胡昌斌, 何 威, 张合强, 王 雷, 曹骁勇, 邹 航,
陈 瑜1, 王 轶1
(1. 云南电网有限责任公司 昆明供电局,云南 昆明 650011;2. 珠海慧信微电子有限公司,广东 珠海 519085)
宽带电力载波技术在智能用电系统的应用
胡昌斌1, 何 威2, 张合强1, 王 雷1, 曹骁勇1, 邹 航1,
陈 瑜1, 王 轶1
(1. 云南电网有限责任公司 昆明供电局,云南 昆明 650011;2. 珠海慧信微电子有限公司,广东 珠海 519085)
将基于Homeplug Green Phy协议的宽带电力线载波技术应用于智能用电系统,提出了一种遵循智能用电原则的高速载波集抄方案,并将该方案运用于南方电网云南省昆明供电局呈贡农网5个远程集抄试点。试点运行结果表明:基于宽带电力线载波技术的远程集抄系统,可实现"分钟组网、秒级抄表"应用效果。采集规模最大的集抄台区——洛龙村的170块智能电能表的当前正向有功信息,平均仅耗时4 s,成功率97%以上。使台区的集抄实时性、采集成功率实现了质的飞跃,为智能用电系统的功能扩展和业务推广奠定了坚实的基础。
智能用电; Homeplug Green Phy; 宽带载波; 远程集抄
近年来,以美国等一些国家提出了组建智能电网[-2]的构想,智能电网因其自愈性、安全性、交互性、经济性、优质高效、清洁环保和市场化程度高等特点备受亲睐。2010年,中国政府提出了构建“坚强智能电网”的理念,国家电网公司、南方电网公司相继制定了相应政策和发展规划,如国家电网公司2009年提出的实现用户用电信息采集系统建设的“全覆盖、全采集、全预付费”理念。《中国南方电网有限责任公司“十二五”电能计量规划》中提出的智能计量系统能够实现双向信息交互、能效评估、需求响应等新功能,为确保智能电网建设目标的顺利实现指引了方向。
智能用电系统是智能电网的重要组成部分之一。智能用电,作为电网电能“发、输、调、变、配、用”的重要环节,是社会公众感知电网智能化服务的关键所在[3]。受到电网政策管理体制以及监管制度的约束,我国智能用电系统的发展历程主要分为三个阶段:用电负荷管理阶段、峰谷电价调节阶段、实时电价发布阶段[4]。随着以自动抄表为主的远程集抄系统如雨后春笋般在国内外大范围建设,当前成熟的电力线载波集抄系统和微功率无线集抄系统因其高智能化、无需架设专门通信线路、节省人力、便于监控管理等特点已成为用电信息采集系统[5-6]的弄潮儿。电力企业欲通过对大量用户用电信息的自动采集与实时监控,掌握用户用电规律,建立实时电价模型,提升市场分析能力。
然而,已有的窄带电力线载波、微功率无线技术因其数据传输速率低、组网进程慢、抗干扰能力差、路由自愈性差,不支持远程在线升级等缺点制约着智能用电实时性、交互性的发展。为了突破以上瓶颈,满足智能电网高速通信、双向智能的建设需求,Homeplug联盟提出了Homeplug Green Phy协议,它是一种小成本、低功耗的宽带电力线通信技术,是世界范围内公认的宽带电力线载波标准之一。珠海慧信微电子有限公司(简称珠海慧信)通过解析该协议,研发了宽带载波系列产品。云南电网公司昆明供电局致力于推行智能用电系统的建设,给电力用户提供方便、快捷的互动营销服务和用电策略,联合珠海慧信,在昆明市呈贡区农网江尾村、小新册B2、小新册B3、斗南B4和洛龙村五个试点台区建设了宽带电力线载波远程集抄系统,结合试点台区的实际运行情况,为智能用电系统的全面推广积蓄了力量。
智能用电的指导思想就是采用信息化手段,利用价格杠杆,通过互动策略,调动电力用户参与需方响应,实现电力负荷需求的理想化[3-4]。智能用电系统包括计量主站、远程信道、现场终端、本地信道和电力用户,其框架结构如图1所示。
图1 智能用电系统框架图
从图1可以看出,智能用电系统的主站由电力业务应用、信息采集、数据存储管理、营销支持、前置通信等组成。系统的远程信道将主站与现场终端进行了有机的衔接,其上行用于传送采集终端收集的用户电能信息,下行则用于下发定抄命令、远程计量、事件监测与上报[7]等。考虑到未来智能电网营销业务的拓展和用户参与的需要,可利用远程信道向电力用户推行梯形电价、实现多次结算、有序管理用电、在线监测设备运行和保障用电安全。目前常用的远程信道有GPRS/CDMA无线公网、光纤专网、230 MHz无线专网和中压电力线载波网络。由于国内各地的经济发展水平存在差异,不同地区的智能用电系统需对远程信道进行特色化灵活配置,以加快建设进程。
现场终端包括采集终端、智能表计(电能表、水表、热量表、燃气表、压力表)、各类传感器、家用电器、智能开关和工业设备等。一般工商业和居民用户的采集终端为集中器和采集器,其主要功能为:数据采集、数据处理、参数设置与查询、事件记录、数据传输、本地状态指示与接口维护、终端维护等。智能表计是自动测量体系(AMI)的基本计量设施,其设计应遵循以下三个原则:考虑分布式能源的接入;考虑通信信道的实际承受能力;考虑用户互动的便捷性[3-4]。主要功能有:能效计量、费率控制、时段管理、预付费、数据存储、事件记录、用户加密、双向通信。
本地通信主干网为低压电力线载波或微功率无线技术。家用电器、各类传感器、智能开关、工业设备等是智能用电系统架构下的基础通信单元。利用诸如RS485[8]、RS232、M-Bus、CAN总线等有线方式或ZigBee、GPRS、Bluetooth、红外等无线方式形成多信道融合互联自组网通信网络,对采集终端、智能表计、家电设备等注入控制策略,使其智能化、集成化、自动化,提供全方位的信息交互功能。
居民用户、企业用户和社会公共设施等构成了智能用电系统的电力用户,是供电营销系统的主要服务对象。通过实时采集、存储、分析、核算电力用户的用电信息,可帮助居民用户了解电价、停复电及缴费等信息,为企业用户提供节能减排、用电优化、安全用电等信息,指导社会科学用电,及时发现用电隐患、排查故障。
宽带电力线载波技术[9](BPLC),即将载波信号加载到频段为1~30 MHz的调制信号上,使用多载波正交频分复用(OFDM)技术,在电力线上完成信息传递与数据采集的通信技术。Homeplug Green Phy协议是Homeplug联盟针对智能电网的应用需求,提出的小成本、低耗电解决方案,与Homeplug AV和IEEE 1901规约兼容。在物理层,Homeplug Green Phy规定了信号的工作频段为2~30 MHz。1 155个OFDM子载波仅使用QPSK调制方式,子载波间隔24.414 kHz。数据传输采用前向纠错机制,Turbo码率1/2。在鲁棒模式下可分别实现4、5、10 Mb/s的通信速率。由OFDM自适应比特位加载原理可知,在通信系统中,若以一种固定的调制方式和数据传输速率进行信息传输,可使用裕量最大化准则使信号的总发射功率最小化[10-11],从而降低载波通信单元的功耗。
将Homeplug Green Phy技术用于宽带电力线载波集抄系统,可有效解决通信单元功耗高、抗干扰能力差、组网实时性低等致命缺点。目前我国载波集抄系统主要使用的是窄带载波产品,并且因地域不同、解决方案的差异使得集抄台区的运行效果参差不齐。为体现宽带载波产品的技术优越性,选取国内典型的窄带载波产品进行参数对比,如表1所示。
表1 窄带/宽带载波产品参数对比
从表1可知,窄带与宽带载波产品的最大通信速率竟相差6 600多倍。窄带载波330~1 500 b/s的通信速率仅适用于普通抄表,且实时性差,无法给电力用户带来高速即时的业务体验,而基于Homeplug Green Phy的宽带载波产品则能解决这一难题。
为检验宽带电力线载波技术在智能用电系统中的可行性与优越性,网省昆明供电局将该技术先行应用于呈贡区农网用电信息采集系统。根据呈贡区江尾村、小新册B2、小新册B3、斗南B4及洛龙村五个集抄台区共计653户居民用户的窄带载波应用情况,制定了相应的改造实施方案,如表2所示。
表2 呈贡区远程集抄试点台区改造实施方案
呈贡区五个集抄台区原使用的是中心频率为421 kHz的窄带载波方案,653户居民用户配用的均是遵循国网Q/GDW 355-2009规范的单相智能电能表,使用全载波集抄方式。规模最大的斗南B4台区进行一次集中轮抄需近1 h,集抄成功率90%以下。为了有效提高集抄成功率,缩短用电信息采集耗时,对呈贡区五个集抄台区内的所有集中器和智能表进行安装改造,将通信模块更换为珠海慧信的宽带载波产品,如图2所示。
图2 宽带载波台区改造施工示意图
改造完毕后,将各台区所辖居民用户的电能表档案导入集中器及上位机“宽带载波测试管理软件”。通过“宽带载波测试管理软件”观察各台区电能表的上线情况。在被改造的台区中,洛龙村的供电距离最远,线路衰减及噪声状况也最为恶劣。以洛龙村作为示范台区,对其远程集抄运行效果进行评估分析。
对洛龙村台变集中器重新上电,待其所辖170块电能表全部上线时,记录组网时间t1=4 min。查看当前上线电能表的拓扑结构图,如图3所示。
图3 洛龙村台区电能表组网拓扑结构图
宽带载波集中器本地通信单元含有3个载波集抄主节点(CCo),分别分布在A、B、C三相。每个CCo可容纳253个载波集抄从节点(STA),为其分配设备端口号(TEI)。图3中,红色头端为CCo的物理地址,蓝色头端为起中继功能的电能表地址,黄色头端则是普通电能表地址。宽带载波模块拥有组网[12-15]自遍历中继转发功能,可自动快速形成坚强拓扑结构,且具有路由记忆能力,最大可达16级中继深度。显然,洛龙村集抄台区形成了5级中继深度。
打开“宽带载波测试管理软件”,启动上位机经集中器载波路由向洛龙村台区所有的电能表下发远程集中抄表指令。待一轮集抄结束,得到的运行效果图如图4所示。
图4 洛龙村远程集抄效果图
从图4可以看出,洛龙村台区集中器对170块电能表的当前正向有功电能数据进行抄读时,仅历经3 s,集抄成功率100%,得到了“分钟组网,秒级抄表”的运行效果。
在网省昆明供电局计量中心,借助计量主站获取了2015年7月5个日期的江尾村、小新册B2、小新册B3、斗南B4和洛龙村五个台区的宽带载波远程集抄数据,对比2014年同期窄带载波远程集抄的运行数据,汇集如表3所示。
表3 呈贡区7月远程集抄台区运行数据
呈贡区5个集抄台区7月份同期运行数据显示,宽带载波远程集抄方案不仅有效地提高了用电信息采集成功率,达到了97%以上,而且在更大程度上降低了采集耗时,将台区表计轮抄限定在了秒级,减轻了抄表人员的工作强度。凭借宽带载波远程集抄系统高速、即时的用电信息采集效率,可助力供电营销方对区域、行业、产业进行市场分析,提高输配电线路线损分析的时效性,制定科学、有序的用电方案。
本文介绍了基于Homeplug Green Phy的宽带电力线载波技术,并将该技术方案运用于智能用电系统远程集抄,在昆明市呈贡区农网集抄试点台区取得了良好的运行效果,使集抄实时性、采集成功率得到了大幅提升,满足智能用电营销体系与电力用户业务信息互动的需求。依托宽带电力线载波技术在智能用电系统中取得的示范作用,下一步将在智能家居、楼宇自动化和工业物联中推进宽带载波产品的应用。
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Research on Broadband Power Line Carrier in the Application of Smart Power Utilization System
HUChang-bin1,HEWei2,ZHANGHe-qiang1,WANGLei1,CAOXiao-yong1,ZOUHang1,CHENYu1,WANGYi1
(1. Kunming Electric Power Supply Bureau, Yunnan Power Grid Co., Ltd, Kunming 650000, China;2. Zhuhai Wellthing Microelectronics Co., Ltd, Zhuhai 519085, China)
In order to construct a smart power-using grid with the characteristics of high speed and real-time, and encourage power users and grid company to participate in interactive services, an information collection system is developed. A novel strategy named broadband power line carrier communication based on Homeplug Green Phy protocol is utilized in remote meter reading system. A high speed carrier meter reading scheme abode by smart power utilization is proposed and applied to 5 Kunming rural remote metering pilots. Pilot result certifies that the metering system based on broadband power line carrier can achieve the function of "minute networking, seconds metering". Collecting the current positive active data of 170 smart meters in Luolong village only takes 4 seconds on average, with success rate up to 97%. It will render a qualitative leap for real-time and success rate for metering and lay a foundation for function development and service promotion for smart power-using system.
smart power utilization; Homeplug Green Phy; broadband carrier; remote meter reading
2015-01-05
中国南方电网有限责任公司科技项目(KJKM2014098)
胡昌斌(1978-),男,云南宣威人,硕士,高级工程师,研究方向:电力科技。E-mail:huchangbin@126.com
TM 76
A
1006-7167(2016)04-0047-05