单位文秘网 2021-10-26 08:17:02 点击: 次
摘 要
现阶段国家电网公司对电网的建设中,低压集抄项目建设主要以窄带载波与微功率无线两种信道为主,2015年发布的智能电网项目建设意见对用电信息采集提出的更高要求,全费控、全预付费功能要求对通信信道的采集成功率、实时性、准确性等性能提出实质性的要求。本文基于两种信道的现场应用效果,各自的优缺点提出了三模混合通信方式,将窄带载波与微功率无线RobuNet网络技术、Lora无线调制技术相融合,使各自通信信道发挥其通信信道的优点摒弃其缺点,使通信信道选择最优路径进行通讯,最终在采集成功率达到100%的同时提高通讯的实时性与准确性,提高通信信道的抗干扰能力,最终推动智能电网的建设。
【关键词】智能电网 电力线载波 微功率无线 混合通信技术 抗干扰能力
智能用电信息采集系统是近几年新兴并得到大力推广的一种技术,其为电能计量数据自动采集、传输和处理的系统,它解决了传统人工采集数据过程中遇到的许多问题,克服了人工采集数据效率低和容易出错的缺点,不仅可以提高劳动效率,还可以提高工作质量、推进电能计量管理现代化的发展进程。
我国从上个世纪九十年代开始就已经开展了用电信息采集系统的试点建设。如在1996 年开始建设用电负荷管理系统,在1999 年的时候开始建设低压集中抄表系统,在2007 年的时候开始建设能量采集与管理系统。
用电信息采集系统是基于智能电能表和网络通信技术,实现对电力用户的用电信息采集系统建设,是建设智能电网的重要组成部分,是推进“三集五大”的重要举措,也是提升服务能力的必由之路。改系统覆盖全部电力用户,可实现用户用电信息全部采集、费控、在线监测用电状态,实现线损精益管理,促进客户调整用电习惯,引导能源资源有效利用,提高电网企业服务能力。
2008年,国家电网开始推行电能信息采集系统,规划用3 - 5年时间实现全网的电能信息采集,这将未智能电网的集成通信系统提供一个强大信息网络平台,保证了数据的双向实时高速传递。2009年5月国家电网公司正式对外公布了坚强智能电网计划。组织开展的大电网安全关键技术研究、数字化电网关键技术研究、电力电子关键技术、特高压同步电网安全稳定运行关键技术研究,以及SG186工程、电力通信建设、用户用电信息次啊及系统建设等都为建设我国智能电网奠定了坚实的基础。
2010年1月21日国家电网公司《关于加快用电信息采集系统建设的意见》确定:“利用五年时间建成覆盖公司系统全部用户、采集全部用电信息、支持全面电费控制,即‘全覆盖、全采集、全费控’的采集系统”。
按照国家电网公司的采集系统建设五年规划,要求各网省公司加快采集系统建设,采集系统建设和运行涉及面广、环节多、建设任务重,通过开展对用户用电信息采集系统(以下简称采集系统)建设和运行相关问题的研究,选择科学合理的数据采集方案,从而确保采集系统工程建设规范有序、投运系统安全可靠运行。
1 理论分析
窄带电力线载波是一种使用电力供电线路作为通信介质,进行数据传输的通信技术,载波信号频率范围为3kHz~500kHz,载波通信速率从几十到几百bps,调试方式有频移键控(FSK)、相移键控(PSK)、正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)等。
载波通信是利用其固有的配电线网络拓扑、辐射状树型结构,以点对多点的通信模式。载波信号沿着配电网线路传输到配电网络的每一条分支及线路的每一个节点,各台区相互独立,台区间相互干扰相对较小,无需架设额外的通信线路,载波表只需接上电源即可,工程施工和日后的系统维护方便。
现场受用电用户电器的切投及电器电源设备影响,电力线上存在有连续的尖峰噪声干扰、负载阻抗随机变化、信号衰减大的现象,并且不同时间、不同用电节点、不同台区的通信实时性和可靠性都存在很大的差异。窄带电力线载波受通信带宽及通信频点限制,通信速率较低(几十到几百bps)。适用于对实时用电数据要求低、电表分散、工程施工难度大的地区。
微功率无线利用民用抄表频段470~510MHz,基于Ad-hoc和Mesh(网状)网络的设计理念,采用动态适应的受控、自组网网络,自动跳频,自动多级路由,CSMA/CA 冲突避让机制,提高微功率无线通信的实时效果,完成对各种复杂社区的充分覆盖,实现低压用户居民可靠抄表。
微功率无线抄表系统但与传统的交换式网络相比,它省略了繁琐的节点布线环节,添加或移动设备时,无需人工干预,无线 AP 呈网状分布,不受具体供电台区限制,AP均采用点对点方式通过无线中继链路互联,采用多跳网络结构,节点数量和网络覆盖范围伸缩性强。每个短跳的传输距离短,只需较小的功率就可以实现数据传输,节点之间的无线信号也具有很强的抗干扰性,不受电力环境变化影响,能够有效提高网络的信道质量和信道利用效率,进一步扩大了其网络容量。
微功率无线抄表技术不受电力线上连续高强度的干扰影响,使用民用频段进行数据传输操作,适用于对于抄表实时数据要求较高,电表均安装在户外或者楼道内,施工难度较大的区域。
直接序列扩频是高安全性高抗扰性的一种无线序列型号传输方式,简称直扩方式(DS方式)。直接序列扩频通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱,而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩,把展开的扩频信号还原成原来的信号。直接序列扩频技术在军事通信和机密工业中得到了广泛的应用,现在甚至普及到一些民用的高端产品,例如信号基站、无线电视、蜂窝手机、无线婴儿监视器等,是一种可靠安全的工业应用方案。
直接序列扩频通信方式具有超高接收灵敏度,最低可达-136dbm。
通讯距离远,空旷距离可达10公里以上。
抗干扰能力强,可在比噪声电平低21db的条件下通讯。
有效通讯速率低,最低约300bps。
2 多模混合通信方式实现
多模混合通信方式由电力线载波、微功率无线、直序扩频三种通信方式构成,功能节点由功率放大、耦合变压器、窄带调频中放构成电力线载波通信(PLC)模式功能模块,微功率微功率无线频移键控(FSK)通信模式功能模块及微功率无线直序扩频(DSSS)通信模式功能模块由无线专用芯片进行提供,各功能模块相对独立,在单片机(MCU)的配置管理下,自行进行通信模式切换,完成数据通信操作,如图1。
多模混合通信模块无线通信部分选用SX1276芯片,SX1276为Semtech公司新推出的最新LoRaTM调试方式无线收发芯片,具有超远距离扩频通信及高抗干扰性及极小工作电流特点,支持FSK/GFKS调试方式及LoRa(远程)扩频调试方式。使用BSSS直序扩频调试方式,芯片在低成本方案使用普通晶体时,可提供高达-148dBm接收灵敏度,内部集成的+20dbm的功率输出,ISSI信道侦测功能,适用于任何复杂的无线数据传输应用。
采用mesh网络结构,以集中器为中央路由节点,所有智能电表都做为客户端组成mesh网络跟集中器进行信息交换。无线通信部分采用扩展频谱以及QPSK调制技术进行通信,同时采用帧同步、帧校验技术进行数据帧传输。
3 多模混合通信组网通信方式研究
由多模混合通信方式节点所组建的通信网络,以主节点为中心,各子节点依据自身与主节点及周围节点的通信状态自动选择通信方式(电力线载波PLC、微功率无线频移键控FSK、微功率无线微功率无线直序扩频DSSS),构成稳定通信网络。
低压电力用户节点分布受建筑物环境及居民用户电能表安装位置影响,单一通信模式下受到干扰及信号屏蔽影响,导致各子节点有效通信距离不一,容易出现信号孤岛现象,采用多模混合通信系统可以很好的解决这个问题。
如图2所示,多模混合通信系统以微功率无线频移键控(FSK)通信方式为主体构建高速mesh网络,以解决大部分节点实时通信问题。节点5与节点8收建筑物的严重遮挡屏蔽,导致微功率无线频移键控(FSK)通信及直序扩频(DSSS)通信方式不能进行通信,节点5切换到电力线载波(PLC)通信方式完成与节点8的通信操作,完成微功率无线频移键控(FSK)通信模式与电力线载波(PLC)通信方式切换操作,节点8组网通过电力线载波(PLC)通信方式完成之后继续使用微功率无线频移键控(FSK)通信方式与节点7、9进行数据通信,完成电力线载波(PLC)通信方式与微功率无线频移键控(FSK)通信方式转换;
节点7与节点6受建筑物屏蔽阻挡及载波通信距离超限问题,微功率无线频移键控(FSK)通信模式及电力线载波(PLC)通信模式均不能进行有效通信,节点7切换到直序扩频(DSSS)通信模式与节点6进行数据通信,完成微功率无线频移键控(FSK)与序扩频(DSSS)通信模式切换,节点6接收到节点7发送的直序扩频(DSSS)通信模式数据帧后,同样以直序扩频(DSSS)通信模式进行数据帧响应,节点7接收到节点6返回的直序扩频(DSSS)通信模式数据帧后,以微功率无线频移键控(FSK)通信模式向上一级节点8进行数据响应,完成直序扩频(BSSS)通信模式与微功率无线频移键控(FSK)通信模式切换操作。
4 结束语
本文通过对窄带电力线载波、微功率无线键相频移、直序扩频三种通信技术在低压集抄应用场景下各自的优缺点,通过网络建设、日常维护、功耗、通信稳定性、实时性等各方面进行全方位的比对,并进行系统方案组建。本文研究了多模混合通信组网通信方式,以优势互补的形式,充分发挥各通信技术的优势,形成有机融合,根据不同场景特点,选择不同的通信方式,完成网络组建及数据交互,提高通信稳定性及实时性。
参考文献
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作者单位
1.贵州电网有限责任公司培训与评价中心 贵州省贵阳市 550002
2.贵州电力职业技术学院培训服务中心 贵州省清镇市 551417
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