低压电力线载波通信的用电管理系统设计

李 宁 ,董 亮,王新刚,王永超,张振源,黄大荣

(1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院,新疆 乌鲁木齐 830011;2.重庆交通大学信息科学与工程学院,重庆 400074)

0 引言

传统的无线抄表通信方式采用通用分组无线业务(general packet radio service,GPRS)通信或WiFi 通信,存在受信号覆盖范围限制、有通信死角、设计成本高、功耗大[1]等缺点。电力线以其覆盖规模大、建设完善[2-4]的优势,目前正逐渐成为电力通信方式的研究热点。在用电管理信息化的背景下:首先,分析了电力线载波通信的信道特性,建立起完善的、基于电力线载波通信的系统架构;其次,针对主站参数下发中效率不高的问题,采用透明任务传输技术,有效提升了信道利用率;最后,针对大区域范围内时钟同步难题,引入对时机制,将采集系统中每个设备单元的时钟偏差控制在1 s 以内,确保采集主站可以采集到同一时刻的电能表数据。该设计对电力数据采集、电网质量监测等方面都具有深远的意义。

1 低压电力线载波通信的系统架构设计

1.1 低压电力线载波通信信道研究及分析

低压电力线载波通信受噪声、阻抗、衰减等因素的影响,三者将直接决定低压电力线载波通信方案的通信性能[5-10]。信道分析包括噪声分析、阻抗分析和衰减分析三部分。其中:衰减分析监测频率范围为10～500 kHz,阻抗分析和噪声分析的频率范围为80～500 kHz。

低压电力线噪声特性分析方式采用交流电通过高通滤波器滤除高频分量,采集数据后利用快速傅里叶变换计算噪声数据各频率分量变化情况,并使用三维频谱图方式展示各频点噪声随时间变化的幅度特性。通过分析噪声变化频率可知,交流市电电压过零时段噪声幅度一般最弱,且噪声具有100 Hz/50 Hz 周期性。

低压电力线阻抗特性分析方式以伏安法为基础,利用波形发生器产生不同频率的正弦信号,根据需要采集不同频率信号进行分析,以监测不同频率下低压电力线阻抗变化曲线。通过分析可知:低压电力线阻抗幅度随时间变化呈100 Hz/50 Hz 周期性变化趋势;过零点时段与非零点时段存在差异,有明显的峰谷。

低压电力线衰减特性分析同样利用波形发生器产生不同频率的正弦信号,在对应点搜集信号分析,以监测不同频率下低压电力线的衰减幅值变化。通过分析可知:低压电力线的信号衰减幅度不仅与传输距离相关,还存在100 Hz/50 Hz 周期性变化趋势,衰减最大一般出现在250 kHz 左右。

基于对电力线载波信道特性的研究,确定了交流市电电压过零时刻噪声强度低,阻抗稳定等特点。在基础理论研究的基础上,设计、开发了一种高可靠的低压电力线窄带载波通信芯片。该芯片实现了低压电力线通信网络与电力用户用电信息采集系统集中器直接互联,简化了系统结构、降低了系统成本、提高了系统稳定性。

1.2 数据采集方法设计

电力数据采集作为用电管理系统中重要环节,其数据采集方式的设计对抄表运营一体化管理有重要意义。电力数据的采集通过电表、集中器、采集器之间的信息交互完成[11]。其中:采集器负责收集用户用电信息,将电表的数据传递到集中器中完成数据交换;集中器用于对不同地区的电表信息进行收集和存储,与主站交换信息。电力数据采集系统可远程对用电用户进行信息收集以及预付费管理。

远程用电信息采集系统如图1 所示。

图1 远程用电信息采集系统框图Fig.1 Block diagram of remote electricity consumption information collection system

图1 中:采集器利用RS-485 总线采集用户电表的用电信息;集中器通过远传信道与计费系统相连,实现远程数据传输和采集模块化。新型采集器与集中器的应用解决了一家一户现场抄表方式的弊端,在节省成本的同时使数据采集周期更短,符合实际应用需要。

1.3 数据传输模式

在完成用电信息采集后,数据通过本地通信和远程通信两种通信方式实现传输[12]。本地通信在电表与采集器之间完成。根据用户通信的复杂程度,数据传输往往采用低压电力线载波、RS-485 总线等多种通信方式。

远程通信在集中器和主站之间完成。同地区的通信用户可选择专用通信传输网、光纤通信配电线路或公共虚拟网络等方式实现采集信息的传输。由于电力网络覆盖范围广、运行环境复杂,单一的通信方式无法适应各种环境下的抄表通信[13]。因此,必须考虑采用多种通信方式共存的数据传输模式。多种通信方式共存的数据传输模式可以互相弥补各自短板,最终形成异构的用电信息采集系统[14]。

2 面向对象主站参数下发功能设计

用电信息采集系统主站参数下发功能对集中器处理任务的能力要求较高。现有的参数下发技术由于主站与集中器、电表之间的协作存在矛盾[15-16],执行任务单一、应用局限。当主站下发多任务参数命令时,主站压力大,下发成功率低。远程费控功能如图2 所示。由图2 可知:主站与电表间信息交互以集中器为中介,系统主站命令下发到电表时,需经由集中器到电表[17]。当多任务同时执行时,系统主站依次下发命令,需各环节紧密配合,在得到执行结果后再下发下条命令,逐次执行。但当任务量超过一定数值时,主站调控能力下降,命令下发失败率增加。

图2 远程费控功能示意图Fig.2 Schematic diagram of remote fee control function

集中器透明任务突破了传统窄带载波通信技术透传、透抄的技术格局,将主站与电表之间的交互由同步方式优化为异步方式,由“采集主站主动”改为“集中器主动”[5],可提高通信效率、降低主站占用时间。任务下发采用优先级策略,对优先级较高的任务指令先执行,使各任务间的冲突性降低,既减小了主站任务堆积的压力,又提升了参数下发成功率。集中器透明任务传输如图3 所示。

图3 集中器透明任务传输示意图Fig.3 Schematic diagram of concentrator transparent task transmission

①主站批量下发命令到集中器,按任务优先级排列。

②集中器按优先级依次执行接收命令,存储任务执行状态。

③主站集中接收集中器中命令执行结果。

集中器透明任务传输技术优化了主站与电表间的交互方式,有效提高了通信效率,且采用任务优先级策略,不影响日常信息(如电表时钟、剩余金额等)的采集。其他电表参数修改均可按此方式执行,以提高工作效率。透明任务传输技术获取的信息具有实时、准确、可靠的特点,是一种效率高、利用率大、可覆盖电网侧和用户侧的全状态信息双向互动方案[18]。利用透明任务传输技术,可以为智能电网建设中的电价调整、远程抄表、系统安全监测等业务提供准确、可靠的指令下达传输服务。这对电网的智能信息化建设具有重大意义。

3 时钟管理模块设计

3.1 主站与终端对时设计

网络时间协议(network time protocol,NTP)如图4所示。

图4 NTP 示意图Fig.4 Schematic diagram of NTP

假设客户与服务器的时间差值为θ,网络传输往返延时为δ,则有:

在网络对称的情况下,网络传输往返时间δ=(T4-T1)-(T3-T2) ;在网络不对称的情况下,θ=。假设单程延时δ1和δ2与往返延时δ的关系为:

那么不对称延时与对称延时存在的偏差为:

终端与主站之间通过GPRS 网络对时。由于GPRS 网络的延时比有线网络要复杂一些,因此直接使用NTP 难以估计对时精度。根据NTP,如果能够对网络延时的不对称性系数k作出估计,则可以提高对时精度。直接计算网络不对称性k,所基于的假设是局部时间内网络的不对称性应该具有一致性。利用NTP 协议对终端时钟进行校正后,再次重复一次NTP过程,记录新的δ1、δ2。由于认为时钟已经校准,则δ1=T2-T1,δ2=T4-T3。在这里,可以对本次NTP 过程的相似性进行判断,即本次过程的总延时与上次过程应该接近。则可以根据δ1、δ2得出网络不对称性的估计值。具体算法如下。

①令di和li分别为发送和返回信息的时延,并设li=kdi、θ为时间偏差。在第一个NTP 同步中,有:

②在第二个NTP 同步中,有:

③式(5)和式(6)中共有4 个方程和4 个未知数,则:

④相应地,可以求得k的值:

利用上述算法,可实现主站与终端间的时钟同步。其优点是:只进行2 次NLP 同步,就能得到精度很高的时间偏差。

3.2 电表校时设计

对比广播校时、嵌入式安全控制操作模块(embedded secure access module,ESAM)点对点校时方法,本方案采用了广播校时、ESAM 点对点校时结合的方式。利用NTP 对终端时钟进行校正,并使用Q/GDW 1376.2—2013 中的方法延时相关广播通信时长,让预计终端广播校时时的信道延长,从而实现误差在1 s 以内的广播校时;针对部分时钟误差超过5 min的电表,进行ESAM 点对点校时。

由于通信链路的延时不可避免,精确对时方案中将对时命令中的时间增加一定的提前量,以抵消链路通信的延时。当提前量等于通信延时,即可达到精确对时的要求。

(1)通过广播进行校时。

电表只接收5 min 之内的广播校时报文。如果确保了终端的对时精度,则广播校时的安全性问题不再突出。Q/GDW 1376.2—2013 中制定了集中器可以向路由查询通信延时相关广播通信时长,可以用来让终端在广播校时的时候预计信道延时。

该方法的缺点是延迟时间的单位是s。如果要提高终端到电表之间的对时精度,则信道延时的单位应该为10 ms 或者100 ms。考虑延时时间的数据范围,这里可以把单位更改为0.1 s。终端在获取到信道延迟后,再考虑到本地通信延迟。终端把本地通信延迟补充到载波通道延迟中,以0.1 s 为单位,选择整秒时刻发出广播校时报文,则可以在电表处得到0.1 s 精度的校时报文。

(2)通过ESAM 对指定电表进行时钟更改。

对指定电表发校时报文(广播报文或者写时间报文),需要通过点对点通信方式。点对点载波通道的延时计算精度小于0.1 s。

目前,终端Q/GDW 1376.2—2013 中13H-F1 监控从节点中已经增加了通信延时相关性标志,可以利用这个特性进行校时报文的时间修正,延时单位是s。过程如下。

①集中器发送13H-F1 监控从节点报文,延时相关性标志置1。

②路由回复14H-F3 请求依通信延时修正通信数据,单位是s。

③集中器根据预计通信延时修改报文,向路由回复14H-F3。

④以上两个过程依据现场复杂性会出现重复。

⑤路由回复13H-F1,监控过程结束。

如果要将电表的对时精度提高到0.1 s,可以按照广播校时的修改方式进行修改,将延时时间单位精确到0.1 s,并考虑过程延时0.2 s 后选择时刻回复报文。

13H-F1 中规定的通信延时相关性标志中,定义了01H 为通信数据与延时相关。这里增加定义02H 为通信数据与延时相关,要求延时时间单位为0.1 s;增加14H-F4,请求依通信延时修正通信数据,预计延迟时间单位为0.1 s。通过ESAM 对指定电表进行时钟设置,使其不受电表时钟误差5 min 的限制,可有效处理时钟偏差较大的电表。

4 结论

本文基于低压电力线载波通信,设计了一套远程用电管理系统。

首先,对数据通信信道进行分析。本文确定低压电力线载波通信方式可实现稳定、可靠的数据通信,并由此设计了远程用电信息管理系统的数据采集方式和数据传输方式,建立起整体的系统架构。

其次,对主站参数下发功能进行分析。本文采用透明任务传输技术,解决了系统下发指令传输效率不高、准确率低等问题。采集主站和集中器异步通信的方式,减轻了采集主站压力,极大地提升了任务的执行效率;任务执行过程与日冻结数据采集机制相同,保证了任务执行成功率与日冻结数据采集成功率一致;同时,可以设置透明任务的优先级,保证优先采集日冻结数据,极大地提高了系统命令下发、信息管理的效率。

最后,将时钟管理技术纳入系统设计,建立主站、终端、电表之间的时钟校时方案。该方案在一定程度上将时钟偏差控制在1 s 内,有效提高了用电管理系统的合理性和可靠性,在精准的数据采集、电网质量监测、线损治理等方面具有参考价值。