艾宝物联智能电网末端采集通信解决方案

1 背景与现状分析

　　1.1 智能电网关键特征

　　1.1.1. 智能电网：分布式发电;双向的电力流与信息流;遍布的传感设施

图1

　　1.1.2 智能电网的低压末端区域

　　 (1)节点、终端数量多，分布广，部署环境复杂;

　　l(2)业务种类繁多，需求各异，智能电网主要的新型业务都集中或起源于这个区域;

　　 (3)是“十三五”期间国家能源电力改革及建设相关政策重点关注的区域

　　国家能源局2015年9月公布《配电网建设改造行动计划(2015—2020 年》2015-2020 年，配电网建设改造投资不低于2万亿元，其中2015年投资不低于3000亿元，“十三五”期间累计投资不低于1.7万亿元。国家科技部2016年2月公布《国家重点研发计划智能电网技术与装备专项实施方案》重点研究多元用户供需互动用电，重点突破城区用户与电网供需友好互动系统，多元用户互动的配用电系统关键技术研究与示范等。

　　1.2 政策背景：2015-2020 配网建设改造目标

　　2015年7月国家能源局印发《配电网建设改造行动计划(2015-2020年)》，提出了十三五期间我国的配网建设目标：

　　表1

　　1.3 AMI：智能电网的核心组件

图2

　　1.4 数据采集与通信技术是AMI 的基础

图3

　　随着智能电网的发展，未来AMI系统在满足基本抄表业务的基础上，还需要扩展“全费控”、计算台区线损、分布式能源系统并网监测、实时能效管理等业务，甚至还可能使电表终端成为智能家居的通信入口，实现电力需求侧的双向互动与响应。因此，AMI系统的通信技术将朝着更高带宽、更低时延以及支持数据IP化，传输安全化，海量终端节点可管可控等方向发展，相关领域的科学研究与技术换代正方兴未艾。

　　1.5 电网末端计量系统及其通信通道现状

　　 相对于AMR，AMI对通信信道的要求更高，传输数据种类大大增多(包括电压、电流、频率、功率因数、谐波、电网运行状态、设备工作状态，电价信息，系统下发升级等)，带来了更高的可靠性与吞吐量需求，同时，实时双向需求侧响应与互动需要实时的电价控制，对通信信道的时延也带来了更高要求国内现有的以AMR为基础的用电信息采集系统在通信指标上远远不能达AMI双向信息流动的需求，尤其在节点终端数量多，分布广，部署环境复杂的电网末端区域。

图4

　　(1)目前，国内的AMR的主要通信通道均以FSK 窄带电力线载波，基于zigbee的RF Mesh，RS485等为主，这是造成当前数据采集成功率低的主要原因。

　　(2)电网末端的数据采集与通信具有节点，终端数量多，分布广，部署环境复杂等特点，相对来说，电力线载波PLC技术具有先天优势。

　　2.1 电力线载波通信技术标准综述

　　表2

　　2.2 电力线载波通信技术概述

　　(1)适用于智能电网末端采集与通信的主要PLC技术

　　表3

　　(2)传统窄带电力线载波在实际应用中遇到的问题

　　一是，传输速率低，时延高。抗干扰能力与自适应性较差

　　二是，近年来，投入运行的部分集采台区(采用传统FSK窄带载波方案)出现采集成功率逐渐降低和大幅波动的现象，经厂家技术人员多次现场升级维护，仍然没有明显提升，因此，造成区域性集采成功率指标整体下降，电力公司运维成本大幅升高，阻碍了用电信息采集系统的推广应用及后续业务的发展。

　　三是，无论是对现有集抄业务，还是未来新兴业务，传统窄带FSK载波已难以胜任。

图5 中国与欧洲典型的低压电力线载波信道特征

　　3.1 G3-PLC技术

　　表4

图6

　　3.2 G3-PLC示范应用案例：低压本地通信(NAN)

　　中部某市低压G3-PLC载波应用测试：挂表大楼共计17层，全部为小户型，每层楼有16户住户;在2-17层设有表箱，32块iMeter100智能电表分别安装在2-17层的A,B两相上，总计272 块表，采用全载波组网方案。

图7 小区配电示意图

图8

　　(1)相对于中压及高压侧，低压用电侧更靠近用户负载，噪声时变性大，因此在抄通率指标上存在明显的动态性

　　(2)以日冻结抄读为指标，在本案例下G3-PLC可长时间稳定在98-99%左右，相对传统FSK载波已有明显提升。但对15分钟冻结，实时电价，用户需求响应等。AMI典型业务，以及后续的大带宽电力增值业务，G3-PLC显得依然力不从心。

　　3.3 G3-PLC亦可用于中压远程接入(WAN)

图9

　　部分测试运行结果：吞吐率与轮询时间

　　表5

　　表6

　　测试结果：

　　(1)负载高的时段下，线路底噪较大

　　(2)在负载低的时段下，将使用更高效率的编码调制方式(自适应)

　　(3)设备在低频段(A频段)比高频段(FCC频段)具有更小的线路衰减，因而能传输更远距离;

　　(4)在信噪比较好的情况下，设备可使用FCC频段和D8PSK编码方式，链路层速率可达170kbps 。

　　(5)轮询时间、收包成功率能满足主站召测数据的规范要求，并比传统的载波设备有较大的提高(传统FSK窄带载波设备轮询时间约为15s)。

　　4 新一代B-PLC技术及应用案例

　　4.1 新一代低压宽带PLC

　　国内高层小区典型用电设备噪声频域特性：2MHz以上是用于低压本地通信理想的工作频段。

　　表7

　　4.2 宽带载波示范应用案例：低压本地通信(NAN)

　　南方某市试点小区：

　　(1)典型老旧低层住宅小区，居民用电与商业用电混装。台区规模97户，台区半径150米，走线为架空线，杆变，集中器安装在变压器下的配电箱中，电表箱安装在各单元楼道里或者商铺前。

　　(2)现场安装的电能表为97规约电子表，通讯方式为RS485。原采集方案为半载波，采用FSK窄带载波，抄通率(数据采集成功率)仅为30%左右。

图10 现场实时自适应路由拓扑

　　(1)项目上线以来，日冻结抄读成功率稳定在100%，已经稳定运行约1年。

　　(2)单次抄读成功率基本稳定在98%以上，大部分情况在100%，对15分钟冻结指标有明显优势

　　(3)在传输带宽及并发抄读技术的支持下，单表抄读时延降到毫秒级(全载波)，对费控，实时电价等业务支持性较好。

　　5 新一代B-PLC的应用前景与当前问题

　　伴随着宽带电力线通信技术的发展，电力线载波在比特速率，传输时延，稳定性等指

　　标上不断演进。而PLC 以其不需要额外布线的独特优势，将具有广宽的应用前景，助推电力新兴业务与增值服务的发展。

图11

　　当前问题

　　(1)推动宽带电力线载波技术标准化，实现互联互通与互操作

　　(2)明确宽带电力线载波的频谱使用与分配问题，是否存在政策阻碍