寬帶載波在用電采集系統(tǒng)中的應(yīng)用與調(diào)試

何勇　胡喆　李南　沈偉　丁國(guó)峰　徐慶文

摘要：隨著載波通信技術(shù)的發(fā)展，寬帶載波通信技術(shù)日臻成熟，由于具有速度快、路由性能強(qiáng)、抗噪聲能力出色等優(yōu)勢(shì)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。文章針對(duì)目前用電信息采集系統(tǒng)的主流本地通信技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)寬帶電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用前景結(jié)合用電信息采集系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：載波通信技術(shù)；寬帶電力線載波；用電信息采集系統(tǒng)；電能傳輸；傳輸通道 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM734 文章編號(hào)：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(shù)據(jù)通信線路不同，其初衷是進(jìn)行電能傳輸而不是數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)數(shù)據(jù)通信來說，其通道特性傳輸非常不能令人滿意，是一個(gè)非常不穩(wěn)定的傳輸信道，這具體表現(xiàn)為噪聲顯著且信號(hào)衰減嚴(yán)重。在任何兩條不同的電源線中，電力線寬帶載波信號(hào)的帶寬和傳輸過程中的距離可能不相同，不可能建立規(guī)則的數(shù)學(xué)模型。

電力線本身具有不可預(yù)測(cè)的噪聲和不同程度的干擾，電力線通信本身的時(shí)間是不可控的、具有不穩(wěn)定的特點(diǎn)，特征及恒定的信號(hào)比網(wǎng)絡(luò)電纜更加清晰，電源線將訪問許多不同的電氣設(shè)備，該設(shè)備可以插入或斷開，導(dǎo)致電力線的特性有所不同。這種電力線節(jié)點(diǎn)多分支特別多，多個(gè)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(hào)衰減大、多徑效應(yīng)，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(qiáng)度取決于信號(hào)的頻率和位置，其值可從幾歐姆變?yōu)閹浊W姆。由于輸入阻抗的阻抗波動(dòng)和不連續(xù)變化，載波通道中總存在著耦合的不匹配現(xiàn)象，這會(huì)大大增加傳輸?shù)膿p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(fù)用，主要是因?yàn)閷拵лd波電源線技術(shù)采用OFDM（正交頻分復(fù)用），擴(kuò)頻等調(diào)制技術(shù)，并且通過了實(shí)踐證明得到的結(jié)論。OFDM的基本思路就是把可以用的信道帶寬劃分成若干個(gè)子信道，每個(gè)子信道都可以相近看作理想的信道，在使用規(guī)定范圍內(nèi)的頻帶時(shí)，使用幾十、幾百甚至幾千個(gè)正交特性的載波信號(hào)源，每個(gè)載波信號(hào)源傳輸一定速率的數(shù)據(jù)，每個(gè)載波信號(hào)源傳輸數(shù)據(jù)是總傳輸速率。

2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況和市場(chǎng)分析

2.1 國(guó)外的研究成果

歐美智能電網(wǎng)的研發(fā)時(shí)間較早，并形成了一支經(jīng)驗(yàn)豐富的研究團(tuán)隊(duì)。美國(guó)在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)，同時(shí)更多地利用現(xiàn)有的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能人工更換。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代智能數(shù)字網(wǎng)的應(yīng)用將使美國(guó)能耗降低10%以上，使氣體排放量減少25%?！都~約時(shí)報(bào)》發(fā)表文章說，結(jié)果表明：使用智能數(shù)字工具設(shè)置家庭溫度，能耗每年可以降低15%。根據(jù)建筑節(jié)能投資的原則，只有能源的1/4，就可以達(dá)到所期望的舒適度，自然環(huán)境會(huì)變得更好?！肮?jié)能和能源效率是未來能源發(fā)展的關(guān)鍵，智能電網(wǎng)技術(shù)將有助于更好地保護(hù)、管理和監(jiān)測(cè)能源使用?！?/p>

智能電網(wǎng)的發(fā)展對(duì)于提高能源效率、提供安全能源、提高服務(wù)水平、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有重要作用，在一些國(guó)家將納入國(guó)家能源戰(zhàn)略方針，一些將作為重要途徑以應(yīng)對(duì)當(dāng)前國(guó)際金融危機(jī)。在美國(guó)總統(tǒng)貝拉克·奧巴馬簽署7870億美元經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃，安排了1200萬(wàn)美元的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作，其中包括集中建設(shè)智能電網(wǎng)。

當(dāng)前，國(guó)際上有若干與PLC相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)組織和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，主要包括：（1）美國(guó)的HPA（HomePlugPowerline Alliance）是業(yè)界成立最早、最著名的PLC產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，有超過60個(gè)會(huì)員，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效用、低成本的家庭電力線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，已經(jīng)制定的標(biāo)準(zhǔn)主要有HomePlug 1.0（家庭組網(wǎng)規(guī)范）和HomePlug AV（家庭HDTV和VoIP應(yīng)用）。正在制定用于網(wǎng)絡(luò)接入的HomePlug BPL標(biāo)準(zhǔn)；（2）歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)成立的ETSI PLT，致力于制定歐洲的電力線數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并使不同廠家的PLC產(chǎn)品能夠互通，不同技術(shù)的PLC產(chǎn)品能夠共存。該組織已于2007年率先頒布了統(tǒng)一的寬帶PLC歐洲標(biāo)準(zhǔn)；（3）CEPCA（Consumer Electronics Powerline Communications Alliance）由索尼、三菱和松下組成，是日本的區(qū)域性產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，致力于為日本的PLC產(chǎn)品相互共存制定統(tǒng)一規(guī)范；（4）OPERA（Open PLC European Research Alliance）和POWERNET都是歐盟委員會(huì)資助的PLC研究組織，其使命是為歐洲新興的下一代互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供基于PLC技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，包括開發(fā)新一代的智能PLC設(shè)備，能夠滿足電磁輻射要求并在低信噪比條件下實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸；（5）UPA（Universal Powerline Association）整合了全球業(yè)界資源，針對(duì)家庭組網(wǎng)和接入應(yīng)用分別制定標(biāo)準(zhǔn)，并致力于實(shí)現(xiàn)PLC產(chǎn)品和技術(shù)的共存和互通。

2.2 中國(guó)的發(fā)展情況

隨著中國(guó)電力體制改革的深入和特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，國(guó)家智能電網(wǎng)也將成為中國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的新方向。中國(guó)智能電網(wǎng)以智能控制為手段，以強(qiáng)大的基于網(wǎng)格的信息和通信平臺(tái)來支持“業(yè)務(wù)流，電力流，信息流”的實(shí)現(xiàn)，集成度高。智能電網(wǎng)的基本特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)信息技術(shù)的自動(dòng)化、交互式、數(shù)字化，主要依靠信息通信技術(shù)和信息平臺(tái)。目前，中國(guó)電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)和設(shè)備水平及安全運(yùn)行控制能力處于世界領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)模式。SG186項(xiàng)目代表國(guó)家電網(wǎng)信息系統(tǒng)建設(shè)階段成功，為國(guó)家智能電網(wǎng)發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3 項(xiàng)目可能形成的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場(chǎng)前景分析

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)已呈政府高度重視、企業(yè)積極參與之勢(shì)，每年采集終端的需求量也越來越大，在這樣的背景下，本項(xiàng)目的實(shí)施將明顯提高國(guó)內(nèi)電力設(shè)備的采集問題，提高數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，項(xiàng)目正式實(shí)施后，項(xiàng)目公司將有望成為一家專業(yè)從事電力化學(xué)品為主，集科研、生產(chǎn)及服務(wù)與一體的創(chuàng)新型企業(yè)。

3 寬帶載波主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)

全覆蓋：能夠快速理清臺(tái)區(qū)互變關(guān)系，支持設(shè)備資產(chǎn)動(dòng)態(tài)管理，上行下行信號(hào)全覆蓋。

全采集：實(shí)現(xiàn)智能電表數(shù)據(jù)全采集，支持所有信道實(shí)時(shí)在線、實(shí)時(shí)通信，事件篩選全上報(bào)等。

全費(fèi)控：臺(tái)區(qū)線損正常、支持防竊電實(shí)時(shí)分析，支持雙向互動(dòng)、大數(shù)據(jù)管理，營(yíng)銷精細(xì)化管理，實(shí)時(shí)費(fèi)控、負(fù)控等。

寬帶載波技術(shù)不僅僅使抄收率迅速達(dá)到穩(wěn)定的100%，使用電信息采集系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了智能互動(dòng)實(shí)時(shí)化，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）理清臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系；（2）資產(chǎn)檔案自動(dòng)上報(bào)；（3）智能電表數(shù)據(jù)全采集；（4）事件主動(dòng)上報(bào)；（5）臺(tái)區(qū)線損、防竊電實(shí)時(shí)分析；（6）支持雙向互動(dòng)、大數(shù)據(jù)管理；（7）營(yíng)銷精細(xì)化管理；（8）非居民用戶實(shí)現(xiàn)費(fèi)控、負(fù)控。

寬帶載波能夠量身定做的應(yīng)用功能更是為實(shí)現(xiàn)營(yíng)銷管理精細(xì)化、用電預(yù)警科學(xué)決策化均具有深遠(yuǎn)意義：

綜合應(yīng)用：電量監(jiān)控分析與統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)線損監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)、用電異常實(shí)時(shí)分析、用電負(fù)荷實(shí)時(shí)分析。

擴(kuò)展應(yīng)用：光纖加寬帶載波替代GPRS上行信道方案。

電能表關(guān)鍵事件（斷電、開蓋、電池欠壓等）主動(dòng)上報(bào)至集中器主動(dòng)上報(bào)至主站，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控、管理下延至每一個(gè)用戶，每一個(gè)電表，管理范圍擴(kuò)大數(shù)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(shù)水平，其速度、可靠性、可擴(kuò)展性優(yōu)勢(shì)尤為明顯：（1）為確保數(shù)據(jù)的可靠和穩(wěn)定，寬帶載波通信采用本身的特性，傳輸速率很高，只要一個(gè)很短的時(shí)間就能完成數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以有效地降低信號(hào)的信號(hào)源，即使通信傳輸失敗，也可以很快地重新發(fā)出；（2）即使窄帶載波具有通信傳輸距離的優(yōu)勢(shì)，寬帶載波也可以滿足目前的應(yīng)用需求的高性能的調(diào)制等解調(diào)方法，比如OFDM的中繼網(wǎng)絡(luò)機(jī)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(kuò)展能力強(qiáng)、通信性能快、速度快等特性，同時(shí)可以加載各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，但相比于窄帶載波并沒有增加太多成本，因此價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯；（4）寬帶載波芯片主要基于DSP技術(shù)和高性能32位核心制造，性能和技術(shù)水平有明顯優(yōu)勢(shì)；（5）寬帶載波TCP/IP具有完善的網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層數(shù)據(jù)保護(hù)和認(rèn)證，并且網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛驗(yàn)證，目前市場(chǎng)上的各種輕量級(jí)的節(jié)點(diǎn)組織和中繼算法都無(wú)法比較；（6）除了數(shù)據(jù)加密，在應(yīng)用層，寬帶運(yùn)營(yíng)商支持AES、DES、3DES等高強(qiáng)度的加密算法，在鏈路層，數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)陌踩院芨摺?/p>

4 寬帶載波在用電采集系統(tǒng)中的應(yīng)用與調(diào)試

解決信道變化問題：基于Wi-Fi連接的PAD方案，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)條件進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，無(wú)需考慮現(xiàn)場(chǎng)氣候、供電條件等影響。

設(shè)備變化一目了然：實(shí)際節(jié)點(diǎn)上報(bào)與臺(tái)區(qū)檔案自動(dòng)對(duì)比清晰明了，無(wú)需再次對(duì)全部臺(tái)區(qū)進(jìn)行調(diào)查。

載波模塊損壞清晰定位：直接定位壞表位置。

自動(dòng)組網(wǎng)、快速路由：Hiso管理軟件在調(diào)試工作中也體現(xiàn)出獨(dú)特的智慧，自動(dòng)分析臺(tái)區(qū)的采集器關(guān)聯(lián)關(guān)系，并以圖示方式呈現(xiàn)，讓現(xiàn)場(chǎng)人員能直觀地找到問題所在，并直接解決現(xiàn)場(chǎng)消缺關(guān)鍵點(diǎn)，有效解決多臺(tái)區(qū)串?dāng)_的問題。

直觀的系統(tǒng)運(yùn)行信息：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，直觀的在線節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)查詢。

寬帶的運(yùn)維工具：全網(wǎng)設(shè)備故障在線診斷，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修，用戶檔案異常提示。

寬帶通信的關(guān)鍵技術(shù)：該技術(shù)為實(shí)現(xiàn)高速可靠的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離通信，寬帶載波可以根據(jù)自身的頻率選擇最佳信號(hào)傳輸頻率，通過應(yīng)用有效的抗噪聲技術(shù)和抗衰減技術(shù)，提示提高了電力線的通信傳輸功率。

自動(dòng)協(xié)調(diào)技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)ID自動(dòng)協(xié)調(diào)技術(shù)來定義網(wǎng)絡(luò)獨(dú)特的ID和隨機(jī)產(chǎn)生的沖突，動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，保證網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)；具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)帶寬協(xié)調(diào)（與自動(dòng)協(xié)調(diào)技術(shù)，不需要人工干預(yù)，維護(hù)抄表不間斷的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，根據(jù)串?dāng)_的帶寬實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)度的影響，保證通信成功率，支持頻分時(shí)計(jì)劃，業(yè)務(wù)層不感性，實(shí)時(shí)抄表來支持多個(gè)工作區(qū)；寬帶載波技術(shù)指的是白名單通過文件表支持RT，不是跨平臺(tái)跨網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符和設(shè)置白名單的子網(wǎng)的方式，而不是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)白名單的節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求，集中器載波模塊拒絕加入并通知節(jié)點(diǎn)拒絕的原因，該節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問請(qǐng)求到其他網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)之間集中的載波模塊之間的協(xié)調(diào)，以避免碰撞和相互干擾，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只接收到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，使每個(gè)子網(wǎng)可以獨(dú)立和穩(wěn)定的通信。

5 結(jié)語(yǔ)

寬帶載波通信技術(shù)在實(shí)際業(yè)務(wù)中仍然需要不斷更新和完善，在通信技術(shù)、傳輸速率、控制指令的指揮下才能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，同時(shí)建立高速、雙向、有效的電力信息采集系統(tǒng)，打造強(qiáng)大統(tǒng)一的中國(guó)智能電網(wǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：何勇（1986-），男，供職于國(guó)網(wǎng)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(zé)任編輯：蔣建華）