面向電能管理服務系統的通信網絡方案設計

劉曉芳

（浙江新能量科技有限公司，杭州 310005）

節能是當前社會關注的熱點。隨著經濟的快速發展，能源已經成為未來經濟社會發展的重要制約因素，而電力在能源消費中所占的比重較大。長期以來，我國的經濟增長對電力消費有著較強的依賴性。對用戶側的電能利用進行科學有效的管理優化，提高電力用戶的電能利用效率，實現需求側智能用電對社會的節能減排意義重大。智能用電[1]的前提是電能管理的精細化和信息化，加快建設和應用基于信息和通信技術的電能管理信息服務系統已成為十分迫切的現實需要。

電能管理信息服務系統融合了現代測量技術、通信技術、物聯網技術[2]、數據挖掘技術等多項前沿科學技術，是一個面向多類用戶的第三方公共電能管理服務平臺，可為電力用戶、政府部門、節能服務公司等多方提供科學管理的實用信息服務和決策支持。構建電能管理服務系統的關鍵技術是信息通信技術，即本地通信和遠程通信組網方式的優化選擇，而衡量系統通信方式優劣的重要指標是數據的采集成功率。傳統的組網方式往往較為單一，系統的采集成功率不能得到有效保證，加上現場環境影響帶來的施工問題等，在很大程度上制約了電能管理服務系統的全面推廣和應用。

本文提出了一種利用多種通信技術混合組網構建用戶電能管理服務系統的解決方案，將多種有線和無線通訊技術運用在電能管理服務系統中，克服了以往單一通信技術帶來的可靠性不高、實時性不強的問題。可根據企業的應用需求、現場環境和網絡配置情況靈活選擇組網方式，提高數據采集成功率和實時性，降低設備投資。對企業電能節約及優化有著重要意義，具有較高的推廣價值。

1 電能管理服務系統通信方式研究

1.1 系統網絡結構

電能管理服務系統的網絡結構分為3層，分別是，現場終端采集層、數據傳輸層、數據處理中心層。其網絡結構圖如圖1所示。

圖1 智能用電管理云服務系統網絡結構示意圖

電能管理服務系統的網絡架構由兩大通道組成：①布置在企業的數據集中器與系統主站之間的實時雙向通信，即遠程通信網絡；②企業內部各監測點與數據集中器的通信網絡，即下層網絡或者本地網絡。

1.2 本地網絡組網方式

系統本地組網方式主要是指現場采集設備與數據集中器之間的通信，屬于電能數據采集系統的下層網絡。對這一級網絡的要求是：實時性；兼容性；可擴展性。內部接入新的采集設備或第三方設備接入時能自動感知，系統通信網絡能夠根據需要擴展。

常用的本地組網有線通信方式有 RS485、電力載波；無線方式中主要介紹Zigbee技術的應用。

1）電力載波通信

通信電力線載波通信是以電力線作為傳輸媒介，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。其最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線，就能進行數據傳遞。低壓載波技術在智能家居、智能小區、路燈控制、遠程集中抄表系統等領域都得到快速發展。但是載波通信有其局限性：電力線信號干擾大、信號衰減快，可靠性不高；載波受變壓器阻隔，通信距離受限，因此在實際應用中往往需要采取另外措施以克服上述缺點和不足，從而限制了電力載波方式的應用。

2）RS485總線通信

RS485總線通信組網是采用RS485數據線作為采集設備與數據集中器的通信信道。485是一種異步半雙工總線通信標準。只需兩根線便可實現 雙向通信，可以很方便地構成一點對多點或多點之間的相互通信網絡，具有通信可靠性高，實時性強，通信距離遠等優點，是當前測量儀表所廣泛支持的一種通信方式。但是485通信也存在布線工程量大、信道易損壞、故障排除困難、恢復慢、信道維護工作量大等不足。

3）無線組網Zigbee通信

Zigbee具有低成本、近距離、低功耗、自組網、自愈、抗干擾強等特點，被廣泛的應用于物聯網的各種數據采集與控制系統中，是一種很好的短距離通信方式。這種方式最大的優點是不需拉設專用通信線，利用無線電波進行通信，減少投資便于安裝，將這種技術應用于電能管理系統中，構建基于Zigbee通信技術的配電信息采集系統是一種發展趨勢[3-4]。

表1 本地通信方式分析表

電能管理云服務系統中，配置在數據集中器中的Zigbee模塊可看成是Zigbee主協調節點，配置在數據采集器上的 Zigbee模塊可看成是 Zigbee子節點，子節點通過ZigBee無線電波可將數據直接傳送到主協調節點，也可在信號覆蓋范圍內作為路由節點，建立孤立節點與上級路由節點或主協調節點之間的信息中轉通道。眾多的子節點和主協調節點構成一個Zigbee本地通信子網。這種組網方式適用于數據監測點較多，位置分散，對數據實時性要求不高的情況下，特別是安裝難度較大的企業廠房車間、樓層等，尤其是布線困難的改造項目中。

1.3 遠程網絡組網方式

電能管理服務系統的遠程上行網絡主要是數據集中器與系統主站服務器之間的聯網，能夠支持以太網通信和GPRS無線公網通信兩種信道。上行通信采用模塊方式，以太網和GPRS無線公網通信模塊都集成在數據集中器中，視現場環境可互相替換。

1）以太網

以太網是當前局域網采用的最通用的通信協議標準，其中采用光纖專網的以太網通信技術以其大容量傳輸和超低損耗成為國家信息高速公路的主要傳輸手段，也是電力企業用電信息采集系統的首選通信方式，但是投資巨大，對于市場第三方為電力用戶提供電能管理系統服務并不適合。

如果將具備以太網接口的數據集中器接入企業內部局域網，數據集中器從現場采集器中獲取的數據即可通過內部網關連接到外部Internet上，再經由Internet將數據傳輸給電能管理服務系統的主站服務器。企業用電數據只需從遠程服務器中獲取，采用的傳輸介質可以是光纖，或者是雙絞線。適用于數據流量較大，傳輸實時性和可靠性要求較高，內部已經建設局域網的用戶。

2）無線公網GPRS/CDMA

無線公網通信指移動運營商所提供的公共網絡方式，包括CDMA、GPRS等方式，是一種基于GPRS（通用分組無線業務）、CDMA（碼分多址）的無線通信技術，可以利用短消息實現電能監控。具有實時在線、登陸快捷、通信穩定、按量收費、高速傳輸等優點。由于其投資少、接入速度快、調試維護簡單，越來越為電力市場所看好[5-6]，特別是內嵌有TCP/IP協議的GPRS/CDMA通信模塊的工業化應用已經趨向成熟，可以用于Internet連接。將其應用在電能管理服務系統中，系統的設計、施工和維護都大大簡化。適用于數據流量小且穩定、實時性要求不是很高、現場不具備有線網絡但是無線公共網絡覆蓋完整的環境。但系統也有依賴性強、系統安全性不高等缺點。

表2是兩種遠程通信方式的對比分析。

表2 遠程通信方式分析表

2 混合組網方案設計

系統組網方式的設計原則是：傳輸可靠、覆蓋面廣、投資經濟、施工簡單、維護方便。下面從兩個工程案例的組網方案設計進行說明：

2.1 案例1

某生產企業需要構建電能管理系統，企業的基本情況是：內部局域網只局限在辦公樓，配電房和車間內都無網絡接口；企業的高低配電房獨立在廠房外。

1）遠程網絡的組網方式。由于企業的配電站和車間廠房無有線網絡，但是無線GPRS信號良好，故遠程網絡采用GPRS組網方式。

2）本地網絡的選取需結合實際情況采用混合組網：

（1）車間面積大、監測設備分散。采用485總線組網布線困難，較好的解決的方案是采用 Zigbee專用無線通信子網，選用帶有Zigbee子模塊的數據采集器和帶有Zigbee路由節點的數據集中器，組建成小型Zigbee局域網。

（2）配電房的變壓器和出線監測點較為集中，可利用電纜溝敷設通信線，故采用485總線構建本地網絡。

通過上述分析，構建的電能管理服務系統的網絡結構示意圖如圖2所示。

圖2 系統網絡結構設計案例1

按照此方案構建的電能管理系統通信網絡，經過6個月的運行，系統通信運行穩定，整體采集成功率得到了很好的保障，日采集成功率最高達到了99.75%，最低97.5%，平均采集成功率為98.6%。

2.2 案例2

該企業的基本情況是，廠區內正在進行內部局域網的升級改造，且高低配電房布置在車間內。

1）可利用企業內部網絡改造的機會，將網絡接口布置到配電房車間中，電能管理系統的遠程網絡可采用以太網方式。

2）由于配電房與車間位置集中，就地網絡可全部采用Zigbee方式。系統的組網示意圖如圖3所示。

圖3 系統網絡結構設計案例2

此系統上線運行3個月以來，雖然受制于Zigbee通信技術的缺陷，在遇到一些障礙物阻擋時，網絡通信會受到一定程度的影響，但是系統的平均采集成功率還是達到了97.5%，滿足了企業開展日常電能管理的需要。以上兩個應用案例充分說明了混合組網方式在保障數據可靠、實時傳輸方面的優越性。

3 結論

通信方案的選擇和應用是電能管理服務系統建設中的難點，直接決定著系統建設的成敗，本文通過對常用的本地通信方案和遠程通信方案的分析比較，結合現場環境，分別提出了針對不同環境的系統通信應用方案，為系統的建設提供參考和指導意義。

[1] 王廣輝.中國智能用電的實踐與未來展望[J].中國電力,2012, 1.

[2] 饒威,丁堅勇.物聯網技術在智能電網中的應用[J].華中電力, 2011, 2.

[3] 肖文,黃虎成.Zigbee技術在智能電網系統中的應用研究[J].現代電子技術, 2010, 13.

[4] 談加西,樂秀璠,基于Zigbee的電力參數無線測量[J].電力系統通信, 2010, 1.

[5] 李蔚.電網調度自動 GPRS技術研究及應用[J].電站系統工程, 2012, 1.

[6] 夏敏.基于GPRS的遠程電能計量裝置檢測系統的研究與應用[J].電氣技術, 2011, 7.