能源数据采集系统中电力载波通信技术的应用

王 荣

（国网陕西省电力有限公司吴起县供电分公司，陕西 延安 717600）

0 引 言

能源数据的采集是能源管理的基础，通过对比分析供能端和用能端的数据，可以实现供需平衡，节能增效，促进能源的高效利用。具体来说，通过能源数据的采集可以了解能源的生产、转换、存储、输送及终端消费的全过程，揭示能源流向和损耗环节[1]。例如，电力系统通过采集发电厂、变电站、输电线路等端点的数据，能够监测电力流动和电量损耗。对比分析供能端和用能端的数据可以找出供需缺口，指导并调整能源供给，实现供需平衡。

1 电力载波通信技术的特点

电力载波通信技术利用电力线作为信号传输媒介，在电力线上叠加高频信号进行通信。这种技术最大的优势在于可以共享电力线这一现有的网络资源，无须另建通信网络，大大节约了基础设施建设成本。同时，电力线网络已经覆盖每一个用户，并进入户内，覆盖面广，可以提供宽带接入服务，促进信息服务普及和网络信息化[2]。

2 能源数据采集系统中电力载波通信技术应用的相关内容

2.1 能源数据采集系统的功能需求

文章以A工厂项目为例，分析了能源数据采集系统在能源管理平台中的重要作用，以及该项目的数据采集系统存在的问题和改造需求。为确保能源数据采集系统的数据存储和处理能力，系统选用了NF8480M5数据库服务器。该服务器配置了双600 GB SAS硬盘，提供海量数据存储空间，并采用128 GB内存和英特尔至强处理器，支持数据虚拟化应用，降低通信延迟，能够为存储和处理大量能源数据提供坚实基础[3]。

2.2 能源数据采集系统的电力载波通信技术应用方案

电力载波通信方案的网络拓扑结构如图1所示，具体实施方案如下。首先，将所有的计量仪表换成有RS-485通信口且能用Modbus RTU协议通信的仪表。其次，每个仪表（单一三相电度表、无源直读冷/热水表、电磁流量计、燃气表以及热能表等）都要连接一个数据采集终端，数据采集终端通过低压电力线将数据信号发到400 V的配电网上。再次，每个变压器下会配置一个对应的数据集中器。因为电力载波信号无法跨变压器进行传输，所以在同一变压器管辖区域内，数据采集终端会将仪表信息采集后通过低压电力线集中上传到数据集中器。数据集中器通过有线网络将数据信息上传给系统进行集中监视。最后，配置好的上位机操作系统通过以太网与数据集中器实现通信，后台与分散控制系统（Distributed Control System，DCS）通信实现能源数据集中上传。

图1 能源数据采集系统中的电力载波网络拓扑结构

整个系统分为3部分。一是数据采集端，包括电表、采集器、集中器、低压电力线组成的电力载波传输网络，以及集中器、以太网、前置处理机组成的实时数据处理系统。二是局域网，包括数据采集端与核心服务器组之间的数据交换载体。三是核心服务器，包括数据缓冲服务器、数据库服务器等。

2.3 能源数据采集系统中电力载波通信技术的具体应用

2.3.1 基于电力载波通信技术的数据传输通信协议设计

能源数据的采集质量直接影响后续的能源管理和分析。为提高A工厂能源数据采集的效果和稳定性，从通信方式和设备选型2个方面进行优化。在通信方式上，系统采用电力载波通信技术，利用工厂现有的电力线作为通信介质，具有建设成本低、抗干扰性强的优点。A工厂系统的实践表明，利用电力载波通信技术结合标准化总线协议，加上对服务器等核心设备的精心选配，可以大幅提升整个系统的数据采集质量和运行稳定性，为后续的能源管理和优化决策提供坚实的数据支撑。能源数据采集过程中经常会出现校验码传输错误与系统运行不稳定等情况，可采用有线与无线多种不同的运行方式，同时借助电力载波通信技术来改善数据采集效果。

考虑通用性和兼容性，系统采用了行业标准的RS-485总线和Modbus协议。通过RS-232串口，仪表设备作为发送端将采集的数据发送至数据集成设备，集成设备作为接收端对数据进行解码和处理[4]。典型的传输格式包含同步头、功能码、数据长度以及用户数据等字段。数据内容需要修改时，可以通过调整功能码来实现对采集参数的重新配置。总体来说，标准化的通信协议和接口设计与灵活的传输格式使得系统可以高效稳定地完成数据的自动采集和传输，为后续的集中分析与处理提供重要保障。在此基础上，利用Modbus协议方案对数据进行重新修改，在系统的传输端中完成字符间隔的有效停顿处理。设备获取能源数据后，解码所有字节，并根据解码结果确定发送地址。循环冗余校核（Cyclic Redundancy Check，CRC）低字节、高字节、具体数据内容、数据的实际字节数量、功能类编码以及设备地址信息是传输格式的基本构成要素。运用无线网络来获取数据，依靠载波通信技术实施上传处理，转换数据格式，使其保持统一，校验数据的正确性，依照读取的字节来确定能源参数，最后向数据集装置中传送能源数据，完成能源数据的采集任务。数据传输通信协议格式的构成要素如表1所示。

表1 能源数据传输通信协议格式的构成要素

在通信节点方面，选择支持无线网规范的无线采集模块，可构建自组网的Mesh网络，扩展方便。考虑无线信道稳定性，数据传输协议采用了简化的应用层协议，仅传输关键的数据字节。为便于设备的数据解析，在上传前转换为统一的标准格式，并在数据包中设置校验字段，确保数据一致性。接收端根据数据包长度判别参数类型，根据预设采集列表分析字节内容解析出不同的能源参数。通过节点选型、传输协议、格式转换和校验设计，该无线采集系统实现了高效可靠的数据连接，为能源管理提供了有力支持。

2.3.2 能源数据采集时序及转换设计

在能源数据采集系统中，为获得高质量的通信信号，系统对信号进行了以下处理：通过耦合电路、滤波器和限幅器选择出中心频率的载波扩频信号；将处理后的载波信号输入载波芯片的SIGIN端口；载波芯片内部对输入信号进行解扩处理；通过选频滤波、限幅和解扩技术，可以有效提高通信信号质量，提升数据接收的正确率和可靠性，为能源数据的精确采集提供保障。具体流程如图2所示。

图2 信号解扩处理流程

系统通过配置无线网，采用无线模块采集现场设备数据，然后利用电力载波技术在电力线上传输无线采集的数据到采集站。考虑后续处理需求，在上传前将数据格式统一转换，并增加校验码以确保完整性[5]。采集站在接收到各类数据后进行解析提取、参数计算等处理，最终发送处理后的数据到中央服务器，完成采集任务。在这个过程中，无线采集、电力载波传输等通信技术以及格式转换、数据校验、参数计算等数据处理技术的运用，共同实现了对能源设备分布式数据的高效采集，为后续统计分析和决策提供了基础数据支持。

3 结 论

相比于有线通信和无线通信方案，电力载波通信技术方案的施工难度较低，后期维护难度小，且通信效果稳定，因此更适用于具有分布式特点的能源数据采集项目。文章着重探究了能源数据采集系统中的电力载波通信技术应用，总结了能源数据采集系统的功能需求，并设计出电力载波通信方案的网络拓扑结构，分析了能源数据采集系统中电力载波通信技术的具体应用。在能源数据采集系统中应用电力载波通信技术能更方便地增加能源监测点，也就是在电网上加一个采集模块就可以上传数据，一个集中器能够支持上万个采集点。总之，电力载波通信技术是一种高效可靠的能源数据采集传输技术，可以提高系统通信效益。但是，在能源数据采集系统中应用电力载波通信技术时应注重噪声干扰和信号衰减等问题。