄系統(tǒng)中，可解決通信單元抗干擾能力差、能量消耗高及組網(wǎng)實(shí)時(shí)性差等問題。目前，國(guó)內(nèi)的載波集抄系統(tǒng)采用的是窄帶載波產(chǎn)品，由于處于不同的地理位置，其方案解決存在一定差異，使各集抄臺(tái)區(qū)運(yùn)行效果不同。為體現(xiàn)利用寬帶載波產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，選取了國(guó)內(nèi)比較典型的窄帶載波產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，寬帶和窄帶的載波產(chǎn)品參數(shù)比較如表1所示[2]。

表1 寬帶和窄帶的載波產(chǎn)品參數(shù)比較表

由表1可知，寬窄帶載波產(chǎn)品的最大通信速率可以相差6 000多倍。此外，窄帶載波通信速率屬于普通抄表，具有較差的實(shí)時(shí)性，無法為用戶帶來高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)，而基于Homeplug Green Phy協(xié)議的寬帶載波產(chǎn)品則能夠有效克服這一問題。

3 寬帶電力線載波技術(shù)的應(yīng)用分析

智能電表中，為檢驗(yàn)寬帶電力線載波技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，以某供電局應(yīng)用農(nóng)網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)為例。該系統(tǒng)存在5個(gè)不同的集抄臺(tái)區(qū)，共涉及652戶居民，對(duì)其進(jìn)行窄帶載波情況分析，并制定了有效的改造方案。主站采用集中式，遠(yuǎn)程信道采用GPRS/CDMA無線公網(wǎng)，其改造方案如表2所示。

表2 改造方案

所調(diào)查的5個(gè)集抄臺(tái)區(qū)最初使用的頻率為421 kHz的窄帶載波方案，這些居民用戶采用是國(guó)家電網(wǎng)要求的單相智能電能表，利用的是全載波集抄方式，其中規(guī)模較大的臺(tái)區(qū)進(jìn)行一次集中短抄，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為將近1 h，且成功率在90%以下。為提高集抄的成功率，縮短信息采集所需的時(shí)間，需要對(duì)5個(gè)集抄臺(tái)區(qū)的智能電表和集中器進(jìn)行改造，將原始的通信模塊換為寬帶載波產(chǎn)品。圖1為某供電局應(yīng)用農(nóng)網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)改造方案。

圖1 某供電局應(yīng)用農(nóng)網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)改造方案

經(jīng)過改造后發(fā)現(xiàn)，各臺(tái)區(qū)居民用戶的電能表檔案導(dǎo)入了集中器以及寬帶載波測(cè)試軟件[3]。通過該軟件能夠?qū)?個(gè)臺(tái)區(qū)電能表的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。改造中，對(duì)供電距離最遠(yuǎn)的測(cè)試情況以及線路衰減情況最為惡劣的A村進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)A村的集中器進(jìn)行上電后，其所在區(qū)域的170塊電能表全部上線，其組網(wǎng)時(shí)間為4 min；查看當(dāng)前所在線的電能表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，寬帶載波集中器本地通信單元含有三個(gè)載波集抄主節(jié)點(diǎn)，且同時(shí)分布在A、B、C三個(gè)相中；每一個(gè)載波集抄主節(jié)點(diǎn)能夠容納253個(gè)載波集抄，節(jié)點(diǎn)分布在相應(yīng)的終端設(shè)備中，分別用不同的顏色表示載波集抄主節(jié)點(diǎn)的物理地址、集中器電能表位置及普通電能表地址；寬帶載波模塊能夠具備組網(wǎng)自遍歷中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能，能夠自動(dòng)形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且具有路由記憶，可達(dá)到16級(jí)的中繼深度。該區(qū)域的集抄臺(tái)區(qū)能夠形成五級(jí)中繼深度。通過運(yùn)行寬帶載波測(cè)試管理軟件發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)上位機(jī)集中器載波路時(shí)，將A村的電能表下發(fā)到遠(yuǎn)程集中集抄表中，以完成第一輪的集抄。該結(jié)果表明，A區(qū)集中器共計(jì)170塊電能表，利用有功電能表完成抄數(shù)這一過程所需要的時(shí)間為3 s，且成功率達(dá)100%，具有良好的運(yùn)行效果。此外，還對(duì)5個(gè)集抄臺(tái)區(qū)同期運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查。結(jié)果均表明，利用寬帶載波遠(yuǎn)程集抄，不僅能提升信息的采集率，可以達(dá)到98%的成功率，而且能夠減少信息采集過程中的時(shí)間消耗，可將臺(tái)區(qū)表計(jì)輪抄限制在秒，減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，利用寬帶載波遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，能夠幫助供電營(yíng)銷區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確的市場(chǎng)分析，并制定科學(xué)合理的用電方案。

根據(jù)寬帶載波結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及國(guó)家電網(wǎng)的相關(guān)要求，智能電能表通信系統(tǒng)由主站、光線路終端、光分配網(wǎng)絡(luò)、光網(wǎng)絡(luò)電源以及智能用戶終端構(gòu)成。其通信系統(tǒng)的工作原理是：下行方向由主站將數(shù)據(jù)運(yùn)用一定格式的可變長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包廣播傳輸給相應(yīng)的光分配網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)攜帶有傳輸目的地的光網(wǎng)絡(luò)單元標(biāo)識(shí)符的信頭數(shù)據(jù)到達(dá)光網(wǎng)絡(luò)單元的同時(shí)，會(huì)有光網(wǎng)絡(luò)單元的媒體訪問控制層進(jìn)行地址解析，獲取自身數(shù)據(jù)包，并丟棄無意義的數(shù)據(jù)包；在上行方向，各個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元數(shù)據(jù)幀采用突發(fā)方式和時(shí)分復(fù)用技術(shù)，通過信息共享信道使信息傳輸能夠讓各光網(wǎng)絡(luò)單元在光線路終端分配到不同時(shí)隙中，將數(shù)據(jù)幀組成一個(gè)時(shí)分復(fù)用信息源，并傳送到指定的光線路終端中。對(duì)于智能電能表光通信模塊的設(shè)計(jì)，可以通過RS232C串口與電能表進(jìn)行互通，使用Homeplug Green Phy協(xié)議與電能表進(jìn)行通信，通過TCP/IP與寬帶接口進(jìn)行連接。光通信模塊能夠作為一種協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊電動(dòng)機(jī)被裝置，采用的是光儀表公司生產(chǎn)的單相費(fèi)控電能表，遵循Homeplug Green Phy協(xié)議。對(duì)于嵌入式開發(fā)環(huán)境，采用的芯片型號(hào)為QCA8829。該芯片是以寬帶載波有線電纜數(shù)據(jù)作為服務(wù)接口，具有較低的成本、較小的體積及較強(qiáng)的實(shí)用性，是寬帶載波智能電能表通信模塊嵌入式芯片的首選。

4 結(jié) 論

本文闡述了基于Homeplug Green Phy協(xié)議的寬帶電力線載波技術(shù)，并將該技術(shù)運(yùn)用于智能電表遠(yuǎn)程集抄過程，通過實(shí)例分析了該技術(shù)的運(yùn)行效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程集抄的實(shí)時(shí)性，提升信息采集的成功率，并不斷滿足用戶業(yè)務(wù)信息互動(dòng)以及智能用電營(yíng)銷體系的需求。此外，在智能電表中引入寬帶電力線載波技術(shù)能夠?yàn)橹悄芗揖?、工業(yè)物聯(lián)等不斷推進(jìn)寬帶載波技術(shù)應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。