泛在电力物联网智联单元设计与实现

杜芳燕 蔡晓玉 张萌钦 郭鹏

摘  要：近年来社会用电需求的不断增大，电力工程建设数量也逐渐增多。目前，低压配电台区设备种类繁多、通信接口各异，不能有效地接入电力物联网中，进而形成各个孤立单元，使电网企业无法感知低压配电台区的工作状态及运行情况。智联单元作为独立的单元应用在低压配电设备中，为低压配电台区设备接入泛在电力物联网提供统一接口。本文就泛在电力物联网智联单元设计与实现展开探讨。

关键词：区域能源互联网;泛在电力物联网;双模智联单元

引言

低压配电台区的设备较多，同时通信接口的形态各不相同，这些阻碍的存在，让电力物联网的接入难度更大，因此直接导致了每个单元都非常孤立，无法让电网企业对各个低压配电台的工作状态与运作基本情况被及时与动态的掌握。

1泛在电力物联网的提出背景

从国家的角度来看，建设泛在电力物联网是国家电网公司对网络强国战略的具体实践，是其落实中央部署、发挥央企带头作用的重要举措，是其适应内外部形势和挑战的必然要求。从国家电网公司的角度来看，面对市场化的挑战正在诉求战略转型，做出全面推进“三型两网”建设，加快打造具有全球竞争力的世界一流能源互联网企业的战略部署，正是其具体措施之一。从服务对象的角度来看，近十几年我国经济发展迅速，相应地，企业、居民等电网服务对象对电能的需求量剧增，需求模式也趋向多样化，当前电网的技术水平、管理模式等已经非最优化，难以完美满足各方的要求，电网企业需要从工程驱动转向客户价值驱动，实现满足客户需求的“定制化”解决方案，即建设泛在电力物联网势在必行。

2泛在电力物联网的关键技术

泛在电力物联网的技术包括新型物联网设备的设计与开发、数据处理技术和计算技术、人工智能技术。由于传感器直接放入电力设备的内部，因此需要对传感器进行微型化，这样就需要技术来考虑电磁兼容技术。新型的传感器可以为电力物联网提供有效的参考，例如：纳米材料传感器、生物芯片等。因为传感器需要的数量多、应用的环境也各不相同。所以传感器的电池也需要不断的更新，所以必须采用新型的技术来管理电池。通过电力能源系统结合物联网后，必定会产生大量的数据，所以需要对数据进行处理。由于不同的数据具有不同的类型、存储方式、准确性等。所以需要一项技术来处理大量的数据，采用大数据技术对数据进行挖掘和分析，从而得到有用的数据，避免大量的数据造成不必要的干扰。神经网络、专家系统等人工系统技术已经得到了充分的使用。

3泛在电力物联网智联单元设计与实现

3.1基于高速载波、微功率无线的双模组网方案

首先高速载波与微功率无线分別独立组成通信网络，各自独立管理。每个节点都有载波和微功率无线通信能力。由主控CPU制定策略仲裁采用何种通信方式传输数据。宽带电力线载波与微功率无线异构融合网络是一种全新的异构网络，实现了宽带电力线载波和微功率无线的深度融合。双模组网方案具备双模通信能力的网关向下兼容原HPLC或RF技术，既可以采用单一技术组网，也可以双模混合组网，根据实际场景选择，进而统一低压配电台区设备通信接口。

3.2载波/无限双模技术的电力设备地址IP化模型解析

3.2.1基于载波与微功率互联网通信模型

互联网OSI模型的各层作用不同，每层的位置与名称都有差异，其中包括应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层等，而智能单元时将其中的一些架构层进行优化，并对其中一些网络模型进行深刻分析，本文主要将高速载波模型中的数据链路层或微功率无线的网络层和MAC层抽象成虚拟数据链路层。

3.2.2P化网络系统架构

整个IP化组网系统的数据流流向见图1。整个网络系统由TTU、CCO智联单元、智联单元、低压设备组成。TTU与CCO智联单元之间采用UART连接，接口层包括数据链路层和物理层，适配层支持6LoWPAN，网络层采用IPv6标准协议，传输层采用标准UDP协议，应用层用CoAP的应用数据段承载数据实现数据的统一。CCO与智联单元分别采用电力线和微功率无线连接。首先通过载波技术和微功率无线技术，实现CCO与智联单元组成互联网络，然后TTU采用TCP/IP协议发起网络通信。在网络通信的过程中，传到CCO智联单元的数据为IP包，经过智联单元虚拟数据链路层的处理后，转化为实际的载波/微功率数据链路层帧，并采用载波/微功率通信网络传输到目的地。同理，反向数据传输过程相反。

3.3低压台区设备协议的统一方案

3.3.1双模模块设计

此种模块设计主要建立在双模通讯芯片设计上，包括很多个组成部分，如载波信号调至模块、载波信号收发耦合模块、存储模块等，通常状况下，载波信号调制主要以双模通信芯片为指挥中心，让信号得到更为全面的调制解调。首先，载波信号可以直接对收发区进行耦合分析。同时，双模信号只要通过收发滤波与耦合电路的方式对信息进行处理即可。其次，传输模块可以直接让程序得到储存。与此同时，还可以借助相关软件对这些程序进行使用。再次，是电源电路载波芯片存储芯片的都直接由外围电路进行供电。最后是接口电路，电路主要由载波模块、电能表通信接口以及JTAG调试接口等构成。

3.3.2电源模块电路设计

由于宽带载波是利用电力线进行数据通信的，所以电力线上噪声直接影响宽带载波的通信质量，高频开关电源在工作过程中会产生不同频段的噪声，它会对宽带载波通信产生干扰，如果在互联单元终端中使用开关电源为终端供电，那么会在宽带载波模组的出入口直接对载波通信造成影响。而使用工频变压器可以大幅度减少噪声，对宽带载波通信的影响降到最低，大量实验数据证明，使用工频变压器可以提高宽带载波通信增益5～10dB。电路中使用直流电压供电，220V交流经工频变压器降到13.5V交流，然后经过全波整流和三端稳压器得到12V直流电压，12V直流电压除给宽带载波通信外，再经过LDO降压到3.3V、1.8V、1.1V。

结语

建设泛在电力物联网是国家电网公司在发展过程中迈出的重要一步，实现有效聚合分布式新能源和配电系统升级改变。作为一个全新的异构网络双模通信组网，其中的智联单元主要以双模通信组网为基础，可以让网络的协议层得到统一，数据的应用层数据模型也可以因此获得统一的管理。同时这些电压设备可以直接接入到电力物联网中，进而扩大物联网的功能，实现互联，让感知效应更强。

参考文献

[1]  胡江溢.用电信息采集系统应用现状及发展趋势[J].电力系统自动化，2019，38（2）：131-135.

[2]  黄孝彬.物联网关键技术及其发展[J].电子科技，2018，24（12）：129-132.