面向智能电网双向互动信息服务的通信组网方案设计

刘旭生，何 颖，吴润泽，闫广华，张富春

（1.山西电力公司忻州供电分公司 信息与通信中心，山西 忻州 034000；2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206）

基于发展新能源、节能减排、提高电网运营效率、改善供电服务质量，中国大力发展坚强智能电网，其总体特征是信息化、数字化、自动化和互动化[1]。智能电网的互动化是指智能电子终端通过各种电网技术使电网和用户之间形成网络互动和实时连接，实现数据的实时、高速、双向交互，继而实现电力、电视、远程家电控制和电池集成充电等的多用途开发。它整合电网中的数据，优化管理，将电网提升为互动运转的全新模式，全面提高供电侧与用户侧双向互动服务能力，形成新型供用电关系，保障电网的安全可靠、经济高效运行[2]。

智能用电作为智能电网的重要组成部分，通过智能量测和智能控制手段，采集用户用电量、电压、功率等用电信息，并对数据进行整合分析，指导用户进行用电方式调整，来提高用户能源利用效率和电网运行安全。建设电网与用户双向互动系统，用户可对电网分时电价、计划停电等政策做出快速响应，合理安排电器使用，降低用电高峰时段电网的负荷，参与需求侧响应，并且用户自备电源也可作为电网控制对象。电网与用户通过这样一种调节负荷的互动来提高供电可靠性、削峰填谷，并起到节能环保的作用。

在智能电网框架下对互动化进行分析，充分考虑电网与用户家电的网络互联、信息交互技术，提出智能电网与用户之间实时、开放、灵活的双向互动信息服务系统，并进行双向互动信息服务系统通信组网方案设计。所提方案以宽带光纤接入网作为主要通信方式，进行大用户和工商业用户信息的网络接入，选择条件匹配的用户小区进行智能用电小区的构建，为智能电网在用电环节业务的拓展提供双向可靠通信支撑；应用电力线宽带PLC方式，实现重要大工业用户实时电量的采集。

1 智能用电新型服务

我国用户端设备基本实现低压配电网智能控制，但还存在需求分散、电网各信息间不通等缺陷，无法从根本上实现自动化的目标。分布式能源的接入使得智能电网用户端用电方式较传统用电方式不同，传统用电只是电网向用户端单向送电，智能电网用户端向分布式发电储能扩展，用户端需要具有高效管理、智能化控制和可视化的双向保护服务系统来支撑。用户通过智能交互终端、用电服务终端，利用互动网站、短信等多种途径，构建用电互动服务平台，实现电网和用户的双向互动。

智能电网面向的用户可以分为3类：大用户和工商业用户、普通居民用户、智能小区用户。对于大用户和工商业用户，供电公司可以提供电量信息、电费信息、实时电价信息、计划停电信息等常规服务，以及安全用电信息、能效评估信息、服务过程信息等增值服务信息；对于普通居民用户，通过智能表计等设备采集用电信息，将数据综合分析后通过不同途径向用户进行展示，并进行用电指导，辅助用户实现科学、合理用电；对于智能小区用户，采用先进智能用电技术，使用户获得用电运行状况、电价政策、缴费结算等信息查询服务，实现电网向用户提供业务受理、客户用能策略、多渠道缴费等服务，通过通信网络，提供电动汽车有序充电、分布式电源管理、智能家居控制等辅助服务互动。互动式智能用电系统提供如下新型服务：

1）电动汽车服务 智能小区内建设完善的电动汽车充电基础设施，合理调配用户充电时间和充电容量，并对用户的充电信息进行统计和计费。所有充电桩均采用最新技术的交流快速充电。

2）分布式电源管理 在统一供电的基础上增加可再生清洁能源的接入，小区内视条件部署太阳能、地热、风力等分布式电源，并配置控制装置及储能装置。

3）实现需求侧响应功能 电网在对用户用电信息采集后，对信息进行集中分析，掌握用电高峰和低谷，合理分配电能，同时对用户进行用电指导，使用户能合理避开用电高峰，极大地提高了电网的使用效率。

4）智能家居 智能家居系统中，将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安保装置，通过传输技术连接到一个智能家居主站系统上，通过网络将各种家居设备连接起来，实现监视、控制和家庭事务性管理，实现电网与各种家居设备的双向交流。

5）社区服务 用户通过智能交互终端获得社区服务，包括对用户档案相关信息的管理；对报警信息的响应；获取社区新闻、信息发布、医疗等便民服务等。

6）抄表 电网可以远程采集电表、燃气表、水表等电表数据以及用户家中家电的用电信息，便于统计和掌握用户用电规律，以便进行负荷预测，指定电力供需平衡方案。

2 双向互动系统通信技术分析

2.1 智能用电技术需求分析

传统电网智能化低，以单向通信为特点，与用户之间没有通信或者只有电网向用户传达控制信息，电网企业不能将电力供需平衡、峰谷电价以及欠费等服务信息发送到用户，家电也不能根据峰谷电价信息自动调节运行方式，实现互动智能用电和服务，智能用电服务可靠性、安全性、实时性的要求。与智能电网的要求相比，我国的智能用电服务技术存在着一定的差距。

1）在通信网络需求方面 智能用电系统的建设使其承载更多的业务，如互动营销系统、管理信息化系统、三网融合等，对于通信带宽的要求扩大，但电力通信面向用户侧的通信网络资源不足，需要加强研究，统一建立通信网扩容策略。

2）在用户服务方面 对于大用户，原有的负荷管理以及低压集中抄表系统的建设标准化低、智能化水平不高，海量信息传输技术有待研究；缺乏对用户推广个性化服务的研究，服务内容的扩展以及提供互动的手段有待丰富；各类电力系统与用户之间的互动功能不充分，相关专业信息系统未能实现数据共享，需要建立一体化的营销自动化的专业电力平台。

3）在新型业务方面 目前电动汽车充放电服务系统中，能够满足电动汽车与电网双向能量转换的可靠技术仍需要加强研究，同时也需要为电动汽车接入电网提供一些电价政策、需求响应等政策支持；在分布式电源管理方面，对于光伏发电、风能等分布式电源并网的研究缺少技术规范以及标准体系的制定。

2.2 双向互动智能用电技术分析

智能用电技术包括高速实时通信、智能采集、双向互动、智能电表等多个方面的技术，体现了计算机应用技术、现代通信技术、高级量测技术等多个学科的融合。

1）双向互动通信技术 双向互动系统中最关键的就是通信系统的建设，它为整个双向互动系统的业务流、信息流的走向提供通信通道，保障整个系统的正常运行以及系统中各设备的双向通信。在通信骨干网的建设中，现有的电力光纤技术可提供很好的通信通道；接入网的建设可以采用光纤专网、电力线通信、无线专网、无线公网等。用户内部网络建设可以充分利用已铺设好的电力线、电话线等现有线路来选择通信方式，有线可采用PLC、ADSL，无线可采用蓝牙、Zigbee等方式。

2）交互终端技术 智能交互终端为电力企业和电力用户之间的交互提供友好、可视的交互平台。智能交互终端是电网与用户进行互动的一个可视化设备，安装在用户内部，能够通过智能电表与电网收发信息，还能与家庭内网的家电通信，显示各种用电信息以及停电信息等各种提醒信息，并通过可视化界面接受小区信息、社区服务等增值服务。作为智能用电技术重要的支撑技术，智能交互终端不仅体现了智能用电的互动性，还为调度系统更加实时准确的调度提供坚实基础[3]。

3）智能表计技术 作为电网与用户互联的枢纽，新一代智能电表应满足自动抄表、自动测量管理的需求，也应满足智能家居的要求。这里的自动抄表功能包括抄收和存储智能水表、燃气表的功能，其自动测量管理不仅包括对动态浮动电价的快速响应、切换、实时结算，还包括对异常用电情况的记录。重点突破智能电表等高级量测设备的技术规范和功能研究，来方便开展对用户能效控制的增值服务[4]。

4）分布式能源管理及电动汽车有序充电技术 研究储能装置的充放电自动控制技术和双向电能计量设备的信息采集、电能质量监测，通过引导用户在电力负荷低谷时段存储电能，在负荷高峰时期释放电能，实现储能装置和电网的互动，达到电网削峰填谷的功效。

3 互动式智能用电服务系统

3.1 系统架构

互动式智能用电服务系统是一个实现电网与用户双向互动的系统，充分考虑现有的先进通信技术，将智能电表等智能表计、智能家居作为系统的底层基础设施，为电网与用户的双向互动提供网络支撑；应用平台为用户提供综合性的智能用电服务，实现电网与用户信息流、能量流、业务流的友好互动；智能交互终端的建设，为电网与用户的互动实现可视化；能够满足智能家居、三网融合、社区服务等增值服务。互动式智能用电服务系统的核心部分包括互动式智能用电服务系统应用平台、互动式智能用电服务系统互动终端、通信网络平台等，其总体架构如图1所示。

图1 互动式智能用电服务系统结构图Fig.1 Network structure diagram of two-way interactive information system

1）互动式智能用电服务系统互动终端是实现电网与电力用户互动、电网为电力客户提供智能化、多样化服务的基础设施平台。包括智能交互终端、智能表计、智能家电等，该平台通过智能表计将用户信息进行采集上传至电力平台，并通过智能交互终端、网上营业厅、95598供电服务中心等多种网络互动方式，完成信息提供、业务受理、用户缴费等多种服务内容。

2）通信网络平台用来实现电力企业与用户间的交互，作为保障智能用电服务信息传输、交换的载体，双向互动系统的通信网络应保证信息接入的灵活安全、稳定可靠、双向高效，应优先选择电力通信专用网络，公用网络可作为一种补充和延伸。智能用电服务系统的通信网络可分为远程通信网和本地接入网[5]，远程通信即光纤通信、无线专网、GPRS等无线公网、互联网等，接入网即PLC、微功率无线、无线传感网、RS485总线、低压光纤复合电缆等。

3）互动式智能用电服务系统应用平台主要用来完成智能用电双向互动式服务和营销业务应用，实现对智能用电服务的全面平台支撑。后台主站系统包括用电信息采集平台、智能用电服务平台以及营销和辅助分析平台，将用电数据信息分析处理，将用电指导以及增值服务回馈给用户。

3.2 智能用电信息互动平台

智能用电系统应用平台的核心部分为用电信息采集平台、智能用电服务平台、营销业务服务平台以及辅助分析与决策平台，如图2所示。其中，用电信息采集平台和智能用电服务平台是基础应用系统，负责智能用电服务相关信息的采集与监控；营销业务服务平台是智能用电的综合业务应用系统，实现智能化的营销业务管理与综合应用；辅助分析与决策平台是高级应用系统，为决策层提供决策服务。

图2 智能用电系统互动平台Fig.2 Interactive platform of intelligent power utilization system

信息互动平台中后台各系统间存在大量的信息与业务交互，用电信息采集平台作为一个基础的应用，采集对象包括大用户及工商业用户、居民用户等，在线监测计量装置并实时采集用户电量、电压、负荷等重要信息，并为其它信息系统提供即时完整的基础数据。分布式电源管理系统、智能表计管理系统、充放电及储能系统是基于用电信息采集的专业应用系统，它们将采集到的信息来进行集中处理，提供分布式电源接入的优化管理、电动汽车充放电方案以及智能化高级计量服务。营销业务服务平台实现应用系统信息的集中统一管理，实现多个系统、多业务集成的目的，同时为辅助分析与决策平台提供全面的业务整合数据。辅助分析与决策系统实现营销管理的查询、监管和分析预测，使电网管理层实时了解电网运行状况以及用户用电情况，并实现用户实时查询用电信息及业务发展状况。

4 双向互动系统组网方案设计

4.1 双向互动服务系统组网方案

在智能电网中，和用户建立双向实时的通信系统是实现鼓励和促进用户积极参与电力系统运行和管理的基础。互动性是智能用电的重要表现形式，也是智能电网与传统电网的最大区别。一方面电网利用先进的传感装置对电力设备的运行状况进行实时监控并进行数据整合，通过在电力供应高峰时的统一调度来平衡电力供应缺口；另一方面可以积极鼓励用户参与电网管理，通过电网与用户的友好互动，为消费者提供优质的电力服务和减少能源消耗的用电指导，从而实现电力与环境的和谐发展。本文设计的双向互动系统的组网结构中分为3个层次，即应用层、网络层、终端层，如图3所示。

图3 互动式智能用电服务系统组网方案Fig.3 Communication networking scheme of two-way interactive information system

1）互动层即终端层，主要针对电网面向的3类用户：普通的居民用户、大用户和工商业用户、智能用电小区用户。包括智能电表、集中器等采集装置；智能交互终端等双向互动设备；智能家电；电话、电脑、数字机顶盒等“三网合一”设备。

2）网络层即电网与用户之间互动的通信通道。双向互动系统的通信网络分为骨干通信网和接入通信网，骨干通信网主要为后台业务和信息互动提供链路，目前光纤网络是骨干网主要的通信方式，能满足智能用电骨干侧对于通信网络的要求；接入通信网主要负责各种业务的“最后一公里”接入，目前智能用电通信网尚未有统一的建设模式，通常采用的是光纤专网、PLC、GPRS等，但由于智能用电后台业务的需求，采用电力光纤到户（PFTTH）建立强大的配用电侧通信网势在必行，结合光纤到户（FTTH）的技术发展，无源光纤网络（PON）技术成为首选建设模式。

3）应用层即互动式智能用电服务系统的应用平台，采集到的信息由网络层经电力光纤骨干网传到应用层，通过应用层的电力平台，可使控制中心对电网的实时运行状态有实时的掌握，并自动对电网实时运行状况进行分析、判断，对不良运行状态的发生立即做出调整，实时地计算出最优调整指令。同时，平台建设也支持第三方软件的开发，满足用户对于社区服务等扩展服务的需求。

4.2 智能小区组网

智能供电小区是供电公司一项新兴的应用，主要提供视频、语音、宽带上网、营销互动、智能抄表、网上付费等业务，并利用电力通信网实现业务的全面融合。解决智能小区用户接入的实现方案可利用光纤入户，借助于EPON技术。智能供电小区的ONU放置在大楼交接间，即采用FTTB方式实现EPON技术。FTTB适用于在单栋居民楼用户相对数量不多、带宽要求不高的场景。从局端OLT引出光缆到居民楼附近的光缆交接箱，在光缆交接箱中放置分光器，从交接箱引光缆至大楼，而置于大楼交接处的ONU通过交换机为楼内用户提供宽带上网业务。

4.3 家庭组网

家庭内部网络可以借助于已经铺设好的电力线等现有线路，将家电通过智能插座以PLC方式与网络连接，对于新安装的用电设备或安防设备，可以采用无线的方式。Zigbee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线双向通信技术，符合家庭网络通信的需要[6]。家庭网关配置Zigbee、电力线载波或者RS-485通信接口，组成家庭网络。网关采用微功率无线（Zigbee）、窄带PLC等通讯方式管理下属设备，如智能插座、安防设备等，方便更多下属设备（家用电器和报警器等）的轻松接入。

智能家电通过连接智能插座与家庭网关进行网络互联，而红外探测器、燃气报警器、燃气表、水表等终端通过Zigbee无线方式与家庭网关进行互联。家庭网关作为家庭网络的核心，通过PLC和Zigbee相结合的方式，将家用电器的电压、功率等信息进行采集之后，将数据进行上传，继而，智能家居主站系统对这些用电信息进行分析处理，将用电指导以及一些电价信息等通过智能交互终端向用户呈递，来实现用电信息查询、智能家电和安防管理、网络增值等功能。同时家庭网络还实现“三网合一”等一系列特色服务，以ONU为核心，通过接入智能机顶盒、家用电脑、IP电话等接入终端来实现广播电视网、互联网、电信网的三网融合业务。

4.4 大用户组网

面向大用户的通信模式和面向智能供电小区的通信模式是一致的。采用EPON技术一点对多点的简单组网方式，加上必要的转换设备和网络设备 （如光电转换器、ONU等），即可进行多个大用户的接入，实现OA办公和视频会议等多种业务。对于大用户的组网设计，在实现信息互动的基础上，扩展到能量互动和服务互动，实现供电公司的服务增值和大用户的用能成本降低，其系统如图4所示。

图4 大用户互动系统图Fig.4 Two-way interactive information system of large customer

大用户内部信息采集系统分为大用户、电网以及通信3个部分，大用户设备通过信息采集经网络传输至电网主站系统，经主站系统分析后将用电指导以及电力营销信息下发至用户。信息采集部分主要应致力于信息集中设备以及智能终端的研究，集中设备实现实时集中大用户内部的各种数据；自动感知新安装采集设备的接入；能够自动监测采集设备故障信息，通过智能交互终端发出故障警告；保障重要数据的安全性。主站系统致力于营销系统、采集系统、Web软件系统的研发，信息发布主要以Web的形式发布大客户的各种负荷信息，好处是只要用户具有安装有浏览器的客户端均可以通过网络获取大客户负荷信息。

5 结束语

作为智能电网建设用电环节中的重要应用，互动式智能用电服务系统实现了电网与用户之间实时交互响应、信息同步、满足互动营销需求、增强电网综合服务能力的功能，极大地推广了智能电网提倡的智能用电的实施。文章旨在建设电网与用户双向互动信息服务系统，该系统使得用户及时响应电网需求，自主选择用电方式，电网能够引导居民科学合理用电，实现削峰填谷，降低电网运行成本，广泛地推广落实节能减排的战略意义，提高电能使用的经济性和安全性，提高全社会的能源利用水平，实现电网、用户、社会的共赢。

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