宽带载波智能电表的设计理论

马树良

（黑龙江龙电电气有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090）

0 引 言

近年来，西方发达国家，如美国，提出了组建智能电网的想法。智能电网由于具备较强的安全性、交互性、经济性、高效性及较高的市场化程度等特点，受到了社会的普遍认可。2010年，我国构建了智能电网理念，由国家电网公司、南方电网等相继提出相应的政策和规划。国家电网提出的智能计量系统，可实现需求响应、信息交互及能效评估，为智能电网建设提供了方向。智能电表是智能电网的重要组成，能够用于发电、输电等环节。

1 智能用电系统分析

智能用电是以信息化技术、价格杠杆，通过调动用户参与需方响应互动策略，进一步实现电力系统的理想化状态。电力系统包括计量主站、远程通信、现场终端及电力用户。其中，智能用电系统主站是由电力业务应用、信息收集、数据管理支持及前置通信构成的；远程信道是主站与终端的衔接，其上部用于传送采集终端，收集用户电能信息，而下部用于下发抄命令、远程计量等。由于考虑到智能电网营销业务拓展以及用电用户的参与需求，可以利用远程信道向用户推行梯形电价，多次结算，有序用电在线监测，以确保用电安全。近年来，常采用的通信远程信道包括无线红网、光纤专网、中央电力线以及载波网络等。由于不同地区经济发展水平不同，且不同区域智能用电系统对远程信道进行灵活配置，强化信息建设，因此现场终端包括智能电表、传感器及智能开关等。智能电表是自动测量体系的计量设施，设计过程中需要遵循三个原则。首先，需要接入分布式电源。其次，考虑通信信道的实际承受能力。最后，能够实现用户便捷互动。智能电表的功能包括预付费数据的储存、时间记录、能效计量、时段管理及双向通信等[1]。

2 宽带电力线载波技术

目前，宽带电力线载波技术实际上是将载波信号加载到1～30 MHz的调制频段信号，能够使用多载波正交频分复用技术在电力线上进行信息的传递以及数据采集；利用OFDM技术，实际上是Homeplug Green Phy协议对智能电网的应用需求，可提出耗电量低、成本低的方案。在物理层面，该协议规定了信号的具体工作频段范围为1～30 MHz，共有1155个多载波正交频分复用，子载波采用了QPSK的调制方法，子载波间隔为24 kHz。将宽带电力线载波通信单元用于集抄系统中，可解决通信单元抗干扰能力差、能量消耗高及组网实时性差等问题。目前，国内的载波集抄系统采用的是窄带载波产品，由于处于不同的地理位置，其方案解决存在一定差异，使各集抄台区运行效果不同。为体现利用宽带载波产品的技术优势，选取了国内比较典型的窄带载波产品进行数据比较，宽带和窄带的载波产品参数比较如表1所示[2]。

表1 宽带和窄带的载波产品参数比较表

由表1可知，宽窄带载波产品的最大通信速率可以相差6 000多倍。此外，窄带载波通信速率属于普通抄表，具有较差的实时性，无法为用户带来高速业务体验，而基于Homeplug Green Phy协议的宽带载波产品则能够有效克服这一问题。

3 宽带电力线载波技术的应用分析

智能电表中，为检验宽带电力线载波技术的应用优势，以某供电局应用农网用电信息采集系统为例。该系统存在5个不同的集抄台区，共涉及652户居民，对其进行窄带载波情况分析，并制定了有效的改造方案。主站采用集中式，远程信道采用GPRS/CDMA无线公网，其改造方案如表2所示。

表2 改造方案

所调查的5个集抄台区最初使用的频率为421 kHz的窄带载波方案，这些居民用户采用是国家电网要求的单相智能电能表，利用的是全载波集抄方式，其中规模较大的台区进行一次集中短抄，统计时间为将近1 h，且成功率在90%以下。为提高集抄的成功率，缩短信息采集所需的时间，需要对5个集抄台区的智能电表和集中器进行改造，将原始的通信模块换为宽带载波产品。图1为某供电局应用农网用电信息采集系统改造方案。

图1 某供电局应用农网用电信息采集系统改造方案

经过改造后发现，各台区居民用户的电能表档案导入了集中器以及宽带载波测试软件[3]。通过该软件能够对5个台区电能表的情况进行统计。改造中，对供电距离最远的测试情况以及线路衰减情况最为恶劣的A村进行分析，发现当A村的集中器进行上电后，其所在区域的170块电能表全部上线，其组网时间为4 min；查看当前所在线的电能表的拓扑结构发现，宽带载波集中器本地通信单元含有三个载波集抄主节点，且同时分布在A、B、C三个相中；每一个载波集抄主节点能够容纳253个载波集抄，节点分布在相应的终端设备中，分别用不同的颜色表示载波集抄主节点的物理地址、集中器电能表位置及普通电能表地址；宽带载波模块能够具备组网自遍历中继转发功能，能够自动形成拓扑结构，且具有路由记忆，可达到16级的中继深度。该区域的集抄台区能够形成五级中继深度。通过运行宽带载波测试管理软件发现，启动上位机集中器载波路时，将A村的电能表下发到远程集中集抄表中，以完成第一轮的集抄。该结果表明，A区集中器共计170块电能表，利用有功电能表完成抄数这一过程所需要的时间为3 s，且成功率达100%，具有良好的运行效果。此外，还对5个集抄台区同期运行数据进行调查。结果均表明，利用宽带载波远程集抄，不仅能提升信息的采集率，可以达到98%的成功率，而且能够减少信息采集过程中的时间消耗，可将台区表计轮抄限制在秒，减轻了人员的劳动强度。同时，利用宽带载波远程集抄系统可实现数据的高效传输，能够帮助供电营销区进行准确的市场分析，并制定科学合理的用电方案。

根据宽带载波结构特点以及国家电网的相关要求，智能电能表通信系统由主站、光线路终端、光分配网络、光网络电源以及智能用户终端构成。其通信系统的工作原理是：下行方向由主站将数据运用一定格式的可变长度数据包广播传输给相应的光分配网络，每个携带有传输目的地的光网络单元标识符的信头数据到达光网络单元的同时，会有光网络单元的媒体访问控制层进行地址解析，获取自身数据包，并丢弃无意义的数据包；在上行方向，各个光网络单元数据帧采用突发方式和时分复用技术，通过信息共享信道使信息传输能够让各光网络单元在光线路终端分配到不同时隙中，将数据帧组成一个时分复用信息源，并传送到指定的光线路终端中。对于智能电能表光通信模块的设计，可以通过RS232C串口与电能表进行互通，使用Homeplug Green Phy协议与电能表进行通信，通过TCP/IP与宽带接口进行连接。光通信模块能够作为一种协议转换模块电动机被装置，采用的是光仪表公司生产的单相费控电能表，遵循Homeplug Green Phy协议。对于嵌入式开发环境，采用的芯片型号为QCA8829。该芯片是以宽带载波有线电缆数据作为服务接口，具有较低的成本、较小的体积及较强的实用性，是宽带载波智能电能表通信模块嵌入式芯片的首选。

4 结 论

本文阐述了基于Homeplug Green Phy协议的宽带电力线载波技术，并将该技术运用于智能电表远程集抄过程，通过实例分析了该技术的运行效果。结果发现，利用该技术能够实现远程集抄的实时性，提升信息采集的成功率，并不断满足用户业务信息互动以及智能用电营销体系的需求。此外，在智能电表中引入宽带电力线载波技术能够为智能家居、工业物联等不断推进宽带载波技术应用提供经验借鉴。