能源數據采集系統中電力載波通信技術的應用

王 榮

（國網陜西省電力有限公司吳起縣供電分公司，陜西 延安 717600）

0 引 言

能源數據的采集是能源管理的基礎，通過對比分析供能端和用能端的數據，可以實現供需平衡，節能增效，促進能源的高效利用。具體來說，通過能源數據的采集可以了解能源的生產、轉換、存儲、輸送及終端消費的全過程，揭示能源流向和損耗環節[1]。例如，電力系統通過采集發電廠、變電站、輸電線路等端點的數據，能夠監測電力流動和電量損耗。對比分析供能端和用能端的數據可以找出供需缺口，指導并調整能源供給，實現供需平衡。

1 電力載波通信技術的特點

電力載波通信技術利用電力線作為信號傳輸媒介，在電力線上疊加高頻信號進行通信。這種技術最大的優勢在于可以共享電力線這一現有的網絡資源，無須另建通信網絡，大大節約了基礎設施建設成本。同時，電力線網絡已經覆蓋每一個用戶，并進入戶內，覆蓋面廣，可以提供寬帶接入服務，促進信息服務普及和網絡信息化[2]。

2 能源數據采集系統中電力載波通信技術應用的相關內容

2.1 能源數據采集系統的功能需求

文章以A工廠項目為例，分析了能源數據采集系統在能源管理平臺中的重要作用，以及該項目的數據采集系統存在的問題和改造需求。為確保能源數據采集系統的數據存儲和處理能力，系統選用了NF8480M5數據庫服務器。該服務器配置了雙600 GB SAS硬盤，提供海量數據存儲空間，并采用128 GB內存和英特爾至強處理器，支持數據虛擬化應用，降低通信延遲，能夠為存儲和處理大量能源數據提供堅實基礎[3]。

2.2 能源數據采集系統的電力載波通信技術應用方案

電力載波通信方案的網絡拓撲結構如圖1所示，具體實施方案如下。首先，將所有的計量儀表換成有RS-485通信口且能用Modbus RTU協議通信的儀表。其次，每個儀表（單一三相電度表、無源直讀冷/熱水表、電磁流量計、燃氣表以及熱能表等）都要連接一個數據采集終端，數據采集終端通過低壓電力線將數據信號發到400 V的配電網上。再次，每個變壓器下會配置一個對應的數據集中器。因為電力載波信號無法跨變壓器進行傳輸，所以在同一變壓器管轄區域內，數據采集終端會將儀表信息采集后通過低壓電力線集中上傳到數據集中器。數據集中器通過有線網絡將數據信息上傳給系統進行集中監視。最后，配置好的上位機操作系統通過以太網與數據集中器實現通信，后臺與分散控制系統（Distributed Control System，DCS）通信實現能源數據集中上傳。

圖1 能源數據采集系統中的電力載波網絡拓撲結構

整個系統分為3部分。一是數據采集端，包括電表、采集器、集中器、低壓電力線組成的電力載波傳輸網絡，以及集中器、以太網、前置處理機組成的實時數據處理系統。二是局域網，包括數據采集端與核心服務器組之間的數據交換載體。三是核心服務器，包括數據緩沖服務器、數據庫服務器等。

2.3 能源數據采集系統中電力載波通信技術的具體應用

2.3.1 基于電力載波通信技術的數據傳輸通信協議設計

能源數據的采集質量直接影響后續的能源管理和分析。為提高A工廠能源數據采集的效果和穩定性，從通信方式和設備選型2個方面進行優化。在通信方式上，系統采用電力載波通信技術，利用工廠現有的電力線作為通信介質，具有建設成本低、抗干擾性強的優點。A工廠系統的實踐表明，利用電力載波通信技術結合標準化總線協議，加上對服務器等核心設備的精心選配，可以大幅提升整個系統的數據采集質量和運行穩定性，為后續的能源管理和優化決策提供堅實的數據支撐。能源數據采集過程中經常會出現校驗碼傳輸錯誤與系統運行不穩定等情況，可采用有線與無線多種不同的運行方式，同時借助電力載波通信技術來改善數據采集效果。

考慮通用性和兼容性，系統采用了行業標準的RS-485總線和Modbus協議。通過RS-232串口，儀表設備作為發送端將采集的數據發送至數據集成設備，集成設備作為接收端對數據進行解碼和處理[4]。典型的傳輸格式包含同步頭、功能碼、數據長度以及用戶數據等字段。數據內容需要修改時，可以通過調整功能碼來實現對采集參數的重新配置。總體來說，標準化的通信協議和接口設計與靈活的傳輸格式使得系統可以高效穩定地完成數據的自動采集和傳輸，為后續的集中分析與處理提供重要保障。在此基礎上，利用Modbus協議方案對數據進行重新修改，在系統的傳輸端中完成字符間隔的有效停頓處理。設備獲取能源數據后，解碼所有字節，并根據解碼結果確定發送地址。循環冗余校核（Cyclic Redundancy Check，CRC）低字節、高字節、具體數據內容、數據的實際字節數量、功能類編碼以及設備地址信息是傳輸格式的基本構成要素。運用無線網絡來獲取數據，依靠載波通信技術實施上傳處理，轉換數據格式，使其保持統一，校驗數據的正確性，依照讀取的字節來確定能源參數，最后向數據集裝置中傳送能源數據，完成能源數據的采集任務。數據傳輸通信協議格式的構成要素如表1所示。

表1 能源數據傳輸通信協議格式的構成要素

在通信節點方面，選擇支持無線網規范的無線采集模塊，可構建自組網的Mesh網絡，擴展方便。考慮無線信道穩定性，數據傳輸協議采用了簡化的應用層協議，僅傳輸關鍵的數據字節。為便于設備的數據解析，在上傳前轉換為統一的標準格式，并在數據包中設置校驗字段，確保數據一致性。接收端根據數據包長度判別參數類型，根據預設采集列表分析字節內容解析出不同的能源參數。通過節點選型、傳輸協議、格式轉換和校驗設計，該無線采集系統實現了高效可靠的數據連接，為能源管理提供了有力支持。

2.3.2 能源數據采集時序及轉換設計

在能源數據采集系統中，為獲得高質量的通信信號，系統對信號進行了以下處理：通過耦合電路、濾波器和限幅器選擇出中心頻率的載波擴頻信號；將處理后的載波信號輸入載波芯片的SIGIN端口；載波芯片內部對輸入信號進行解擴處理；通過選頻濾波、限幅和解擴技術，可以有效提高通信信號質量，提升數據接收的正確率和可靠性，為能源數據的精確采集提供保障。具體流程如圖2所示。

圖2 信號解擴處理流程

系統通過配置無線網，采用無線模塊采集現場設備數據，然后利用電力載波技術在電力線上傳輸無線采集的數據到采集站。考慮后續處理需求，在上傳前將數據格式統一轉換，并增加校驗碼以確保完整性[5]。采集站在接收到各類數據后進行解析提取、參數計算等處理，最終發送處理后的數據到中央服務器，完成采集任務。在這個過程中，無線采集、電力載波傳輸等通信技術以及格式轉換、數據校驗、參數計算等數據處理技術的運用，共同實現了對能源設備分布式數據的高效采集，為后續統計分析和決策提供了基礎數據支持。

3 結 論

相比于有線通信和無線通信方案，電力載波通信技術方案的施工難度較低，后期維護難度小，且通信效果穩定，因此更適用于具有分布式特點的能源數據采集項目。文章著重探究了能源數據采集系統中的電力載波通信技術應用，總結了能源數據采集系統的功能需求，并設計出電力載波通信方案的網絡拓撲結構，分析了能源數據采集系統中電力載波通信技術的具體應用。在能源數據采集系統中應用電力載波通信技術能更方便地增加能源監測點，也就是在電網上加一個采集模塊就可以上傳數據，一個集中器能夠支持上萬個采集點。總之，電力載波通信技術是一種高效可靠的能源數據采集傳輸技術，可以提高系統通信效益。但是，在能源數據采集系統中應用電力載波通信技術時應注重噪聲干擾和信號衰減等問題。