祝宇楠1，劉  建1，徐  晴1，馬勝國2

　?。?. 江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 210019；2. 深圳市國電科技通信有限公司，廣東 深圳 518031）

　　摘  要： 隨著智能電能表推廣應用的開展，國網(wǎng)公司在經(jīng)營管理中依托采集的智能電能表數(shù)據(jù)信息取得了顯著的實用化成效，為營銷業(yè)務應用系統(tǒng)、供電電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)等相關(guān)業(yè)務應用系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，推動了智能電網(wǎng)互動化的發(fā)展。考慮到用戶所有用電信息都可以由智能電能表監(jiān)測、生成并記錄，而電能表又在用戶本地，如果用戶能與電能表直接進行信息交互，將從很大程度上打破信息傳遞實時性差、可靠性低、完整性差等限制。本文通過對智能電能表雙模通信技術(shù)進行深入研究，提出可行的智能電能表本地雙向交互策略及具體實現(xiàn)方式，解決用戶與智能電能表之間直接進行信息交互的問題。

　　關(guān)鍵詞： 雙模通信;智能電能表;雙向交互

0 引言

　　隨著用戶對電網(wǎng)企業(yè)的服務理念、服務方式、服務內(nèi)容和服務質(zhì)量提出更高要求，電網(wǎng)公司供用電服務的內(nèi)外部環(huán)境發(fā)生了顯著變化；同時，國內(nèi)外智能電網(wǎng)建設步伐的不斷加快，對智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的互動化體現(xiàn)更加顯著，需求將進一步增強[1]。

　　隨著小型風電、光伏發(fā)電裝置，以及蓄電池等儲能裝置的推廣應用與普及，用戶向電網(wǎng)反向饋電也成為可能，用戶參與電網(wǎng)互動需求與日俱增，這使常規(guī)的用電運營模式難以適應市場發(fā)展需求。如果不能及時與電力公司進行信息互動，將嚴重影響用戶參與的積極性，阻礙電網(wǎng)智能化的發(fā)展進程。智能電能表作為電力公司和用戶之間的紐帶在用電計量、收費、指令傳輸方面起著重要作用。將智能電能表與智能家居系統(tǒng)相結(jié)合，在不影響居民生活質(zhì)量的前提下，可以便捷有效地實現(xiàn)用戶用電的自動調(diào)節(jié)，達到用電負荷均勻分布，不僅減少了用戶電費支出，同時也實現(xiàn)了總體負荷“削峰填谷”的效果，提高了電網(wǎng)設備的利用效率[2]。用電過程中的互動體驗將是未來發(fā)展的方向，通過雙向交互將電網(wǎng)用戶發(fā)電及能量儲存等各部分有效地連接成一個整體，使用電用戶直接參與電力市場的同時，也大大提升電力公司的資產(chǎn)管理水平和運行機制[3]。

1 國內(nèi)雙向互動領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

　　目前，國內(nèi)在雙向互動領(lǐng)域中主要依托用電信息采集系統(tǒng)，通過95598互動網(wǎng)站、營銷業(yè)務應用系統(tǒng)、電能服務管理平臺、智能小區(qū)管理系統(tǒng)等構(gòu)建的智能用電雙向互動服務綜合平臺來實現(xiàn)用戶的互動，各專業(yè)可根據(jù)業(yè)務需要拓展互動服務內(nèi)容，具備提供更豐富、更優(yōu)質(zhì)用戶互動服務的先決條件[3]。

　　1.1 互動領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

　　近年來，國網(wǎng)公司在華北、北京、重慶開展了基于智能電網(wǎng)新技術(shù)的智能小區(qū)試點建設，加強在用電側(cè)和用戶的互動。智能小區(qū)的建設為用戶搭建了智能用電互動平臺，引入了全新的家庭用能模式，加強了用電側(cè)和用戶電能的互動，提高了能源利用效率。通過一系列智能小區(qū)、智能樓宇、智能園區(qū)、智能營業(yè)廳等新型智能用電集成應用試點建設工作，在智能用電互動方面進行了積極有益的探索，梳理了電網(wǎng)與用戶的互動服務需求，通過研究智能用電關(guān)鍵技術(shù)和設備，構(gòu)建全新的、雙向的智能用電互動服務平臺，探索為用戶提供優(yōu)質(zhì)、便捷的智能服務，為社會創(chuàng)造更大的價值[4]。但在與家庭中智能電能表直接雙向交互方面尚無先例，處于探索階段。

　　1.2 存在的問題

　　國內(nèi)在與用戶的雙向互動領(lǐng)域已經(jīng)開展了較多的單項技術(shù)研究并開展了多個試點工程，制定了互動領(lǐng)域多項標準規(guī)范，部分項目已經(jīng)結(jié)題驗收，互動方面的工程實踐也積累了一定的經(jīng)驗，并且已經(jīng)具備了較為充分的理論基礎(chǔ)。但綜合分析項目的國內(nèi)外現(xiàn)狀，仍然存在一些問題和不足：

　?。?）目前，我國關(guān)于用戶用電信息計量、采集相關(guān)信息化建設主要集中在用電信息采集系統(tǒng)、采集終端、智能電能表三方面，且均未開放用戶訪問，采集到的海量數(shù)據(jù)僅電力企業(yè)內(nèi)部使用，用戶用電相關(guān)信息沒有及時有效地傳遞至用戶。

　?。?）實現(xiàn)與用戶的雙向互動(信息互動、電能互動和業(yè)務互動)是智能用電的一個顯著標志。但是，目前在智能用電領(lǐng)域缺少統(tǒng)一標準的互動服務體系，缺乏對互動服務業(yè)務模式及商業(yè)運營模式積極有益的探索。因此，亟需建立健全規(guī)范的體系架構(gòu)標準，同時積極探索互動服務業(yè)務模式及商業(yè)運營模式，以支撐用電互動服務健康有序地發(fā)展[5]。

　?。?）此外，就用電技術(shù)領(lǐng)域而言，尚未開展過系統(tǒng)全面的用電業(yè)務梳理，尤其對用電方面的互動體系和運營模式，更是缺乏統(tǒng)一考慮和分析，為電力用戶提供差異化、個性化服務需求的互動技術(shù)手段需要進一步完善和提高，在用電互動支撐平臺及系統(tǒng)集成等方面的研究與國外先進水平相比存在一定的差距，難以適應未來靈活互動用電場景的需要[6]。

2 直接雙向交互組網(wǎng)方案研究

　　通過深入研究學習國外AMI系統(tǒng)雙向交互建設理念以及建設成效，結(jié)合國內(nèi)用電信息采集系統(tǒng)現(xiàn)狀提出了可行的智能電能表直接雙向交互解決方案。此方案以智能電能表為紐帶，在保持智能電能表本體不變、保證用電信息采集系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下，重點研究智能雙向交互網(wǎng)關(guān)和升級改造電能表通信模塊。智能雙向交互網(wǎng)關(guān)是安裝在室內(nèi)的一種利用電力線載波或微功率無線等通信方式與電能表進行互動的設備。通過智能雙向交互網(wǎng)關(guān)，用戶可以利用智能終端設備獲取用電用戶的智能電能表中用電數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)用戶與智能電能表之間信息的交互。

　　2.1 用電信息采集系統(tǒng)組網(wǎng)方式

　　目前，用電信息采集系統(tǒng)通信采集網(wǎng)絡組網(wǎng)廣泛采用了多種通信組網(wǎng)方式實現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)的通信與采集，其中典型的應用環(huán)境包括：寬帶載波通信組網(wǎng)方式、窄帶載波通信組網(wǎng)方式、微功率無線通信組網(wǎng)方式和RS485通信組網(wǎng)方式[7]。本文主要探討基于電力線載波通信組網(wǎng)方式和微功率無線通信組網(wǎng)方式實現(xiàn)智能電能表的直接雙向互動解決方案。

　　2.2 智能電能表直接雙向交互組網(wǎng)方案

　　利用電力線載波或微功率無線通信方式實現(xiàn)智能電能表的直接雙向互動組網(wǎng)方案如圖1所示。

　　智能電能表直接雙向交互組網(wǎng)方案是采用家庭內(nèi)部的智能雙向交互網(wǎng)關(guān)設備與智能電能表通信模塊、智能手機客戶端軟件連接，智能手機客戶端軟件下達抄讀指令到智能雙向交互網(wǎng)關(guān)，由智能雙向交互網(wǎng)關(guān)完成智能電能表數(shù)據(jù)信息的抄讀，并將數(shù)據(jù)反饋給智能手機客戶端軟件，完成抄讀數(shù)據(jù)的展示[8]。

　　根據(jù)對網(wǎng)絡單元中涉及的通信模塊組網(wǎng)方式分析，現(xiàn)有智能電能表通信模塊僅支持指定的單一信道通信，不能滿足雙向交互要求。因此利用目前通信模塊進行雙向互動，需要對現(xiàn)有的載波/微功率無線通信模塊進行升級改造，使其能夠與集中器、智能雙向交互網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)通信，并且互不影響。

3 雙模通信技術(shù)研究

　　低壓電力線載波通信和微功率無線通信在電力系統(tǒng)中都有廣泛應用，并各有優(yōu)缺點。低壓電力線載波通信屬于有線通信技術(shù)，其信道特征受配電網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、用電負荷大小、干擾和噪聲等因素影響；而無線通信技術(shù)受地理環(huán)境、天氣因素影響較大，因此，二者信道特征具有互補特性。

　　針對目前智能電能表及用電信息采集設備較多采用電力線載波和微功率無線通信模式，在智能電能表直接雙向交互網(wǎng)方案研究過程中，采用電力線載波與微功率無線融合通信技術(shù)，利于電力線載波與無線雙信道部署或者異構(gòu)組網(wǎng)部署方式，優(yōu)化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，擴大覆蓋范圍，消除通信盲點，提高通信網(wǎng)的可靠性[9]。

　　3.1 雙模通信工作原理

　　針對雙模通信模塊的功能定位，雙模通信模塊應支持電力線載波與微功率無線同時協(xié)調(diào)工作。因此，雙模通信模塊需要集成載波調(diào)制解析模塊、微功率無線調(diào)制解析模塊、進行數(shù)據(jù)控制處理的主CPU以及與采集設備進行數(shù)據(jù)交互的本地通信接口。雙模通信模塊原理如圖2所示。

　　3.2 雙模通信技術(shù)研究路線

　　（1）雙模通信芯片接口模型

　　雙模通信模塊包含一個本地通信接口、一個載波耦合接口、一個微功率無線通信接口，通信模塊內(nèi)置CPU，與載波接口、微功率無線接口相連處理雙模通信與外界的通信。雙模通信芯片接口示意圖如圖3所示。

　　載波耦合接口和微功率無線接口通過不同的管腳連接主控芯片，主控芯片根據(jù)管腳接口判斷數(shù)據(jù)的來源，接收數(shù)據(jù)后通過本地通信模塊接口發(fā)送給電能表或采集終端進行數(shù)據(jù)交互，同時接收電能表或采集終端返回的數(shù)據(jù)并通過不同的串口發(fā)送至載波耦合接口或者微功率無線接口，進行數(shù)據(jù)交互。載波通信芯片和微功率通信芯片之間沒有直接的數(shù)據(jù)交互，兩者使用不同的進程與主控芯片進行數(shù)據(jù)交互，主控芯片使用隊列方式進行數(shù)據(jù)的傳輸。

　　（2）雙模通信物理層、MAC層融合技術(shù)

　　電力線載波與無線通信物理層集成技術(shù)主要采用獨立物理層、MAC層融合方式。獨立MAC層、物理層的電力線載波與無線融合技術(shù)實現(xiàn)了兩者的MAC層、物理層完全獨立，僅在網(wǎng)絡層實現(xiàn)融合。如圖4所示，該方式中PLC與無線的物理層可采用不同參數(shù)或者調(diào)制方式，MAC層協(xié)議也可采用不相同協(xié)議在網(wǎng)絡層及以上協(xié)議層實現(xiàn)融合,這種融合方式需要進行協(xié)議轉(zhuǎn)換研究。

　　在圖4邏輯結(jié)構(gòu)中，將PLC通道MAC、物理層與無線通道的MAC、物理層分別獨立配置，在網(wǎng)絡層和應用層實現(xiàn)融合。

　　（3）雙模通信協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)

　　獨立MAC層、物理層的電力線載波與無線融合技術(shù)還需研究雙模通信協(xié)議切換技術(shù)，首先對MAC層進行信道質(zhì)量評估和通信成功率統(tǒng)計，可優(yōu)先采用電力線載波物理層通道進行數(shù)據(jù)發(fā)送，電力線載波發(fā)送失敗時，切換到微功率無線物理層通道，繼續(xù)實現(xiàn)與目的信息節(jié)點的物理連接。兩技術(shù)實現(xiàn)無縫接入，要求每個通信節(jié)點具有上述同樣的協(xié)議模型，MAC層包含微功率無線MAC層和電力線載波的MAC層兩部分內(nèi)容，且能實現(xiàn)兩協(xié)議的切換調(diào)度，并為網(wǎng)絡層提供統(tǒng)一接口。

　　雙模通信技術(shù)將電力線載波通信和微功率無線通信集成在一個通信模塊中，構(gòu)成單芯片雙模通信解決方案，即載波與無線兩種通信模式互相結(jié)合，互相協(xié)調(diào)，互為備份，自動切換，構(gòu)成復合通信技術(shù)，實現(xiàn)資源與優(yōu)勢互補,為智能電能表在與集中器、智能雙向交互網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)通信時的穩(wěn)定和高效提供了保障。

4 結(jié)束語

　　開展智能電能表及用電信息采集設備雙模通信技術(shù)的研究，使智能電能表同時具備微功率無線和電力線載波兩種通信通道，為每種通信方式分配了用于數(shù)據(jù)采集交互的獨立資源，避開了資源分層，有效減弱信道的沖突，使得智能電能表利用這兩種通信通道實現(xiàn)雙向信息交互，同時參與到兩個通信組網(wǎng)中，促進智能電能表直接雙向交互應用的實現(xiàn)。

　　智能電能表直接雙向交互能夠通過支持和引導用戶參與供需平衡的自動需求響應，為用戶提供靈活友好、支持電能量交互的用電互動平臺，從而提升用戶服務體驗，優(yōu)化用戶用電方式，提高終端用能效率。

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