面向電力雙向互動業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)接入技術(shù)研究

汪梁 趙輝 王曉東 楊永標 王金明

摘 要：為了提高電網(wǎng)和用戶之間的雙向互動能力，文章充分調(diào)研現(xiàn)有的電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入通信技術(shù)和通信協(xié)議，針對電力業(yè)務(wù)種類繁多，標準不兼容等問題，把高級量測體系引入電力通信體系。介紹了高級量測體系的組成及其拓展，詳細闡述了各個組成部分的功能，重點分析了用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)（HAN）、鄰域網(wǎng)（LAN）、廣域網(wǎng)（WAN）等采用的通信技術(shù)及其對應(yīng)的通信協(xié)議，并提出了通信協(xié)議IP化思想。最后，文章以大用戶業(yè)務(wù)為例，詳細介紹了在高級量測體系框架下，電力雙向互動業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入的部署策略，具有較大的實際意義。

關(guān)鍵詞：雙向互動；高級量測體系；數(shù)據(jù)接入

2009年，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了“智能電網(wǎng)”計劃，以實現(xiàn)電力業(yè)務(wù)信息流、業(yè)務(wù)流和電力流三個方面的一體化運行為主要特征。在智能電網(wǎng)的用電環(huán)節(jié)上，主要以智能用電與互動化技術(shù)為導(dǎo)向，以高速、安全的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)為支撐，應(yīng)用于智能家居、智能大用戶服務(wù)、電動汽車充換電管理、分布式發(fā)電/儲能監(jiān)控、需求側(cè)管理與能效評估等方面[1][2]。智能用電的建設(shè)，有助于電網(wǎng)和用戶的互動，使用戶用電更加靈活，對電力公司服務(wù)的滿意度更高。

電力業(yè)務(wù)種類繁多，其所需的通信技術(shù)和組網(wǎng)方式各不相同，為將這些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)納入統(tǒng)一的電網(wǎng)和用戶服務(wù)平臺，需要平臺的通信架構(gòu)能夠很好地滿足各種電力業(yè)務(wù)終端設(shè)備接入以及信息交換。把高級量測體系（Advanced Metering Infrastructure， AMI）引入電力通信組網(wǎng)架構(gòu)中，可很好地使電網(wǎng)和用戶雙向的信息流、電力流能夠在不同的智能設(shè)備和業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間相互交換。

文章研究在高級量測體系的框架下，電力雙向互動業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入的通信技術(shù)及其相應(yīng)的組網(wǎng)方案。

1 雙向互動業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入通信系統(tǒng)組成

高級量測體系（AMI）是測量、采集、分析和應(yīng)用電力用戶用電信息的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，是智能電網(wǎng)的重要組成部分。AMI的重要組成部分有：智能電表、通信網(wǎng)絡(luò)、量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（MDMS）和用戶戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)/前端局域網(wǎng)（HAN/PAN）[3]。

為更好地滿足電力業(yè)務(wù)接入的需要，需對AMI體系進行拓展，把通信網(wǎng)絡(luò)細分為：鄰域網(wǎng)（LAN）和廣域網(wǎng)（WAN），各自承擔(dān)著不同的任務(wù)。具體來說，LAN將多個智能電表連接到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集中器。WAN將多個LAN連接起來，可以借助電力專網(wǎng)或運營商公網(wǎng)，將已集中的雙向互動數(shù)據(jù)接入MDMS。基于AMI的雙向互動用電數(shù)據(jù)接入通信架構(gòu)中，對電網(wǎng)和用戶雙向互動起支撐部件有：戶內(nèi)網(wǎng)感知設(shè)備、智能電表、數(shù)據(jù)集中器、量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、雙向互動平臺/終端等。

1.1 戶內(nèi)網(wǎng)感知設(shè)備

戶內(nèi)網(wǎng)感知設(shè)備主要包括智能插座、各類傳感器及其他智能終端設(shè)備。主要采集電量和溫度等非電量數(shù)據(jù)，上傳給智能電表或其他的監(jiān)控終端，也充當(dāng)用戶需求側(cè)響應(yīng)和其他操作命令的執(zhí)行機構(gòu)。

1.2 智能電表

智能電表具有雙向通信功能，支持電能表的及時讀取、竊電監(jiān)測和需求側(cè)管理等。智能電表連接電力公司和用戶戶內(nèi)網(wǎng)，充當(dāng)通信網(wǎng)關(guān)，便于用戶近乎實時查看其用電信息、戶內(nèi)智能設(shè)備的狀態(tài)和電價信息。

1.3 數(shù)據(jù)集中器

數(shù)據(jù)集中器統(tǒng)一集中、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)多個智能電表的用電數(shù)據(jù)，包括分類用電實時信息、故障檢測信息、設(shè)備運行數(shù)據(jù)等。并將上述信息通過WAN網(wǎng)絡(luò)傳輸至電力公司，也可以向HAN網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)上游命令指令，起到連接LAN和WAN的橋梁作用。

1.4 量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

MDMS中含有一個實時數(shù)據(jù)庫及分析工具，對數(shù)據(jù)集中器上傳的數(shù)據(jù)進行分析并且可通過企業(yè)總線上傳數(shù)據(jù)至雙向服務(wù)平臺，也可以下達命令給數(shù)據(jù)集中器以控制智能電表及其他HAN內(nèi)設(shè)備。

1.5 雙向互動服務(wù)平臺/終端

電力用戶通過雙向互動平臺完成與供電公司互動，實現(xiàn)各類業(yè)務(wù)各自的具體任務(wù)，平臺主要形式有：以手機應(yīng)用為主的APP，以微信業(yè)務(wù)為主OTT和基于網(wǎng)頁發(fā)布的服務(wù)HTML等形式。雙向互動終端主要由移動終端和PC終端實現(xiàn)，可用以太網(wǎng)和Wi-Fi通過互聯(lián)網(wǎng)，或用GSM/GPRS同雙向互動平臺交換數(shù)據(jù)，完成雙向互動功能。

2 雙向互動業(yè)務(wù)組網(wǎng)通信技術(shù)

2.1 HAN網(wǎng)絡(luò)通信組網(wǎng)技術(shù)

HAN由帶有傳感器和執(zhí)行器的智能設(shè)備、智能表計和電能監(jiān)控管理系統(tǒng)組成。HAN網(wǎng)絡(luò)主要通過智能表計把智能感知設(shè)備連接起來，采集電量和非電量數(shù)據(jù)，處于現(xiàn)場采集地位，使得用戶能根據(jù)電力公司的需要，積極參與需求側(cè)響應(yīng)或電力市場。

HAN網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信技術(shù)主要分為有限通信技術(shù)和無線通信技術(shù)兩種。有線通信主要有LonWorks、PLC、CAN、BACnet、HomePlug以及傳統(tǒng)的Ethernet、X10等通信協(xié)議，無線通信主要有ZigBee、RFID、Wi-Fi、6LowPAN等。HAN網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式十分豐富，不同電力業(yè)務(wù)對象組網(wǎng)的最大區(qū)別就在于其HAN網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式的不同。

2.2 LAN網(wǎng)絡(luò)通信組網(wǎng)技術(shù)

LAN是連接多個HAN和電力、信息分配的個人服務(wù)連接之間的一個或多個網(wǎng)絡(luò)，其特點是：距離在20-1000m，現(xiàn)場情況較復(fù)雜，通信實時性要求不高。

LAN網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議主要是私網(wǎng)協(xié)議，主要目的是接入核心網(wǎng)，主要采用PLC/DPL，RS485，EPON網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)等有線通信技術(shù)和WiMAX，Wi-Fi/ZigBee等無線通信技術(shù)。在電力雙向互動業(yè)務(wù)中，以PLC、RS485總線以及EPON為主，無線通信方式為補充[4]。

2.3 WAN網(wǎng)絡(luò)通信組網(wǎng)技術(shù)

WAN將多個分布式系統(tǒng)或通信孤島連接起來，統(tǒng)一接入電力公司通信專網(wǎng)，充當(dāng)HAN、LAN和電力公司網(wǎng)絡(luò)間的橋梁。

WAN網(wǎng)絡(luò)的特點為：距離遠、大數(shù)據(jù)量的實時交互、高可靠、低延時，通常是用公用網(wǎng)絡(luò)或電力專用網(wǎng)絡(luò)。常見的廣域網(wǎng)通信方式由光纖通信、中壓載波等有線通信方式和230MHz無線專網(wǎng)、GPRS無線公網(wǎng)等無線通信技術(shù)。綜合考慮成本、容量、通信實時性、可靠性及安全性等因素，雙向互動業(yè)務(wù)的廣域網(wǎng)通信應(yīng)以光纖專網(wǎng)和無線公網(wǎng)為主，230MHz無線專網(wǎng)和電力線載波為輔[4]。

3 通信協(xié)議IP化

不同的通信協(xié)議一般來說是不兼容的，為使采用不同的通信協(xié)議的上傳量測數(shù)據(jù)和下達控制指令能夠順利讀取，有必要統(tǒng)一進行規(guī)約轉(zhuǎn)換。TCP/IP協(xié)議普遍適用于公網(wǎng)和專網(wǎng)中，且在全球范圍內(nèi)具有標準型，因此，基于IP的網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)不同廠家的智能電網(wǎng)設(shè)備的互操作。

此外，IP協(xié)議是一種可擴展的技術(shù)，一旦智能設(shè)備接入IP網(wǎng)絡(luò)，將會得到一個IP地址，此外，IP技術(shù)的強大路由能力也為通信的可靠性提供了保障。所以，通信協(xié)議IP化將是一個非常高效合理的途徑。

4 大用戶數(shù)據(jù)接入實例

電網(wǎng)與大用戶進行互動，主要是針對50kVA及以上的工業(yè)用戶，該類用戶的數(shù)量相對較小，但是在整個用電量中的比重較高，對互動的需求也比較特殊。大用戶雙向互動服務(wù)體系主要有三部分組成：電力公司、大用戶和兩者之間的通信網(wǎng)絡(luò)。圖1給出了大用戶數(shù)據(jù)接入組網(wǎng)方案。

HAN網(wǎng)絡(luò)中，由智能插座采集用電信息，通過Wi-Fi或ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接智能電表并由各種專用傳感器采集必要的狀態(tài)信息，通過無線傳感網(wǎng)上傳至智能電表。智能電表既充當(dāng)計量設(shè)備，也充當(dāng)網(wǎng)關(guān)。

大用戶LAN網(wǎng)絡(luò)連接智能電表和數(shù)據(jù)集中器，以分類、儲存、轉(zhuǎn)發(fā)大用戶用電數(shù)據(jù)，可選擇RS485技術(shù)和PLC等有線通信技術(shù)和ZigBee、WiMAX等無線通信技術(shù)。若電表比較密集則采用RS485，相對分散時建議采用PLC技術(shù)。數(shù)據(jù)集中器將采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一IP化，再連接至核心網(wǎng)，也可以中繼量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)下達給HAN網(wǎng)絡(luò)和用戶的命令。

當(dāng)數(shù)據(jù)集中器距離MDMS距離較近時，可以選用電力光纖專網(wǎng)，其安全性、實時性和可靠性都很高。當(dāng)距離較遠時，數(shù)據(jù)集中器可以借助無線公網(wǎng)GPRS或GSM等移動通信技術(shù)，再由電力專網(wǎng)轉(zhuǎn)接至MDMS。

MDMS根據(jù)數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)分析結(jié)果借助企業(yè)總線上傳給雙向互動服務(wù)平臺，包括用電信息通知、多渠道繳費、節(jié)電服務(wù)、用電報修等業(yè)務(wù)服務(wù)。用戶可以利用手機、PC通過GPRS或互聯(lián)網(wǎng)查詢、辦理業(yè)務(wù)。

5 結(jié)束語

文章調(diào)研大量電力雙向互動業(yè)務(wù)的實際需要，結(jié)合電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入的組網(wǎng)選擇，把高級量測體系引入電力數(shù)據(jù)接入組網(wǎng)。文章給出了AMI架構(gòu)下的數(shù)據(jù)接入組網(wǎng)方案，可以有效地提高電力通信的效率和電網(wǎng)用戶雙向互動服務(wù)程度。隨著數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)匯集技術(shù)的發(fā)展，基于AMI的智能用電技術(shù)必將迎來更大程度的發(fā)展，必將帶領(lǐng)電力產(chǎn)業(yè)升級，朝著智能電網(wǎng)的目標更近一步。

參考文獻

[1]李同智.靈活互動智能用電的技術(shù)內(nèi)涵及發(fā)展方向[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36（2）：11-17.

[2]黃莉，衛(wèi)志農(nóng)，韋延方，等.智能用電互動體系和運營模式研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（8）：2230-2237.

[3]欒文鵬.高級量測體系[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2009，3（2）：6-10.

[4]王彥璋，李海冬.關(guān)于電力通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)方案的研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（7）：38-38.