面向电能管理服务系统的通信网络方案设计

2013-09-01刘晓芳

电气技术 2013年6期

刘晓芳

（浙江新能量科技有限公司，杭州 310005）

节能是当前社会关注的热点。随着经济的快速发展，能源已经成为未来经济社会发展的重要制约因素，而电力在能源消费中所占的比重较大。长期以来，我国的经济增长对电力消费有着较强的依赖性。对用户侧的电能利用进行科学有效的管理优化，提高电力用户的电能利用效率，实现需求侧智能用电对社会的节能减排意义重大。智能用电[1]的前提是电能管理的精细化和信息化，加快建设和应用基于信息和通信技术的电能管理信息服务系统已成为十分迫切的现实需要。

电能管理信息服务系统融合了现代测量技术、通信技术、物联网技术[2]、数据挖掘技术等多项前沿科学技术，是一个面向多类用户的第三方公共电能管理服务平台，可为电力用户、政府部门、节能服务公司等多方提供科学管理的实用信息服务和决策支持。构建电能管理服务系统的关键技术是信息通信技术，即本地通信和远程通信组网方式的优化选择，而衡量系统通信方式优劣的重要指标是数据的采集成功率。传统的组网方式往往较为单一，系统的采集成功率不能得到有效保证，加上现场环境影响带来的施工问题等，在很大程度上制约了电能管理服务系统的全面推广和应用。

本文提出了一种利用多种通信技术混合组网构建用户电能管理服务系统的解决方案，将多种有线和无线通讯技术运用在电能管理服务系统中，克服了以往单一通信技术带来的可靠性不高、实时性不强的问题。可根据企业的应用需求、现场环境和网络配置情况灵活选择组网方式，提高数据采集成功率和实时性，降低设备投资。对企业电能节约及优化有着重要意义，具有较高的推广价值。

1 电能管理服务系统通信方式研究

1.1 系统网络结构

电能管理服务系统的网络结构分为3层，分别是，现场终端采集层、数据传输层、数据处理中心层。其网络结构图如图1所示。

图1 智能用电管理云服务系统网络结构示意图

电能管理服务系统的网络架构由两大通道组成：①布置在企业的数据集中器与系统主站之间的实时双向通信，即远程通信网络；②企业内部各监测点与数据集中器的通信网络，即下层网络或者本地网络。

1.2 本地网络组网方式

系统本地组网方式主要是指现场采集设备与数据集中器之间的通信，属于电能数据采集系统的下层网络。对这一级网络的要求是：实时性；兼容性；可扩展性。内部接入新的采集设备或第三方设备接入时能自动感知，系统通信网络能够根据需要扩展。

常用的本地组网有线通信方式有 RS485、电力载波；无线方式中主要介绍Zigbee技术的应用。

1）电力载波通信

通信电力线载波通信是以电力线作为传输媒介，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。其最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。低压载波技术在智能家居、智能小区、路灯控制、远程集中抄表系统等领域都得到快速发展。但是载波通信有其局限性：电力线信号干扰大、信号衰减快，可靠性不高；载波受变压器阻隔，通信距离受限，因此在实际应用中往往需要采取另外措施以克服上述缺点和不足，从而限制了电力载波方式的应用。

2）RS485总线通信

RS485总线通信组网是采用RS485数据线作为采集设备与数据集中器的通信信道。485是一种异步半双工总线通信标准。只需两根线便可实现双向通信，可以很方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信网络，具有通信可靠性高，实时性强，通信距离远等优点，是当前测量仪表所广泛支持的一种通信方式。但是485通信也存在布线工程量大、信道易损坏、故障排除困难、恢复慢、信道维护工作量大等不足。

3）无线组网Zigbee通信

Zigbee具有低成本、近距离、低功耗、自组网、自愈、抗干扰强等特点，被广泛的应用于物联网的各种数据采集与控制系统中，是一种很好的短距离通信方式。这种方式最大的优点是不需拉设专用通信线，利用无线电波进行通信，减少投资便于安装，将这种技术应用于电能管理系统中，构建基于Zigbee通信技术的配电信息采集系统是一种发展趋势[3-4]。

表1 本地通信方式分析表

电能管理云服务系统中，配置在数据集中器中的Zigbee模块可看成是Zigbee主协调节点，配置在数据采集器上的 Zigbee模块可看成是 Zigbee子节点，子节点通过ZigBee无线电波可将数据直接传送到主协调节点，也可在信号覆盖范围内作为路由节点，建立孤立节点与上级路由节点或主协调节点之间的信息中转通道。众多的子节点和主协调节点构成一个Zigbee本地通信子网。这种组网方式适用于数据监测点较多，位置分散，对数据实时性要求不高的情况下，特别是安装难度较大的企业厂房车间、楼层等，尤其是布线困难的改造项目中。

1.3 远程网络组网方式

电能管理服务系统的远程上行网络主要是数据集中器与系统主站服务器之间的联网，能够支持以太网通信和GPRS无线公网通信两种信道。上行通信采用模块方式，以太网和GPRS无线公网通信模块都集成在数据集中器中，视现场环境可互相替换。

1）以太网

以太网是当前局域网采用的最通用的通信协议标准，其中采用光纤专网的以太网通信技术以其大容量传输和超低损耗成为国家信息高速公路的主要传输手段，也是电力企业用电信息采集系统的首选通信方式，但是投资巨大，对于市场第三方为电力用户提供电能管理系统服务并不适合。

如果将具备以太网接口的数据集中器接入企业内部局域网，数据集中器从现场采集器中获取的数据即可通过内部网关连接到外部Internet上，再经由Internet将数据传输给电能管理服务系统的主站服务器。企业用电数据只需从远程服务器中获取，采用的传输介质可以是光纤，或者是双绞线。适用于数据流量较大，传输实时性和可靠性要求较高，内部已经建设局域网的用户。

2）无线公网GPRS/CDMA

无线公网通信指移动运营商所提供的公共网络方式，包括CDMA、GPRS等方式，是一种基于GPRS（通用分组无线业务）、CDMA（码分多址）的无线通信技术，可以利用短消息实现电能监控。具有实时在线、登陆快捷、通信稳定、按量收费、高速传输等优点。由于其投资少、接入速度快、调试维护简单，越来越为电力市场所看好[5-6]，特别是内嵌有TCP/IP协议的GPRS/CDMA通信模块的工业化应用已经趋向成熟，可以用于Internet连接。将其应用在电能管理服务系统中，系统的设计、施工和维护都大大简化。适用于数据流量小且稳定、实时性要求不是很高、现场不具备有线网络但是无线公共网络覆盖完整的环境。但系统也有依赖性强、系统安全性不高等缺点。

表2是两种远程通信方式的对比分析。