全光纤网络在智能用电信息采集系统中的应用

杨爱冰， 周 阳， 周 克， 董芳针

(1.贵州电网有限责任公司 贵阳供电局，贵阳 550001；2.贵州大学 电气工程学院，贵阳 550025)

全光纤网络在智能用电信息采集系统中的应用

杨爱冰1， 周 阳1， 周 克2， 董芳针2

(1.贵州电网有限责任公司 贵阳供电局，贵阳 550001；2.贵州大学 电气工程学院，贵阳 550025)

为建设稳健、高效的智能用电信息采集系统，全面推广电力计量远程费控系统，进一步提升现有用电信息采集系统的数据准确性与完整性，将全光纤网络技术应用于用电信息采集系统，提出了一种遵循智能用电原则的全光纤网络集抄方案，并将该方案运用于我省某地的集抄试点工程。试点运行结果表明：基于全光纤网络集抄方案的用电信息采集系统，可实现秒级集采的应用效果，使试点台区的集抄实时性、采集成功率以及费控电能表装置的响应时间实现质的飞跃，为智能用电信息采集系统的功能扩展和业务推广奠定基础。

智能用电； 光纤网络； 塑料光纤； 远程集抄； 信息采集系统

0 引 言

为了促进资源节约型和环境友好型社会建设，科学落实节能减排，引导居民合理、节约用电，2012年7月，国家发改委出台了居民阶梯电价政策，该政策的出台，直接导致原有的量控计量模式不再适用。新模式以智能电能表的应用为起点，从单纯电量信息釆集向用户侧综合数据采集和用户用电管理的转变，逐步实现高效、经济、智能化的电网应用成为大势所趋[1]。

早在国家发改委发布阶梯电价政策前，国家电网、南方电网就已经针对用电采集信息系统的未来发展做出了部署：如国家电网公司2009年提出的实现用户用电信息采集系统建设的“全覆盖、全采集、全费控”理念。《中国南方电网有限责任公司“十二五”电能计量规划》中提出的智能计量系统能够实现双向信息交互、能效评估、需求响应等新功能。这些基础设施的建设，为实现远程费控等智能用电[2-3]应用奠定基础。

远程费控系统是一项庞杂的系统应用，涉及营销业务应用系统、用电信息采集系统、采集终端、智能电能表等多个系统、硬件之间的远距离数据指令传输。系统、硬件之间各个环节如何衔接、可靠运行是运程费控系统设计中遇到的主要难题。

针对远程费控系统的实用性，已有电力公司进行了大量尝试，试点结果表明：通信传输链路的可靠性是整套费控系统成功实施的基本保证，只有稳定、可靠的通信网络才能支撑费控系统各项功能的正确执行。

为了推进远程费控系统的深化应用，为阶梯电价政策实施提供业务支撑[4]，引导用户转变缴费习惯，提高电费回收风险控制能力，本文在现有在建的智能用电信息采集系统的基础上，进行了业务扩充，并选择部分台区进行试点运行，为本地区今后计量费控工作的开展提供借鉴依据。

1 基于全光纤网络的用电信息采集系统

目前，我国在建的用电信息采集系统普遍采用电力线载波技术[5]作为电能信号的主要传输方式。这种建设方式可以免去前期布线的步骤，但是，由于低压电力线的基本功能是用来传输电能，与双绞线、同轴电缆、光纤等专用通信介质不同，低压电力线是一种非均匀分布的传输线，且终端用电设备种类繁多，数量巨大，造成低压电力网络的信道特性十分复杂，通信环境相当恶劣。在这种信道环境中进行数据传输，数据漏抄、误抄现象时常发生，很难满足电力信息计量费控功能所需的可靠性要求[6]。

除了电力线载波方式外，另外一种常用的传输方式是微功率无线技术。该技术利用470 MHz的高频无线链路传送数据，由于信号借助无线空间进行传输，在传输过程中既存在信道间干扰问题，又存在由于障碍物阻隔而导致的信号衰减。为了保证电能信号的传输效果，通常在系统设计初期采取大量的技术手段：如自组网、中继、前向纠错编码、CRC纠错等方式来降低传输过程中的误码[7]。

光纤通信[8]作为现代通信的主要支柱技术之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤具有尺寸小、质量轻、容量大、抗电磁干扰强、传输质量好等优点，被广泛用于通信信号的传输载体。但是，传统的石英光纤在应用于用电信息采集系统时，需要面临多次弯曲、多次插拔的入户施工及维修、维护工程，使得其难以胜任电力计量远程费控工作，导致人们很少直接将石英光纤用作接入网的传输链路，而是依靠铜缆来替代它通信。然而，这一壁垒随着塑料光纤的出现而被打破[9]。

塑料光纤(POF)是由高透明聚合物如聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤(光导纤维)。塑料光纤不但可用于接入网的最后100～1 000 m，也可以用于各种汽车、飞机、等运载工具上，是优异的短距离数据传输介质[10]。 与石英光纤相比，塑料光纤具有以下优点：① 快速安装。POF能够很容易地通过狭小的穿线管。② 容易连接。POF不用抛光也能达到很好的连接效果，也不用为了连接而采用专用的设备。③ 低廉成本优势。采用POF做传输介质的网络接入系统，其造价要比石英光纤接入系统低。④ 坚固耐用。POF光缆比石英光缆更加柔韧耐用，弯曲半径也小。⑤ 简单、安全的连通测试。采用对肉眼无害的可见光。

塑料光纤作为信号传输载体的智能用电信息采集系统如图1所示。由图可见，智能用电信息采集系统主要由主站、通信信道、采集终端和智能电能表组成，可实现电力用户用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能。

同其他现有的传输技术相比，塑料光纤技术具有明显的优势，具体比较结果见表1。从表1可知，塑料光纤的最大速率可达到100 Kbit/s，远远优于现有的铜缆和窄带电力载波技术，且其最大的优势是传输不受电磁干扰，误码率较其他传输方式下降至10-9以下，满足智能用电信息采集系统的建设需求，为实施远程费控功能奠定了强有力的基础条件。

表1 各种通信技术对比

2 塑料光纤通信技术应用

针对本地区已有的低压电力集抄台区进行系统可行性试点建设，先后选取4个台区共612户居民进行试点工程，其中A、B台区为单相电子式电能表台区，仅有RS-485接口可供数据采集通信。C、D 2个台区为新增居民用户台区，配备有智能电能表，通信模块采用深圳物联光通公司生产的塑料光纤通信模块。具体的台区改造方案如表2所示。

对比上述方案，无论方案1或方案2，均是利用光纤专网作为远程信道进行居民用电信息的传输。光纤通道既可以是配电房已有的光纤线路，也可以向第三方运营商(如电信、移动、广电)租用光纤资源。但是，方案1和2在实际应用中存在一些差别，具体如下：

在方案1中，居民用电信息经RS-485总线汇集至电力线载波采集器或微功率无线采集器，采集器利用已有的电力线信道或微功率无线信道将数据传输至集中器终端，这种方式称为半载波或半无线方式。对于这种台区的改造，只需要将原有采集器替换成具有光通信功能的采集器，同时在原有集中器上加装光纤路由模块即可。该方案适用于对原有旧台区改造的场合。

表2 试点台区改造实施方案

方案2属于全光纤网络结构，方案中所有的集中器、采集器和智能电能表均使用光纤通信模块。由于采用TCP/IP协议进行用电信息的传输，即便光纤通信模块出现故障，也可以选择其他厂家的光纤产品进行直接替换，而不必像电力线载波或微功率无线集抄系统那样，在进行通信模块替换时，需要整套更改，无法解决各厂家产品互联互通的问题。试点台区的改造施工示意图如图2所示。

图2 台区改造施工示意图

对试点台区改造完毕后，在主站上位机“测试管理软件”上以最高0.5 s/次的采集频率对试点台区所有电能表进行10万次不间断的通信测试，结果如图3所示，成功比率为100%。如此高的采集频次及通信成功率是低压电力线载波、RS-485总线和微功率无线技术所不能比拟的。

图3 通信测试效果图

而后，对试点台区2015年4月随机5个工作日的运行结果与2014年同期进行了对比分析，分析结果如表3所示。

通过以上数据对比可知，全光纤网络集抄方案不仅可以有效提高居民用电信息的采集成功率，几乎每次都达到了100%，在采集时效性[11]上较窄带载波方案更是体现了质的飞升，将整个台区的平均轮抄耗时控制在了秒级。凭借全光纤网络集抄方案高速、稳固的工作效率，可助力供电营销方对用电区域、行业、产业进行全面的市场分析[12-13]，为电力计量远程费控功能的实现提供坚强的网络保证[14-15]。

表3 试点台区运行数据对比

3 结 语

试点台区的建设结果表明，全光纤网络技术可以有效解决智能用电信息采集系统中采集成功率低、采集时效性差等问题，具有组网速度快、集抄效率高等优点。在实际工程实施过程中，全光纤网络集抄方案的一些劣势也有所显现，尤其对于一些表计集中安装的台区，全光纤网络集抄方案使用的集中器数量要多于普通的电力线载波集中器或微功率无线集中器，究其原因主要是POF收发设备的光信号传输距离有限(可达250 m左右)，需要增加光信号中继转发装置来形成稳健的网络拓扑。因此全光纤网络集抄方案的设备购置费用要高于电力线载波集抄方案或微功率无线集抄方案；另外，从工程实施安装调试费用以及运行维护费用方面比较，全光纤网络集抄方案并没有明显的优势。然而，对于分散台区内部分未抄读成功或抄读不稳定的表计，可以采用光纤集抄方案作为有益补充，从而达到很好的采集效果。

由以上分析可知，在以下场合推荐使用全光纤网络集抄方案：① 通信实时性要求较高的场合(需要远程控制以及预付费相关功能操作)；② 其他集抄方案抄读不稳定、运行效果不佳的场合；③ 台区现场负荷变化明显，噪声干扰大等场合；④ 各种表计所属档案信息记录不明晰的场合。

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·名人名言·

如果你问一个善于溜冰的人怎样获得成功时，他会告诉你：“跌倒了，爬起来。”这就是成功。

——牛顿

Application of All-optical Network in Smart Power Utilization Information Collection System

YANGAibing1,ZHOUYang1,ZHOUKe2,DONGFangzhen2

(1.Guizhou Power Grid Company, Guiyang Power Supply Bureau, Guiyang 550001, China; 2. College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

In order to construct a smart power utilization information collection system with the high efficiency and stability, encourage power users and grid companies to participate in the interactive service, promote and popularize the charge control system and develop data accuracy and integrity, a novel strategy named the all-optical network communication is utilized in remote meter reading system. An all-fiber set based on the principle of intelligent data acquisition is proposed, and the scheme is applied to a set of pilot projects in Guizhou province. The result certifies that the metering system can achieve the function of seconds metering, and can render a qualitative improvement for real-time and success rate, and lay a foundation for function development and service promotion of smart power utilization information collection system.

smart power; optical fiber network; plastic optical fiber; remote meter reading; information collection system

2016-07-29

贵州省科技厅基金项目(黔科合LH[2014]7614)；贵州电网科技项目(K-GZ2014-011)

杨爱冰(1969-)，男，贵州贵阳人，高级工程师，主要从事电力计量科技工作。E-mail：462665185@qq.com

TM 76

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1006-7167(2017)03-0125-04