能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中電力載波通信技術(shù)的應(yīng)用

王 榮

（國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司吳起縣供電分公司，陜西 延安 717600）

0 引 言

能源數(shù)據(jù)的采集是能源管理的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)比分析供能端和用能端的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)供需平衡，節(jié)能增效，促進(jìn)能源的高效利用。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)能源數(shù)據(jù)的采集可以了解能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、輸送及終端消費(fèi)的全過(guò)程，揭示能源流向和損耗環(huán)節(jié)[1]。例如，電力系統(tǒng)通過(guò)采集發(fā)電廠(chǎng)、變電站、輸電線(xiàn)路等端點(diǎn)的數(shù)據(jù)，能夠監(jiān)測(cè)電力流動(dòng)和電量損耗。對(duì)比分析供能端和用能端的數(shù)據(jù)可以找出供需缺口，指導(dǎo)并調(diào)整能源供給，實(shí)現(xiàn)供需平衡。

1 電力載波通信技術(shù)的特點(diǎn)

電力載波通信技術(shù)利用電力線(xiàn)作為信號(hào)傳輸媒介，在電力線(xiàn)上疊加高頻信號(hào)進(jìn)行通信。這種技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于可以共享電力線(xiàn)這一現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，無(wú)須另建通信網(wǎng)絡(luò)，大大節(jié)約了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本。同時(shí)，電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋每一個(gè)用戶(hù)，并進(jìn)入戶(hù)內(nèi)，覆蓋面廣，可以提供寬帶接入服務(wù)，促進(jìn)信息服務(wù)普及和網(wǎng)絡(luò)信息化[2]。

2 能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中電力載波通信技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容

2.1 能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能需求

文章以A工廠(chǎng)項(xiàng)目為例，分析了能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在能源管理平臺(tái)中的重要作用，以及該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的問(wèn)題和改造需求。為確保能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力，系統(tǒng)選用了NF8480M5數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。該服務(wù)器配置了雙600 GB SAS硬盤(pán)，提供海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，并采用128 GB內(nèi)存和英特爾至強(qiáng)處理器，支持?jǐn)?shù)據(jù)虛擬化應(yīng)用，降低通信延遲，能夠?yàn)榇鎯?chǔ)和處理大量能源數(shù)據(jù)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3]。

2.2 能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電力載波通信技術(shù)應(yīng)用方案

電力載波通信方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，具體實(shí)施方案如下。首先，將所有的計(jì)量?jī)x表?yè)Q成有RS-485通信口且能用Modbus RTU協(xié)議通信的儀表。其次，每個(gè)儀表（單一三相電度表、無(wú)源直讀冷/熱水表、電磁流量計(jì)、燃?xì)獗硪约盁崮鼙淼龋┒家B接一個(gè)數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)低壓電力線(xiàn)將數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)到400 V的配電網(wǎng)上。再次，每個(gè)變壓器下會(huì)配置一個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集中器。因?yàn)殡娏d波信號(hào)無(wú)法跨變壓器進(jìn)行傳輸，所以在同一變壓器管轄區(qū)域內(nèi)，數(shù)據(jù)采集終端會(huì)將儀表信息采集后通過(guò)低壓電力線(xiàn)集中上傳到數(shù)據(jù)集中器。數(shù)據(jù)集中器通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息上傳給系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視。最后，配置好的上位機(jī)操作系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)集中器實(shí)現(xiàn)通信，后臺(tái)與分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）通信實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)集中上傳。

圖1 能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的電力載波網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)分為3部分。一是數(shù)據(jù)采集端，包括電表、采集器、集中器、低壓電力線(xiàn)組成的電力載波傳輸網(wǎng)絡(luò)，以及集中器、以太網(wǎng)、前置處理機(jī)組成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。二是局域網(wǎng)，包括數(shù)據(jù)采集端與核心服務(wù)器組之間的數(shù)據(jù)交換載體。三是核心服務(wù)器，包括數(shù)據(jù)緩沖服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等。

2.3 能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中電力載波通信技術(shù)的具體應(yīng)用

2.3.1 基于電力載波通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議設(shè)計(jì)

能源數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量直接影響后續(xù)的能源管理和分析。為提高A工廠(chǎng)能源數(shù)據(jù)采集的效果和穩(wěn)定性，從通信方式和設(shè)備選型2個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。在通信方式上，系統(tǒng)采用電力載波通信技術(shù)，利用工廠(chǎng)現(xiàn)有的電力線(xiàn)作為通信介質(zhì)，具有建設(shè)成本低、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。A工廠(chǎng)系統(tǒng)的實(shí)踐表明，利用電力載波通信技術(shù)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化總線(xiàn)協(xié)議，加上對(duì)服務(wù)器等核心設(shè)備的精心選配，可以大幅提升整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性，為后續(xù)的能源管理和優(yōu)化決策提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。能源數(shù)據(jù)采集過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)校驗(yàn)碼傳輸錯(cuò)誤與系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等情況，可采用有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)多種不同的運(yùn)行方式，同時(shí)借助電力載波通信技術(shù)來(lái)改善數(shù)據(jù)采集效果。

考慮通用性和兼容性，系統(tǒng)采用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-485總線(xiàn)和Modbus協(xié)議。通過(guò)RS-232串口，儀表設(shè)備作為發(fā)送端將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)集成設(shè)備，集成設(shè)備作為接收端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和處理[4]。典型的傳輸格式包含同步頭、功能碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及用戶(hù)數(shù)據(jù)等字段。數(shù)據(jù)內(nèi)容需要修改時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整功能碼來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集參數(shù)的重新配置?？傮w來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議和接口設(shè)計(jì)與靈活的傳輸格式使得系統(tǒng)可以高效穩(wěn)定地完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和傳輸，為后續(xù)的集中分析與處理提供重要保障。在此基礎(chǔ)上，利用Modbus協(xié)議方案對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新修改，在系統(tǒng)的傳輸端中完成字符間隔的有效停頓處理。設(shè)備獲取能源數(shù)據(jù)后，解碼所有字節(jié)，并根據(jù)解碼結(jié)果確定發(fā)送地址。循環(huán)冗余校核（Cyclic Redundancy Check，CRC）低字節(jié)、高字節(jié)、具體數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)的實(shí)際字節(jié)數(shù)量、功能類(lèi)編碼以及設(shè)備地址信息是傳輸格式的基本構(gòu)成要素。運(yùn)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取數(shù)據(jù)，依靠載波通信技術(shù)實(shí)施上傳處理，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，使其保持統(tǒng)一，校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，依照讀取的字節(jié)來(lái)確定能源參數(shù)，最后向數(shù)據(jù)集裝置中傳送能源數(shù)據(jù)，完成能源數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議格式的構(gòu)成要素如表1所示。

表1 能源數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議格式的構(gòu)成要素

在通信節(jié)點(diǎn)方面，選擇支持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)規(guī)范的無(wú)線(xiàn)采集模塊，可構(gòu)建自組網(wǎng)的Mesh網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展方便?？紤]無(wú)線(xiàn)信道穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用了簡(jiǎn)化的應(yīng)用層協(xié)議，僅傳輸關(guān)鍵的數(shù)據(jù)字節(jié)。為便于設(shè)備的數(shù)據(jù)解析，在上傳前轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式，并在數(shù)據(jù)包中設(shè)置校驗(yàn)字段，確保數(shù)據(jù)一致性。接收端根據(jù)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度判別參數(shù)類(lèi)型，根據(jù)預(yù)設(shè)采集列表分析字節(jié)內(nèi)容解析出不同的能源參數(shù)。通過(guò)節(jié)點(diǎn)選型、傳輸協(xié)議、格式轉(zhuǎn)換和校驗(yàn)設(shè)計(jì)，該無(wú)線(xiàn)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效可靠的數(shù)據(jù)連接，為能源管理提供了有力支持。

2.3.2 能源數(shù)據(jù)采集時(shí)序及轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

在能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為獲得高質(zhì)量的通信信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行了以下處理：通過(guò)耦合電路、濾波器和限幅器選擇出中心頻率的載波擴(kuò)頻信號(hào)；將處理后的載波信號(hào)輸入載波芯片的SIGIN端口；載波芯片內(nèi)部對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)處理；通過(guò)選頻濾波、限幅和解擴(kuò)技術(shù)，可以有效提高通信信號(hào)質(zhì)量，提升數(shù)據(jù)接收的正確率和可靠性，為能源數(shù)據(jù)的精確采集提供保障。具體流程如圖2所示。

圖2 信號(hào)解擴(kuò)處理流程

系統(tǒng)通過(guò)配置無(wú)線(xiàn)網(wǎng)，采用無(wú)線(xiàn)模塊采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，然后利用電力載波技術(shù)在電力線(xiàn)上傳輸無(wú)線(xiàn)采集的數(shù)據(jù)到采集站?？紤]后續(xù)處理需求，在上傳前將數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，并增加校驗(yàn)碼以確保完整性[5]。采集站在接收到各類(lèi)數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析提取、參數(shù)計(jì)算等處理，最終發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)到中央服務(wù)器，完成采集任務(wù)。在這個(gè)過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)采集、電力載波傳輸?shù)韧ㄐ偶夹g(shù)以及格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、參數(shù)計(jì)算等數(shù)據(jù)處理技術(shù)的運(yùn)用，共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)能源設(shè)備分布式數(shù)據(jù)的高效采集，為后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析和決策提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié) 論

相比于有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信方案，電力載波通信技術(shù)方案的施工難度較低，后期維護(hù)難度小，且通信效果穩(wěn)定，因此更適用于具有分布式特點(diǎn)的能源數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目。文章著重探究了能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的電力載波通信技術(shù)應(yīng)用，總結(jié)了能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能需求，并設(shè)計(jì)出電力載波通信方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中電力載波通信技術(shù)的具體應(yīng)用。在能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用電力載波通信技術(shù)能更方便地增加能源監(jiān)測(cè)點(diǎn)，也就是在電網(wǎng)上加一個(gè)采集模塊就可以上傳數(shù)據(jù)，一個(gè)集中器能夠支持上萬(wàn)個(gè)采集點(diǎn)。總之，電力載波通信技術(shù)是一種高效可靠的能源數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)，可以提高系統(tǒng)通信效益。但是，在能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用電力載波通信技術(shù)時(shí)應(yīng)注重噪聲干擾和信號(hào)衰減等問(wèn)題。