智能費控電能表光纖通信單元的研制及應(yīng)用

董永樂，李 軒，王坤涵，吳佳偉

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.國家電網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010010；3.波特蘭州立大學(xué)，美國 波特蘭 97201）

0 引言

內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司“十三五”發(fā)展規(guī)劃要求進一步推進智能電網(wǎng)高級量測體系建設(shè)，助推通信技術(shù)與計量技術(shù)深度融合，促進電能計量新技術(shù)的應(yīng)用，以多樣化的數(shù)據(jù)采集、傳輸方式提高用戶遠程抄表、繳費成功率，提升客戶服務(wù)質(zhì)量[1-5]。本文針對現(xiàn)有采集模式存在的不足，以光纖高速數(shù)據(jù)傳輸為目標，研發(fā)智能費控電能表光纖通信單元，探索“互聯(lián)網(wǎng)+智能量測”的先進模式[6-14]。

1 智能費控電能表光纖通信單元結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 光纖通信單元結(jié)構(gòu)

光纖通信單元外形尺寸為111.9 mm（長）×96.2 mm（寬）×61.4 mm（高），內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。智能費控電能表光纖通信單元從電能表進線火線和零線上取電，再通過電源模塊（型號：AP05N05-Zero）轉(zhuǎn)變?yōu)?2 V/5 W，作為模塊正常工作所需電源；單元與電能表電路僅通過通信端口連接，并聯(lián)到電能表進線段，不參與負載回路，不影響電能表計量準確度。智能費控電能表光纖通信單元主控芯片遵循DL/T 645—2007《通信規(guī)約協(xié)議》[15]，通過電能表通信接口、光纖接口處理器，將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)较到y(tǒng)主站，從而實現(xiàn)光纖抄表。

圖1 智能費控電能表光纖通信單元結(jié)構(gòu)

1.2 光電轉(zhuǎn)換器

智能費控電能表光纖通信單元光電轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)電信號和光信號的雙向轉(zhuǎn)換。光電轉(zhuǎn)換器基于HI5663H芯片實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，HI5663H長期工作結(jié)溫最低值-30℃，最高值105℃，短期結(jié)溫最高值125℃（任何條件下芯片結(jié)溫都不能高于該數(shù)值，否則會引起芯片物理損傷）。

1.3 技術(shù)路線

智能費控電能表光纖通信單元從串行通信接口讀取上報信息，再將此信息轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)格式，通過光纖通道直接回傳到控制中心服務(wù)器。

1.4 測試原理

1.4.1 發(fā)送光功率

1.4.1.1 軟件命令

將Slope、offset和AD值轉(zhuǎn)換為真實數(shù)單位值uW和dbm，寫入slope、offset和讀取AD值的接口命令，自動測試系統(tǒng)抓取監(jiān)控值的接口命令。

1.4.1.2 工作原理

通過命令調(diào)節(jié)APCSET_DAC和AUTO_ER_CTRL值，調(diào)試到最佳光眼圖，記錄當前APCSET_DAC。調(diào)節(jié)APCSET_DAC，用光功率計讀出不同Tx_PWR值，用命令行讀出對應(yīng)的AD值，代入計算公式計算出slope和offset，用命令行寫入這兩個數(shù)值，比對光功率計讀值和命令行讀出的發(fā)送光功率是否在誤差范圍內(nèi)。如果正常，再將APCSET_DAC改回APC_DACO。

1.4.2 接收光功率

1.4.2.1 軟件命令

將RX_PWR（slope C2，C1，offset C0）或RX_PWR4、RX_PWR3、RX_PWR2、RX_PWR1、RX_PWR0和AD值轉(zhuǎn)換為真實單位uW和dbm，寫入RX_PWR4、RX_PWR3、RX_PWR2、RX_PWR1、RX_PWR0和讀取AD值的接口命令，自動測試系統(tǒng)抓取監(jiān)控值的接口命令。

1.4.2.2 工作原理

將光功率計接在RX方向末端（DUT處），誤碼儀發(fā)碼型調(diào)節(jié)可調(diào)光衰，記錄不同光衰值和對應(yīng)的接收光功率值RX_PWR（主要補償線損和插損，毎個組網(wǎng)環(huán)境只需測1次）；然后去除光功率計，RX方向末端接DUT，調(diào)節(jié)可調(diào)光衰（之前記錄的至少5組值），讀取相應(yīng)AD值，將AD值和相應(yīng)RX_PWR值代入公式，計算出RX_PWR（slope C2，slope C1，off?set C0）或RX_PWR4、RX_PWR3、RX_PWR2、RX_PWR1、RX_PWR0，并用命令寫入。調(diào)節(jié)光衰，比對不同光衰值對應(yīng)RX_PWR和命令行讀出的接收光功率是否在誤差范圍內(nèi)。

1.5 散熱措施

1.5.1 設(shè)置通風口

通風口位置對準發(fā)熱器件，通過殼內(nèi)外空氣對流將熱量傳到周圍空氣中。為了提高對流散熱效果，通風口進出口開在溫差最大兩處，位置一選擇在外置殼下方，位置二選擇在熱源HI5663H上方。冷空氣從外置殼下方進入，從HI5663H芯片上方流出，空氣流動帶走熱量，達到降溫目的。

1.5.2 設(shè)置散熱孔

通過設(shè)置散熱孔，使電路工作時產(chǎn)生的熱量能通過孔迅速傳至背面設(shè)置的銅箔散發(fā)掉。

2 新型電能信息采集傳輸與管理系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)實物結(jié)構(gòu)

確定智能費控網(wǎng)絡(luò)電能表光纖通信單元的技術(shù)指標后，研發(fā)了智能費控網(wǎng)絡(luò)電能表光纖通信單元實物樣品（如圖2所示）。該光纖通信單元既能實現(xiàn)光纖抄表，又能實現(xiàn)家庭內(nèi)任意電力插座自由上網(wǎng)。

圖2 智能費控網(wǎng)絡(luò)光纖通信單元實物樣品

2.2 系統(tǒng)功能特點

基于智能費控網(wǎng)絡(luò)電能表光纖通信單元可以構(gòu)建新型電能信息采集、傳輸與管理系統(tǒng)。與傳統(tǒng)智能電能表采集架構(gòu)方案相比，新式數(shù)據(jù)采集架構(gòu)方案增加了光纖接入與光電轉(zhuǎn)換模塊、千兆以太網(wǎng)交換機模塊、高速電力線載波數(shù)據(jù)模塊和相關(guān)接口模塊。新式數(shù)據(jù)采集思路是通過光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭商幚淼碾娦盘?，?jīng)過以太網(wǎng)交換機模塊將一路以太網(wǎng)變?yōu)閮陕芬蕴W(wǎng)。一路光信號通過串口模塊進行采集數(shù)據(jù)交互，將數(shù)據(jù)通過光纖通信單元光纖傳輸?shù)较到y(tǒng)主站。另一路光信號通過高速電力線載波數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)過入戶電力線進入家中，用戶可在家庭內(nèi)任意220 V/380 V電力插座上網(wǎng)，新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 新型電能信息采集傳輸與管理系統(tǒng)結(jié)示意圖

新型電能信息采集傳輸與管理系統(tǒng)核心功能架構(gòu)（見圖4）由資源配置中心、采集任務(wù)負載調(diào)度、電能表智能發(fā)現(xiàn)模塊、電能表統(tǒng)一管理中心、實時檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)規(guī)約協(xié)議、異常處理模塊組成，支撐電能信息采集、傳輸與管理系統(tǒng)高并發(fā)可視化的數(shù)據(jù)采集存儲任務(wù)。

圖4 新型電能信息采集、傳輸與管理系統(tǒng)核心功能架構(gòu)

數(shù)據(jù)前置機由數(shù)據(jù)實時分布式采集、資源協(xié)調(diào)服務(wù)中心、數(shù)據(jù)存儲三層架構(gòu)組成。數(shù)據(jù)實時分布式采集配置項負責新型電能信息采集、傳輸與管理系統(tǒng)按照DL/T 645—2007規(guī)約[15]進行數(shù)據(jù)信息實時交互。資源協(xié)調(diào)服務(wù)中心配置項負責新型系統(tǒng)統(tǒng)一配置和管理，調(diào)控服務(wù)終端，實現(xiàn)負載均衡功能，保證電力數(shù)據(jù)信息采集正常高效運行。數(shù)據(jù)存儲配置項負責匯總、同步、分析及處理電力數(shù)據(jù)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場試掛項目

為測試智能費控電能表光纖通信單元現(xiàn)場實際運行情況，選擇某市供電局一個臺區(qū)進行了現(xiàn)場應(yīng)用測試。現(xiàn)場測試期間，利用智能費控電能表光纖通信單元開展了數(shù)據(jù)召測和費控功能測試項目，如表1所示。數(shù)據(jù)召測共計28項，其中實時不加密數(shù)據(jù)12項、實時加密數(shù)據(jù)14項、日凍結(jié)數(shù)據(jù)2項。

表1 智能費控電能表光纖通信單元數(shù)據(jù)召測測試項目

費控功能測試預(yù)付費任務(wù)數(shù)據(jù)共計7項，分別為遠程開戶、遠程充值、結(jié)算日設(shè)置、電價設(shè)置、計費模式、階梯電量、保電模式。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果分析

經(jīng)過一個月的現(xiàn)場應(yīng)用測試（測試中剔除因網(wǎng)絡(luò)波動與系統(tǒng)未優(yōu)化發(fā)生的異常情況），智能費控網(wǎng)絡(luò)光纖通信模塊抄收率達到100%，數(shù)據(jù)準確率100%，系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定、狀態(tài)良好。測試結(jié)果表明，智能費控電能表光纖通信單元在電能計量、光纖抄表等方面技術(shù)性能優(yōu)良，滿足國家電力行業(yè)、通信運營商相關(guān)技術(shù)標準的要求。

現(xiàn)場居民臺區(qū)實際應(yīng)用時，公變終端與居民表之間主要通過低壓窄帶載波、HPLC模塊完成數(shù)據(jù)采集。為更好地體現(xiàn)智能費控電能表光纖通信單元的優(yōu)越性，將光纖通信與低壓窄帶載波模塊、HPLC模塊傳輸數(shù)據(jù)耗時進行對比，如表2所示。

表2 不同通信方式傳輸數(shù)據(jù)耗時對比

從表2可看出，與其他通信方式相比，智能費控電能表光纖通信單元大大提高了數(shù)據(jù)通信速率，與低壓窄帶載波模塊相比至少提高80%，與HPLC模塊相比至少提高50%。另外，智能費控電能表光纖通信單元還能降低對現(xiàn)有用電信息采集設(shè)備的依賴和維護，便于采集海量的電力營銷大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)用戶電力需求分析和臺區(qū)負荷預(yù)測，利用人工智能算法，直觀、量化地反映電力消費市場的當前狀態(tài)和發(fā)展趨勢，為電力公司進行電力資源調(diào)度、需求側(cè)管理等提供輔助決策參考。

4 結(jié)語

本文研發(fā)的智能費控電能表光纖通信單元是在不改變原電能表的計量功能和外觀的前提下，基于光纖傳輸?shù)挠秒娦畔⒉杉c上傳和運營商光纖寬帶接入功能的模塊。該光纖通信單元充分利用運營商鋪設(shè)的光纖城域網(wǎng)進行抄表信息傳輸，提高了抄表成功率以及通信速率，并降低了對現(xiàn)有用電信息采集設(shè)備的依賴和維護。除此之外，基于該智能費控電能表光纖通信單元搭建的電能量信息采集與監(jiān)控平臺大大提高了信息數(shù)據(jù)采集的實時性、充分性和全面性，為構(gòu)建用電信息大數(shù)據(jù)統(tǒng)計打下良好基礎(chǔ)。智能費控電能表光纖通信單元通信方式的優(yōu)越性，使其具有很高的推廣應(yīng)用價值。