寬帶電力載波技術在智能用電系統的應用

胡昌斌， 何 威， 張合強， 王 雷， 曹驍勇， 鄒 航，

陳 瑜1， 王 軼1

(1. 云南電網有限責任公司 昆明供電局，云南 昆明 650011；2. 珠海慧信微電子有限公司，廣東 珠海 519085)

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寬帶電力載波技術在智能用電系統的應用

胡昌斌1， 何 威2， 張合強1， 王 雷1， 曹驍勇1， 鄒 航1，

陳 瑜1， 王 軼1

(1. 云南電網有限責任公司 昆明供電局，云南 昆明 650011；2. 珠海慧信微電子有限公司，廣東 珠海 519085)

將基于Homeplug Green Phy協議的寬帶電力線載波技術應用于智能用電系統，提出了一種遵循智能用電原則的高速載波集抄方案，并將該方案運用于南方電網云南省昆明供電局呈貢農網5個遠程集抄試點。試點運行結果表明：基于寬帶電力線載波技術的遠程集抄系統，可實現"分鐘組網、秒級抄表"應用效果。采集規模最大的集抄臺區——洛龍村的170塊智能電能表的當前正向有功信息，平均僅耗時4 s，成功率97%以上。使臺區的集抄實時性、采集成功率實現了質的飛躍，為智能用電系統的功能擴展和業務推廣奠定了堅實的基礎。

智能用電； Homeplug Green Phy； 寬帶載波； 遠程集抄

0 引 言

近年來，以美國等一些國家提出了組建智能電網[-2]的構想，智能電網因其自愈性、安全性、交互性、經濟性、優質高效、清潔環保和市場化程度高等特點備受親睞。2010年，中國政府提出了構建“堅強智能電網”的理念，國家電網公司、南方電網公司相繼制定了相應政策和發展規劃，如國家電網公司2009年提出的實現用戶用電信息采集系統建設的“全覆蓋、全采集、全預付費”理念。《中國南方電網有限責任公司“十二五”電能計量規劃》中提出的智能計量系統能夠實現雙向信息交互、能效評估、需求響應等新功能，為確保智能電網建設目標的順利實現指引了方向。

智能用電系統是智能電網的重要組成部分之一。智能用電，作為電網電能“發、輸、調、變、配、用”的重要環節，是社會公眾感知電網智能化服務的關鍵所在[3]。受到電網政策管理體制以及監管制度的約束，我國智能用電系統的發展歷程主要分為三個階段：用電負荷管理階段、峰谷電價調節階段、實時電價發布階段[4]。隨著以自動抄表為主的遠程集抄系統如雨后春筍般在國內外大范圍建設，當前成熟的電力線載波集抄系統和微功率無線集抄系統因其高智能化、無需架設專門通信線路、節省人力、便于監控管理等特點已成為用電信息采集系統[5-6]的弄潮兒。電力企業欲通過對大量用戶用電信息的自動采集與實時監控，掌握用戶用電規律，建立實時電價模型，提升市場分析能力。

然而，已有的窄帶電力線載波、微功率無線技術因其數據傳輸速率低、組網進程慢、抗干擾能力差、路由自愈性差，不支持遠程在線升級等缺點制約著智能用電實時性、交互性的發展。為了突破以上瓶頸，滿足智能電網高速通信、雙向智能的建設需求，Homeplug聯盟提出了Homeplug Green Phy協議，它是一種小成本、低功耗的寬帶電力線通信技術，是世界范圍內公認的寬帶電力線載波標準之一。珠海慧信微電子有限公司(簡稱珠海慧信)通過解析該協議，研發了寬帶載波系列產品。云南電網公司昆明供電局致力于推行智能用電系統的建設，給電力用戶提供方便、快捷的互動營銷服務和用電策略，聯合珠海慧信，在昆明市呈貢區農網江尾村、小新冊B2、小新冊B3、斗南B4和洛龍村五個試點臺區建設了寬帶電力線載波遠程集抄系統，結合試點臺區的實際運行情況，為智能用電系統的全面推廣積蓄了力量。

1 智能用電系統

智能用電的指導思想就是采用信息化手段，利用價格杠桿，通過互動策略，調動電力用戶參與需方響應，實現電力負荷需求的理想化[3-4]。智能用電系統包括計量主站、遠程信道、現場終端、本地信道和電力用戶，其框架結構如圖1所示。

圖1 智能用電系統框架圖

從圖1可以看出，智能用電系統的主站由電力業務應用、信息采集、數據存儲管理、營銷支持、前置通信等組成。系統的遠程信道將主站與現場終端進行了有機的銜接，其上行用于傳送采集終端收集的用戶電能信息，下行則用于下發定抄命令、遠程計量、事件監測與上報[7]等。考慮到未來智能電網營銷業務的拓展和用戶參與的需要，可利用遠程信道向電力用戶推行梯形電價、實現多次結算、有序管理用電、在線監測設備運行和保障用電安全。目前常用的遠程信道有GPRS/CDMA無線公網、光纖專網、230 MHz無線專網和中壓電力線載波網絡。由于國內各地的經濟發展水平存在差異，不同地區的智能用電系統需對遠程信道進行特色化靈活配置，以加快建設進程。

現場終端包括采集終端、智能表計(電能表、水表、熱量表、燃氣表、壓力表)、各類傳感器、家用電器、智能開關和工業設備等。一般工商業和居民用戶的采集終端為集中器和采集器，其主要功能為：數據采集、數據處理、參數設置與查詢、事件記錄、數據傳輸、本地狀態指示與接口維護、終端維護等。智能表計是自動測量體系(AMI)的基本計量設施，其設計應遵循以下三個原則：考慮分布式能源的接入；考慮通信信道的實際承受能力；考慮用戶互動的便捷性[3-4]。主要功能有：能效計量、費率控制、時段管理、預付費、數據存儲、事件記錄、用戶加密、雙向通信。

本地通信主干網為低壓電力線載波或微功率無線技術。家用電器、各類傳感器、智能開關、工業設備等是智能用電系統架構下的基礎通信單元。利用諸如RS485[8]、RS232、M-Bus、CAN總線等有線方式或ZigBee、GPRS、Bluetooth、紅外等無線方式形成多信道融合互聯自組網通信網絡，對采集終端、智能表計、家電設備等注入控制策略，使其智能化、集成化、自動化，提供全方位的信息交互功能。

居民用戶、企業用戶和社會公共設施等構成了智能用電系統的電力用戶，是供電營銷系統的主要服務對象。通過實時采集、存儲、分析、核算電力用戶的用電信息，可幫助居民用戶了解電價、停復電及繳費等信息，為企業用戶提供節能減排、用電優化、安全用電等信息，指導社會科學用電，及時發現用電隱患、排查故障。

2 基于Homeplug Green Phy的寬帶電力線載波技術

寬帶電力線載波技術[9](BPLC)，即將載波信號加載到頻段為1～30 MHz的調制信號上，使用多載波正交頻分復用(OFDM)技術，在電力線上完成信息傳遞與數據采集的通信技術。Homeplug Green Phy協議是Homeplug聯盟針對智能電網的應用需求，提出的小成本、低耗電解決方案，與Homeplug AV和IEEE 1901規約兼容。在物理層，Homeplug Green Phy規定了信號的工作頻段為2～30 MHz。1 155個OFDM子載波僅使用QPSK調制方式，子載波間隔24.414 kHz。數據傳輸采用前向糾錯機制，Turbo碼率1/2。在魯棒模式下可分別實現4、5、10 Mb/s的通信速率。由OFDM自適應比特位加載原理可知，在通信系統中，若以一種固定的調制方式和數據傳輸速率進行信息傳輸，可使用裕量最大化準則使信號的總發射功率最小化[10-11]，從而降低載波通信單元的功耗。

將Homeplug Green Phy技術用于寬帶電力線載波集抄系統，可有效解決通信單元功耗高、抗干擾能力差、組網實時性低等致命缺點。目前我國載波集抄系統主要使用的是窄帶載波產品，并且因地域不同、解決方案的差異使得集抄臺區的運行效果參差不齊。為體現寬帶載波產品的技術優越性，選取國內典型的窄帶載波產品進行參數對比，如表1所示。

表1 窄帶/寬帶載波產品參數對比

從表1可知，窄帶與寬帶載波產品的最大通信速率竟相差6 600多倍。窄帶載波330～1 500 b/s的通信速率僅適用于普通抄表，且實時性差，無法給電力用戶帶來高速即時的業務體驗，而基于Homeplug Green Phy的寬帶載波產品則能解決這一難題。

3 寬帶電力線載波技術應用

為檢驗寬帶電力線載波技術在智能用電系統中的可行性與優越性，網省昆明供電局將該技術先行應用于呈貢區農網用電信息采集系統。根據呈貢區江尾村、小新冊B2、小新冊B3、斗南B4及洛龍村五個集抄臺區共計653戶居民用戶的窄帶載波應用情況，制定了相應的改造實施方案，如表2所示。

表2 呈貢區遠程集抄試點臺區改造實施方案

呈貢區五個集抄臺區原使用的是中心頻率為421 kHz的窄帶載波方案，653戶居民用戶配用的均是遵循國網Q/GDW 355-2009規范的單相智能電能表，使用全載波集抄方式。規模最大的斗南B4臺區進行一次集中輪抄需近1 h，集抄成功率90%以下。為了有效提高集抄成功率，縮短用電信息采集耗時，對呈貢區五個集抄臺區內的所有集中器和智能表進行安裝改造，將通信模塊更換為珠海慧信的寬帶載波產品，如圖2所示。

圖2 寬帶載波臺區改造施工示意圖

改造完畢后，將各臺區所轄居民用戶的電能表檔案導入集中器及上位機“寬帶載波測試管理軟件”。通過“寬帶載波測試管理軟件”觀察各臺區電能表的上線情況。在被改造的臺區中，洛龍村的供電距離最遠，線路衰減及噪聲狀況也最為惡劣。以洛龍村作為示范臺區，對其遠程集抄運行效果進行評估分析。

對洛龍村臺變集中器重新上電，待其所轄170塊電能表全部上線時，記錄組網時間t1=4 min。查看當前上線電能表的拓撲結構圖，如圖3所示。

圖3 洛龍村臺區電能表組網拓撲結構圖

寬帶載波集中器本地通信單元含有3個載波集抄主節點(CCo)，分別分布在A、B、C三相。每個CCo可容納253個載波集抄從節點(STA)，為其分配設備端口號(TEI)。圖3中，紅色頭端為CCo的物理地址，藍色頭端為起中繼功能的電能表地址，黃色頭端則是普通電能表地址。寬帶載波模塊擁有組網[12-15]自遍歷中繼轉發功能，可自動快速形成堅強拓撲結構，且具有路由記憶能力，最大可達16級中繼深度。顯然，洛龍村集抄臺區形成了5級中繼深度。

打開“寬帶載波測試管理軟件”，啟動上位機經集中器載波路由向洛龍村臺區所有的電能表下發遠程集中抄表指令。待一輪集抄結束，得到的運行效果圖如圖4所示。

圖4 洛龍村遠程集抄效果圖

從圖4可以看出，洛龍村臺區集中器對170塊電能表的當前正向有功電能數據進行抄讀時，僅歷經3 s，集抄成功率100%，得到了“分鐘組網，秒級抄表”的運行效果。

在網省昆明供電局計量中心，借助計量主站獲取了2015年7月5個日期的江尾村、小新冊B2、小新冊B3、斗南B4和洛龍村五個臺區的寬帶載波遠程集抄數據，對比2014年同期窄帶載波遠程集抄的運行數據，匯集如表3所示。

表3 呈貢區7月遠程集抄臺區運行數據

呈貢區5個集抄臺區7月份同期運行數據顯示，寬帶載波遠程集抄方案不僅有效地提高了用電信息采集成功率，達到了97%以上，而且在更大程度上降低了采集耗時，將臺區表計輪抄限定在了秒級，減輕了抄表人員的工作強度。憑借寬帶載波遠程集抄系統高速、即時的用電信息采集效率，可助力供電營銷方對區域、行業、產業進行市場分析，提高輸配電線路線損分析的時效性，制定科學、有序的用電方案。

4 結 語

本文介紹了基于Homeplug Green Phy的寬帶電力線載波技術，并將該技術方案運用于智能用電系統遠程集抄，在昆明市呈貢區農網集抄試點臺區取得了良好的運行效果，使集抄實時性、采集成功率得到了大幅提升，滿足智能用電營銷體系與電力用戶業務信息互動的需求。依托寬帶電力線載波技術在智能用電系統中取得的示范作用，下一步將在智能家居、樓宇自動化和工業物聯中推進寬帶載波產品的應用。

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Research on Broadband Power Line Carrier in the Application of Smart Power Utilization System

HUChang-bin1,HEWei2,ZHANGHe-qiang1,WANGLei1,CAOXiao-yong1,ZOUHang1,CHENYu1,WANGYi1

(1. Kunming Electric Power Supply Bureau, Yunnan Power Grid Co., Ltd, Kunming 650000, China;2. Zhuhai Wellthing Microelectronics Co., Ltd, Zhuhai 519085, China)

In order to construct a smart power-using grid with the characteristics of high speed and real-time, and encourage power users and grid company to participate in interactive services, an information collection system is developed. A novel strategy named broadband power line carrier communication based on Homeplug Green Phy protocol is utilized in remote meter reading system. A high speed carrier meter reading scheme abode by smart power utilization is proposed and applied to 5 Kunming rural remote metering pilots. Pilot result certifies that the metering system based on broadband power line carrier can achieve the function of "minute networking, seconds metering". Collecting the current positive active data of 170 smart meters in Luolong village only takes 4 seconds on average, with success rate up to 97%. It will render a qualitative leap for real-time and success rate for metering and lay a foundation for function development and service promotion for smart power-using system.

smart power utilization; Homeplug Green Phy; broadband carrier; remote meter reading

2015-01-05

中國南方電網有限責任公司科技項目(KJKM2014098)

胡昌斌(1978-)，男，云南宣威人，碩士，高級工程師，研究方向：電力科技。E-mail：huchangbin@126.com

TM 76

A

1006-7167(2016)04-0047-05