寬帶載波技術(shù)應(yīng)用及效益分析

王鳳祥，梁 波，孔 晶，張洋洋，劉東旭

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250001；2.北京國旺盛源智能終端科技有限公司，北京 100089）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，不斷增長的海量數(shù)據(jù)使得傳統(tǒng)的用電信息采集方式無法滿足當(dāng)前電網(wǎng)信息采集和交互的需要，促使各研究機(jī)構(gòu)開發(fā)研究更高效快速實(shí)用的新型采集方案，以更新傳統(tǒng)的用電信息采集方式，適應(yīng)未來智能電網(wǎng)建設(shè)高速穩(wěn)定通信的需要［1］。

經(jīng)過近年來的不懈努力，在傳統(tǒng)載波用電信息采集方式基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的寬帶載波采集方案于2013年研發(fā)成功，經(jīng)過不斷的測(cè)試優(yōu)化，2015年在用電信息采集本地通信系統(tǒng)中安裝運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國網(wǎng)公司先進(jìn)水平，為用電信息采集系統(tǒng)本地通信提供了新的穩(wěn)定、可靠的技術(shù)解決方案。

1 寬帶載波通信技術(shù)的概念

寬帶電力線通信BPL（BroadbandoverPowerLine），是指帶寬限定在2～30 MHz之間、通信速率通常在1 Mbps以上的電力線載波通信。電力線通信技術(shù)利用現(xiàn)有堅(jiān)固可靠的電力線作為信息傳輸?shù)拿浇?，通過載波方式傳輸模擬或數(shù)字信號(hào)。

該技術(shù)是把載有信息的高頻信號(hào)加載于電流，然后利用各種等級(jí)的電力線傳輸，接受信息的調(diào)制解調(diào)器再把高頻信號(hào)從電流中分離出來，并傳送到電力線寬帶用戶終端（計(jì)算機(jī)、電視或電話機(jī)和智能電表、開關(guān)等）。該技術(shù)在不需要重新布線的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有電力線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和視頻等多業(yè)務(wù)的承載。

2 寬帶載波通信技術(shù)工作原理

基于擴(kuò)頻技術(shù)的電力線窄帶載波通信技術(shù)通過偽隨機(jī)編碼展寬通信頻帶等方式提高了單頻載波的抗干擾問題，但在用電設(shè)備類型日益豐富，電路中開關(guān)電源和無功補(bǔ)償裝置等電容性負(fù)載日益增多的環(huán)境下，信號(hào)吸收和突發(fā)干擾大大降低了通信系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性，窄帶載波所提供的數(shù)據(jù)通信速率也逐漸無法滿足日益增長的信息傳輸要求［2］。

基于性能考慮，電力線寬帶載波技術(shù)主要使用了正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)。頻分多路復(fù)用（FDM）技術(shù)是使信號(hào)在多個(gè)不同的頻率上進(jìn)行傳送，可以提高頻帶利用率，但為了避免子信道之間信號(hào)的干擾，相鄰信道的信號(hào)頻譜不能重疊，會(huì)限制頻帶的充分利用，進(jìn)而限制了信號(hào)傳輸速率的進(jìn)一步提高。正交頻分復(fù)用（OFDM）能使各個(gè)子信道信號(hào)滿足兩兩正交的關(guān)系，不但能使頻帶利用率進(jìn)一步提高，而且還消除了子信道之間的干擾。OFDM技術(shù)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：有效克服碼間干擾，抗干擾能力強(qiáng)；頻帶利用率高；系統(tǒng)的均衡簡單等。

電力線寬帶通信采用OFDM技術(shù)，能有效地抵抗多徑干擾，使受干擾的信號(hào)仍能可靠接收，即使是在配電網(wǎng)受到嚴(yán)重干擾的情況下，也可提供高速帶寬并且保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率，從而實(shí)現(xiàn)高速可靠通信［3］。

OFDM允許重疊的正交子載波作為子信道，而不是傳統(tǒng)上利用保護(hù)頻帶分離子信道的方式，從而提高了頻率利用效率及組網(wǎng)速度。OFDM頻譜如圖1所示。

圖1 OFDM頻譜圖

3 寬帶載波方案現(xiàn)場安裝應(yīng)用

3.1 硬件安裝方式

寬帶載波安裝主要分為半載波方案和全載波方案。

3.1.1 半載波方案

在變壓器二次側(cè)安裝I型集中器（含載波模塊）1臺(tái)；每個(gè)電表箱安裝寬帶載波采集器一個(gè)或者鄰近多個(gè)表箱共用一個(gè)采集器，采集器通過RS485線與用戶電表連接。

通信方式為電表與載波采集器通過RS485線通信，采集器與集中器通過電力線采用寬帶載波技術(shù)通信。

3.1.2 全載波方案

在變壓器二次側(cè)安裝I型集中器（含載波模塊）1臺(tái)；不使用載波采集器，在每個(gè)電表安裝載波模塊一個(gè)。

通信方式為每塊電表直接通過電力線采用寬帶載波技術(shù)與集中器進(jìn)行互聯(lián)通信。

3.2 安裝流程

寬帶載波方案施工簡便，適用于不同供電環(huán)境（小區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部、農(nóng)村、山區(qū)），且拓?fù)淝逦Ｒ匀d波方案為例，介紹其具體安裝流程。

3.2.1 勘察現(xiàn)場

對(duì)擬安裝臺(tái)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場勘查變壓器及各表箱位置，繪制臺(tái)區(qū)走線圖，對(duì)物理層狀況及線路有整體了解。進(jìn)而確認(rèn)最適宜安裝的載波模式（全載波、半載波等）。

3.2.2 安裝集中器

一般在臺(tái)區(qū)配電盤安裝集中器，也可以選在臺(tái)區(qū)用戶中心位置安裝集中器，以實(shí)際載波組網(wǎng)路徑最短，加快抄表速度。

3.2.3 建立采集檔案

在用電信息采集系統(tǒng)對(duì)寬帶載波集中器設(shè)置檔案，同時(shí)將電表檔案地址設(shè)置給集中器。

3.2.4 電表寬帶載波模塊安裝

一般可以選擇距離集中器位置最近幾個(gè)表箱，先對(duì)電表安裝寬帶載波模塊（STA模塊），然后安裝集中器，組建一個(gè)數(shù)量不超過 30的網(wǎng)絡(luò)，以便出現(xiàn)通信問題時(shí)在前期盡快發(fā)現(xiàn)解決。當(dāng)集中器與電表載波通訊無異常后，開始大規(guī)模安裝寬帶載波模塊。

3.2.5 施工驗(yàn)收

通過查看集中器及各表計(jì)采集設(shè)備模塊指示燈是否工作正常，確認(rèn)本地載波組網(wǎng)情況；與電表檔案進(jìn)行比對(duì)，以排查故障電表；查看用電信息采集系統(tǒng)集中器GPRS上線并登陸主站情況，檢查抄表成功率和抄表速度。當(dāng)上述指標(biāo)達(dá)標(biāo)后，填寫寬帶載波現(xiàn)場施工報(bào)告表，進(jìn)而完成現(xiàn)場及系統(tǒng)驗(yàn)收。

4 寬帶載波方案運(yùn)維技術(shù)要點(diǎn)

芯片啟用2～12 MHZ頻率，可根據(jù)現(xiàn)場用電環(huán)境自行調(diào)節(jié)，且支持雙通道通信，可適應(yīng)99.999 9%的用電環(huán)境，真正意義上實(shí)現(xiàn)通道的“免維護(hù)”。

方案兼?zhèn)涑仄?，抄控器下行通過220／380 V電源接入PLC通道，上行通過wifi與PC端連接。組網(wǎng)狀態(tài)、掛接關(guān)系、通訊狀態(tài)、故障信息等可直接展示，支持故障一鍵診斷，可簡單、快速地進(jìn)行故障定位［4］。寬帶抄控器原理如圖2所示。

圖2 寬帶抄控器原理結(jié)構(gòu)圖

日志記錄模塊強(qiáng)大，可長時(shí)間詳細(xì)記錄集中器、模塊的運(yùn)行日志，出現(xiàn)問題時(shí)可直接對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程分析，最大程度地減少了現(xiàn)場維護(hù)量。

5 寬帶載波方案技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

5.1 抗干擾能力強(qiáng)

碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性的干擾。造成碼間干擾的原因有很多。實(shí)際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會(huì)造成一定的碼間干擾。寬帶載波采用OFDM技術(shù)，采用了循環(huán)前綴，對(duì)抗碼間干擾的能力很強(qiáng)。

5.2 傳輸速度快

OFDM的自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制，使不同的子載波可以根據(jù)信道情況和噪音背景的情況選擇不同的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件好的時(shí)候，子載波采用效率高的調(diào)制方式；當(dāng)信道條件差的時(shí)候，子載波采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。而且OFDM加載算法技術(shù)，使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上，有效保證寬帶載波能夠以高速率的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

5.3 帶寬高

寬帶載波可以實(shí)現(xiàn)高速帶寬，其帶寬在2～12 MHz之間，其帶寬分布如圖3所示，現(xiàn)場應(yīng)用通信速率平均在2 Mbps左右，遠(yuǎn)高于窄帶載波的幾十和窄帶高速的幾百千比特每秒。

圖3 電力線載波帶寬分布

6 寬帶載波方案應(yīng)用效益分析

寬帶載波方案因自身優(yōu)勢(shì)在智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)通信中發(fā)揮著強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，具體應(yīng)用效益分析如下。

6.1 換裝成本低

以300戶臺(tái)區(qū)為例，現(xiàn)場約需要60個(gè)表箱。

使用傳統(tǒng)兩層采集方案時(shí)，平均每3個(gè)計(jì)量箱需要加裝一臺(tái)II型集中器，需要外接485線纜800 m（一臺(tái)Ⅱ型集中器600元／臺(tái)，485線纜3元／m，一臺(tái)Ⅱ型集中器外接485線增加人工安裝成本240元），300戶臺(tái)區(qū)需安裝Ⅱ型集中器15臺(tái)，加485線纜及人工成本共計(jì)16 500元（其中未考慮每臺(tái)II型集中器SIM卡通信成本）。

使用寬帶載波技術(shù)方案，可完全替代Ⅱ型集中器實(shí)現(xiàn)用電信息采集，300戶臺(tái)區(qū)完成換裝需要安裝智能計(jì)量管理終端61臺(tái)（主終端1 500元／臺(tái)，子終端200元／臺(tái)），共計(jì)13 500元。

相對(duì)于兩層方案，寬帶載波技術(shù)方案安裝費(fèi)用要節(jié)省3 000元左右，而且該方案具有現(xiàn)場調(diào)試簡單，運(yùn)維量少的優(yōu)點(diǎn)，可以大幅節(jié)省調(diào)試運(yùn)維成本。

6.2 抄表指標(biāo)穩(wěn)定

6.2.1 抄表成功率高

寬帶載波方案采用高速自組網(wǎng)技術(shù)，保證了指標(biāo)的穩(wěn)定性。以500戶及以下臺(tái)區(qū)為例抄表成功率可以到達(dá)99.999%，300戶及以下臺(tái)區(qū)抄表成功率可以到達(dá)100%。

6.2.2 抄表速度快

相對(duì)于窄帶載波和兩層方案，寬帶載波方案組網(wǎng)速度快且穩(wěn)定，抄表速度較以前大幅提升。

以500戶臺(tái)區(qū)為例，5∶00之前可以完成抄表，確保了7∶00之前用電信息采集主站系統(tǒng)對(duì)中低壓線損核算和采集成功率統(tǒng)計(jì)的需求。

6.2.3 全任務(wù)全事件采集

寬帶載波方案，以其高速帶寬、超強(qiáng)的傳輸速率，實(shí)現(xiàn)了集中器下掛接全部表計(jì)任務(wù)的下發(fā)和采集，為實(shí)現(xiàn)國網(wǎng)公司2017年計(jì)量實(shí)施意見中提出的全任務(wù)下發(fā)、全事件上報(bào)奠定基礎(chǔ)，滿足了上級(jí)公司的考核要求，有利于指標(biāo)快速提升。

6.2.4 遠(yuǎn)程費(fèi)控速度快且成功率穩(wěn)定

遠(yuǎn)程停電執(zhí)行時(shí)間是兩層方式的1／3，遠(yuǎn)程復(fù)電執(zhí)行時(shí)間是兩層方式的1／5，成功率十分穩(wěn)定，而且在實(shí)際應(yīng)用過程中未發(fā)現(xiàn)復(fù)電不成功現(xiàn)象。

6.2.5 適應(yīng)不同復(fù)雜場景用電信息采集

面對(duì)平原地區(qū)供電半徑長（如農(nóng)村灌溉用機(jī)井等供電半徑超過1 km時(shí)）、山區(qū)供電落差大（RS485線連接困難）、新建居民小區(qū)地下室沒有無線信號(hào)、供電線路狀況差等特殊供電環(huán)境時(shí)，寬帶載波方案利用其自身優(yōu)勢(shì)可以很好地保證數(shù)據(jù)傳輸和指標(biāo)的穩(wěn)定。

6.2.6 可拓展性強(qiáng)

寬帶載波帶寬高、數(shù)據(jù)傳輸快，容納信息量大，在大容量下傳輸速度依然迅速，可以滿足營銷專業(yè)計(jì)量信息、生產(chǎn)專業(yè)電壓電流等供電質(zhì)量信息、調(diào)控專業(yè)遙控遙測(cè)信息和未來“互聯(lián)網(wǎng)+”下智能家居、設(shè)備互聯(lián)互通等一系列數(shù)據(jù)采集交換要求。同時(shí)還能夠擴(kuò)展接入臺(tái)區(qū)表箱線損二級(jí)核算、防竊電音視頻監(jiān)控、GPRS定位、射頻信號(hào)觸發(fā)等新型智能表箱功能。

7 結(jié)論

隨著寬帶載波技術(shù)的不斷成熟，其優(yōu)勢(shì)也逐步凸顯，各基層供電企業(yè)可以根據(jù)自身地理情況開展寬帶載波用電信息采集方式的推廣應(yīng)用，以降低運(yùn)行維護(hù)成本，提高數(shù)據(jù)采集效率，為智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集、分析和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。