全光纖網絡在智能用電信息采集系統中的應用

楊愛冰， 周 陽， 周 克， 董芳針

(1.貴州電網有限責任公司 貴陽供電局，貴陽 550001；2.貴州大學 電氣工程學院，貴陽 550025)

全光纖網絡在智能用電信息采集系統中的應用

楊愛冰1， 周 陽1， 周 克2， 董芳針2

(1.貴州電網有限責任公司 貴陽供電局，貴陽 550001；2.貴州大學 電氣工程學院，貴陽 550025)

為建設穩健、高效的智能用電信息采集系統，全面推廣電力計量遠程費控系統，進一步提升現有用電信息采集系統的數據準確性與完整性，將全光纖網絡技術應用于用電信息采集系統，提出了一種遵循智能用電原則的全光纖網絡集抄方案，并將該方案運用于我省某地的集抄試點工程。試點運行結果表明：基于全光纖網絡集抄方案的用電信息采集系統，可實現秒級集采的應用效果，使試點臺區的集抄實時性、采集成功率以及費控電能表裝置的響應時間實現質的飛躍，為智能用電信息采集系統的功能擴展和業務推廣奠定基礎。

智能用電； 光纖網絡； 塑料光纖； 遠程集抄； 信息采集系統

0 引 言

為了促進資源節約型和環境友好型社會建設，科學落實節能減排，引導居民合理、節約用電，2012年7月，國家發改委出臺了居民階梯電價政策，該政策的出臺，直接導致原有的量控計量模式不再適用。新模式以智能電能表的應用為起點，從單純電量信息釆集向用戶側綜合數據采集和用戶用電管理的轉變，逐步實現高效、經濟、智能化的電網應用成為大勢所趨[1]。

早在國家發改委發布階梯電價政策前，國家電網、南方電網就已經針對用電采集信息系統的未來發展做出了部署：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、全費控”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。這些基礎設施的建設，為實現遠程費控等智能用電[2-3]應用奠定基礎。

遠程費控系統是一項龐雜的系統應用，涉及營銷業務應用系統、用電信息采集系統、采集終端、智能電能表等多個系統、硬件之間的遠距離數據指令傳輸。系統、硬件之間各個環節如何銜接、可靠運行是運程費控系統設計中遇到的主要難題。

針對遠程費控系統的實用性，已有電力公司進行了大量嘗試，試點結果表明：通信傳輸鏈路的可靠性是整套費控系統成功實施的基本保證，只有穩定、可靠的通信網絡才能支撐費控系統各項功能的正確執行。

為了推進遠程費控系統的深化應用，為階梯電價政策實施提供業務支撐[4]，引導用戶轉變繳費習慣，提高電費回收風險控制能力，本文在現有在建的智能用電信息采集系統的基礎上，進行了業務擴充，并選擇部分臺區進行試點運行，為本地區今后計量費控工作的開展提供借鑒依據。

1 基于全光纖網絡的用電信息采集系統

目前，我國在建的用電信息采集系統普遍采用電力線載波技術[5]作為電能信號的主要傳輸方式。這種建設方式可以免去前期布線的步驟，但是，由于低壓電力線的基本功能是用來傳輸電能，與雙絞線、同軸電纜、光纖等專用通信介質不同，低壓電力線是一種非均勻分布的傳輸線，且終端用電設備種類繁多，數量巨大，造成低壓電力網絡的信道特性十分復雜，通信環境相當惡劣。在這種信道環境中進行數據傳輸，數據漏抄、誤抄現象時常發生，很難滿足電力信息計量費控功能所需的可靠性要求[6]。

除了電力線載波方式外，另外一種常用的傳輸方式是微功率無線技術。該技術利用470 MHz的高頻無線鏈路傳送數據，由于信號借助無線空間進行傳輸，在傳輸過程中既存在信道間干擾問題，又存在由于障礙物阻隔而導致的信號衰減。為了保證電能信號的傳輸效果，通常在系統設計初期采取大量的技術手段：如自組網、中繼、前向糾錯編碼、CRC糾錯等方式來降低傳輸過程中的誤碼[7]。

光纖通信[8]作為現代通信的主要支柱技術之一，在現代電信網中起著舉足輕重的作用。光纖具有尺寸小、質量輕、容量大、抗電磁干擾強、傳輸質量好等優點，被廣泛用于通信信號的傳輸載體。但是，傳統的石英光纖在應用于用電信息采集系統時，需要面臨多次彎曲、多次插拔的入戶施工及維修、維護工程，使得其難以勝任電力計量遠程費控工作，導致人們很少直接將石英光纖用作接入網的傳輸鏈路，而是依靠銅纜來替代它通信。然而，這一壁壘隨著塑料光纖的出現而被打破[9]。

塑料光纖(POF)是由高透明聚合物如聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)作為芯層材料，PMMA、氟塑料等作為皮層材料的一類光纖(光導纖維)。塑料光纖不但可用于接入網的最后100～1 000 m，也可以用于各種汽車、飛機、等運載工具上，是優異的短距離數據傳輸介質[10]。 與石英光纖相比，塑料光纖具有以下優點：① 快速安裝。POF能夠很容易地通過狹小的穿線管。② 容易連接。POF不用拋光也能達到很好的連接效果，也不用為了連接而采用專用的設備。③ 低廉成本優勢。采用POF做傳輸介質的網絡接入系統，其造價要比石英光纖接入系統低。④ 堅固耐用。POF光纜比石英光纜更加柔韌耐用，彎曲半徑也小。⑤ 簡單、安全的連通測試。采用對肉眼無害的可見光。

塑料光纖作為信號傳輸載體的智能用電信息采集系統如圖1所示。由圖可見，智能用電信息采集系統主要由主站、通信信道、采集終端和智能電能表組成，可實現電力用戶用電信息的自動采集、計量異常監測、電能質量監測、用電分析和管理、相關信息發布、分布式能源監控、智能用電設備的信息交互等功能。

同其他現有的傳輸技術相比，塑料光纖技術具有明顯的優勢，具體比較結果見表1。從表1可知，塑料光纖的最大速率可達到100 Kbit/s，遠遠優于現有的銅纜和窄帶電力載波技術，且其最大的優勢是傳輸不受電磁干擾，誤碼率較其他傳輸方式下降至10-9以下，滿足智能用電信息采集系統的建設需求，為實施遠程費控功能奠定了強有力的基礎條件。

表1 各種通信技術對比

2 塑料光纖通信技術應用

針對本地區已有的低壓電力集抄臺區進行系統可行性試點建設，先后選取4個臺區共612戶居民進行試點工程，其中A、B臺區為單相電子式電能表臺區，僅有RS-485接口可供數據采集通信。C、D 2個臺區為新增居民用戶臺區，配備有智能電能表，通信模塊采用深圳物聯光通公司生產的塑料光纖通信模塊。具體的臺區改造方案如表2所示。

對比上述方案，無論方案1或方案2，均是利用光纖專網作為遠程信道進行居民用電信息的傳輸。光纖通道既可以是配電房已有的光纖線路，也可以向第三方運營商(如電信、移動、廣電)租用光纖資源。但是，方案1和2在實際應用中存在一些差別，具體如下：

在方案1中，居民用電信息經RS-485總線匯集至電力線載波采集器或微功率無線采集器，采集器利用已有的電力線信道或微功率無線信道將數據傳輸至集中器終端，這種方式稱為半載波或半無線方式。對于這種臺區的改造，只需要將原有采集器替換成具有光通信功能的采集器，同時在原有集中器上加裝光纖路由模塊即可。該方案適用于對原有舊臺區改造的場合。

表2 試點臺區改造實施方案

方案2屬于全光纖網絡結構，方案中所有的集中器、采集器和智能電能表均使用光纖通信模塊。由于采用TCP/IP協議進行用電信息的傳輸，即便光纖通信模塊出現故障，也可以選擇其他廠家的光纖產品進行直接替換，而不必像電力線載波或微功率無線集抄系統那樣，在進行通信模塊替換時，需要整套更改，無法解決各廠家產品互聯互通的問題。試點臺區的改造施工示意圖如圖2所示。

圖2 臺區改造施工示意圖

對試點臺區改造完畢后，在主站上位機“測試管理軟件”上以最高0.5 s/次的采集頻率對試點臺區所有電能表進行10萬次不間斷的通信測試，結果如圖3所示，成功比率為100%。如此高的采集頻次及通信成功率是低壓電力線載波、RS-485總線和微功率無線技術所不能比擬的。

圖3 通信測試效果圖

而后，對試點臺區2015年4月隨機5個工作日的運行結果與2014年同期進行了對比分析，分析結果如表3所示。

通過以上數據對比可知，全光纖網絡集抄方案不僅可以有效提高居民用電信息的采集成功率，幾乎每次都達到了100%，在采集時效性[11]上較窄帶載波方案更是體現了質的飛升，將整個臺區的平均輪抄耗時控制在了秒級。憑借全光纖網絡集抄方案高速、穩固的工作效率，可助力供電營銷方對用電區域、行業、產業進行全面的市場分析[12-13]，為電力計量遠程費控功能的實現提供堅強的網絡保證[14-15]。

表3 試點臺區運行數據對比

3 結 語

試點臺區的建設結果表明，全光纖網絡技術可以有效解決智能用電信息采集系統中采集成功率低、采集時效性差等問題，具有組網速度快、集抄效率高等優點。在實際工程實施過程中，全光纖網絡集抄方案的一些劣勢也有所顯現，尤其對于一些表計集中安裝的臺區，全光纖網絡集抄方案使用的集中器數量要多于普通的電力線載波集中器或微功率無線集中器，究其原因主要是POF收發設備的光信號傳輸距離有限(可達250 m左右)，需要增加光信號中繼轉發裝置來形成穩健的網絡拓撲。因此全光纖網絡集抄方案的設備購置費用要高于電力線載波集抄方案或微功率無線集抄方案；另外，從工程實施安裝調試費用以及運行維護費用方面比較，全光纖網絡集抄方案并沒有明顯的優勢。然而，對于分散臺區內部分未抄讀成功或抄讀不穩定的表計，可以采用光纖集抄方案作為有益補充，從而達到很好的采集效果。

由以上分析可知，在以下場合推薦使用全光纖網絡集抄方案：① 通信實時性要求較高的場合(需要遠程控制以及預付費相關功能操作)；② 其他集抄方案抄讀不穩定、運行效果不佳的場合；③ 臺區現場負荷變化明顯，噪聲干擾大等場合；④ 各種表計所屬檔案信息記錄不明晰的場合。

[1] 黨存祿, 吳青峰, 葛智平. 智能電網技術在智能小區中的應用研究[J].電網與清潔能源, 2013, 29(11): 6-10.

[2] 劉 文, 楊慧霞, 祝 斌. 智能電網技術標準體系研究綜述[J]. 電力系統保護與控制, 2012, 40(10): 120-126.

[3] 李東東, 崔龍龍. 家庭智能用電系統研究及智能控制器開發[J]. 電力系統保護與控制, 2013, 41(4): 123-129.

[4] 殷樹剛, 張 宇, 拜克明. 基于實時電價的智能用電系統[J]. 電網技術, 2009, 33(19): 11-16.

[5] 梁 波, 周生偉, 韓 云. 電力載波技術在用電信息采集系統中的應用[J]. 電力系統通信, 2013, 34(244): 78-81.

[6] 黃友朋, 趙 山, 許 卓, 等. 本地費控電能表對階梯電價支持功能分析[J]. 電測與儀表, 2013, 50(11), 59-62.

[7] 尤中璞, 黃文江, 吳勝連. 電力線載波在用電信息采集系統中的應用及可靠性分析[J]. 企業科技與發展, 2011(24): 36-40.

[8] 王 輝, 郝旭東, 龔延興, 等. 光纖復合導線在110～220 kV輸電線路上的研究與應用[J]. 華北電力技術, 2014(10): 25-32.

[9] 東方光通實業有限公司. POF塑料光纖智能抄表系統及塑料光纖技術在電力行業的應用[J]. 電氣應用, 2013,10: 650-653.

[10] 吳勝明, 侯思祖, 崔小玲, 等. 基于塑料光纖的自動抄表系統的設計與實現[J]. 電力系統通信, 2012(33): 23-30.

[11] 何 威, 周 克. 基于QoS策略的低壓電力線信道容量研究[J]. 電力系統保護與控制, 2014, 42(13): 106-111.

[12] 席明湘, 季石宇. 傅德林.面向智能配電的混合通信網絡架構與終端設計[J].電氣應用,2013(6):254-258.

[13] 王建華, 張國鋼, 耿英三. 智能電器最新技術研究及應用發展前景.[J]. 電工技術學報，2015，9(30)，1-10.

[14] 楊雋奎.基于TD-LTE網絡與光纖網絡的路由備份裝置研究.[J].電氣應用,2015(6):127-128.

[15] 蔡青有, 郝為民, 何軍燾.塑料光纖技術在用電信息系統中的開發與應用[J].電氣應用,2013(12): 401-404.

·名人名言·

如果你問一個善于溜冰的人怎樣獲得成功時，他會告訴你：“跌倒了，爬起來。”這就是成功。

——牛頓

Application of All-optical Network in Smart Power Utilization Information Collection System

YANGAibing1,ZHOUYang1,ZHOUKe2,DONGFangzhen2

(1.Guizhou Power Grid Company, Guiyang Power Supply Bureau, Guiyang 550001, China; 2. College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

In order to construct a smart power utilization information collection system with the high efficiency and stability, encourage power users and grid companies to participate in the interactive service, promote and popularize the charge control system and develop data accuracy and integrity, a novel strategy named the all-optical network communication is utilized in remote meter reading system. An all-fiber set based on the principle of intelligent data acquisition is proposed, and the scheme is applied to a set of pilot projects in Guizhou province. The result certifies that the metering system can achieve the function of seconds metering, and can render a qualitative improvement for real-time and success rate, and lay a foundation for function development and service promotion of smart power utilization information collection system.

smart power; optical fiber network; plastic optical fiber; remote meter reading; information collection system

2016-07-29

貴州省科技廳基金項目(黔科合LH[2014]7614)；貴州電網科技項目(K-GZ2014-011)

楊愛冰(1969-)，男，貴州貴陽人，高級工程師，主要從事電力計量科技工作。E-mail：462665185@qq.com

TM 76

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1006-7167(2017)03-0125-04