智能费控电能表光纤通信单元的研制及应用

董永乐，李 轩，王坤涵，吴佳伟

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.国家电网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，呼和浩特 010010；3.波特兰州立大学，美国 波特兰 97201）

0 引言

内蒙古电力（集团）有限责任公司“十三五”发展规划要求进一步推进智能电网高级量测体系建设，助推通信技术与计量技术深度融合，促进电能计量新技术的应用，以多样化的数据采集、传输方式提高用户远程抄表、缴费成功率，提升客户服务质量[1-5]。本文针对现有采集模式存在的不足，以光纤高速数据传输为目标，研发智能费控电能表光纤通信单元，探索“互联网+智能量测”的先进模式[6-14]。

1 智能费控电能表光纤通信单元结构及工作原理

1.1 光纤通信单元结构

光纤通信单元外形尺寸为111.9 mm（长）×96.2 mm（宽）×61.4 mm（高），内部结构见图1。智能费控电能表光纤通信单元从电能表进线火线和零线上取电，再通过电源模块（型号：AP05N05-Zero）转变为12 V/5 W，作为模块正常工作所需电源；单元与电能表电路仅通过通信端口连接，并联到电能表进线段，不参与负载回路，不影响电能表计量准确度。智能费控电能表光纤通信单元主控芯片遵循DL/T 645—2007《通信规约协议》[15]，通过电能表通信接口、光纤接口处理器，将数据信息传输到系统主站，从而实现光纤抄表。

图1 智能费控电能表光纤通信单元结构

1.2 光电转换器

智能费控电能表光纤通信单元光电转换器可以实现电信号和光信号的双向转换。光电转换器基于HI5663H芯片实现光电转换，HI5663H长期工作结温最低值-30℃，最高值105℃，短期结温最高值125℃（任何条件下芯片结温都不能高于该数值，否则会引起芯片物理损伤）。

1.3 技术路线

智能费控电能表光纤通信单元从串行通信接口读取上报信息，再将此信息转换为以太网格式，通过光纤通道直接回传到控制中心服务器。

1.4 测试原理

1.4.1 发送光功率

1.4.1.1 软件命令

将Slope、offset和AD值转换为真实数单位值uW和dbm，写入slope、offset和读取AD值的接口命令，自动测试系统抓取监控值的接口命令。

1.4.1.2 工作原理

通过命令调节APCSET_DAC和AUTO_ER_CTRL值，调试到最佳光眼图，记录当前APCSET_DAC。调节APCSET_DAC，用光功率计读出不同Tx_PWR值，用命令行读出对应的AD值，代入计算公式计算出slope和offset，用命令行写入这两个数值，比对光功率计读值和命令行读出的发送光功率是否在误差范围内。如果正常，再将APCSET_DAC改回APC_DACO。

1.4.2 接收光功率

1.4.2.1 软件命令

将RX_PWR（slope C2，C1，offset C0）或RX_PWR4、RX_PWR3、RX_PWR2、RX_PWR1、RX_PWR0和AD值转换为真实单位uW和dbm，写入RX_PWR4、RX_PWR3、RX_PWR2、RX_PWR1、RX_PWR0和读取AD值的接口命令，自动测试系统抓取监控值的接口命令。

1.4.2.2 工作原理

将光功率计接在RX方向末端（DUT处），误码仪发码型调节可调光衰，记录不同光衰值和对应的接收光功率值RX_PWR（主要补偿线损和插损，毎个组网环境只需测1次）；然后去除光功率计，RX方向末端接DUT，调节可调光衰（之前记录的至少5组值），读取相应AD值，将AD值和相应RX_PWR值代入公式，计算出RX_PWR（slope C2，slope C1，off⁃set C0）或RX_PWR4、RX_PWR3、RX_PWR2、RX_PWR1、RX_PWR0，并用命令写入。调节光衰，比对不同光衰值对应RX_PWR和命令行读出的接收光功率是否在误差范围内。

1.5 散热措施

1.5.1 设置通风口

通风口位置对准发热器件，通过壳内外空气对流将热量传到周围空气中。为了提高对流散热效果，通风口进出口开在温差最大两处，位置一选择在外置壳下方，位置二选择在热源HI5663H上方。冷空气从外置壳下方进入，从HI5663H芯片上方流出，空气流动带走热量，达到降温目的。

1.5.2 设置散热孔

通过设置散热孔，使电路工作时产生的热量能通过孔迅速传至背面设置的铜箔散发掉。

2 新型电能信息采集传输与管理系统

2.1 系统实物结构

确定智能费控网络电能表光纤通信单元的技术指标后，研发了智能费控网络电能表光纤通信单元实物样品（如图2所示）。该光纤通信单元既能实现光纤抄表，又能实现家庭内任意电力插座自由上网。

图2 智能费控网络光纤通信单元实物样品

2.2 系统功能特点

基于智能费控网络电能表光纤通信单元可以构建新型电能信息采集、传输与管理系统。与传统智能电能表采集架构方案相比，新式数据采集架构方案增加了光纤接入与光电转换模块、千兆以太网交换机模块、高速电力线载波数据模块和相关接口模块。新式数据采集思路是通过光电转换器将光信号转变为可处理的电信号，经过以太网交换机模块将一路以太网变为两路以太网。一路光信号通过串口模块进行采集数据交互，将数据通过光纤通信单元光纤传输到系统主站。另一路光信号通过高速电力线载波数据模块转变为电信号，经过入户电力线进入家中，用户可在家庭内任意220 V/380 V电力插座上网，新型系统结构示意图见图3。

图3 新型电能信息采集传输与管理系统结示意图

新型电能信息采集传输与管理系统核心功能架构（见图4）由资源配置中心、采集任务负载调度、电能表智能发现模块、电能表统一管理中心、实时检测系统、数据规约协议、异常处理模块组成，支撑电能信息采集、传输与管理系统高并发可视化的数据采集存储任务。

图4 新型电能信息采集、传输与管理系统核心功能架构

数据前置机由数据实时分布式采集、资源协调服务中心、数据存储三层架构组成。数据实时分布式采集配置项负责新型电能信息采集、传输与管理系统按照DL/T 645—2007规约[15]进行数据信息实时交互。资源协调服务中心配置项负责新型系统统一配置和管理，调控服务终端，实现负载均衡功能，保证电力数据信息采集正常高效运行。数据存储配置项负责汇总、同步、分析及处理电力数据。

3 现场应用数据分析

3.1 现场试挂项目

为测试智能费控电能表光纤通信单元现场实际运行情况，选择某市供电局一个台区进行了现场应用测试。现场测试期间，利用智能费控电能表光纤通信单元开展了数据召测和费控功能测试项目，如表1所示。数据召测共计28项，其中实时不加密数据12项、实时加密数据14项、日冻结数据2项。

表1 智能费控电能表光纤通信单元数据召测测试项目

费控功能测试预付费任务数据共计7项，分别为远程开户、远程充值、结算日设置、电价设置、计费模式、阶梯电量、保电模式。

3.2 现场应用结果分析

经过一个月的现场应用测试（测试中剔除因网络波动与系统未优化发生的异常情况），智能费控网络光纤通信模块抄收率达到100%，数据准确率100%，系统整体运行稳定、状态良好。测试结果表明，智能费控电能表光纤通信单元在电能计量、光纤抄表等方面技术性能优良，满足国家电力行业、通信运营商相关技术标准的要求。

现场居民台区实际应用时，公变终端与居民表之间主要通过低压窄带载波、HPLC模块完成数据采集。为更好地体现智能费控电能表光纤通信单元的优越性，将光纤通信与低压窄带载波模块、HPLC模块传输数据耗时进行对比，如表2所示。

表2 不同通信方式传输数据耗时对比

从表2可看出，与其他通信方式相比，智能费控电能表光纤通信单元大大提高了数据通信速率，与低压窄带载波模块相比至少提高80%，与HPLC模块相比至少提高50%。另外，智能费控电能表光纤通信单元还能降低对现有用电信息采集设备的依赖和维护，便于采集海量的电力营销大数据，实现用户电力需求分析和台区负荷预测，利用人工智能算法，直观、量化地反映电力消费市场的当前状态和发展趋势，为电力公司进行电力资源调度、需求侧管理等提供辅助决策参考。

4 结语

本文研发的智能费控电能表光纤通信单元是在不改变原电能表的计量功能和外观的前提下，基于光纤传输的用电信息采集与上传和运营商光纤宽带接入功能的模块。该光纤通信单元充分利用运营商铺设的光纤城域网进行抄表信息传输，提高了抄表成功率以及通信速率，并降低了对现有用电信息采集设备的依赖和维护。除此之外，基于该智能费控电能表光纤通信单元搭建的电能量信息采集与监控平台大大提高了信息数据采集的实时性、充分性和全面性，为构建用电信息大数据统计打下良好基础。智能费控电能表光纤通信单元通信方式的优越性，使其具有很高的推广应用价值。