基于全光纖網(wǎng)絡(luò)的電力抄表系統(tǒng)

劉 闊, 范曉健, 孫思文, 王 菲, 張大明

(吉林大學(xué) a. 集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b. 電子科學(xué)與工程學(xué)院; c. 吉林省光通信用聚合物波導(dǎo)器件工程實(shí)驗(yàn)室, 長春 130012)

0 引 言

為踐行我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、 建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會, 節(jié)能減排、 實(shí)現(xiàn)有效穩(wěn)定的能源費(fèi)控越來越受到廣泛的重視。其中, 對用電信息進(jìn)行準(zhǔn)確采集和科學(xué)管理是一個關(guān)鍵方面。早在2012年, 國家發(fā)改委就出臺了居民階梯電價政策, 以促使居民在生活中合理用電、 節(jié)約資源。該政策的實(shí)施, 使得傳統(tǒng)的量控計(jì)量模式不再滿足要求。新的計(jì)量費(fèi)控模式以智能抄表為基礎(chǔ), 采用多種抄讀方式, 力爭實(shí)現(xiàn)用電信息迅速采集、 高效管理, 推動構(gòu)建現(xiàn)代化智能電網(wǎng)系統(tǒng)[1-4]。

遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)是能適應(yīng)國家政策要求、 實(shí)現(xiàn)用電信息高效高速采集、 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸處理的現(xiàn)代化計(jì)量費(fèi)控系統(tǒng), 因此, 針對遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)的研究和完善是當(dāng)前用電信息采集行業(yè)的主要任務(wù)。遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)時具有信號傳輸距離遠(yuǎn)、 傳輸環(huán)節(jié)多等特點(diǎn), 這就要求其通信鏈路必須具備極高的穩(wěn)定性, 以承擔(dān)遠(yuǎn)程大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù), 只有穩(wěn)定性高、 可靠性強(qiáng)、 傳輸能力優(yōu)越的通信介質(zhì)才能支撐遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)的真正實(shí)現(xiàn)和長久運(yùn)行。

光纖是現(xiàn)代通信領(lǐng)域最常見、 最高效的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì), 為其在電力抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可能。常見的光纖包括石英光纖和塑料光纖, 二者分別在長距離和短距離通信領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢[5-11], 可分別適用于電力抄表系統(tǒng)在小區(qū)內(nèi)集抄和將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)焦╇娚虄煞N場景, 取代現(xiàn)有的載波式或半光纖式電力抄讀方式, 為用電信息采集提供更加穩(wěn)定高效的解決方案。

筆者基于石英光纖在中長距離的通信能力和塑料光纖在短距離的數(shù)據(jù)傳輸性能優(yōu)勢, 提出在電力抄表系統(tǒng)中綜合運(yùn)用石英光纖和塑料光纖作為通信介質(zhì), 對現(xiàn)有傳統(tǒng)的電力集抄方式進(jìn)行全方面的改進(jìn), 提高用電信息采集的穩(wěn)定性和高效性, 使之更加符合遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)的需要, 為智能用電系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 智能用電信息采集系統(tǒng)

智能用電信息系統(tǒng)是時代發(fā)展的要求, 不僅要實(shí)現(xiàn)對用電量的計(jì)量計(jì)價和控制, 也要具有信息反饋、 用電保護(hù)、 故障監(jiān)控、 智能調(diào)配等功能, 構(gòu)建供電方與用電方信息交流反饋的平臺, 促進(jìn)合理用電、 科學(xué)用電, 以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、 減少浪費(fèi)的目的。智能用電系統(tǒng)包括以下幾個部分： 計(jì)量主站、 遠(yuǎn)距離通信信道、 本地終端、 局域網(wǎng)絡(luò)和用戶[12], 整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能用電系統(tǒng)示意圖

計(jì)量主站是指供電商內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、 存儲、 管理等功能的系統(tǒng), 其通過遠(yuǎn)程信道與本地終端進(jìn)行有機(jī)連接, 既要實(shí)現(xiàn)收集并處理終端傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù), 又要即時發(fā)布命令, 包括事件監(jiān)測、 故障定位等。這部分的數(shù)據(jù)傳輸具有數(shù)量大、 距離遠(yuǎn)等特點(diǎn), 伴隨著電力行業(yè)的發(fā)展, 未來還將拓展更多的增值功能[13-15], 比如分時段計(jì)價、 多次結(jié)算、 信息公開、 政策透明、 即時保障用電穩(wěn)定和安全等, 因此對遠(yuǎn)程信道通信介質(zhì)的信號傳輸能力提出了更高的要求。我國各地區(qū)應(yīng)根據(jù)用電信息采集系統(tǒng)實(shí)際建設(shè)和發(fā)展情況自主選擇最優(yōu)方案, 同時跟緊時代步伐, 向智能化電力抄表系統(tǒng)邁進(jìn)。

本地終端主要包括用電設(shè)備、 計(jì)量設(shè)備、 采集和集中終端以及各類傳感設(shè)備等, 其中計(jì)量設(shè)備和采集、 集中終端需依據(jù)用戶分布情況, 按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接, 構(gòu)成本地主干通信網(wǎng)絡(luò)[16]。計(jì)量設(shè)備的主要功能是用電數(shù)據(jù)計(jì)量、 相應(yīng)費(fèi)率控制和計(jì)算、 數(shù)據(jù)存儲和顯示, 并能實(shí)現(xiàn)雙向通信。采集和集中終端一般為裝有相應(yīng)模塊的采集器和集中器, 主要功能是實(shí)現(xiàn)對計(jì)量設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、 存儲和傳輸, 其中采集器還負(fù)責(zé)將本地?cái)?shù)據(jù)向上發(fā)送至計(jì)量主站, 并接受和傳達(dá)其命令。本地主干網(wǎng)絡(luò)目前常見的是電力載波和微功率無線技術(shù), 運(yùn)用RS485、 RS232、 CAN(Controller Aoea Network)總線等有線方式和ZigBee、 GPRS(General Packet Radio Service)等無線方式形成本地通信網(wǎng)絡(luò)[17-18], 將采集器、 集中器、 智能電表進(jìn)行連接, 實(shí)現(xiàn)信息傳輸。我國目前主流采用的電力抄表系統(tǒng)中傳輸方式為載波數(shù)據(jù)傳輸, 以低壓電力線作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。這種技術(shù)的優(yōu)勢主要在于節(jié)省了前期布線的步驟, 不需要專門為用電信息采集重新布線。但其缺點(diǎn)也十分明顯, 由于低壓電力線的主要功能是傳輸電能, 相比于專用通信介質(zhì), 其信道環(huán)境十分復(fù)雜, 使整體可靠性較低, 隨著對用電信息采集系統(tǒng)的要求提高, 載波式電力抄表方式將受到越來越大的挑戰(zhàn)。

2 塑料光纖在本地終端電力抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖2 塑料光纖基本結(jié)構(gòu)

用電信息采集系統(tǒng)可劃分為兩大部分: 一是用電現(xiàn)場終端及其構(gòu)成的短距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng); 二是計(jì)量主站及連接其與用電終端之間的遠(yuǎn)程信道。其中前者的數(shù)據(jù)傳輸距離一般不超過200 m, 按照現(xiàn)有的塑料光纖通訊能力完全可以勝任通信介質(zhì)。塑料光纖是由高透明聚合物如聚苯乙烯(PS: Polystyrene)、 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA: Polymethyl Methacrylete)、 聚碳酸酯(PC: Polycarbonate)作為芯層材料, PMMA、 氟塑料等作為皮層材料, 通過物理加工合成的光導(dǎo)纖維[19], 不同的材料具有不同的光衰減性能和溫度應(yīng)用范圍(見圖2)。

目前國內(nèi)生產(chǎn)的通信用塑料光纖產(chǎn)品, 主要采用PMMA作為芯層、 氟化材料作為包層, 其損耗不超過180 dB/km, 帶寬可達(dá)1 GHz·km, 表1為幾種通信介質(zhì)性能對比。由表1可看出在短距離信號傳輸領(lǐng)域, 塑料光纖相對銅質(zhì)電纜和石英光纖均有自己的獨(dú)特優(yōu)勢, 為實(shí)現(xiàn)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)[20-23]。

表1 幾種通信材料性能對比

塑料光纖在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用離不開其相應(yīng)的光收發(fā)模塊, 目前塑料光纖光模塊主要有650 nm和520 nm兩種, 其中低速的光模塊傳輸速率在1～50 Mbit/s, 高速的可達(dá)1.25 Gbit/s[24]。當(dāng)前世界流行的塑料光纖收發(fā)模塊主要是Infineon, Avago, OPTEK等國外公司生產(chǎn)的, 我國的相關(guān)研究起步較晚, 目前國內(nèi)僅有幾家公司具備自主生產(chǎn)塑料光纖收發(fā)模塊的能力, 市售還是以國外產(chǎn)品為主。650 nm的光收發(fā)模塊適用于100 m以內(nèi)的通信距離, 此時光發(fā)射器功率為-5 dBm, 相應(yīng)地采用在650 nm波長下衰減小于180 dB/km的塑料光纖即可滿足本地主干網(wǎng)絡(luò)通信的要求； 520 nm光收發(fā)模塊在100～300 m的通信距離中更有優(yōu)勢, 發(fā)射器功率達(dá)-3～-0.5 dBm, 此時需要采用在綠光波段衰減小于100 dB/km的塑料光纖。需要指出的是, 目前這種在綠光波段性能較好的塑料光纖在國內(nèi)鮮有生產(chǎn), 基本均為國外產(chǎn)品。未來塑料光纖收發(fā)模塊的發(fā)展趨勢是小型化、 集成化、 低功耗和低成本, 我國的光模塊產(chǎn)品則將占據(jù)更多的市場份額, 并帶動與之相對應(yīng)的更優(yōu)性能的塑料光纖產(chǎn)品的發(fā)展。

基于塑料光纖的用電信息短距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決方案如圖3所示。 從圖3可看出, 安裝了塑料光纖專用收發(fā)模塊的智能電表與相應(yīng)采集器用塑料光纖連接, 采用單芯閉環(huán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 即從采集器本地通信模塊出發(fā), 依次串聯(lián)數(shù)個智能電表, 最后回到采集器模塊； 集中器與采集器的連接方式與之類似, 數(shù)個采集器依次串聯(lián), 最終仍回到集中器相應(yīng)模塊。這就實(shí)現(xiàn)了環(huán)與環(huán)之間并聯(lián)、 環(huán)內(nèi)串聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。作為對比, 可設(shè)計(jì)兩種連接方案, 一種是在智能電表、 采集器、 集中器之間全部用塑料光纖進(jìn)行連接的實(shí)驗(yàn)組； 另一種是用傳統(tǒng)的電力載波方式進(jìn)行連接的對照組。其中用塑料光纖連接的方案中, 需要將智能電表、 采集器和集中器進(jìn)行改造, 加裝光通信模塊, 使之具有光信號傳輸能力。系統(tǒng)連接后, 將集中器數(shù)據(jù)導(dǎo)入至塑料光纖測試管理軟件, 通過該軟件實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸情況。這種組裝方案采用TCP/IP協(xié)議, 因此設(shè)備的可替換性較強(qiáng), 當(dāng)需要維修時, 可直接選購各廠家的器件、 模塊進(jìn)行替換, 有效降低維護(hù)時間和成本。

圖3 塑料光纖本地用電信息采集系統(tǒng)

圖4 現(xiàn)有試點(diǎn)對比數(shù)據(jù)

數(shù)家塑料光纖試點(diǎn)與窄帶載波系統(tǒng)進(jìn)行對比測試的典型數(shù)據(jù)如圖4所示。從圖4中可看出, 在幾百戶的用電規(guī)模下, 塑料光纖方案抄讀成功率接近100%, 相較于窄帶載波方案的87.5%是質(zhì)的突破； 平均抄讀耗時降到了秒級, 下降了300倍； 系統(tǒng)功耗降至毫瓦級別, 比窄帶低30倍, 極大地提升了系統(tǒng)的運(yùn)行速度和質(zhì)量。進(jìn)行測試時, 應(yīng)盡量保證兩種方案的通信距離接近、 測試時間用電量接近, 以減小實(shí)驗(yàn)誤差。測試的項(xiàng)目包括全部數(shù)據(jù)采集一次消耗時長、 高采集頻率下不間斷通信成功率、 長時間內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、 不同用電峰值時間段系統(tǒng)可靠性、 不同環(huán)境(溫度、 濕度、 光照等)下系統(tǒng)可靠性、 電磁干擾環(huán)境下系統(tǒng)穩(wěn)定性等。此外, 在實(shí)施和成本方面, 塑料光纖方案還具有布線簡單、 施工成本低、 運(yùn)行維護(hù)方便、 維修容易等優(yōu)勢； 在不同環(huán)境下系統(tǒng)的可靠性方面, 現(xiàn)有的塑料光纖產(chǎn)品均能實(shí)現(xiàn)80 ℃以下正常使用20年以上, 溫度適應(yīng)范圍較大； 且因脫離電力信號傳輸, 故不受電磁干擾, 環(huán)境可靠性強(qiáng)。

3 石英光纖在長距離電力抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用

電力抄表系統(tǒng)中的長距離信號傳輸部分是指從集中器到供電公司主站, 這段線路距離通常超過1 km, 目前常用的遠(yuǎn)程信道包括GPRS/CDMA(Code Division Multiple Access)無線公網(wǎng)、 230 MHz無線專網(wǎng)和中壓電力線載波網(wǎng)絡(luò)。智能電力抄表系統(tǒng)的主站由電力業(yè)務(wù)應(yīng)用、 信息采集、 數(shù)據(jù)儲存管理、 營銷支持和前置通信等組成, 遠(yuǎn)程信道將主站與用電終端進(jìn)行連接, 實(shí)現(xiàn)將集中器數(shù)據(jù)上行傳輸、 主站命令下行通信等功能[25]。隨著智能電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展, 未來需要通過遠(yuǎn)程信道進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量將會大大提升, 以實(shí)現(xiàn)梯量計(jì)價、 有序管理、 減小電力浪費(fèi)、 實(shí)時監(jiān)測充電樁等設(shè)備運(yùn)行、 故障上報(bào)與定位和確保用電質(zhì)量和安全等增值功能。面對將大量增加的數(shù)據(jù)傳輸量, 現(xiàn)行的無線、 電力線載波方式會面臨較大的壓力。無線網(wǎng)絡(luò)由于易受建筑物、 樹木的遮擋和天氣、 風(fēng)力的影響, 存在信號傳輸不穩(wěn)定的缺陷； 電力線載波方式則是存在傳輸效率不高、 抗電磁干擾能力差等方面的不足。石英光纖是光纖通信乃至整個現(xiàn)代通信領(lǐng)域的基石, 具有其他通信材料無法比擬的優(yōu)勢[26-33], 自20世紀(jì)60年代提出之后, 受到了廣泛的重視并迅速發(fā)展。相對現(xiàn)行的無線和電力載波方式, 光纖方案具有帶寬大、 傳輸損耗極低、 尺寸小、 質(zhì)量輕、 制作成本低等優(yōu)勢。目前實(shí)際應(yīng)用的石英光纖傳輸損耗均在0.5 dB/km以下, 色散小于18 ps/km·nm, 包層直徑僅有125 μm。表2是石英光纖與其他長距離通信方式的對比, 可看出將石英光纖應(yīng)用于電力抄表系統(tǒng)具有十分堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

表2 長距離通信方式對比

石英光纖應(yīng)用在電力抄表系統(tǒng)遠(yuǎn)程信道中, 需要將主站和集中器分別添加相應(yīng)的光通信模塊, 使二者都具有光通信能力, 在布線方面則可以參考現(xiàn)有的寬帶網(wǎng)絡(luò)光纖到戶布線方案甚至憑借其現(xiàn)有的光纖進(jìn)行用電信息數(shù)據(jù)的傳輸[34]。

如圖5所示, 在集中器側(cè), 由于短距離抄表系統(tǒng)連接的是塑料光纖, 長距離傳輸采用石英光纖, 二者中心波長不同, 需要進(jìn)行一定的調(diào)制解調(diào)以滿足兩類光纖的要求。也就是說, 集中器既需要安裝塑料光纖光模塊, 同時也要增加石英光纖光模塊, 將兩種模塊以最佳方式適配集中器可參考具體安裝環(huán)境, 采用將模塊直接加在集中器內(nèi)或額外添加調(diào)制解調(diào)器的方式。按照石英光纖方案改造完成后, 可從布線成本、 維護(hù)成本、 響應(yīng)時間、 傳輸速度和穩(wěn)定性等方面進(jìn)行測試, 可充分體現(xiàn)石英光纖方案的優(yōu)勢。

圖5 石英光纖遠(yuǎn)程信道

4 結(jié) 語

采用長距離石英光纖通信和短距離塑料光纖通信方案結(jié)合實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)電力抄表系統(tǒng), 可以真正實(shí)現(xiàn)100%的抄讀成功率, 而且將采集耗時限制在秒級, 提高了采集效率, 降低采集人員的工作強(qiáng)度, 方便供電主站對用戶的精準(zhǔn)計(jì)價, 并實(shí)現(xiàn)故障實(shí)時檢測、 定位, 方便對供電障礙的維護(hù)； 更精準(zhǔn)及時的費(fèi)控能有力地幫助供電營銷單位對區(qū)域用電做出最佳規(guī)劃, 削峰填谷、 分時計(jì)費(fèi), 緩解電力供需矛盾, 促進(jìn)節(jié)能減排, 并且可增加防竊電預(yù)警裝置, 減少資源浪費(fèi)； 可實(shí)現(xiàn)多表合一, 集合水、 電、 氣和熱表數(shù)據(jù)采集, 以足夠的帶寬光纖方案完全可以實(shí)現(xiàn)多種計(jì)量數(shù)據(jù)同時傳輸, 起始但不限于電力抄表行業(yè)； 可以拓展許多需要大量、 高速、 實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ? 符合未來智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢, 例如在用戶端可增加手機(jī)軟件, 方便用戶對自己用電量和供電公司政策的把握, 實(shí)現(xiàn)以每家每戶為起點(diǎn)的節(jié)能減耗, 并且方便故障定位和維修, 提供用戶與供電方交流反饋的平臺。

但在實(shí)際工程實(shí)施過程中, 全光網(wǎng)絡(luò)方案也存在一定的劣勢。由于塑料光纖的傳輸距離一般不超過250 m, 限制了采集器、 集中器的連接距離, 可能導(dǎo)致需要的儀器數(shù)量超過原本的載波方案, 造成成本的增加, 尤其是對占地面積較大的小區(qū)、 企業(yè)等需要集中安裝表計(jì)的單位, 改造或新建的前期器件購置成本要略高于電力載波式方案。另外, 在安裝完成后, 調(diào)試費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用方面, 全光網(wǎng)絡(luò)方案也沒有明顯的優(yōu)勢。目前塑料光纖應(yīng)用在電力抄表系統(tǒng)的實(shí)際案例還較少, 其帶寬大和穩(wěn)定性高的優(yōu)勢還沒有能完全體現(xiàn)出來, 附加功能也處在探索階段。相信隨著技術(shù)的完善和應(yīng)用的普及, 憑借自身獨(dú)特的優(yōu)勢和順應(yīng)時代潮流的特性, 全光網(wǎng)絡(luò)將會成為未來電力抄表乃至整個遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集行業(yè)的大趨勢。