寬帶載波在用電采集系統中的應用與調試

何勇　胡喆　李南　沈偉　丁國峰　徐慶文

摘要：隨著載波通信技術的發展，寬帶載波通信技術日臻成熟，由于具有速度快、路由性能強、抗噪聲能力出色等優勢，因此具有廣泛的應用前景。文章針對目前用電信息采集系統的主流本地通信技術進行分析，對寬帶電力線載波通信技術的應用前景結合用電信息采集系統進行了研究。

關鍵詞：載波通信技術；寬帶電力線載波；用電信息采集系統；電能傳輸；傳輸通道 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM734 文章編號：1009-2374（2017）02-0060-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.028

1 背景介紹

電源線與普通數據通信線路不同，其初衷是進行電能傳輸而不是數據傳輸，對數據通信來說，其通道特性傳輸非常不能令人滿意，是一個非常不穩定的傳輸信道，這具體表現為噪聲顯著且信號衰減嚴重。在任何兩條不同的電源線中，電力線寬帶載波信號的帶寬和傳輸過程中的距離可能不相同，不可能建立規則的數學模型。

電力線本身具有不可預測的噪聲和不同程度的干擾，電力線通信本身的時間是不可控的、具有不穩定的特點，特征及恒定的信號比網絡電纜更加清晰，電源線將訪問許多不同的電氣設備，該設備可以插入或斷開，導致電力線的特性有所不同。這種電力線節點多分支特別多，多個電力線接頭處輸入阻抗不匹配而造成的反射所引起的信號衰減大、多徑效應，距離受到傳輸帶寬很大限制。電源線通道輸入阻抗的變化強度取決于信號的頻率和位置，其值可從幾歐姆變為幾千歐姆。由于輸入阻抗的阻抗波動和不連續變化，載波通道中總存在著耦合的不匹配現象，這會大大增加傳輸的損耗。

為解決上述所涉及到的問題，解決電力線傳輸干擾問題的最有效的方法之一是多載波正交頻分復用，主要是因為寬帶載波電源線技術采用OFDM（正交頻分復用），擴頻等調制技術，并且通過了實踐證明得到的結論。OFDM的基本思路就是把可以用的信道帶寬劃分成若干個子信道，每個子信道都可以相近看作理想的信道，在使用規定范圍內的頻帶時，使用幾十、幾百甚至幾千個正交特性的載波信號源，每個載波信號源傳輸一定速率的數據，每個載波信號源傳輸數據是總傳輸速率。

2 國內發展情況和市場分析

2.1 國外的研究成果

歐美智能電網的研發時間較早，并形成了一支經驗豐富的研究團隊。美國在電網基礎設施升級，同時更多地利用現有的信息技術，實現智能人工更換。據統計，現代智能數字網的應用將使美國能耗降低10%以上，使氣體排放量減少25%。《紐約時報》發表文章說，結果表明：使用智能數字工具設置家庭溫度，能耗每年可以降低15%。根據建筑節能投資的原則，只有能源的1/4，就可以達到所期望的舒適度，自然環境會變得更好。“節能和能源效率是未來能源發展的關鍵，智能電網技術將有助于更好地保護、管理和監測能源使用。”

智能電網的發展對于提高能源效率、提供安全能源、提高服務水平、優化能源結構具有重要作用，在一些國家將納入國家能源戰略方針，一些將作為重要途徑以應對當前國際金融危機。在美國總統貝拉克·奧巴馬簽署7870億美元經濟刺激計劃，安排了1200萬美元的基礎設施建設工作，其中包括集中建設智能電網。

當前，國際上有若干與PLC相關的技術標準組織和產業聯盟，主要包括：（1）美國的HPA（HomePlugPowerline Alliance）是業界成立最早、最著名的PLC產業聯盟，有超過60個會員，其目標是實現高效用、低成本的家庭電力線網絡產品，已經制定的標準主要有HomePlug 1.0（家庭組網規范）和HomePlug AV（家庭HDTV和VoIP應用）。正在制定用于網絡接入的HomePlug BPL標準；（2）歐洲通信標準化協會成立的ETSI PLT，致力于制定歐洲的電力線數據通信標準和規范，并使不同廠家的PLC產品能夠互通，不同技術的PLC產品能夠共存。該組織已于2007年率先頒布了統一的寬帶PLC歐洲標準；（3）CEPCA（Consumer Electronics Powerline Communications Alliance）由索尼、三菱和松下組成，是日本的區域性產業聯盟，致力于為日本的PLC產品相互共存制定統一規范；（4）OPERA（Open PLC European Research Alliance）和POWERNET都是歐盟委員會資助的PLC研究組織，其使命是為歐洲新興的下一代互聯網應用提供基于PLC技術的網絡平臺，包括開發新一代的智能PLC設備，能夠滿足電磁輻射要求并在低信噪比條件下實現高速數據傳輸；（5）UPA（Universal Powerline Association）整合了全球業界資源，針對家庭組網和接入應用分別制定標準，并致力于實現PLC產品和技術的共存和互通。

2.2 中國的發展情況

隨著中國電力體制改革的深入和特高壓電網的建設，國家智能電網也將成為中國電網發展的新方向。中國智能電網以智能控制為手段，以強大的基于網格的信息和通信平臺來支持“業務流，電力流，信息流”的實現，集成度高。智能電網的基本特點是能夠實現信息技術的自動化、交互式、數字化，主要依靠信息通信技術和信息平臺。目前，中國電網調度技術和設備水平及安全運行控制能力處于世界領先地位，形成由GPRS通信、光纖通信、載波、RS485、微波等通信模式組成的通信網絡模式。SG186項目代表國家電網信息系統建設階段成功，為國家智能電網發展奠定了技術基礎。

2.3 項目可能形成的產業規模和市場前景分析

隨著智能電網建設已呈政府高度重視、企業積極參與之勢，每年采集終端的需求量也越來越大，在這樣的背景下，本項目的實施將明顯提高國內電力設備的采集問題，提高數據采集的質量，項目正式實施后，項目公司將有望成為一家專業從事電力化學品為主，集科研、生產及服務與一體的創新型企業。

3 寬帶載波主要技術優勢

全覆蓋：能夠快速理清臺區互變關系，支持設備資產動態管理，上行下行信號全覆蓋。

全采集：實現智能電表數據全采集，支持所有信道實時在線、實時通信，事件篩選全上報等。

全費控：臺區線損正常、支持防竊電實時分析，支持雙向互動、大數據管理，營銷精細化管理，實時費控、負控等。

寬帶載波技術不僅僅使抄收率迅速達到穩定的100%，使用電信息采集系統真正實現了智能互動實時化，主要實現以下功能：（1）理清臺區戶變關系；（2）資產檔案自動上報；（3）智能電表數據全采集；（4）事件主動上報；（5）臺區線損、防竊電實時分析；（6）支持雙向互動、大數據管理；（7）營銷精細化管理；（8）非居民用戶實現費控、負控。

寬帶載波能夠量身定做的應用功能更是為實現營銷管理精細化、用電預警科學決策化均具有深遠意義：

綜合應用：電量監控分析與統計、實時線損監測與統計、用電異常實時分析、用電負荷實時分析。

擴展應用：光纖加寬帶載波替代GPRS上行信道方案。

電能表關鍵事件（斷電、開蓋、電池欠壓等）主動上報至集中器主動上報至主站，實現集中監控、管理下延至每一個用戶，每一個電表，管理范圍擴大數百倍。

如表1，相比窄帶載波，電力線寬帶載波通信具有較高的性能和技術水平，其速度、可靠性、可擴展性優勢尤為明顯：（1）為確保數據的可靠和穩定，寬帶載波通信采用本身的特性，傳輸速率很高，只要一個很短的時間就能完成數據傳輸，這樣可以有效地降低信號的信號源，即使通信傳輸失敗，也可以很快地重新發出；（2）即使窄帶載波具有通信傳輸距離的優勢，寬帶載波也可以滿足目前的應用需求的高性能的調制等解調方法，比如OFDM的中繼網絡機制模式，可以解決目前所有的需求；（3）電力線寬帶載波本身就具有擴展能力強、通信性能快、速度快等特性，同時可以加載各種網絡應用，但相比于窄帶載波并沒有增加太多成本，因此價格優勢明顯；（4）寬帶載波芯片主要基于DSP技術和高性能32位核心制造，性能和技術水平有明顯優勢；（5）寬帶載波TCP/IP具有完善的網絡層和鏈路層數據保護和認證，并且網絡技術已經得到廣泛驗證，目前市場上的各種輕量級的節點組織和中繼算法都無法比較；（6）除了數據加密，在應用層，寬帶運營商支持AES、DES、3DES等高強度的加密算法，在鏈路層，數據通信傳輸的安全性很高。

4 寬帶載波在用電采集系統中的應用與調試

解決信道變化問題：基于Wi-Fi連接的PAD方案，對現場組網的拓撲結構，網絡條件進行實時分析，無需考慮現場氣候、供電條件等影響。

設備變化一目了然：實際節點上報與臺區檔案自動對比清晰明了，無需再次對全部臺區進行調查。

載波模塊損壞清晰定位：直接定位壞表位置。

自動組網、快速路由：Hiso管理軟件在調試工作中也體現出獨特的智慧，自動分析臺區的采集器關聯關系，并以圖示方式呈現，讓現場人員能直觀地找到問題所在，并直接解決現場消缺關鍵點，有效解決多臺區串擾的問題。

直觀的系統運行信息：實時監測，直觀的在線節點實時查詢。

寬帶的運維工具：全網設備故障在線診斷，實現狀態檢修，用戶檔案異常提示。

寬帶通信的關鍵技術：該技術為實現高速可靠的實時遠距離通信，寬帶載波可以根據自身的頻率選擇最佳信號傳輸頻率，通過應用有效的抗噪聲技術和抗衰減技術，提示提高了電力線的通信傳輸功率。

自動協調技術使用網絡ID自動協調技術來定義網絡獨特的ID和隨機產生的沖突，動態協調，保證網絡的獨立運動；具有實時動態帶寬協調（與自動協調技術，不需要人工干預，維護抄表不間斷的運動機制，根據串擾的帶寬實時動態協調度的影響，保證通信成功率，支持頻分時計劃，業務層不感性，實時抄表來支持多個工作區；寬帶載波技術指的是白名單通過文件表支持RT，不是跨平臺跨網絡，配置網絡標識符和設置白名單的子網的方式，而不是發送網絡白名單的節點對網絡的要求，集中器載波模塊拒絕加入并通知節點拒絕的原因，該節點啟動網絡訪問請求到其他網絡和網絡之間集中的載波模塊之間的協調，以避免碰撞和相互干擾，每個節點只接收到網絡中的數據，使每個子網可以獨立和穩定的通信。

5 結語

寬帶載波通信技術在實際業務中仍然需要不斷更新和完善，在通信技術、傳輸速率、控制指令的指揮下才能發揮其優勢，同時建立高速、雙向、有效的電力信息采集系統，打造強大統一的中國智能電網奠定了堅實的基礎。

參考文獻

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作者簡介：何勇（1986-），男，供職于國網浙江嘉善縣供電公司，研究方向：低壓裝接與用電信息采集。

（責任編輯：蔣建華）