艾寶物聯智能電網末端采集通信解決方案

1 背景與現狀分析

　　1.1 智能電網關鍵特征

　　1.1.1. 智能電網：分布式發電;雙向的電力流與信息流;遍布的傳感設施

圖1

　　1.1.2 智能電網的低壓末端區域

　　 (1)節點、終端數量多，分布廣，部署環境復雜;

　　l(2)業務種類繁多，需求各異，智能電網主要的新型業務都集中或起源于這個區域;

　　 (3)是“十三五”期間國家能源電力改革及建設相關政策重點關注的區域

　　國家能源局2015年9月公布《配電網建設改造行動計劃(2015—2020 年》2015-2020 年，配電網建設改造投資不低于2萬億元，其中2015年投資不低于3000億元，“十三五”期間累計投資不低于1.7萬億元。國家科技部2016年2月公布《國家重點研發計劃智能電網技術與裝備專項實施方案》重點研究多元用戶供需互動用電，重點突破城區用戶與電網供需友好互動系統，多元用戶互動的配用電系統關鍵技術研究與示范等。

　　1.2 政策背景：2015-2020 配網建設改造目標

　　2015年7月國家能源局印發《配電網建設改造行動計劃(2015-2020年)》，提出了十三五期間我國的配網建設目標：

　　表1

　　1.3 AMI：智能電網的核心組件

圖2

　　1.4 數據采集與通信技術是AMI 的基礎

圖3

　　隨著智能電網的發展，未來AMI系統在滿足基本抄表業務的基礎上，還需要擴展“全費控”、計算臺區線損、分布式能源系統并網監測、實時能效管理等業務，甚至還可能使電表終端成為智能家居的通信入口，實現電力需求側的雙向互動與響應。因此，AMI系統的通信技術將朝著更高帶寬、更低時延以及支持數據IP化，傳輸安全化，海量終端節點可管可控等方向發展，相關領域的科學研究與技術換代正方興未艾。

　　1.5 電網末端計量系統及其通信通道現狀

　　 相對于AMR，AMI對通信信道的要求更高，傳輸數據種類大大增多(包括電壓、電流、頻率、功率因數、諧波、電網運行狀態、設備工作狀態，電價信息，系統下發升級等)，帶來了更高的可靠性與吞吐量需求，同時，實時雙向需求側響應與互動需要實時的電價控制，對通信信道的時延也帶來了更高要求國內現有的以AMR為基礎的用電信息采集系統在通信指標上遠遠不能達AMI雙向信息流動的需求，尤其在節點終端數量多，分布廣，部署環境復雜的電網末端區域。

圖4

　　(1)目前，國內的AMR的主要通信通道均以FSK 窄帶電力線載波，基于zigbee的RF Mesh，RS485等為主，這是造成當前數據采集成功率低的主要原因。

　　(2)電網末端的數據采集與通信具有節點，終端數量多，分布廣，部署環境復雜等特點，相對來說，電力線載波PLC技術具有先天優勢。

　　2.1 電力線載波通信技術標準綜述

　　表2

　　2.2 電力線載波通信技術概述

　　(1)適用于智能電網末端采集與通信的主要PLC技術

　　表3

　　(2)傳統窄帶電力線載波在實際應用中遇到的問題

　　一是，傳輸速率低，時延高?？垢蓴_能力與自適應性較差

　　二是，近年來，投入運行的部分集采臺區(采用傳統FSK窄帶載波方案)出現采集成功率逐漸降低和大幅波動的現象，經廠家技術人員多次現場升級維護，仍然沒有明顯提升，因此，造成區域性集采成功率指標整體下降，電力公司運維成本大幅升高，阻礙了用電信息采集系統的推廣應用及后續業務的發展。

　　三是，無論是對現有集抄業務，還是未來新興業務，傳統窄帶FSK載波已難以勝任。

圖5 中國與歐洲典型的低壓電力線載波信道特征

　　3.1 G3-PLC技術

　　表4

圖6

　　3.2 G3-PLC示范應用案例：低壓本地通信(NAN)

　　中部某市低壓G3-PLC載波應用測試：掛表大樓共計17層，全部為小戶型，每層樓有16戶住戶;在2-17層設有表箱，32塊iMeter100智能電表分別安裝在2-17層的A,B兩相上，總計272 塊表，采用全載波組網方案。

圖7 小區配電示意圖

圖8

　　(1)相對于中壓及高壓側，低壓用電側更靠近用戶負載，噪聲時變性大，因此在抄通率指標上存在明顯的動態性

　　(2)以日凍結抄讀為指標，在本案例下G3-PLC可長時間穩定在98-99%左右，相對傳統FSK載波已有明顯提升。但對15分鐘凍結，實時電價，用戶需求響應等。AMI典型業務，以及后續的大帶寬電力增值業務，G3-PLC顯得依然力不從心。

　　3.3 G3-PLC亦可用于中壓遠程接入(WAN)

圖9

　　部分測試運行結果：吞吐率與輪詢時間

　　表5

　　表6

　　測試結果：

　　(1)負載高的時段下，線路底噪較大

　　(2)在負載低的時段下，將使用更高效率的編碼調制方式(自適應)

　　(3)設備在低頻段(A頻段)比高頻段(FCC頻段)具有更小的線路衰減，因而能傳輸更遠距離;

　　(4)在信噪比較好的情況下，設備可使用FCC頻段和D8PSK編碼方式，鏈路層速率可達170kbps 。

　　(5)輪詢時間、收包成功率能滿足主站召測數據的規范要求，并比傳統的載波設備有較大的提高(傳統FSK窄帶載波設備輪詢時間約為15s)。

　　4 新一代B-PLC技術及應用案例

　　4.1 新一代低壓寬帶PLC

　　國內高層小區典型用電設備噪聲頻域特性：2MHz以上是用于低壓本地通信理想的工作頻段。

　　表7

　　4.2 寬帶載波示范應用案例：低壓本地通信(NAN)

　　南方某市試點小區：

　　(1)典型老舊低層住宅小區，居民用電與商業用電混裝。臺區規模97戶，臺區半徑150米，走線為架空線，桿變，集中器安裝在變壓器下的配電箱中，電表箱安裝在各單元樓道里或者商鋪前。

　　(2)現場安裝的電能表為97規約電子表，通訊方式為RS485。原采集方案為半載波，采用FSK窄帶載波，抄通率(數據采集成功率)僅為30%左右。

圖10 現場實時自適應路由拓撲

　　(1)項目上線以來，日凍結抄讀成功率穩定在100%，已經穩定運行約1年。

　　(2)單次抄讀成功率基本穩定在98%以上，大部分情況在100%，對15分鐘凍結指標有明顯優勢

　　(3)在傳輸帶寬及并發抄讀技術的支持下，單表抄讀時延降到毫秒級(全載波)，對費控，實時電價等業務支持性較好。

　　5 新一代B-PLC的應用前景與當前問題

　　伴隨著寬帶電力線通信技術的發展，電力線載波在比特速率，傳輸時延，穩定性等指

　　標上不斷演進。而PLC 以其不需要額外布線的獨特優勢，將具有廣寬的應用前景，助推電力新興業務與增值服務的發展。

圖11

　　當前問題

　　(1)推動寬帶電力線載波技術標準化，實現互聯互通與互操作

　　(2)明確寬帶電力線載波的頻譜使用與分配問題，是否存在政策阻礙