全光纖網(wǎng)絡(luò)在智能用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊?lèi)?ài)冰， 周 陽(yáng)， 周 克， 董芳針

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 貴陽(yáng)供電局，貴陽(yáng) 550001；2.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

全光纖網(wǎng)絡(luò)在智能用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊?lèi)?ài)冰1， 周 陽(yáng)1， 周 克2， 董芳針2

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 貴陽(yáng)供電局，貴陽(yáng) 550001；2.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

為建設(shè)穩(wěn)健、高效的智能用電信息采集系統(tǒng)，全面推廣電力計(jì)量遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)，進(jìn)一步提升現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與完整性，將全光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于用電信息采集系統(tǒng)，提出了一種遵循智能用電原則的全光纖網(wǎng)絡(luò)集抄方案，并將該方案運(yùn)用于我省某地的集抄試點(diǎn)工程。試點(diǎn)運(yùn)行結(jié)果表明：基于全光纖網(wǎng)絡(luò)集抄方案的用電信息采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)集采的應(yīng)用效果，使試點(diǎn)臺(tái)區(qū)的集抄實(shí)時(shí)性、采集成功率以及費(fèi)控電能表裝置的響應(yīng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，為智能用電信息采集系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和業(yè)務(wù)推廣奠定基礎(chǔ)。

智能用電； 光纖網(wǎng)絡(luò)； 塑料光纖； 遠(yuǎn)程集抄； 信息采集系統(tǒng)

0 引 言

為了促進(jìn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)，科學(xué)落實(shí)節(jié)能減排，引導(dǎo)居民合理、節(jié)約用電，2012年7月，國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)了居民階梯電價(jià)政策，該政策的出臺(tái)，直接導(dǎo)致原有的量控計(jì)量模式不再適用。新模式以智能電能表的應(yīng)用為起點(diǎn)，從單純電量信息釆集向用戶(hù)側(cè)綜合數(shù)據(jù)采集和用戶(hù)用電管理的轉(zhuǎn)變，逐步實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、智能化的電網(wǎng)應(yīng)用成為大勢(shì)所趨[1]。

早在國(guó)家發(fā)改委發(fā)布階梯電價(jià)政策前，國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)就已經(jīng)針對(duì)用電采集信息系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展做出了部署：如國(guó)家電網(wǎng)公司2009年提出的實(shí)現(xiàn)用戶(hù)用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”理念?！吨袊?guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司“十二五”電能計(jì)量規(guī)劃》中提出的智能計(jì)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙向信息交互、能效評(píng)估、需求響應(yīng)等新功能。這些基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程費(fèi)控等智能用電[2-3]應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)是一項(xiàng)龐雜的系統(tǒng)應(yīng)用，涉及營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、采集終端、智能電能表等多個(gè)系統(tǒng)、硬件之間的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)指令傳輸。系統(tǒng)、硬件之間各個(gè)環(huán)節(jié)如何銜接、可靠運(yùn)行是運(yùn)程費(fèi)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的主要難題。

針對(duì)遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)的實(shí)用性，已有電力公司進(jìn)行了大量嘗試，試點(diǎn)結(jié)果表明：通信傳輸鏈路的可靠性是整套費(fèi)控系統(tǒng)成功實(shí)施的基本保證，只有穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)才能支撐費(fèi)控系統(tǒng)各項(xiàng)功能的正確執(zhí)行。

為了推進(jìn)遠(yuǎn)程費(fèi)控系統(tǒng)的深化應(yīng)用，為階梯電價(jià)政策實(shí)施提供業(yè)務(wù)支撐[4]，引導(dǎo)用戶(hù)轉(zhuǎn)變繳費(fèi)習(xí)慣，提高電費(fèi)回收風(fēng)險(xiǎn)控制能力，本文在現(xiàn)有在建的智能用電信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了業(yè)務(wù)擴(kuò)充，并選擇部分臺(tái)區(qū)進(jìn)行試點(diǎn)運(yùn)行，為本地區(qū)今后計(jì)量費(fèi)控工作的開(kāi)展提供借鑒依據(jù)。

1 基于全光纖網(wǎng)絡(luò)的用電信息采集系統(tǒng)

目前，我國(guó)在建的用電信息采集系統(tǒng)普遍采用電力線(xiàn)載波技術(shù)[5]作為電能信號(hào)的主要傳輸方式。這種建設(shè)方式可以免去前期布線(xiàn)的步驟，但是，由于低壓電力線(xiàn)的基本功能是用來(lái)傳輸電能，與雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纖等專(zhuān)用通信介質(zhì)不同，低壓電力線(xiàn)是一種非均勻分布的傳輸線(xiàn)，且終端用電設(shè)備種類(lèi)繁多，數(shù)量巨大，造成低壓電力網(wǎng)絡(luò)的信道特性十分復(fù)雜，通信環(huán)境相當(dāng)惡劣。在這種信道環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)漏抄、誤抄現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，很難滿(mǎn)足電力信息計(jì)量費(fèi)控功能所需的可靠性要求[6]。

除了電力線(xiàn)載波方式外，另外一種常用的傳輸方式是微功率無(wú)線(xiàn)技術(shù)。該技術(shù)利用470 MHz的高頻無(wú)線(xiàn)鏈路傳送數(shù)據(jù)，由于信號(hào)借助無(wú)線(xiàn)空間進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中既存在信道間干擾問(wèn)題，又存在由于障礙物阻隔而導(dǎo)致的信號(hào)衰減。為了保證電能信號(hào)的傳輸效果，通常在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期采取大量的技術(shù)手段：如自組網(wǎng)、中繼、前向糾錯(cuò)編碼、CRC糾錯(cuò)等方式來(lái)降低傳輸過(guò)程中的誤碼[7]。

光纖通信[8]作為現(xiàn)代通信的主要支柱技術(shù)之一，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光纖具有尺寸小、質(zhì)量輕、容量大、抗電磁干擾強(qiáng)、傳輸質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于通信信號(hào)的傳輸載體。但是，傳統(tǒng)的石英光纖在應(yīng)用于用電信息采集系統(tǒng)時(shí)，需要面臨多次彎曲、多次插拔的入戶(hù)施工及維修、維護(hù)工程，使得其難以勝任電力計(jì)量遠(yuǎn)程費(fèi)控工作，導(dǎo)致人們很少直接將石英光纖用作接入網(wǎng)的傳輸鏈路，而是依靠銅纜來(lái)替代它通信。然而，這一壁壘隨著塑料光纖的出現(xiàn)而被打破[9]。

塑料光纖(POF)是由高透明聚合物如聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)作為芯層材料，PMMA、氟塑料等作為皮層材料的一類(lèi)光纖(光導(dǎo)纖維)。塑料光纖不但可用于接入網(wǎng)的最后100～1 000 m，也可以用于各種汽車(chē)、飛機(jī)、等運(yùn)載工具上，是優(yōu)異的短距離數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)[10]。 與石英光纖相比，塑料光纖具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 快速安裝。POF能夠很容易地通過(guò)狹小的穿線(xiàn)管。② 容易連接。POF不用拋光也能達(dá)到很好的連接效果，也不用為了連接而采用專(zhuān)用的設(shè)備。③ 低廉成本優(yōu)勢(shì)。采用POF做傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)，其造價(jià)要比石英光纖接入系統(tǒng)低。④ 堅(jiān)固耐用。POF光纜比石英光纜更加柔韌耐用，彎曲半徑也小。⑤ 簡(jiǎn)單、安全的連通測(cè)試。采用對(duì)肉眼無(wú)害的可見(jiàn)光。

塑料光纖作為信號(hào)傳輸載體的智能用電信息采集系統(tǒng)如圖1所示。由圖可見(jiàn)，智能用電信息采集系統(tǒng)主要由主站、通信信道、采集終端和智能電能表組成，可實(shí)現(xiàn)電力用戶(hù)用電信息的自動(dòng)采集、計(jì)量異常監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、用電分析和管理、相關(guān)信息發(fā)布、分布式能源監(jiān)控、智能用電設(shè)備的信息交互等功能。

同其他現(xiàn)有的傳輸技術(shù)相比，塑料光纖技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具體比較結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可知，塑料光纖的最大速率可達(dá)到100 Kbit/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的銅纜和窄帶電力載波技術(shù)，且其最大的優(yōu)勢(shì)是傳輸不受電磁干擾，誤碼率較其他傳輸方式下降至10-9以下，滿(mǎn)足智能用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)需求，為實(shí)施遠(yuǎn)程費(fèi)控功能奠定了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)條件。

表1 各種通信技術(shù)對(duì)比

2 塑料光纖通信技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)本地區(qū)已有的低壓電力集抄臺(tái)區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)可行性試點(diǎn)建設(shè)，先后選取4個(gè)臺(tái)區(qū)共612戶(hù)居民進(jìn)行試點(diǎn)工程，其中A、B臺(tái)區(qū)為單相電子式電能表臺(tái)區(qū)，僅有RS-485接口可供數(shù)據(jù)采集通信。C、D 2個(gè)臺(tái)區(qū)為新增居民用戶(hù)臺(tái)區(qū)，配備有智能電能表，通信模塊采用深圳物聯(lián)光通公司生產(chǎn)的塑料光纖通信模塊。具體的臺(tái)區(qū)改造方案如表2所示。

對(duì)比上述方案，無(wú)論方案1或方案2，均是利用光纖專(zhuān)網(wǎng)作為遠(yuǎn)程信道進(jìn)行居民用電信息的傳輸。光纖通道既可以是配電房已有的光纖線(xiàn)路，也可以向第三方運(yùn)營(yíng)商(如電信、移動(dòng)、廣電)租用光纖資源。但是，方案1和2在實(shí)際應(yīng)用中存在一些差別，具體如下：

在方案1中，居民用電信息經(jīng)RS-485總線(xiàn)匯集至電力線(xiàn)載波采集器或微功率無(wú)線(xiàn)采集器，采集器利用已有的電力線(xiàn)信道或微功率無(wú)線(xiàn)信道將數(shù)據(jù)傳輸至集中器終端，這種方式稱(chēng)為半載波或半無(wú)線(xiàn)方式。對(duì)于這種臺(tái)區(qū)的改造，只需要將原有采集器替換成具有光通信功能的采集器，同時(shí)在原有集中器上加裝光纖路由模塊即可。該方案適用于對(duì)原有舊臺(tái)區(qū)改造的場(chǎng)合。

表2 試點(diǎn)臺(tái)區(qū)改造實(shí)施方案

方案2屬于全光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，方案中所有的集中器、采集器和智能電能表均使用光纖通信模塊。由于采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行用電信息的傳輸，即便光纖通信模塊出現(xiàn)故障，也可以選擇其他廠家的光纖產(chǎn)品進(jìn)行直接替換，而不必像電力線(xiàn)載波或微功率無(wú)線(xiàn)集抄系統(tǒng)那樣，在進(jìn)行通信模塊替換時(shí)，需要整套更改，無(wú)法解決各廠家產(chǎn)品互聯(lián)互通的問(wèn)題。試點(diǎn)臺(tái)區(qū)的改造施工示意圖如圖2所示。

圖2 臺(tái)區(qū)改造施工示意圖

對(duì)試點(diǎn)臺(tái)區(qū)改造完畢后，在主站上位機(jī)“測(cè)試管理軟件”上以最高0.5 s/次的采集頻率對(duì)試點(diǎn)臺(tái)區(qū)所有電能表進(jìn)行10萬(wàn)次不間斷的通信測(cè)試，結(jié)果如圖3所示，成功比率為100%。如此高的采集頻次及通信成功率是低壓電力線(xiàn)載波、RS-485總線(xiàn)和微功率無(wú)線(xiàn)技術(shù)所不能比擬的。

圖3 通信測(cè)試效果圖

而后，對(duì)試點(diǎn)臺(tái)區(qū)2015年4月隨機(jī)5個(gè)工作日的運(yùn)行結(jié)果與2014年同期進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果如表3所示。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)對(duì)比可知，全光纖網(wǎng)絡(luò)集抄方案不僅可以有效提高居民用電信息的采集成功率，幾乎每次都達(dá)到了100%，在采集時(shí)效性[11]上較窄帶載波方案更是體現(xiàn)了質(zhì)的飛升，將整個(gè)臺(tái)區(qū)的平均輪抄耗時(shí)控制在了秒級(jí)。憑借全光纖網(wǎng)絡(luò)集抄方案高速、穩(wěn)固的工作效率，可助力供電營(yíng)銷(xiāo)方對(duì)用電區(qū)域、行業(yè)、產(chǎn)業(yè)進(jìn)行全面的市場(chǎng)分析[12-13]，為電力計(jì)量遠(yuǎn)程費(fèi)控功能的實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)保證[14-15]。

表3 試點(diǎn)臺(tái)區(qū)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

試點(diǎn)臺(tái)區(qū)的建設(shè)結(jié)果表明，全光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以有效解決智能用電信息采集系統(tǒng)中采集成功率低、采集時(shí)效性差等問(wèn)題，具有組網(wǎng)速度快、集抄效率高等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工程實(shí)施過(guò)程中，全光纖網(wǎng)絡(luò)集抄方案的一些劣勢(shì)也有所顯現(xiàn)，尤其對(duì)于一些表計(jì)集中安裝的臺(tái)區(qū)，全光纖網(wǎng)絡(luò)集抄方案使用的集中器數(shù)量要多于普通的電力線(xiàn)載波集中器或微功率無(wú)線(xiàn)集中器，究其原因主要是POF收發(fā)設(shè)備的光信號(hào)傳輸距離有限(可達(dá)250 m左右)，需要增加光信號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置來(lái)形成穩(wěn)健的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｒ虼巳饫w網(wǎng)絡(luò)集抄方案的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用要高于電力線(xiàn)載波集抄方案或微功率無(wú)線(xiàn)集抄方案；另外，從工程實(shí)施安裝調(diào)試費(fèi)用以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用方面比較，全光纖網(wǎng)絡(luò)集抄方案并沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，對(duì)于分散臺(tái)區(qū)內(nèi)部分未抄讀成功或抄讀不穩(wěn)定的表計(jì)，可以采用光纖集抄方案作為有益補(bǔ)充，從而達(dá)到很好的采集效果。

由以上分析可知，在以下場(chǎng)合推薦使用全光纖網(wǎng)絡(luò)集抄方案：① 通信實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合(需要遠(yuǎn)程控制以及預(yù)付費(fèi)相關(guān)功能操作)；② 其他集抄方案抄讀不穩(wěn)定、運(yùn)行效果不佳的場(chǎng)合；③ 臺(tái)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷變化明顯，噪聲干擾大等場(chǎng)合；④ 各種表計(jì)所屬檔案信息記錄不明晰的場(chǎng)合。

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·名人名言·

如果你問(wèn)一個(gè)善于溜冰的人怎樣獲得成功時(shí)，他會(huì)告訴你：“跌倒了，爬起來(lái)。”這就是成功。

——牛頓

Application of All-optical Network in Smart Power Utilization Information Collection System

YANGAibing1,ZHOUYang1,ZHOUKe2,DONGFangzhen2

(1.Guizhou Power Grid Company, Guiyang Power Supply Bureau, Guiyang 550001, China; 2. College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

In order to construct a smart power utilization information collection system with the high efficiency and stability, encourage power users and grid companies to participate in the interactive service, promote and popularize the charge control system and develop data accuracy and integrity, a novel strategy named the all-optical network communication is utilized in remote meter reading system. An all-fiber set based on the principle of intelligent data acquisition is proposed, and the scheme is applied to a set of pilot projects in Guizhou province. The result certifies that the metering system can achieve the function of seconds metering, and can render a qualitative improvement for real-time and success rate, and lay a foundation for function development and service promotion of smart power utilization information collection system.

smart power; optical fiber network; plastic optical fiber; remote meter reading; information collection system

2016-07-29

貴州省科技廳基金項(xiàng)目(黔科合LH[2014]7614)；貴州電網(wǎng)科技項(xiàng)目(K-GZ2014-011)

楊?lèi)?ài)冰(1969-)，男，貴州貴陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事電力計(jì)量科技工作。E-mail：462665185@qq.com

TM 76

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1006-7167(2017)03-0125-04