基于BPLC的智能电网用电信息采集系统的应用研究

刘 峰

(沈阳工程学院电力学院，沈阳110136)

1 智能电网用电信息采集系统应用现状

近年来，各地供电公司根据各自的应用需求，陆续开展了智能电网用电信息采集系统的试点建设，在负荷预测分析、电费结算、需求侧管理、线损统计分析、反窃电分析及供电质量管理等业务中取得了一定的效果。然而，调研和分析结果表明:这些仅仅作为试点建设的智能电网用电信息采集系统规模小、分散孤立，总体采集覆盖率低，只占电网公司经营区域内电力用户总数的5%以内，离上述的总体目标还相差甚远，无法满足公司系统各层面、各专业准确掌控电力用户信息的需求。究其原因，已经试点建设的智能电网用电信息采集系统除了受系统规划、标准建立、运行管理及资金投入等各方面因素制约以外，更重要的因素是电表数据采集系统的通信方式不能满足现实的需求［1］。

目前，国内现有的电力用户抄表系统在从电表或采集终端到抄表集中器的本地通信方式上，大都采取的是485布线、窄带低频电力线载波或无线的通信方式。这些抄表系统施工量太大，不方便大范围实施(如485布线)，或者是受电力线负载特性的影响较大，造成了通信信道的不稳定不可靠(如窄带低频电力线载波)。它们的共同弱点都是带宽过窄、速率过低、实时性差、不能实现双向快速通信等，而且已建的系统实用化程度低，无法满足供电公司建设用电信息一体化采集平台的需求，更不能满足用电预付费、断复电和防窃电等更高层面上的管理需求。因此，大多数供电公司没有把握进行大范围的推广应用，现在仍以现场人工抄表为主。

供电公司要打造适合于各层面、各专业共享的用电信息一体化采集平台，能够满足线损的统计与计算、供电用户用电负荷曲线分析和异常用电情况查询，实现对电力用户的远程通断电控制和预付费管理等更高的管理需求，必须升级智能电网用电信息采集系统的通信方式，以确保系统的数据通信是实时的、快速的、可靠的、稳定的。用电信息采集系统的覆盖情况见如表1所示。

表1 用户用电信息采集覆盖情况表

在抄表领域，本地通信信道的主要方式包括RS－485总线、窄带电力线载波、宽带电力线载波和短距离无线等。抄表系统的几种通信方式的优缺点比较如表2所示。

总体来说，电力线载波方式，包括窄带和宽带电力线通信在系统可实现性上具有优势，但在两者相比来看，宽带电力线载波通信方式无疑具有较高的技术水平和性能，在速率、可靠性、扩展性上的优势尤为明显，其主要理由如下:

1)宽带载波作为以太网技术发展的一个新分支，是基于已经过广泛验证的TCP/IP网络协议，因而具有完善的链路层和网络层数据保护与验证，远非各种窄带载波的结点组织和中继算法可比。

2)宽带通信速率高，每个IP包在毫秒级时间内即完成数据传输，可大大降低遭受突发干扰的影响，即使一次通信失败，也可按照带冲突检测的载波侦听多路访问网络协议(CSMA/CD)迅速重发，确保数据可靠。

3)宽带载波芯片大都基于高性能32位核心和DSP技术制造，在技术等级和性能上都具有优势。

4)在窄带载波较有优势的通信距离上，宽带载波设备可通过自身具备的自动路由选址和中继组网机制，更好地满足端到端的通信解决方案。

5)基于TCP/IP机制的宽带载波，通信性能好、速率快、扩展能力强、稳定性及安全性高。因此应用于低压用户集中抄表的本地通信系统，可确保抄表数据的通信成功率和准确率，同时可作为实现电力营销将来预付费管理模式的可靠平台［2］。

2 BPLC用电信息采集系统的应用

电力线宽带通信技术是以太网技术发展的分支。它采用先进的OFDM通信编码技术，利用覆盖范围最为广泛的电力线作为高速数据通信的载体，将互联网上的数字信号转换成高频无线电波，这些电波在特定端口被送回到效用栅格中，并经过效用变压器进入用户家庭和公司。可以免布线、低成本地实现用户的数据终端接入宽带通信网络，适应了现代节约型社会的建设需求。

2.1 组网模式

电力线宽带载波抄表系统由采集器、电力线载波交换机、集中器、主站以及传输通道组成。采集器通过485端口与智能电能表连接，把采集到的电表数据通过耦合环将信号耦合/注入电力线，传输汇聚至电力线载波交换机，并通过交换机把数据汇集到宽带载波集中器内，集中器通过光纤通道将传送数据至主站。集中器上行方面采用EPON光网络技术实现数据的上传［3］。具体模式如图1所示。

表2 通信方式对比

图1 组网模式图

2.2 系统特点

基于电力线宽带通信技术的电力用户用电信息采集系统调制方式采用多载波调制(OFDM)，载波频率使用1～34 MHz，最高速度可达200 Mbit/s，数据传输速率高、容量大，噪声干扰相对较小，数据传输稳定性相对较高;可实现多具表计的双向实时并发采集和远程购售电管理控制，无需另外铺设通信线路，安装方便。这种模式适合用户电表集中、数量不大的城市台区，能够通过网络实现预付费功能。

由于电力线本身为供电线路、用电负荷具有随机性，因此信道不稳定。影响通信性能的客观因素主要为电力线的噪声和阻抗，阻抗包括接入阻抗和线路阻抗，接入阻抗越大越好，线路阻抗越小越好。

宽带载波作为以太网技术发展的一个新分支，是基于已经过广泛验证的TCP/IP网络协议，因而具有完善的链路层和网络层数据保护与验证，远非各种窄带载波的结点组织和中继算法可比［4］。

2.3 组网架构

系统架构基于电力线宽带载波技术的低压用户集中抄表系统可根据部署位置分为主站、通信信道和采集设备三部分。

1)系统主站部分的物理结构主要由数据库服务器、应用服务器、通信前置机、防火墙设备以及相关的网络设备组成。建议单独组网，与营销应用系统和其它应用系统以及公网信道采用防火墙进行安全隔离，保证系统的信息安全。用电信息采集系统主站系统可实现基于GIS的配电监测及远程抄表一体化管理［5］。

2)通信信道分为远程通信信道和本地通信信道。

远程通信信道是指系统主站与远端网络集中器之间的通信信道，主要包括光纤信道、GPRS/ADSL公用网络信道、230 MHz无线电力专用信道等。由于光纤信道的高带宽、高速率和高可靠性，因此，在有条件的情况下，建议将电力通信光纤专网向配网延伸至每个台区，覆盖全部10 kV线路，以确保骨干通信网络的专有性和安全性。

本地通信信道是指网络集中器与采集器、采集器与电能表计之间的通信信道。

网络集中器与采集器之间通过电力线宽带通信技术，形成以电力线为传输介质的高速IP网络。采集器与电能表计之间的通信信道为RS－485总线。

3)采集设备指安装在现场的终端及计量设备，主要包括网络集中器、电力线宽带载波采集器以及电能表计等，分别介绍如下:

网络集中器:用于收集各采集终端的数据，并进行处理储存，同时能和主站或手持设备进行数据交换。集中器具有以太网络接口，下行与采集器之间的通信采用电力线宽带载波技术，完成集中器对采集器的数据收集和集中管理。上行通过电力专用的光纤网络，或电信运营商的GPRS/ADSL信道，上传抄表数据给系统主站，并接受主站的管理指令，完成对用户电表的集中控制与管理，未来可通过电表实现预购电管理功能。

电力线宽带载波采集器:用于采集多个电能表的电能信息，并通过电力线宽带载波信道与集中器交换数据。

电能表:系统支持带有RS－485通信接口的电能表［6］。

2.4 网络管理

宽带集抄全面支持基于SNMP网络管理，主要包括以下方面:

1)配置管理。可以远程设置、获取采集器及集中器各种参数。支持人工设置，也支持自动下载。

2)性能监测。支持设备运行状态远程监控，可实时监测电力线通信链路状态，包括通信速率、信道SNR曲线、载波调制等。

3)应用升级。支持通信控制及应用软件远程升级，可以采用整体或分模块升级，为新应用业务开展提供了简单、经济的解决手段。

2.5 信息安全

1)数据链路层采用3DES或128位AES数据加密传输。

2)数据传输采用TCP/IP通信协议，支持用户自定义应用加密且实现方便。

3)基于MAC地址的访问控制，未列入许可的MAC地址不能接入网络［7］。

2.6 组网方法

1)由电力公司相关工程队敷设四芯光纤到小区配电房内，在配电房内安装一网络柜用于安放光网络所需的EPON设备及电力线宽带载波抄表所需的集中器、电力载波交换机等设备，如图2所示。

图2 设备安装图

2)从网络柜布放载波信号耦合线(采用屏蔽五类线)到配电柜内，配电柜内的相线或零线上采用电磁耦合与阻容耦合相结合的复合耦合方式，基于OFDM的INT5130调制解调芯片，把载波信号加载到小区电网内。

3)在单元楼内的电能表柜内安装宽带载波采集器，采集器通过485接口与楼内的电能表联接，并通过电容耦合或电感耦合方式把采集器的载波信号加载到380 V主干线路上。为了更好地避开载波信号的衰减点，目前小区内主要采用电感耦合方式［8］。

4)某小区网络拓扑图，如图3所示。

5)设备的配置情况:集中器1台，采集器27台，电力交换机1台，耦合器33个。

2.7 运维情况

某小区集中器采用自动定时采集数据的方式进行数据采集，每小时采集4次数据，单次采集数据成功率达到99%以上。该小区不仅实现了实时数据采集，还集中远程视频监控、用户多媒体用户数据查询等相关业务，可实现远程断电、送电控制等功能。

2.8 剩余宽带的利用

图3 网络拓扑结构图

智能某小区的成功试点，说明电力线宽带载波取得一定的效果。采用电力线宽带载波通信不仅解决了抄表问题，同时也为电网用户在原有电力线上提供了足够的带宽。如何更好地利用剩余的带宽，如何嵌入更好地服务项目为用户提供更多的服务，则是今后工作的一个重点。目前，利用剩余带宽可以进行传输数据、语音和视频业务。但需解决电力线上传递数据存在的多种干扰因素，如电器开关、变频空调、调亮灯具、吸尘器等。解决干扰因素应选用合适调制技术，如OFDM技术。以住宅小区为例，在楼宇内通过多个电力线头端设备对整个楼宇进行覆盖。头端设备体积小、耗电少，可以放置在配电箱或管线井内或挂在墙面上，通常高层塔楼每2至3层布设一个头端设备，普通低层住宅楼每单元门布设一个头端设备。这种模式下，无论从覆盖面积、通信距离还是带宽保障上都是可靠和经济的。用户端可采用RJ－45或USB接口的电力调制解调器实现Internet访问、IP电话、可视电话等业务。用户业务通过电力网络汇集到小区机房，通过光缆或微波接入等方式接入到IP骨干网络节点，运营商的业务支撑平台再分别对不同业务进行处理。采用电力线宽带接入方式，技术已经成熟，从商业模式来看，可以为用户实现语音视频等增值服务，有效解决驻地网收敛用户，增强其他电信运营竞争力，也可为电力企业本身实现新的业务增长点提供机遇［9］。

3 结论

采用电力线宽带通信技术的智能电网用电信息采集系统，不仅大大提高了信息采集工作效率，而且可为供电企业提供远程用电管理的双向通信平台，建立用户与电网之间实时、互动的数字网络，实现全采集、全覆盖、全费控功能。同时，创建用电新型电力营销管理模式，能提供其它网络增值服务功能，实现智能电网营销自动化，提高营销和服务管理水平。

［1］韩熙媛.电力线宽带载波通信在智能电网的应用［J］.云南电力技术，2012，10(5):17 －18.

［2］马梦轩.基于EPON技术的用电信息采集系统建设［J］.电力系统及其自动化，2013(1):43－46.

［3］孙增友.中压电力线宽带载波通信耦合技术［J］.中国电力，2012，45(8):78 －82.

［4］王晓峰.用电信息采集系统发展新趋势［J］.中国电力，2010(9).

［5］Anon.Advanced Metering Infrastructure.Pub ID:RRIN 1762464.［R］.［S.1.］:Research Reports International，2007.

［6］姚李孝，彭金宁.低压电力用户信息采集系统的研究与应用［J］.计算机工程，2004，30(17):173 －174.

［7］樊建学，盛新富.低压电力线载波集中抄表系统的研究［J］.继电器，2005，33(17):49 －52.

［8］韩谷静，殷小贡.面向配电自动化的中压电力线高速数据通信终端设计［J］.电工技术学报，2007，22(3):128 －133.

［9］刘锋，潘永湘，毛芳仁.基于GPRS配电网自动化通信系统终端的设计与工程实现［J］.电力自动化设备，2005，25(1):54 －57，62.