基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用分析

馮少力

（深圳市國(guó)電科技通信有限公司，廣東 深圳 518109）

0 引 言

目前，我國(guó)大多數(shù)居民用電計(jì)費(fèi)采用的是“一戶一表”的模式，由于居民電表分散在各個(gè)居民小區(qū)，電力部門只能人工對(duì)這些分散的電表進(jìn)行抄表，從而耗費(fèi)了大量的人力物力。通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)抄表技術(shù)[1]。目前，需要建立集用電信息采集、智能電表管理以及傳輸端口管理等功能為一體的電力數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)用電信息的遠(yuǎn)程采集，集中管理，從而實(shí)現(xiàn)用電信息采集的智能化和自動(dòng)化。文章研究了基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用方面，提出基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用方案。

1 電力載波通信技術(shù)及其基本原理分析

1.1 電力載波通信技術(shù)概述

電力載波通信技術(shù)是將現(xiàn)有的電力線纜作為載體的通信載波技術(shù)，是電力部門特有的通信技術(shù)。該技術(shù)能夠在電力線路中實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的模擬傳輸，實(shí)現(xiàn)用電信息的采集和傳輸[2]。為提高電力載波通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，使用了移頻鍵控、直接序列擴(kuò)頻以及跳頻擴(kuò)頻等物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)。其中，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)能夠?qū)Ω咚俅a流層進(jìn)行擴(kuò)展，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取Ｒ祁l鍵控技術(shù)能夠使用較窄的寬帶高速傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。跳頻擴(kuò)頻技術(shù)則通過(guò)頻率的規(guī)律性跳變來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。在以上調(diào)制解調(diào)技術(shù)中，直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻技術(shù)雖然會(huì)占據(jù)較寬的帶寬，但是噪聲帶寬也相對(duì)較寬，信號(hào)傳輸?shù)母蓴_較少，因此不需要重新架設(shè)原有的電力網(wǎng)絡(luò)就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。

1.2 電力載波通信技術(shù)作業(yè)原理

基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)以電力纜線作為通信信號(hào)傳輸?shù)妮d體，在保證電力線路能夠正常輸變電的情況下，完成用電信息的采集和傳輸工作。20 世紀(jì)20 年代，開始研究電力線載波通信技術(shù)，但應(yīng)用和推廣較為緩慢。數(shù)字技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為電力線載波通信的推廣和應(yīng)用提供了有效的技術(shù)支持，電力纜線載波通信技術(shù)也得到了業(yè)界的認(rèn)可，并在國(guó)外用電信息采集系統(tǒng)中得到了部分的推廣和應(yīng)用。電力載波通信技術(shù)根據(jù)領(lǐng)域劃分，可分為低壓載波技術(shù)、中壓載波技術(shù)以及高壓載波技術(shù)。以低壓載波通信技術(shù)為例，其載波通信的工作原理如圖1 所示。

圖1 電力線載波通信系統(tǒng)工作原理

如圖1 所示，電力載波通信系統(tǒng)由5 部分組成，分別是信號(hào)處理器、調(diào)制解調(diào)器、信號(hào)放大電路、信號(hào)耦合網(wǎng)絡(luò)以及低壓電力網(wǎng)絡(luò)。其中信號(hào)處理器可以將信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)調(diào)制解調(diào)器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成已調(diào)信號(hào)。為提高電力載波信號(hào)的強(qiáng)度和抗干擾能力，還需要使用信號(hào)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行益增，并采用耦合電路將信號(hào)耦合至電力網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。

2 基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集通信技術(shù)要求及問(wèn)題

2.1 基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集通信技術(shù)要求

基于電力載波通信技術(shù)對(duì)設(shè)備敷設(shè)要求較高，需要現(xiàn)場(chǎng)接線確保正確，還需要選擇合理的安裝位置并達(dá)到工藝要求。為了保障抄表的準(zhǔn)確率和可信度，還需要增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。此外，電力載波通信技術(shù)需要解決以下幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題。一是電力線本身具有的脈沖干擾特性，我國(guó)目前的電力網(wǎng)絡(luò)為50 Hz的交流電，其交流周期為20 ms，每個(gè)交流周期出現(xiàn)2次交流峰值，形成2 次交流脈沖干擾，即100 Hz 的篤定脈沖干擾，干擾時(shí)間約為2 ms。因此，電力載波通信技術(shù)必須及時(shí)處理這種脈沖干擾，從而提高電力載波通信技術(shù)的抗干擾特性，提高載波通信技術(shù)的可靠性。二是電力線路負(fù)載的噪聲干擾，噪聲干擾來(lái)自電路負(fù)載的無(wú)線電干擾，衰減隨時(shí)間變化，而且很難預(yù)測(cè)其頻率的規(guī)律，給電力載波通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行詭?lái)了挑戰(zhàn)。目前解決的方式是對(duì)載波通信信號(hào)進(jìn)行技術(shù)處理，提高其抗干擾的能力。

2.2 基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集通信技術(shù)存在的問(wèn)題

基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確率和可靠性要求極高。然而，目前電力載波基礎(chǔ)設(shè)施的施工依然存在設(shè)備接線不規(guī)范、施工工藝差等問(wèn)題，從而導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法正常采集和傳輸[3]。同時(shí)，電力載波通信技術(shù)的信號(hào)受地形影響較大，在山區(qū)或者丘陵區(qū)的信號(hào)衰減比較嚴(yán)重。此外，電力載波通信技術(shù)還存在通信費(fèi)用高、維護(hù)工作量大等問(wèn)題。我國(guó)電網(wǎng)的配壓結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、供電方式以及管理方式與國(guó)外有極大的不同，這些問(wèn)題的存在嚴(yán)重地阻礙了電力載波通信技術(shù)在用電信息采集技術(shù)系統(tǒng)中的推廣和應(yīng)用。因此，需要改造和完善現(xiàn)有的電力載波通信技術(shù)。

3 基于電力載波通信技術(shù)的用電采集模式可實(shí)現(xiàn)的功能

3.1 負(fù)荷監(jiān)測(cè)

使用基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視用戶的用功、電壓以及電流等相關(guān)數(shù)據(jù)，并及時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)電力載波通信技術(shù)傳輸?shù)较到y(tǒng)主站，從而獲得用戶每日的用電情況，同時(shí)能夠匯總和分析整個(gè)地區(qū)的用電情況，從而為電力部門提供準(zhǔn)確的用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，以此作為電力部門調(diào)節(jié)電力生產(chǎn)的依據(jù)[4]。

3.2 抄讀電量

自動(dòng)抄讀電量是基于載波技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)的基本功能，抄表人員從此不需要對(duì)各個(gè)分布的電表進(jìn)行定期抄表，而是通過(guò)用電信息采集系統(tǒng)對(duì)用戶的用電信息進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)和顯示，從而大幅度降低抄表人員的工作負(fù)荷，節(jié)約電力企業(yè)的人力資源支出[5]。

3.3 用電監(jiān)控

電力管理部門能夠通過(guò)用電信息采集系統(tǒng)監(jiān)控用戶實(shí)時(shí)的用電量，當(dāng)用戶的用電量出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)能夠在數(shù)學(xué)模型和算法的支持下對(duì)用戶的用電量進(jìn)行監(jiān)控，并判斷用戶的異常用電有無(wú)違法、偷電漏電或者斷相等問(wèn)題，從而提高用戶用電管理的規(guī)范性。

3.4 欠費(fèi)控制

使用電力載波通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)廣泛采用新一代智能電表，電力載波通信技術(shù)應(yīng)用使得智能電表能夠與用電信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因而可以將用戶欠費(fèi)的信息及時(shí)傳輸給主站。主站在排除電力用戶欠費(fèi)的非主觀因素后，將會(huì)對(duì)用戶實(shí)施警告、催繳甚至遠(yuǎn)程停電處理。用戶在付清相關(guān)電費(fèi)和滯納金后，用電信息系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)最新的繳費(fèi)信息，及時(shí)給用戶續(xù)電。

4 基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集產(chǎn)品的應(yīng)用分析

4.1 基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)實(shí)施方案

通過(guò)對(duì)基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)的技術(shù)分析，目前依靠電力載波形式進(jìn)行電力信息傳輸和交換的應(yīng)用場(chǎng)景為偏遠(yuǎn)山區(qū)，或者地形平坦且傳輸半徑小于300 m 的臺(tái)區(qū)。當(dāng)臺(tái)區(qū)距離超過(guò)300 m 時(shí)，可以通過(guò)全、半載波的切換，提高載波傳輸?shù)木嚯x[6]。

電力載波通信技術(shù)通道的選擇在電力信息選擇的方案中也非常關(guān)鍵，直接關(guān)系著電力載波通信技術(shù)的信號(hào)衰減能力和抗干擾能力，進(jìn)而決定信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率和可靠性。電力載波通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況來(lái)實(shí)際選擇固定組網(wǎng)和自組網(wǎng)的形式，或者選擇2 種組網(wǎng)方式相結(jié)合的方式。

4.2 基于電力載波通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)的性能分析

為了檢測(cè)載波通信技術(shù)在電力信息采集系統(tǒng)中的可行性和可靠性，本次測(cè)試選擇了國(guó)內(nèi)載波通信領(lǐng)域有代表性的2 種電力載波通信產(chǎn)品，即A 廠家產(chǎn)品和B 廠家的產(chǎn)品。其電力載波通信產(chǎn)品主要的技術(shù)及性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 A 廠家產(chǎn)品和B 廠家產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)

對(duì)A 廠家產(chǎn)品和B 廠家產(chǎn)品實(shí)施+50 dB 衰減測(cè)試，以驗(yàn)證2 家產(chǎn)品的有效測(cè)試距離和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴? 種產(chǎn)品均能夠通過(guò)1 個(gè)集中器和30 個(gè)電能表分別組成2 個(gè)實(shí)驗(yàn)性載波通信平臺(tái)。在測(cè)試條件和測(cè)試方法相同的條件下，測(cè)試這2 種產(chǎn)品實(shí)施電力信息抄表的效果，測(cè)試的結(jié)果分別如表2 和表3所示。

表2 A 廠家、B 廠家產(chǎn)品抄讀成功情況（電表30 個(gè)）

表3 A 廠家、B 廠家產(chǎn)品抄讀正確率

如表2 和表3 所示，運(yùn)用移相鍵控（Phase Shift Keying，PSK）調(diào)制方式和頻移鍵控FSK（Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK）調(diào)制方式的2 種電力載波通信產(chǎn)品，在不同的載波頻率模式下均能夠達(dá)到理想的超標(biāo)正確率，說(shuō)明這2 種產(chǎn)品技術(shù)所代表的電力載波通信技術(shù)已經(jīng)能夠較好地運(yùn)用于用電信息采集領(lǐng)域。

5 結(jié) 論

我國(guó)電力部門在近年來(lái)一直在大力推廣智能抄表技術(shù)，電力載波通信技術(shù)作為智能抄表技術(shù)的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，得到了廣泛的關(guān)注。目前，電力載波通信技術(shù)依然是用電信息采集系統(tǒng)中最有前途的技術(shù)之一，在電力技術(shù)智能化升級(jí)過(guò)程中具有廣闊的推廣和應(yīng)用前景。電力載波通信技術(shù)在電力行業(yè)用電信息采集系統(tǒng)中的推廣，依然有很多管理問(wèn)題、資金問(wèn)題和產(chǎn)品配套問(wèn)題需要解決，隨著這些技術(shù)問(wèn)題的不斷解決和完善，電力載波通信技術(shù)將會(huì)在電力行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，從而成為我國(guó)居民用電智能抄表的主流技術(shù)。