泛在電力物聯網智聯單元設計與實現

杜芳燕 蔡曉玉 張萌欽 郭鵬

摘 ?要：近年來社會用電需求的不斷增大，電力工程建設數量也逐漸增多。目前，低壓配電臺區設備種類繁多、通信接口各異，不能有效地接入電力物聯網中，進而形成各個孤立單元，使電網企業無法感知低壓配電臺區的工作狀態及運行情況。智聯單元作為獨立的單元應用在低壓配電設備中，為低壓配電臺區設備接入泛在電力物聯網提供統一接口。本文就泛在電力物聯網智聯單元設計與實現展開探討。

關鍵詞：區域能源互聯網;泛在電力物聯網;雙模智聯單元

引言

低壓配電臺區的設備較多，同時通信接口的形態各不相同，這些阻礙的存在，讓電力物聯網的接入難度更大，因此直接導致了每個單元都非常孤立，無法讓電網企業對各個低壓配電臺的工作狀態與運作基本情況被及時與動態的掌握。

1泛在電力物聯網的提出背景

從國家的角度來看，建設泛在電力物聯網是國家電網公司對網絡強國戰略的具體實踐，是其落實中央部署、發揮央企帶頭作用的重要舉措，是其適應內外部形勢和挑戰的必然要求。從國家電網公司的角度來看，面對市場化的挑戰正在訴求戰略轉型，做出全面推進“三型兩網”建設，加快打造具有全球競爭力的世界一流能源互聯網企業的戰略部署，正是其具體措施之一。從服務對象的角度來看，近十幾年我國經濟發展迅速，相應地，企業、居民等電網服務對象對電能的需求量劇增，需求模式也趨向多樣化，當前電網的技術水平、管理模式等已經非最優化，難以完美滿足各方的要求，電網企業需要從工程驅動轉向客戶價值驅動，實現滿足客戶需求的“定制化”解決方案，即建設泛在電力物聯網勢在必行。

2泛在電力物聯網的關鍵技術

泛在電力物聯網的技術包括新型物聯網設備的設計與開發、數據處理技術和計算技術、人工智能技術。由于傳感器直接放入電力設備的內部，因此需要對傳感器進行微型化，這樣就需要技術來考慮電磁兼容技術。新型的傳感器可以為電力物聯網提供有效的參考，例如：納米材料傳感器、生物芯片等。因為傳感器需要的數量多、應用的環境也各不相同。所以傳感器的電池也需要不斷的更新，所以必須采用新型的技術來管理電池。通過電力能源系統結合物聯網后，必定會產生大量的數據，所以需要對數據進行處理。由于不同的數據具有不同的類型、存儲方式、準確性等。所以需要一項技術來處理大量的數據，采用大數據技術對數據進行挖掘和分析，從而得到有用的數據，避免大量的數據造成不必要的干擾。神經網絡、專家系統等人工系統技術已經得到了充分的使用。

3泛在電力物聯網智聯單元設計與實現

3.1基于高速載波、微功率無線的雙模組網方案

首先高速載波與微功率無線分別獨立組成通信網絡，各自獨立管理。每個節點都有載波和微功率無線通信能力。由主控CPU制定策略仲裁采用何種通信方式傳輸數據。寬帶電力線載波與微功率無線異構融合網絡是一種全新的異構網絡，實現了寬帶電力線載波和微功率無線的深度融合。雙模組網方案具備雙模通信能力的網關向下兼容原HPLC或RF技術，既可以采用單一技術組網，也可以雙?；旌辖M網，根據實際場景選擇，進而統一低壓配電臺區設備通信接口。

3.2載波/無限雙模技術的電力設備地址IP化模型解析

3.2.1基于載波與微功率互聯網通信模型

互聯網OSI模型的各層作用不同，每層的位置與名稱都有差異，其中包括應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層等，而智能單元時將其中的一些架構層進行優化，并對其中一些網絡模型進行深刻分析，本文主要將高速載波模型中的數據鏈路層或微功率無線的網絡層和MAC層抽象成虛擬數據鏈路層。

3.2.2P化網絡系統架構

整個IP化組網系統的數據流流向見圖1。整個網絡系統由TTU、CCO智聯單元、智聯單元、低壓設備組成。TTU與CCO智聯單元之間采用UART連接，接口層包括數據鏈路層和物理層，適配層支持6LoWPAN，網絡層采用IPv6標準協議，傳輸層采用標準UDP協議，應用層用CoAP的應用數據段承載數據實現數據的統一。CCO與智聯單元分別采用電力線和微功率無線連接。首先通過載波技術和微功率無線技術，實現CCO與智聯單元組成互聯網絡，然后TTU采用TCP/IP協議發起網絡通信。在網絡通信的過程中，傳到CCO智聯單元的數據為IP包，經過智聯單元虛擬數據鏈路層的處理后，轉化為實際的載波/微功率數據鏈路層幀，并采用載波/微功率通信網絡傳輸到目的地。同理，反向數據傳輸過程相反。

3.3低壓臺區設備協議的統一方案

3.3.1雙模模塊設計

此種模塊設計主要建立在雙模通訊芯片設計上，包括很多個組成部分，如載波信號調至模塊、載波信號收發耦合模塊、存儲模塊等，通常狀況下，載波信號調制主要以雙模通信芯片為指揮中心，讓信號得到更為全面的調制解調。首先，載波信號可以直接對收發區進行耦合分析。同時，雙模信號只要通過收發濾波與耦合電路的方式對信息進行處理即可。其次，傳輸模塊可以直接讓程序得到儲存。與此同時，還可以借助相關軟件對這些程序進行使用。再次，是電源電路載波芯片存儲芯片的都直接由外圍電路進行供電。最后是接口電路，電路主要由載波模塊、電能表通信接口以及JTAG調試接口等構成。

3.3.2電源模塊電路設計

由于寬帶載波是利用電力線進行數據通信的，所以電力線上噪聲直接影響寬帶載波的通信質量，高頻開關電源在工作過程中會產生不同頻段的噪聲，它會對寬帶載波通信產生干擾，如果在互聯單元終端中使用開關電源為終端供電，那么會在寬帶載波模組的出入口直接對載波通信造成影響。而使用工頻變壓器可以大幅度減少噪聲，對寬帶載波通信的影響降到最低，大量實驗數據證明，使用工頻變壓器可以提高寬帶載波通信增益5～10dB。電路中使用直流電壓供電，220V交流經工頻變壓器降到13.5V交流，然后經過全波整流和三端穩壓器得到12V直流電壓，12V直流電壓除給寬帶載波通信外，再經過LDO降壓到3.3V、1.8V、1.1V。

結語

建設泛在電力物聯網是國家電網公司在發展過程中邁出的重要一步，實現有效聚合分布式新能源和配電系統升級改變。作為一個全新的異構網絡雙模通信組網，其中的智聯單元主要以雙模通信組網為基礎，可以讓網絡的協議層得到統一，數據的應用層數據模型也可以因此獲得統一的管理。同時這些電壓設備可以直接接入到電力物聯網中，進而擴大物聯網的功能，實現互聯，讓感知效應更強。

參考文獻

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