寬帶載波在用電采集系統(tǒng)中的應(yīng)用與調(diào)試

何勇　胡喆　李南　沈偉　丁國峰　徐慶文

摘要：隨著載波通信技術(shù)的發(fā)展，寬帶載波通信技術(shù)日臻成熟，由于具有速度快、路由性能強(qiáng)、抗噪聲能力出色等優(yōu)勢，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。文章針對目前用電信息采集系統(tǒng)的主流本地通信技術(shù)進(jìn)行分析，對寬帶電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用前景結(jié)合用電信息采集系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：載波通信技術(shù)；寬帶電力線載波；用電信息采集系統(tǒng)；電能傳輸；傳輸通道 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM734 文章編號：1009-2374（2017）02-0060-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.028

1 背景介紹

電源線與普通數(shù)據(jù)通信線路不同，其初衷是進(jìn)行電能傳輸而不是數(shù)據(jù)傳輸，對數(shù)據(jù)通信來說，其通道特性傳輸非常不能令人滿意，是一個非常不穩(wěn)定的傳輸信道，這具體表現(xiàn)為噪聲顯著且信號衰減嚴(yán)重。在任何兩條不同的電源線中，電力線寬帶載波信號的帶寬和傳輸過程中的距離可能不相同，不可能建立規(guī)則的數(shù)學(xué)模型。

電力線本身具有不可預(yù)測的噪聲和不同程度的干擾，電力線通信本身的時間是不可控的、具有不穩(wěn)定的特點，特征及恒定的信號比網(wǎng)絡(luò)電纜更加清晰，電源線將訪問許多不同的電氣設(shè)備，該設(shè)備可以插入或斷開，導(dǎo)致電力線的特性有所不同。這種電力線節(jié)點多分支特別多，多個電力線接頭處輸入阻抗不匹配而造成的反射所引起的信號衰減大、多徑效應(yīng)，距離受到傳輸帶寬很大限制。電源線通道輸入阻抗的變化強(qiáng)度取決于信號的頻率和位置，其值可從幾歐姆變?yōu)閹浊W姆。由于輸入阻抗的阻抗波動和不連續(xù)變化，載波通道中總存在著耦合的不匹配現(xiàn)象，這會大大增加傳輸?shù)膿p耗。

為解決上述所涉及到的問題，解決電力線傳輸干擾問題的最有效的方法之一是多載波正交頻分復(fù)用，主要是因為寬帶載波電源線技術(shù)采用OFDM（正交頻分復(fù)用），擴(kuò)頻等調(diào)制技術(shù)，并且通過了實踐證明得到的結(jié)論。OFDM的基本思路就是把可以用的信道帶寬劃分成若干個子信道，每個子信道都可以相近看作理想的信道，在使用規(guī)定范圍內(nèi)的頻帶時，使用幾十、幾百甚至幾千個正交特性的載波信號源，每個載波信號源傳輸一定速率的數(shù)據(jù)，每個載波信號源傳輸數(shù)據(jù)是總傳輸速率。

2 國內(nèi)發(fā)展情況和市場分析

2.1 國外的研究成果

歐美智能電網(wǎng)的研發(fā)時間較早，并形成了一支經(jīng)驗豐富的研究團(tuán)隊。美國在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施升級，同時更多地利用現(xiàn)有的信息技術(shù)，實現(xiàn)智能人工更換。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)代智能數(shù)字網(wǎng)的應(yīng)用將使美國能耗降低10%以上，使氣體排放量減少25%?！都~約時報》發(fā)表文章說，結(jié)果表明：使用智能數(shù)字工具設(shè)置家庭溫度，能耗每年可以降低15%。根據(jù)建筑節(jié)能投資的原則，只有能源的1/4，就可以達(dá)到所期望的舒適度，自然環(huán)境會變得更好?！肮?jié)能和能源效率是未來能源發(fā)展的關(guān)鍵，智能電網(wǎng)技術(shù)將有助于更好地保護(hù)、管理和監(jiān)測能源使用?！?/p>

智能電網(wǎng)的發(fā)展對于提高能源效率、提供安全能源、提高服務(wù)水平、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有重要作用，在一些國家將納入國家能源戰(zhàn)略方針，一些將作為重要途徑以應(yīng)對當(dāng)前國際金融危機(jī)。在美國總統(tǒng)貝拉克·奧巴馬簽署7870億美元經(jīng)濟(jì)刺激計劃，安排了1200萬美元的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作，其中包括集中建設(shè)智能電網(wǎng)。

當(dāng)前，國際上有若干與PLC相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)組織和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，主要包括：（1）美國的HPA（HomePlugPowerline Alliance）是業(yè)界成立最早、最著名的PLC產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，有超過60個會員，其目標(biāo)是實現(xiàn)高效用、低成本的家庭電力線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，已經(jīng)制定的標(biāo)準(zhǔn)主要有HomePlug 1.0（家庭組網(wǎng)規(guī)范）和HomePlug AV（家庭HDTV和VoIP應(yīng)用）。正在制定用于網(wǎng)絡(luò)接入的HomePlug BPL標(biāo)準(zhǔn)；（2）歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會成立的ETSI PLT，致力于制定歐洲的電力線數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并使不同廠家的PLC產(chǎn)品能夠互通，不同技術(shù)的PLC產(chǎn)品能夠共存。該組織已于2007年率先頒布了統(tǒng)一的寬帶PLC歐洲標(biāo)準(zhǔn)；（3）CEPCA（Consumer Electronics Powerline Communications Alliance）由索尼、三菱和松下組成，是日本的區(qū)域性產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，致力于為日本的PLC產(chǎn)品相互共存制定統(tǒng)一規(guī)范；（4）OPERA（Open PLC European Research Alliance）和POWERNET都是歐盟委員會資助的PLC研究組織，其使命是為歐洲新興的下一代互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供基于PLC技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)平臺，包括開發(fā)新一代的智能PLC設(shè)備，能夠滿足電磁輻射要求并在低信噪比條件下實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸；（5）UPA（Universal Powerline Association）整合了全球業(yè)界資源，針對家庭組網(wǎng)和接入應(yīng)用分別制定標(biāo)準(zhǔn)，并致力于實現(xiàn)PLC產(chǎn)品和技術(shù)的共存和互通。

2.2 中國的發(fā)展情況

隨著中國電力體制改革的深入和特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，國家智能電網(wǎng)也將成為中國電網(wǎng)發(fā)展的新方向。中國智能電網(wǎng)以智能控制為手段，以強(qiáng)大的基于網(wǎng)格的信息和通信平臺來支持“業(yè)務(wù)流，電力流，信息流”的實現(xiàn)，集成度高。智能電網(wǎng)的基本特點是能夠?qū)崿F(xiàn)信息技術(shù)的自動化、交互式、數(shù)字化，主要依靠信息通信技術(shù)和信息平臺。目前，中國電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)和設(shè)備水平及安全運行控制能力處于世界領(lǐng)先地位，形成由GPRS通信、光纖通信、載波、RS485、微波等通信模式組成的通信網(wǎng)絡(luò)模式。SG186項目代表國家電網(wǎng)信息系統(tǒng)建設(shè)階段成功，為國家智能電網(wǎng)發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3 項目可能形成的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場前景分析

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)已呈政府高度重視、企業(yè)積極參與之勢，每年采集終端的需求量也越來越大，在這樣的背景下，本項目的實施將明顯提高國內(nèi)電力設(shè)備的采集問題，提高數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，項目正式實施后，項目公司將有望成為一家專業(yè)從事電力化學(xué)品為主，集科研、生產(chǎn)及服務(wù)與一體的創(chuàng)新型企業(yè)。

3 寬帶載波主要技術(shù)優(yōu)勢

全覆蓋：能夠快速理清臺區(qū)互變關(guān)系，支持設(shè)備資產(chǎn)動態(tài)管理，上行下行信號全覆蓋。

全采集：實現(xiàn)智能電表數(shù)據(jù)全采集，支持所有信道實時在線、實時通信，事件篩選全上報等。

全費控：臺區(qū)線損正常、支持防竊電實時分析，支持雙向互動、大數(shù)據(jù)管理，營銷精細(xì)化管理，實時費控、負(fù)控等。

寬帶載波技術(shù)不僅僅使抄收率迅速達(dá)到穩(wěn)定的100%，使用電信息采集系統(tǒng)真正實現(xiàn)了智能互動實時化，主要實現(xiàn)以下功能：（1）理清臺區(qū)戶變關(guān)系；（2）資產(chǎn)檔案自動上報；（3）智能電表數(shù)據(jù)全采集；（4）事件主動上報；（5）臺區(qū)線損、防竊電實時分析；（6）支持雙向互動、大數(shù)據(jù)管理；（7）營銷精細(xì)化管理；（8）非居民用戶實現(xiàn)費控、負(fù)控。

寬帶載波能夠量身定做的應(yīng)用功能更是為實現(xiàn)營銷管理精細(xì)化、用電預(yù)警科學(xué)決策化均具有深遠(yuǎn)意義：

綜合應(yīng)用：電量監(jiān)控分析與統(tǒng)計、實時線損監(jiān)測與統(tǒng)計、用電異常實時分析、用電負(fù)荷實時分析。

擴(kuò)展應(yīng)用：光纖加寬帶載波替代GPRS上行信道方案。

電能表關(guān)鍵事件（斷電、開蓋、電池欠壓等）主動上報至集中器主動上報至主站，實現(xiàn)集中監(jiān)控、管理下延至每一個用戶，每一個電表，管理范圍擴(kuò)大數(shù)百倍。

如表1，相比窄帶載波，電力線寬帶載波通信具有較高的性能和技術(shù)水平，其速度、可靠性、可擴(kuò)展性優(yōu)勢尤為明顯：（1）為確保數(shù)據(jù)的可靠和穩(wěn)定，寬帶載波通信采用本身的特性，傳輸速率很高，只要一個很短的時間就能完成數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以有效地降低信號的信號源，即使通信傳輸失敗，也可以很快地重新發(fā)出；（2）即使窄帶載波具有通信傳輸距離的優(yōu)勢，寬帶載波也可以滿足目前的應(yīng)用需求的高性能的調(diào)制等解調(diào)方法，比如OFDM的中繼網(wǎng)絡(luò)機(jī)制模式，可以解決目前所有的需求；（3）電力線寬帶載波本身就具有擴(kuò)展能力強(qiáng)、通信性能快、速度快等特性，同時可以加載各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，但相比于窄帶載波并沒有增加太多成本，因此價格優(yōu)勢明顯；（4）寬帶載波芯片主要基于DSP技術(shù)和高性能32位核心制造，性能和技術(shù)水平有明顯優(yōu)勢；（5）寬帶載波TCP/IP具有完善的網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層數(shù)據(jù)保護(hù)和認(rèn)證，并且網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛驗證，目前市場上的各種輕量級的節(jié)點組織和中繼算法都無法比較；（6）除了數(shù)據(jù)加密，在應(yīng)用層，寬帶運營商支持AES、DES、3DES等高強(qiáng)度的加密算法，在鏈路層，數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)陌踩院芨摺?/p>

4 寬帶載波在用電采集系統(tǒng)中的應(yīng)用與調(diào)試

解決信道變化問題：基于Wi-Fi連接的PAD方案，對現(xiàn)場組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)條件進(jìn)行實時分析，無需考慮現(xiàn)場氣候、供電條件等影響。

設(shè)備變化一目了然：實際節(jié)點上報與臺區(qū)檔案自動對比清晰明了，無需再次對全部臺區(qū)進(jìn)行調(diào)查。

載波模塊損壞清晰定位：直接定位壞表位置。

自動組網(wǎng)、快速路由：Hiso管理軟件在調(diào)試工作中也體現(xiàn)出獨特的智慧，自動分析臺區(qū)的采集器關(guān)聯(lián)關(guān)系，并以圖示方式呈現(xiàn)，讓現(xiàn)場人員能直觀地找到問題所在，并直接解決現(xiàn)場消缺關(guān)鍵點，有效解決多臺區(qū)串?dāng)_的問題。

直觀的系統(tǒng)運行信息：實時監(jiān)測，直觀的在線節(jié)點實時查詢。

寬帶的運維工具：全網(wǎng)設(shè)備故障在線診斷，實現(xiàn)狀態(tài)檢修，用戶檔案異常提示。

寬帶通信的關(guān)鍵技術(shù)：該技術(shù)為實現(xiàn)高速可靠的實時遠(yuǎn)距離通信，寬帶載波可以根據(jù)自身的頻率選擇最佳信號傳輸頻率，通過應(yīng)用有效的抗噪聲技術(shù)和抗衰減技術(shù)，提示提高了電力線的通信傳輸功率。

自動協(xié)調(diào)技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)ID自動協(xié)調(diào)技術(shù)來定義網(wǎng)絡(luò)獨特的ID和隨機(jī)產(chǎn)生的沖突，動態(tài)協(xié)調(diào)，保證網(wǎng)絡(luò)的獨立運動；具有實時動態(tài)帶寬協(xié)調(diào)（與自動協(xié)調(diào)技術(shù)，不需要人工干預(yù)，維護(hù)抄表不間斷的運動機(jī)制，根據(jù)串?dāng)_的帶寬實時動態(tài)協(xié)調(diào)度的影響，保證通信成功率，支持頻分時計劃，業(yè)務(wù)層不感性，實時抄表來支持多個工作區(qū)；寬帶載波技術(shù)指的是白名單通過文件表支持RT，不是跨平臺跨網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符和設(shè)置白名單的子網(wǎng)的方式，而不是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)白名單的節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的要求，集中器載波模塊拒絕加入并通知節(jié)點拒絕的原因，該節(jié)點啟動網(wǎng)絡(luò)訪問請求到其他網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)之間集中的載波模塊之間的協(xié)調(diào)，以避免碰撞和相互干擾，每個節(jié)點只接收到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，使每個子網(wǎng)可以獨立和穩(wěn)定的通信。

5 結(jié)語

寬帶載波通信技術(shù)在實際業(yè)務(wù)中仍然需要不斷更新和完善，在通信技術(shù)、傳輸速率、控制指令的指揮下才能發(fā)揮其優(yōu)勢，同時建立高速、雙向、有效的電力信息采集系統(tǒng)，打造強(qiáng)大統(tǒng)一的中國智能電網(wǎng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：何勇（1986-），男，供職于國網(wǎng)浙江嘉善縣供電公司，研究方向：低壓裝接與用電信息采集。

（責(zé)任編輯：蔣建華）