低压电力线载波通信技术在用电信息采集系统中的应用.pdf

第 4 7 卷第 7 A期 2 0 1 0年 7月 电测与仪表 El L w i ad n e a s u r e m e n t I ns t r u m e n t at i on Vo 1 4 7 No7 A J u 1 2 0 1 0 低压电力线载波通信技术在用电信息采集系统中的应用 徐伟 ， 王斌 ， 姜元建 ( 南瑞集团信 息通信技术分公司， 南京 2 1 1 1 0 0 ) 摘要： 在智能电网的用电信息采集系统建设中， 将应用多种通信技术。其中采集设备的下行通信主要采用低压 电力线载波方式， 它利用电力线进行数据传输， 实现方便， 覆盖范围广， 没有铺设线路和运行的成本。本文介绍 了低压电力线载波的通信原理和技术发展状况， 以及如何在采集系统中组网等。 低压电力线载波通信技术将在 用电信息采集系统中发挥重要作用， 具有广阔的应用前景。 关键词： 智能电网； 用电信息采集系统； 电力线载波； 载波路由技术 中图分类号 ： T M6 4 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 0 ) 7 A一 0 0 4 4 0 4 P o we r Li n e Ca r r i e r Co mmu n i c a t i o n Te c h n o l o g y a n d i t s Ap p l i c a t i o n s i n El e c t r i c En e r g y Da t a Ac q u i s i t i o n S y s t e m X U We i ， WA N G B i n ， J I AN G Y u a n - j i a n ( N A R I G r o u p C o r p o r a t i o n ， N a n j i n g2 1 1 1 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e p a p e r i n t r o d u c e s p o we r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n d i t s a p p l i c a t i o n s i n e l e c t r i c e n e r gy d a t a Ac q u i s i t i o n s y s t e m T h i s t e c h n o l o gy ma k e s f u l l u s e o f l o w v o l t a g e p o we r l i n e s and i t s e q u e n c y r e s o u r c e s ， t h u s i t w i l l p l a y a n i mp o r t a n t r o l e i n e l e c t r i c e n e r gy d a t a a c q u i r e s y s t e m Ke y wo r d s ： s ma r t d ， e l e c t r i c e n e r gy d a t a a c q u i r e s y s t e m， p o w e r l i n e c a r r i e r , c a r r i e r r o u ti n g 0引 言 电力用户用电信息采集系统是智能电网的重要 组成部分， 也是智能用电服务环节的技术基础， 它的 建设符合国际电网技术发展的方向， 建设的目标是实 现电力系统的用户全覆盖、 信息全采集、 全面支持预 付费， 将能够有效提高电能计量、 自动抄表等营销业 务处理自 动化程度 ， 提高营销管理整体水平。 主 站 通 信 信 道 采 集 设 备 f 辛 低 压 采 集 器 I I I I 醣百 百 用电信息采集系统负责电力用户的数据采集、 本 地监测、 远程控制等， 图l 为一个典型的用电信息采集 系统的逻辑架构图， 该系统可以分为四层 ， 包括主站 层、 通信信道层、 采集设备层和计量设备层【” 。采集设 备对计量设备下行通信来抄读用户数据， 再利用多种 通信信道进行上行通信 ， 将数据传送给主站， 主站营 销系统为 “ S G 1 8 6 ” 系统 ， “ S G1 8 6 ” 将建 成“ 纵 向贯通 、 横向集成” 的一体化企业级信息集成平台， 实现国家 电网公司上下信息畅通和数据共享。 低压电力线载波通信作为采集设备的主要下行 通信方式被广泛应用， 本文介绍了低压电力线载波技 术的特点， 分析了低压电力线载波的通信原理和技术 发展状况， 以及如何在采集系统中组网。 1 低压电力线载波技术概述 低压电力线载波是利用电力线进行通信的方式， 它的覆盖范围广泛， 只要有电力线的地方即可进行通 信， 没有铺设通信线路的成本， 实施简单， 普及方便 ， 也不存在运行成本，充分利用了电力线路和频率资 源。 然而， 低压配电网存在信号衰减大、 线路阻抗实时 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 7卷第 7 A期 2 0 1 0年 7月 电测与仪表 EJ e c t r i c a l M e a s ur e me n t n s t r u l l e nt a t i o n VO I 4 7 No 7 A j , a 2O 1 O 变化、 噪声干扰强等诸多不利因素， 是一个通信环境 非常恶劣的通信信道 ，如何实现稳定可靠的数据传 输， 仍然是一个值得关注的课题翻 。 电力线载波通信技术 目前分为窄带载波和宽带 载波两种， 目 前在低压抄表系统中一般均采用的是窄 带载波技术 。低压窄带载波通信 的载波频率 5 0 0 k H z ， 行业标准D L T 6 9 8 中规定了载波信号的频率 范围为3 5 0 0 k H z ，优先选用电力部门专用频带9 9 5 k H z 。通信速率一般为几百b p s 至几k b p s 。 载波调制方式一般有多种 ， fl A S K 、 P S K 、 F S K ， 还 可采用多种高速数字信号处理技术来提高通信性能， 如直序扩频、 过零传输、 多载波调制等。 由于低压配电 网的通信环境非常恶劣，载波通信时物理层性能有 限， 因此必须采用路由机制来提高通信的成功率。目 前各个载波厂家的载波调制技术、 载波频率、 路由协 议各不相同， 无法实现互联互通。 2 低压电力线载波通信原理 2 1 载波调制技术 载波调制的基本原理是： 在发送数据时， 先将数 据调制为高频信号，经功率放大后耦合到电力线上， 由电力线路传输给接收方， 接收端再通过耦合电路将 高频信号接收， 经过解调电路还原为数字信号跚 。 目 前 载波调制时采用的主要技术如下 ： ( 1 ) F S K ( F r e q u e n c y s h if t k e y i n g ) ： 频移键控， 是利 用不同的频率来表示信号的0 或1 。 F S K 是载波技术中 最早应用的一种调制方式 ， 它由于调制简单， 无需复 杂的锁相与载波同步，对硬件和软件资源要求较小， 而获得了广泛的应用。 它的突出缺点是对抗噪声的能 力不够强。 ( 2 ) P s K ( P h 鹊 e s h if t k e y in g ) ： 相移键控， 采用固定 的载波频率， 通过改变载波的相位来传送0 或1 。P S K 具有很好的抗干扰性， 在有衰落的信道中也能获得较 好的通信效果， 缺点是相干解调实现复杂， 而且用于 载波同步的锁相环本身对噪声干扰有一定容限。 ( 3 ) D S S S ( D i r e c t s e q u e n c e s p r e a d s p e c t r u m) ： 直 接 序列扩频， 利用具有高码率的扩频码序列扩展信号的 频谱和进行解码， 该技术能带来较大程度的信噪比改 善。 ( 4 ) 过零传输技术 ： 利用电网在电压过零前后 1 6 6 7 m s 内阻抗最大且稳定干扰小的特点，在电压过 零点前后发送载波信号。 该技术的缺点是需要实时检 测过零点且信号无法全周波发送。 ( 5 ) O F D M ( O r t h o g o n a l e q u e n c y d i v i s i o n m u lt i p l e x i n g ) ： 正交频分复用 ， 它将信道分为若干个正 交子信道，将高速数据转换为并行的低速子数据流， 调制到每个子信道上进行传输。0 F D M 具有较强的抗 干扰能力和较高的通信速率， 可利用带宽内的多个频 点进行通信。 2 2 载波路 由技术 由于载波通信的物理层性能有限， 点对点传输距 离短， 因此需要引入中继和路由技术来提高载波通信 能力嗍 。路由技术的好坏决定了抄表系统的通信成功 率高低， 载波路由技术的发展一般可分为三个阶段： 第一阶段 ， 采用静态路由方式， 是指人工根据现 场情况， 采用固定中继的方式 ， 在集中器中预先设置 某些载波点作为固定的中继器， 指定路径来进行载波 通信。 这种方式需要预先分析现场载波点分布情况及 信道质量， 工作量巨大， 另外， 指定的中继点无法自动 修改， 不能适应电力线环境的动态变化。该方式由于 存在种种不足， 目前已经很少使用。 第二阶段， 采用集中式动态路由方式， 是指集中 器根据通信情况 自动分析路由线路， 并动态更改中继 点的路由方式。在这种方式中集中器作为主节点， 其 它载波点作为从节点，集中器发起通信路径搜索， 建 立起路由表 ， 并动态更新及维护路径 ， 整个过程均由 集中器来完成， 而从节点只是按主节点的要求接收和 转发数据。这种方式建立起路由表需要很长的时间， 更新路由表速度缓慢，影响了通信成功率和实时性。 该技术 目前在载波产品中仍然占主导地位。 第三阶段 ，采用 了分布式动态路 由方式 ， 如 L o n w o r k s 网络， 将集中器和各个载波点看作是对等的 通信点 ， 每个节点均可以搜索路径和转发数据， 各个 载波点可以主动上报给集中器信息， 因此路由表的建 立和更新只需要很短的时间， 网络动态组网， 中继点 实时变化， 能适应电力线路的动态变化， 从而大大提 高了通信成功率。该技术 目 前有少数厂家采用， 应用 范围还不够广泛， 但它是未来载波路由技术的发展方 向。 3 载波模块设计与厂家技术比较 目前 ， 市场上已有多个厂家设计和生产低压电力 线载波通信模块， 各家的载波通信原理和路由技术均 有所不同， 但如图2 所示， 载波模块主要都包括以下几 个部分 ： ( 1 ) 信号耦合电路。将发送信号耦合到电力线路 上， 或从电力线上接收信号， 并使强电与弱电部分隔 离； ( 2 ) 带通滤波电路。用于滤除有效信号的频带外 干扰： 一 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 7卷第 7 A期 2 0 1 0年 7月 电测与仪表 E l e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I ns t r u me nt a t i o n Vo 1 4 7 No 7 A J u 1 2 0 1 0 载 路 波 由 处 处 理 理 芯 芯 片 片 图2载波模块原理框 图 F i g 2 F u n d a me n t a l d i a g r a m o f c a r ti e r mo d u l e ( 3 ) 信号发送电路。将待发送的信号放大到合适 的功率； ( 4 ) 载波处理芯片。 用于调制和解调信号， 并对数 据帧做进一步处理， 如通信帧识别转发； ( 5 ) 路由处理芯片。 用于管理和维护路由信息， 在 集中式路由中只有主模块需要， 分布式路由中主从模 块都需要。 表1载波模块厂 家技术比较 T a b 1 T e c h n i c a l c o mp a ris o n o f v a ri o u s c a r r i e r mo d u l e ma n u f a c t u r e r s 表1 为目前主要的几个低压电力线载波模块厂家 的技术比较表， 可以看出， 他们采用的调制技术和路 由技术各有特色，为方便用户进行模块级更换 ， 在 Q G D W 3 7 5 2 2 0 0 9 电力用户用电信息采集系统型 式规范： 集中器型式规范 等规范中， 规定了载波模块 的外形尺寸和接口定义， 实现了各厂家模块功能和接 口的统一， 未来将可能实现各厂家模块的互联互通。 4 低压电力线载波组网方案 载波抄表系统一般由集中器、 采集器和电能表组 成，电能表可以为载波电能表或普通R S 4 8 5 电能表， 载波电能表可以通过电力线载波直接与集中器通信， 而R S 4 8 5 电能表的数据需要先经过采集器进行有线 采集， 再通过电力线载波传输给集中器， 如图3 所示。 由图3 可以看出，组网时集中器一般安装在变压 器二次侧附近， 为三相供电， 而采集器和载波电表安 装在用户处，为变压器输出三相中的某一相供电， 可 以是A 、 B 、 C 中的任一相。在通信时， 集中器发起抄读 命令 ， 采集器或载波电表进行响应 ， 通过电力线将数 据传送给集中器，集中器进行规约解析后保存数据， 通信规约为D D T 6 9 8 4 2 或D IJ T 6 4 5 。 - 4 6- 在集中器、 采集器和载波电表的设计中， 载波通 信模块为其中的重要部分，一般都采用专用模块， 采 集器和载波电表中的从载波模块一般为单相通信， 而 集中器中的主载波模块利用三相进行通信， 在通信时 需要对三相同时发出数据帧， 由于通信采用半双工问 答方式 ， 同一时刻只有某一相上对应地址的从模块响 应。 低压电力线载波通信技术适用于电能表位置较 分散、 布线较困难、 用电负载特性变化较小的台区， 例 如城乡公变台区供电区域、 别墅区、 城市公寓小区， 可 以方便地将电力通信网络延伸到低压用户侧， 实现对 用户电表的数据采集和控制， 适应性强。但电力线存 在信号衰减大、 噪声源多且干扰强、 受负载特性影响 大等问题，对通信的可靠性形成一定的技术障碍， 具 体应用时需要软、 硬件技术结合完成组网优化阁 。 RS 4 8 5电能表 载波 电能表 图3载波通信组 网方案 F i g 3 A n e t wo r k i n g s c h e me b a s e d o n P L C 5 结束语 本文介绍了低压电力线载波通信技术以及它在 用电信息采集系统中的应用， 低压电力线网络因其覆 盖面广 ， 线路零成本， 以及电源与通信介质统一的性 质 ，使得低压 电力线载波技术获得 了广泛的关注， 在 用电信息采集系统中被列为下行通信的主要方式。 但 是目前的低压电力线载波技术仍然存在着很多不足， 在通信线路干扰严重时通信成功率无法保证， 通信速 率也比较低， 因此还需要更深入的研究和更大的技术 突破， 低压电力线载波通信的应用前景必然是非常美 好的。 参 考 文 献 1 1 Q G D W 3 7 8 3 2 0 0 9 ， 电力用户用电信息采集系统设计导则 ： 技术方 案设计导则 S 2 】2李楠，屈百达 基于电力线载波与G P R S 相结合的远程抄表系统J 】 电测与仪表， 2 0 0 7 ， 4 4 ( 9 ) L I N a n , Q U B a i d a D e s i g n o f r e mo t e d a t a e o U e e t i o n s y s t e m b a s e d o n P L C a n d G P R S 叨 Me a s u r e m e n t I n s t r u me n t a ti o n ， 2 0 0 7 ， 4 4 ( 9 ) 3 】 孙海翠， 张金波 低压电力线载波通信技术研究与应用叨 电测与仪 表， 2 0 0 6 ， 4 3 ( 8 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 7卷第 7 A期 2 0 1 0年 7月 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t I ns t r u m e n t at i o n 试 们 No J m 2 0 1 0 S UN Ha i _ c u i ZHANG J j n beT h e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f t h e l o w v o l t a g e p o w e r l i n e 8i T i e r c o mmu n i c a t i o n 叨E l e c t r i c a l Me a s u r e m e n t I n s f u me n t a t i o n ， 2 0 0 6 ， 4 3 ( 8 ) 4 】 刘柱， 汪晓岩， 蔡世龙 低压电力线载波通信组网方法叨 电力系统 通信， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 1 2 ) L I U Z h u，WANG Xi a o - y a n ，CA S h i - l o n g Me t h o d o f l o w-v o l t a g e P LC n e t w o r k i n J T e l e c o mm u n i c a t i o n s f o r E l e c t r i cP o w e r S y s t e m， 2 0 0 9 ， 3 0(1 2 ) 【 5 】 Q G D W 3 7 4 3 2 0 0 9 ， 电力用户用电信息采集系统技术规范： 通信单 元技术规范 s L 作者简介： ( 上接第 3 1页 ) 及业务模型， 建立 A M I 系统初步设计和建设方案； ( 2 ) 根据 A M I 系统的功能要求， 提高 A M R系统 中智能电能表及采集终端的智能化水平， 并加快制定 智能电能表及采集终端的功能规范和通信协议 ； ( 3 ) 推广建设 A M R中， 考虑到发展 A M I 系统对 A M R系统组网和通信能力的更高要求， 配置 A M R通 信网络资源时以满足系统需求为出发点， 同时要综合 考虑今后发展 A M I 系统对通信 网络资源扩容的要 求 。 6 结束语 本文在总结 A M I 的概念、 作用、 国内外研究进展 及与 A MR技术 区别 的基础上 ， 重点论述 了 A MI 的四 大关键技术， 提出了在中国开展 A M I 的建议。 需要进 一 步研究的方向包括： ( 1 ) 开展智能电能表、 智能显示终端、 智能插座、 智能用电管理设备等 A M I 设备的关键技术研究； ( 2 ) 开展 A M I 组网方式和通信技术的研究。 整个 A M I 系统中最关键的技术就是通信系统的解决方案， 它是整个系统正常、 可靠运转的基本保障， 要确保整 个系统各设备之间双向通信的实现； ( 3 ) 开展用户家庭网络的关键技术研究， 促进用 户参与需求响应和电力市场。 参 考 文 献 【 l 】 A n o n A d v a n c e d Me t e ri n g I n f r a s t r u c t u r e P u b I D： R R I N 1 7 6 2 4 6 4 【 R 】 I S 1 】 ： R e s e a r c h R e p o r t s I n t e rna t i o n a1 2 0 0 7 2 】 许晓慧 智能电网导i E M J 中国电力出版社， 2 0 0 9 9 【 3 A n o n P C , &E ， S C E ， 【 2 0 0 8 -1 2 - 0 1 h t t p ： w w w S D G &E AMI B u s i n e s s C a s e s E B O L 【 4 】 A n o n U S E n e r g y P o U e y A c t( E P A e t ) o f 2 0 0 5 F E B O L 【 2 0 0 8 - 1 2 - 0 1 h t t p ： www e n e r g y g o v a b o u t E PAe t h t m 5 】 An o n O n t a r i o S ma r t Me t e r s I n i t i a t i v e 【 E B O L 2 o o 8 1 2 - 0 1 1 h tt p ： www e n e r g y g o v o n c a 6 】An o n AMI T e c h n do g y T r i a l s R e po 【 R 】 Au s t r a l i A D e p a r t m e n t o f P r i I I la r y I n d u s t r i e s ， 2 0 0 7 7 蒋明桓 关于 ” 智能电网 ” 与 ” 智慧能源 ” 情况汇编 G O L h t tp ： l l w w w c h i n a S e com s u b j e e t s u b j e c t s h o w a s p x s u b j e c t i d = 9 7 &c l a s s v = &p a g e i d =1 2 0 0 9 - 0 3 1 7 【 8 Mc d e r mo a M5 3 Mi l l i o n s m a r t m e t e r s t o b e i n s t a l l e d b y S o u the r n C al ff o mi a E d i s o n【 E B O L h t tp w w w t r e e h u g g e r - c ali f o mi a -e d i s o n - s ma r t - cor me c t - s ma r t - me t e r -p r o g r a m p h p 【 2 0 0 9 - 3 - 2 0 作者简介 ： ( 杨长江 编发 ) - 4 7 - 终 技 产 控 的 信 一 一 激 一 黼 一一 一一 一 一一 一一 一 一 一 一一 一一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m