智能費(fèi)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(tuán)）有限責(zé)任公司“十三五”發(fā)展規(guī)劃要求進(jìn)一步推進(jìn)智能電網(wǎng)高級(jí)量測體系建設(shè)，助推通信技術(shù)與計(jì)量技術(shù)深度融合，促進(jìn)電能計(jì)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(yuǎn)程抄表、繳費(fèi)成功率，提升客戶服務(wù)質(zhì)量[1-5]。本文針對(duì)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(biāo)，研發(fā)智能費(fèi)控電能表光纖通信單元，探索“互聯(lián)網(wǎng)+智能量測”的先進(jìn)模式[6-14]。

1 智能費(fèi)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(fèi)控電能表光纖通信單元從電能表進(jìn)線火線和零線上取電，再通過電源模塊（型號(hào)：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(jìn)線段，不參與負(fù)載回路，不影響電能表計(jì)量準(zhǔn)確度。智能費(fèi)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(shí)現(xiàn)光纖抄表。

圖1 智能費(fèi)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(fèi)控電能表光纖通信單元光電轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和光信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)換。光電轉(zhuǎn)換器基于HI5663H芯片實(shí)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(huì)引起芯片物理損傷）。

1.3 技術(shù)路線

智能費(fèi)控電能表光纖通信單元從串行通信接口讀取上報(bào)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(shí)數(shù)單位值uW和dbm，寫入slope、offset和讀取AD值的接口命令，自動(dòng)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(dāng)前APCSET_DAC。調(diào)節(jié)APCSET_DAC，用光功率計(jì)讀出不同Tx_PWR值，用命令行讀出對(duì)應(yīng)的AD值，代入計(jì)算公式計(jì)算出slope和offset，用命令行寫入這兩個(gè)數(shù)值，比對(duì)光功率計(jì)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(shí)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(dòng)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(jì)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(duì)應(yīng)的接收光功率值RX_PWR（主要補(bǔ)償線損和插損，毎個(gè)組網(wǎng)環(huán)境只需測1次）；然后去除光功率計(jì)，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(jì)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(duì)不同光衰值對(duì)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(fēng)口

通風(fēng)口位置對(duì)準(zhǔn)發(fā)熱器件，通過殼內(nèi)外空氣對(duì)流將熱量傳到周圍空氣中。為了提高對(duì)流散熱效果，通風(fēng)口進(jìn)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(jìn)入，從HI5663H芯片上方流出，空氣流動(dòng)帶走熱量，達(dá)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(shí)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(shí)物結(jié)構(gòu)

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

圖2 智能費(fèi)控網(wǎng)絡(luò)光纖通信單元實(shí)物樣品

2.2 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

基于智能費(fèi)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(jī)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭商幚淼碾娦盘?hào)，經(jīng)過以太網(wǎng)交換機(jī)模塊將一路以太網(wǎng)變?yōu)閮陕芬蕴W(wǎng)。一路光信號(hào)通過串口模塊進(jìn)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(hào)通過高速電力線載波數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過入戶電力線進(jìn)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(fù)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(shí)時(shí)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(chǔ)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(jī)由數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分布式采集、資源協(xié)調(diào)服務(wù)中心、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三層架構(gòu)組成。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分布式采集配置項(xiàng)負(fù)責(zé)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(jìn)行數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)交互。資源協(xié)調(diào)服務(wù)中心配置項(xiàng)負(fù)責(zé)新型系統(tǒng)統(tǒng)一配置和管理，調(diào)控服務(wù)終端，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡功能，保證電力數(shù)據(jù)信息采集正常高效運(yùn)行。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)配置項(xiàng)負(fù)責(zé)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(xiàng)目

為測試智能費(fèi)控電能表光纖通信單元現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況，選擇某市供電局一個(gè)臺(tái)區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用測試?，F(xiàn)場測試期間，利用智能費(fèi)控電能表光纖通信單元開展了數(shù)據(jù)召測和費(fèi)控功能測試項(xiàng)目，如表1所示。數(shù)據(jù)召測共計(jì)28項(xiàng)，其中實(shí)時(shí)不加密數(shù)據(jù)12項(xiàng)、實(shí)時(shí)加密數(shù)據(jù)14項(xiàng)、日凍結(jié)數(shù)據(jù)2項(xiàng)。

表1 智能費(fèi)控電能表光纖通信單元數(shù)據(jù)召測測試項(xiàng)目

費(fèi)控功能測試預(yù)付費(fèi)任務(wù)數(shù)據(jù)共計(jì)7項(xiàng)，分別為遠(yuǎn)程開戶、遠(yuǎn)程充值、結(jié)算日設(shè)置、電價(jià)設(shè)置、計(jì)費(fèi)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(gè)月的現(xiàn)場應(yīng)用測試（測試中剔除因網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)與系統(tǒng)未優(yōu)化發(fā)生的異常情況），智能費(fèi)控網(wǎng)絡(luò)光纖通信模塊抄收率達(dá)到100%，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率100%，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定、狀態(tài)良好。測試結(jié)果表明，智能費(fèi)控電能表光纖通信單元在電能計(jì)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(yùn)營商相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

現(xiàn)場居民臺(tái)區(qū)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(fèi)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(shí)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 不同通信方式傳輸數(shù)據(jù)耗時(shí)對(duì)比

從表2可看出，與其他通信方式相比，智能費(fèi)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(fèi)控電能表光纖通信單元還能降低對(duì)現(xiàn)有用電信息采集設(shè)備的依賴和維護(hù)，便于采集海量的電力營銷大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶電力需求分析和臺(tái)區(qū)負(fù)荷預(yù)測，利用人工智能算法，直觀、量化地反映電力消費(fèi)市場的當(dāng)前狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，為電力公司進(jìn)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(fèi)控電能表光纖通信單元是在不改變?cè)娔鼙淼挠?jì)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(yùn)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(yùn)營商鋪設(shè)的光纖城域網(wǎng)進(jìn)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(duì)現(xiàn)有用電信息采集設(shè)備的依賴和維護(hù)。除此之外，基于該智能費(fèi)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(tái)大大提高了信息數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、充分性和全面性，為構(gòu)建用電信息大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)打下良好基礎(chǔ)。智能費(fèi)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(jià)值。