祝宇楠1，劉 建1，徐 晴1，馬勝國(guó)2
（1. 江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210019；2. 深圳市國(guó)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(yīng)用的開展，國(guó)網(wǎng)公司在經(jīng)營(yíng)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(shí)用化成效，為營(yíng)銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、供電電壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，推動(dòng)了智能電網(wǎng)互動(dòng)化的發(fā)展?？紤]到用戶所有用電信息都可以由智能電能表監(jiān)測(cè)、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(jìn)行信息交互，將從很大程度上打破信息傳遞實(shí)時(shí)性差、可靠性低、完整性差等限制。本文通過(guò)對(duì)智能電能表雙模通信技術(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)方式，解決用戶與智能電能表之間直接進(jìn)行信息交互的問(wèn)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(duì)電網(wǎng)企業(yè)的服務(wù)理念、服務(wù)方式、服務(wù)內(nèi)容和服務(wù)質(zhì)量提出更高要求，電網(wǎng)公司供用電服務(wù)的內(nèi)外部環(huán)境發(fā)生了顯著變化；同時(shí)，國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)建設(shè)步伐的不斷加快，對(duì)智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的互動(dòng)化體現(xiàn)更加顯著，需求將進(jìn)一步增強(qiáng)[1]。
隨著小型風(fēng)電、光伏發(fā)電裝置，以及蓄電池等儲(chǔ)能裝置的推廣應(yīng)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(dòng)需求與日俱增，這使常規(guī)的用電運(yùn)營(yíng)模式難以適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展需求。如果不能及時(shí)與電力公司進(jìn)行信息互動(dòng)，將嚴(yán)重影響用戶參與的積極性，阻礙電網(wǎng)智能化的發(fā)展進(jìn)程。智能電能表作為電力公司和用戶之間的紐帶在用電計(jì)量、收費(fèi)、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(shí)現(xiàn)用戶用電的自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到用電負(fù)荷均勻分布，不僅減少了用戶電費(fèi)支出，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了總體負(fù)荷“削峰填谷”的效果，提高了電網(wǎng)設(shè)備的利用效率[2]。用電過(guò)程中的互動(dòng)體驗(yàn)將是未來(lái)發(fā)展的方向，通過(guò)雙向交互將電網(wǎng)用戶發(fā)電及能量?jī)?chǔ)存等各部分有效地連接成一個(gè)整體，使用電用戶直接參與電力市場(chǎng)的同時(shí)，也大大提升電力公司的資產(chǎn)管理水平和運(yùn)行機(jī)制[3]。
1 國(guó)內(nèi)雙向互動(dòng)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)在雙向互動(dòng)領(lǐng)域中主要依托用電信息采集系統(tǒng)，通過(guò)95598互動(dòng)網(wǎng)站、營(yíng)銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、電能服務(wù)管理平臺(tái)、智能小區(qū)管理系統(tǒng)等構(gòu)建的智能用電雙向互動(dòng)服務(wù)綜合平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶的互動(dòng)，各專業(yè)可根據(jù)業(yè)務(wù)需要拓展互動(dòng)服務(wù)內(nèi)容，具備提供更豐富、更優(yōu)質(zhì)用戶互動(dòng)服務(wù)的先決條件[3]。
1.1 互動(dòng)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀
近年來(lái)，國(guó)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(diǎn)建設(shè)，加強(qiáng)在用電側(cè)和用戶的互動(dòng)。智能小區(qū)的建設(shè)為用戶搭建了智能用電互動(dòng)平臺(tái)，引入了全新的家庭用能模式，加強(qiáng)了用電側(cè)和用戶電能的互動(dòng)，提高了能源利用效率。通過(guò)一系列智能小區(qū)、智能樓宇、智能園區(qū)、智能營(yíng)業(yè)廳等新型智能用電集成應(yīng)用試點(diǎn)建設(shè)工作，在智能用電互動(dòng)方面進(jìn)行了積極有益的探索，梳理了電網(wǎng)與用戶的互動(dòng)服務(wù)需求，通過(guò)研究智能用電關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，構(gòu)建全新的、雙向的智能用電互動(dòng)服務(wù)平臺(tái)，探索為用戶提供優(yōu)質(zhì)、便捷的智能服務(wù)，為社會(huì)創(chuàng)造更大的價(jià)值[4]。但在與家庭中智能電能表直接雙向交互方面尚無(wú)先例，處于探索階段。
1.2 存在的問(wèn)題
國(guó)內(nèi)在與用戶的雙向互動(dòng)領(lǐng)域已經(jīng)開展了較多的單項(xiàng)技術(shù)研究并開展了多個(gè)試點(diǎn)工程，制定了互動(dòng)領(lǐng)域多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，部分項(xiàng)目已經(jīng)結(jié)題驗(yàn)收，互動(dòng)方面的工程實(shí)踐也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，并且已經(jīng)具備了較為充分的理論基礎(chǔ)。但綜合分析項(xiàng)目的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，仍然存在一些問(wèn)題和不足：
?。?）目前，我國(guó)關(guān)于用戶用電信息計(jì)量、采集相關(guān)信息化建設(shè)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(wèn)，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(shí)有效地傳遞至用戶。
?。?）實(shí)現(xiàn)與用戶的雙向互動(dòng)(信息互動(dòng)、電能互動(dòng)和業(yè)務(wù)互動(dòng))是智能用電的一個(gè)顯著標(biāo)志。但是，目前在智能用電領(lǐng)域缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的互動(dòng)服務(wù)體系，缺乏對(duì)互動(dòng)服務(wù)業(yè)務(wù)模式及商業(yè)運(yùn)營(yíng)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(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)積極探索互動(dòng)服務(wù)業(yè)務(wù)模式及商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式，以支撐用電互動(dòng)服務(wù)健康有序地發(fā)展[5]。
（3）此外，就用電技術(shù)領(lǐng)域而言，尚未開展過(guò)系統(tǒng)全面的用電業(yè)務(wù)梳理，尤其對(duì)用電方面的互動(dòng)體系和運(yùn)營(yíng)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(gè)性化服務(wù)需求的互動(dòng)技術(shù)手段需要進(jìn)一步完善和提高，在用電互動(dòng)支撐平臺(tái)及系統(tǒng)集成等方面的研究與國(guó)外先進(jìn)水平相比存在一定的差距，難以適應(yīng)未來(lái)靈活互動(dòng)用電場(chǎng)景的需要[6]。
2 直接雙向交互組網(wǎng)方案研究
通過(guò)深入研究學(xué)習(xí)國(guó)外AMI系統(tǒng)雙向交互建設(shè)理念以及建設(shè)成效，結(jié)合國(guó)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(yùn)行的前提下，重點(diǎn)研究智能雙向交互網(wǎng)關(guān)和升級(jí)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(wú)線等通信方式與電能表進(jìn)行互動(dòng)的設(shè)備。通過(guò)智能雙向交互網(wǎng)關(guān)，用戶可以利用智能終端設(shè)備獲取用電用戶的智能電能表中用電數(shù)據(jù)信息，實(shí)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(luò)組網(wǎng)廣泛采用了多種通信組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)的通信與采集，其中典型的應(yīng)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(wú)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(wú)線通信組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)智能電能表的直接雙向互動(dòng)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(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)智能電能表的直接雙向互動(dòng)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(shè)備與智能電能表通信模塊、智能手機(jī)客戶端軟件連接，智能手機(jī)客戶端軟件下達(dá)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(jī)客戶端軟件，完成抄讀數(shù)據(jù)的展示[8]。
根據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行雙向互動(dòng)，需要對(duì)現(xiàn)有的載波/微功率無(wú)線通信模塊進(jìn)行升級(jí)改造，使其能夠與集中器、智能雙向交互網(wǎng)關(guān)進(jìn)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(wú)線通信在電力系統(tǒng)中都有廣泛應(yīng)用，并各有優(yōu)缺點(diǎn)。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(luò)結(jié)構(gòu)、用電負(fù)荷大小、干擾和噪聲等因素影響；而無(wú)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(bǔ)特性。
針對(duì)目前智能電能表及用電信息采集設(shè)備較多采用電力線載波和微功率無(wú)線通信模式，在智能電能表直接雙向交互網(wǎng)方案研究過(guò)程中，采用電力線載波與微功率無(wú)線融合通信技術(shù)，利于電力線載波與無(wú)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(kuò)大覆蓋范圍，消除通信盲點(diǎn)，提高通信網(wǎng)的可靠性[9]。
3.1 雙模通信工作原理
針對(duì)雙模通信模塊的功能定位，雙模通信模塊應(yīng)支持電力線載波與微功率無(wú)線同時(shí)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(wú)線調(diào)制解析模塊、進(jìn)行數(shù)據(jù)控制處理的主CPU以及與采集設(shè)備進(jìn)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(gè)本地通信接口、一個(gè)載波耦合接口、一個(gè)微功率無(wú)線通信接口，通信模塊內(nèi)置CPU，與載波接口、微功率無(wú)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(wú)線接口通過(guò)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(lái)源，接收數(shù)據(jù)后通過(guò)本地通信模塊接口發(fā)送給電能表或采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)接收電能表或采集終端返回的數(shù)據(jù)并通過(guò)不同的串口發(fā)送至載波耦合接口或者微功率無(wú)線接口，進(jìn)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(jìn)程與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主控芯片使用隊(duì)列方式進(jìn)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(wú)線通信物理層集成技術(shù)主要采用獨(dú)立物理層、MAC層融合方式。獨(dú)立MAC層、物理層的電力線載波與無(wú)線融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩者的MAC層、物理層完全獨(dú)立，僅在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)融合。如圖4所示，該方式中PLC與無(wú)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(luò)層及以上協(xié)議層實(shí)現(xiàn)融合,這種融合方式需要進(jìn)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(wú)線通道的MAC、物理層分別獨(dú)立配置，在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)融合。
（3）雙模通信協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)
獨(dú)立MAC層、物理層的電力線載波與無(wú)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(duì)MAC層進(jìn)行信道質(zhì)量評(píng)估和通信成功率統(tǒng)計(jì)，可優(yōu)先采用電力線載波物理層通道進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，電力線載波發(fā)送失敗時(shí)，切換到微功率無(wú)線物理層通道，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)與目的信息節(jié)點(diǎn)的物理連接。兩技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接入，要求每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)具有上述同樣的協(xié)議模型，MAC層包含微功率無(wú)線MAC層和電力線載波的MAC層兩部分內(nèi)容，且能實(shí)現(xiàn)兩協(xié)議的切換調(diào)度，并為網(wǎng)絡(luò)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(wú)線通信集成在一個(gè)通信模塊中，構(gòu)成單芯片雙模通信解決方案，即載波與無(wú)線兩種通信模式互相結(jié)合，互相協(xié)調(diào)，互為備份，自動(dòng)切換，構(gòu)成復(fù)合通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),為智能電能表在與集中器、智能雙向交互網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)的穩(wěn)定和高效提供了保障。
4 結(jié)束語(yǔ)
開展智能電能表及用電信息采集設(shè)備雙模通信技術(shù)的研究，使智能電能表同時(shí)具備微功率無(wú)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(dú)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(shí)現(xiàn)雙向信息交互，同時(shí)參與到兩個(gè)通信組網(wǎng)中，促進(jìn)智能電能表直接雙向交互應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。
智能電能表直接雙向交互能夠通過(guò)支持和引導(dǎo)用戶參與供需平衡的自動(dòng)需求響應(yīng)，為用戶提供靈活友好、支持電能量交互的用電互動(dòng)平臺(tái)，從而提升用戶服務(wù)體驗(yàn)，優(yōu)化用戶用電方式，提高終端用能效率。
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