宽带载波在用电采集系统中的应用与调试

何勇　胡喆　李南　沈伟　丁国峰　徐庆文

摘要：随着载波通信技术的发展，宽带载波通信技术日臻成熟，由于具有速度快、路由性能强、抗噪声能力出色等优势，因此具有广泛的应用前景。文章针对目前用电信息采集系统的主流本地通信技术进行分析，对宽带电力线载波通信技术的应用前景结合用电信息采集系统进行了研究。

关键词：载波通信技术；宽带电力线载波；用电信息采集系统；电能传输；传输通道 文献标识码：A

中图分类号：TM734 文章编号：1009-2374（2017）02-0060-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.028

1 背景介绍

电源线与普通数据通信线路不同，其初衷是进行电能传输而不是数据传输，对数据通信来说，其通道特性传输非常不能令人满意，是一个非常不稳定的传输信道，这具体表现为噪声显著且信号衰减严重。在任何两条不同的电源线中，电力线宽带载波信号的带宽和传输过程中的距离可能不相同，不可能建立规则的数学模型。

电力线本身具有不可预测的噪声和不同程度的干扰，电力线通信本身的时间是不可控的、具有不稳定的特点，特征及恒定的信号比网络电缆更加清晰，电源线将访问许多不同的电气设备，该设备可以插入或断开，导致电力线的特性有所不同。这种电力线节点多分支特别多，多个电力线接头处输入阻抗不匹配而造成的反射所引起的信号衰减大、多径效应，距离受到传输带宽很大限制。电源线通道输入阻抗的变化强度取决于信号的频率和位置，其值可从几欧姆变为几千欧姆。由于输入阻抗的阻抗波动和不连续变化，载波通道中总存在着耦合的不匹配现象，这会大大增加传输的损耗。

为解决上述所涉及到的问题，解决电力线传输干扰问题的最有效的方法之一是多载波正交频分复用，主要是因为宽带载波电源线技术采用OFDM（正交频分复用），扩频等调制技术，并且通过了实践证明得到的结论。OFDM的基本思路就是把可以用的信道带宽划分成若干个子信道，每个子信道都可以相近看作理想的信道，在使用规定范围内的频带时，使用几十、几百甚至几千个正交特性的载波信号源，每个载波信号源传输一定速率的数据，每个载波信号源传输数据是总传输速率。

2 国内发展情况和市场分析

2.1 国外的研究成果

欧美智能电网的研发时间较早，并形成了一支经验丰富的研究团队。美国在电网基础设施升级，同时更多地利用现有的信息技术，实现智能人工更换。据统计，现代智能数字网的应用将使美国能耗降低10%以上，使气体排放量减少25%。《纽约时报》发表文章说，结果表明：使用智能数字工具设置家庭温度，能耗每年可以降低15%。根据建筑节能投资的原则，只有能源的1/4，就可以达到所期望的舒适度，自然环境会变得更好。“节能和能源效率是未来能源发展的关键，智能电网技术将有助于更好地保护、管理和监测能源使用。”

智能电网的发展对于提高能源效率、提供安全能源、提高服务水平、优化能源结构具有重要作用，在一些国家将纳入国家能源战略方针，一些将作为重要途径以应对当前国际金融危机。在美国总统贝拉克·奥巴马签署7870亿美元经济刺激计划，安排了1200万美元的基础设施建设工作，其中包括集中建设智能电网。

当前，国际上有若干与PLC相关的技术标准组织和产业联盟，主要包括：（1）美国的HPA（HomePlugPowerline Alliance）是業界成立最早、最著名的PLC产业联盟，有超过60个会员，其目标是实现高效用、低成本的家庭电力线网络产品，已经制定的标准主要有HomePlug 1.0（家庭组网规范）和HomePlug AV（家庭HDTV和VoIP应用）。正在制定用于网络接入的HomePlug BPL标准；（2）欧洲通信标准化协会成立的ETSI PLT，致力于制定欧洲的电力线数据通信标准和规范，并使不同厂家的PLC产品能够互通，不同技术的PLC产品能够共存。该组织已于2007年率先颁布了统一的宽带PLC欧洲标准；（3）CEPCA（Consumer Electronics Powerline Communications Alliance）由索尼、三菱和松下组成，是日本的区域性产业联盟，致力于为日本的PLC产品相互共存制定统一规范；（4）OPERA（Open PLC European Research Alliance）和POWERNET都是欧盟委员会资助的PLC研究组织，其使命是为欧洲新兴的下一代互联网应用提供基于PLC技术的网络平台，包括开发新一代的智能PLC设备，能够满足电磁辐射要求并在低信噪比条件下实现高速数据传输；（5）UPA（Universal Powerline Association）整合了全球业界资源，针对家庭组网和接入应用分别制定标准，并致力于实现PLC产品和技术的共存和互通。

2.2 中国的发展情况

随着中国电力体制改革的深入和特高压电网的建设，国家智能电网也将成为中国电网发展的新方向。中国智能电网以智能控制为手段，以强大的基于网格的信息和通信平台来支持“业务流，电力流，信息流”的实现，集成度高。智能电网的基本特点是能够实现信息技术的自动化、交互式、数字化，主要依靠信息通信技术和信息平台。目前，中国电网调度技术和设备水平及安全运行控制能力处于世界领先地位，形成由GPRS通信、光纤通信、载波、RS485、微波等通信模式组成的通信网络模式。SG186项目代表国家电网信息系统建设阶段成功，为国家智能电网发展奠定了技术基础。

2.3 项目可能形成的产业规模和市场前景分析

随着智能电网建设已呈政府高度重视、企业积极参与之势，每年采集终端的需求量也越来越大，在这样的背景下，本项目的实施将明显提高国内电力设备的采集问题，提高数据采集的质量，项目正式实施后，项目公司将有望成为一家专业从事电力化学品为主，集科研、生产及服务与一体的创新型企业。

3 宽带载波主要技术优势

全覆盖：能够快速理清台区互变关系，支持设备资产动态管理，上行下行信号全覆盖。

全采集：实现智能电表数据全采集，支持所有信道实时在线、实时通信，事件筛选全上报等。

全费控：台区线损正常、支持防窃电实时分析，支持双向互动、大数据管理，营销精细化管理，实时费控、负控等。

宽带载波技术不仅仅使抄收率迅速达到稳定的100%，使用电信息采集系统真正实现了智能互动实时化，主要实现以下功能：（1）理清台区户变关系；（2）资产档案自动上报；（3）智能电表数据全采集；（4）事件主动上报；（5）台区线损、防窃电实时分析；（6）支持双向互动、大数据管理；（7）营销精细化管理；（8）非居民用户实现费控、负控。

宽带载波能够量身定做的应用功能更是为实现营销管理精细化、用电预警科学决策化均具有深远意义：

综合应用：电量监控分析与统计、实时线损监测与统计、用电异常实时分析、用电负荷实时分析。

扩展应用：光纤加宽带载波替代GPRS上行信道方案。

电能表关键事件（断电、开盖、电池欠压等）主动上报至集中器主动上报至主站，实现集中监控、管理下延至每一个用户，每一个电表，管理范围扩大数百倍。

如表1，相比窄带载波，电力线宽带载波通信具有较高的性能和技术水平，其速度、可靠性、可扩展性优势尤为明显：（1）为确保数据的可靠和稳定，宽带载波通信采用本身的特性，传输速率很高，只要一个很短的时间就能完成数据传输，这样可以有效地降低信号的信号源，即使通信传输失败，也可以很快地重新发出；（2）即使窄带载波具有通信传输距离的优势，宽带载波也可以满足目前的应用需求的高性能的调制等解调方法，比如OFDM的中继网络机制模式，可以解决目前所有的需求；（3）电力线宽带载波本身就具有扩展能力强、通信性能快、速度快等特性，同时可以加载各种网络应用，但相比于窄带载波并没有增加太多成本，因此价格优势明显；（4）宽带载波芯片主要基于DSP技术和高性能32位核心制造，性能和技术水平有明显优势；（5）宽带载波TCP/IP具有完善的网络层和链路层数据保护和认证，并且网络技术已经得到广泛验证，目前市场上的各种轻量级的节点组织和中继算法都无法比较；（6）除了数据加密，在应用层，宽带运营商支持AES、DES、3DES等高强度的加密算法，在链路层，数据通信传输的安全性很高。

4 宽带载波在用电采集系统中的应用与调试

解决信道变化问题：基于Wi-Fi连接的PAD方案，对现场组网的拓扑结构，网络条件进行实时分析，无需考虑现场气候、供电条件等影响。

设备变化一目了然：实际节点上报与台区档案自动对比清晰明了，无需再次对全部台区进行调查。

载波模块损坏清晰定位：直接定位坏表位置。

自动组网、快速路由：Hiso管理软件在调试工作中也体现出独特的智慧，自動分析台区的采集器关联关系，并以图示方式呈现，让现场人员能直观地找到问题所在，并直接解决现场消缺关键点，有效解决多台区串扰的问题。

直观的系统运行信息：实时监测，直观的在线节点实时查询。

宽带的运维工具：全网设备故障在线诊断，实现状态检修，用户档案异常提示。

宽带通信的关键技术：该技术为实现高速可靠的实时远距离通信，宽带载波可以根据自身的频率选择最佳信号传输频率，通过应用有效的抗噪声技术和抗衰减技术，提示提高了电力线的通信传输功率。

自动协调技术使用网络ID自动协调技术来定义网络独特的ID和随机产生的冲突，动态协调，保证网络的独立运动；具有实时动态带宽协调（与自动协调技术，不需要人工干预，维护抄表不间断的运动机制，根据串扰的带宽实时动态协调度的影响，保证通信成功率，支持频分时计划，业务层不感性，实时抄表来支持多个工作区；宽带载波技术指的是白名单通过文件表支持RT，不是跨平台跨网络，配置网络标识符和设置白名单的子网的方式，而不是发送网络白名单的节点对网络的要求，集中器载波模块拒绝加入并通知节点拒绝的原因，该节点启动网络访问请求到其他网络和网络之间集中的载波模块之间的协调，以避免碰撞和相互干扰，每个节点只接收到网络中的数据，使每个子网可以独立和稳定的通信。

5 结语

宽带载波通信技术在实际业务中仍然需要不断更新和完善，在通信技术、传输速率、控制指令的指挥下才能发挥其优势，同时建立高速、双向、有效的电力信息采集系统，打造强大统一的中国智能电网奠定了坚实的基础。

参考文献

[1] 汤效军.电力线载波通信技术的发展及特点[J].电力系统通信，2003，24（1）.

[2] 曹宁，胡弘奔.电网通信技术[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[3] 黄荣辉，周天明，曾家智.电力线通信技术研究述评[J].计算机科学，2000，27（4）.

作者简介：何勇（1986-），男，供职于国网浙江嘉善县供电公司，研究方向：低压装接与用电信息采集。

（责任编辑：蒋建华）