泛在電力物聯(lián)網(wǎng)智聯(lián)單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜芳燕 蔡曉玉 張萌欽 郭鵬

摘 ?要：近年來社會(huì)用電需求的不斷增大，電力工程建設(shè)數(shù)量也逐漸增多。目前，低壓配電臺(tái)區(qū)設(shè)備種類繁多、通信接口各異，不能有效地接入電力物聯(lián)網(wǎng)中，進(jìn)而形成各個(gè)孤立單元，使電網(wǎng)企業(yè)無法感知低壓配電臺(tái)區(qū)的工作狀態(tài)及運(yùn)行情況。智聯(lián)單元作為獨(dú)立的單元應(yīng)用在低壓配電設(shè)備中，為低壓配電臺(tái)區(qū)設(shè)備接入泛在電力物聯(lián)網(wǎng)提供統(tǒng)一接口。本文就泛在電力物聯(lián)網(wǎng)智聯(lián)單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)展開探討。

關(guān)鍵詞：區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng);泛在電力物聯(lián)網(wǎng);雙模智聯(lián)單元

引言

低壓配電臺(tái)區(qū)的設(shè)備較多，同時(shí)通信接口的形態(tài)各不相同，這些阻礙的存在，讓電力物聯(lián)網(wǎng)的接入難度更大，因此直接導(dǎo)致了每個(gè)單元都非常孤立，無法讓電網(wǎng)企業(yè)對各個(gè)低壓配電臺(tái)的工作狀態(tài)與運(yùn)作基本情況被及時(shí)與動(dòng)態(tài)的掌握。

1泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的提出背景

從國家的角度來看，建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是國家電網(wǎng)公司對網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略的具體實(shí)踐，是其落實(shí)中央部署、發(fā)揮央企帶頭作用的重要舉措，是其適應(yīng)內(nèi)外部形勢和挑戰(zhàn)的必然要求。從國家電網(wǎng)公司的角度來看，面對市場化的挑戰(zhàn)正在訴求戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，做出全面推進(jìn)“三型兩網(wǎng)”建設(shè)，加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的戰(zhàn)略部署，正是其具體措施之一。從服務(wù)對象的角度來看，近十幾年我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，相應(yīng)地，企業(yè)、居民等電網(wǎng)服務(wù)對象對電能的需求量劇增，需求模式也趨向多樣化，當(dāng)前電網(wǎng)的技術(shù)水平、管理模式等已經(jīng)非最優(yōu)化，難以完美滿足各方的要求，電網(wǎng)企業(yè)需要從工程驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向客戶價(jià)值驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滿足客戶需求的“定制化”解決方案，即建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)勢在必行。

2泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)包括新型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)。由于傳感器直接放入電力設(shè)備的內(nèi)部，因此需要對傳感器進(jìn)行微型化，這樣就需要技術(shù)來考慮電磁兼容技術(shù)。新型的傳感器可以為電力物聯(lián)網(wǎng)提供有效的參考，例如：納米材料傳感器、生物芯片等。因?yàn)閭鞲衅餍枰臄?shù)量多、應(yīng)用的環(huán)境也各不相同。所以傳感器的電池也需要不斷的更新，所以必須采用新型的技術(shù)來管理電池。通過電力能源系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)后，必定會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，所以需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于不同的數(shù)據(jù)具有不同的類型、存儲(chǔ)方式、準(zhǔn)確性等。所以需要一項(xiàng)技術(shù)來處理大量的數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，從而得到有用的數(shù)據(jù)，避免大量的數(shù)據(jù)造成不必要的干擾。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)得到了充分的使用。

3泛在電力物聯(lián)網(wǎng)智聯(lián)單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1基于高速載波、微功率無線的雙模組網(wǎng)方案

首先高速載波與微功率無線分別獨(dú)立組成通信網(wǎng)絡(luò)，各自獨(dú)立管理。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有載波和微功率無線通信能力。由主控CPU制定策略仲裁采用何種通信方式傳輸數(shù)據(jù)。寬帶電力線載波與微功率無線異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)是一種全新的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了寬帶電力線載波和微功率無線的深度融合。雙模組網(wǎng)方案具備雙模通信能力的網(wǎng)關(guān)向下兼容原HPLC或RF技術(shù)，既可以采用單一技術(shù)組網(wǎng)，也可以雙?；旌辖M網(wǎng)，根據(jù)實(shí)際場景選擇，進(jìn)而統(tǒng)一低壓配電臺(tái)區(qū)設(shè)備通信接口。

3.2載波/無限雙模技術(shù)的電力設(shè)備地址IP化模型解析

3.2.1基于載波與微功率互聯(lián)網(wǎng)通信模型

互聯(lián)網(wǎng)OSI模型的各層作用不同，每層的位置與名稱都有差異，其中包括應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層等，而智能單元時(shí)將其中的一些架構(gòu)層進(jìn)行優(yōu)化，并對其中一些網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行深刻分析，本文主要將高速載波模型中的數(shù)據(jù)鏈路層或微功率無線的網(wǎng)絡(luò)層和MAC層抽象成虛擬數(shù)據(jù)鏈路層。

3.2.2P化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)IP化組網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流流向見圖1。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由TTU、CCO智聯(lián)單元、智聯(lián)單元、低壓設(shè)備組成。TTU與CCO智聯(lián)單元之間采用UART連接，接口層包括數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，適配層支持6LoWPAN，網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，傳輸層采用標(biāo)準(zhǔn)UDP協(xié)議，應(yīng)用層用CoAP的應(yīng)用數(shù)據(jù)段承載數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。CCO與智聯(lián)單元分別采用電力線和微功率無線連接。首先通過載波技術(shù)和微功率無線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)CCO與智聯(lián)單元組成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，然后TTU采用TCP/IP協(xié)議發(fā)起網(wǎng)絡(luò)通信。在網(wǎng)絡(luò)通信的過程中，傳到CCO智聯(lián)單元的數(shù)據(jù)為IP包，經(jīng)過智聯(lián)單元虛擬數(shù)據(jù)鏈路層的處理后，轉(zhuǎn)化為實(shí)際的載波/微功率數(shù)據(jù)鏈路層幀，并采用載波/微功率通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥康牡?。同理，反向?shù)據(jù)傳輸過程相反。

3.3低壓臺(tái)區(qū)設(shè)備協(xié)議的統(tǒng)一方案

3.3.1雙模模塊設(shè)計(jì)

此種模塊設(shè)計(jì)主要建立在雙模通訊芯片設(shè)計(jì)上，包括很多個(gè)組成部分，如載波信號(hào)調(diào)至模塊、載波信號(hào)收發(fā)耦合模塊、存儲(chǔ)模塊等，通常狀況下，載波信號(hào)調(diào)制主要以雙模通信芯片為指揮中心，讓信號(hào)得到更為全面的調(diào)制解調(diào)。首先，載波信號(hào)可以直接對收發(fā)區(qū)進(jìn)行耦合分析。同時(shí)，雙模信號(hào)只要通過收發(fā)濾波與耦合電路的方式對信息進(jìn)行處理即可。其次，傳輸模塊可以直接讓程序得到儲(chǔ)存。與此同時(shí)，還可以借助相關(guān)軟件對這些程序進(jìn)行使用。再次，是電源電路載波芯片存儲(chǔ)芯片的都直接由外圍電路進(jìn)行供電。最后是接口電路，電路主要由載波模塊、電能表通信接口以及JTAG調(diào)試接口等構(gòu)成。

3.3.2電源模塊電路設(shè)計(jì)

由于寬帶載波是利用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的，所以電力線上噪聲直接影響寬帶載波的通信質(zhì)量，高頻開關(guān)電源在工作過程中會(huì)產(chǎn)生不同頻段的噪聲，它會(huì)對寬帶載波通信產(chǎn)生干擾，如果在互聯(lián)單元終端中使用開關(guān)電源為終端供電，那么會(huì)在寬帶載波模組的出入口直接對載波通信造成影響。而使用工頻變壓器可以大幅度減少噪聲，對寬帶載波通信的影響降到最低，大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，使用工頻變壓器可以提高寬帶載波通信增益5～10dB。電路中使用直流電壓供電，220V交流經(jīng)工頻變壓器降到13.5V交流，然后經(jīng)過全波整流和三端穩(wěn)壓器得到12V直流電壓，12V直流電壓除給寬帶載波通信外，再經(jīng)過LDO降壓到3.3V、1.8V、1.1V。

結(jié)語

建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是國家電網(wǎng)公司在發(fā)展過程中邁出的重要一步，實(shí)現(xiàn)有效聚合分布式新能源和配電系統(tǒng)升級改變。作為一個(gè)全新的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)雙模通信組網(wǎng)，其中的智聯(lián)單元主要以雙模通信組網(wǎng)為基礎(chǔ)，可以讓網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議層得到統(tǒng)一，數(shù)據(jù)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)模型也可以因此獲得統(tǒng)一的管理。同時(shí)這些電壓設(shè)備可以直接接入到電力物聯(lián)網(wǎng)中，進(jìn)而擴(kuò)大物聯(lián)網(wǎng)的功能，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，讓感知效應(yīng)更強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

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