宽带载波技术应用及效益分析

2018-07-10王凤祥张洋洋刘东旭

山东电力高等专科学校学报 2018年3期

王凤祥，梁波，孔晶，张洋洋，刘东旭

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南 250001；2.北京国旺盛源智能终端科技有限公司，北京 100089）

0 引言

随着智能电网建设的不断深入，不断增长的海量数据使得传统的用电信息采集方式无法满足当前电网信息采集和交互的需要，促使各研究机构开发研究更高效快速实用的新型采集方案，以更新传统的用电信息采集方式，适应未来智能电网建设高速稳定通信的需要［1］。

经过近年来的不懈努力，在传统载波用电信息采集方式基础上改进而来的宽带载波采集方案于2013年研发成功，经过不断的测试优化，2015年在用电信息采集本地通信系统中安装运行，各项指标均达到国网公司先进水平，为用电信息采集系统本地通信提供了新的稳定、可靠的技术解决方案。

1 宽带载波通信技术的概念

宽带电力线通信BPL（BroadbandoverPowerLine），是指带宽限定在2～30 MHz之间、通信速率通常在1 Mbps以上的电力线载波通信。电力线通信技术利用现有坚固可靠的电力线作为信息传输的媒介，通过载波方式传输模拟或数字信号。

该技术是把载有信息的高频信号加载于电流，然后利用各种等级的电力线传输，接受信息的调制解调器再把高频信号从电流中分离出来，并传送到电力线宽带用户终端（计算机、电视或电话机和智能电表、开关等）。该技术在不需要重新布线的基础上，在现有电力线上实现数据、语音和视频等多业务的承载。

2 宽带载波通信技术工作原理

基于扩频技术的电力线窄带载波通信技术通过伪随机编码展宽通信频带等方式提高了单频载波的抗干扰问题，但在用电设备类型日益丰富，电路中开关电源和无功补偿装置等电容性负载日益增多的环境下，信号吸收和突发干扰大大降低了通信系统的适应性和可靠性，窄带载波所提供的数据通信速率也逐渐无法满足日益增长的信息传输要求［2］。

基于性能考虑，电力线宽带载波技术主要使用了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术。频分多路复用（FDM）技术是使信号在多个不同的频率上进行传送，可以提高频带利用率，但为了避免子信道之间信号的干扰，相邻信道的信号频谱不能重叠，会限制频带的充分利用，进而限制了信号传输速率的进一步提高。正交频分复用（OFDM）能使各个子信道信号满足两两正交的关系，不但能使频带利用率进一步提高，而且还消除了子信道之间的干扰。OFDM技术主要有以下优点：有效克服码间干扰，抗干扰能力强；频带利用率高；系统的均衡简单等。

电力线宽带通信采用OFDM技术，能有效地抵抗多径干扰，使受干扰的信号仍能可靠接收，即使是在配电网受到严重干扰的情况下，也可提供高速带宽并且保证数据传输准确率，从而实现高速可靠通信［3］。

OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统上利用保护频带分离子信道的方式，从而提高了频率利用效率及组网速度。OFDM频谱如图1所示。

图1 OFDM频谱图

3 宽带载波方案现场安装应用

3.1 硬件安装方式

宽带载波安装主要分为半载波方案和全载波方案。

3.1.1 半载波方案

在变压器二次侧安装I型集中器（含载波模块）1台；每个电表箱安装宽带载波采集器一个或者邻近多个表箱共用一个采集器，采集器通过RS485线与用户电表连接。

通信方式为电表与载波采集器通过RS485线通信，采集器与集中器通过电力线采用宽带载波技术通信。

3.1.2 全载波方案

在变压器二次侧安装I型集中器（含载波模块）1台；不使用载波采集器，在每个电表安装载波模块一个。

通信方式为每块电表直接通过电力线采用宽带载波技术与集中器进行互联通信。

3.2 安装流程

宽带载波方案施工简便，适用于不同供电环境（小区、城乡结合部、农村、山区），且拓扑清晰。以全载波方案为例，介绍其具体安装流程。

3.2.1 勘察现场

对拟安装台区进行现场勘查变压器及各表箱位置，绘制台区走线图，对物理层状况及线路有整体了解。进而确认最适宜安装的载波模式（全载波、半载波等）。

3.2.2 安装集中器

一般在台区配电盘安装集中器，也可以选在台区用户中心位置安装集中器，以实际载波组网路径最短，加快抄表速度。

3.2.3 建立采集档案

在用电信息采集系统对宽带载波集中器设置档案，同时将电表档案地址设置给集中器。

3.2.4 电表宽带载波模块安装

一般可以选择距离集中器位置最近几个表箱，先对电表安装宽带载波模块（STA模块），然后安装集中器，组建一个数量不超过 30的网络，以便出现通信问题时在前期尽快发现解决。当集中器与电表载波通讯无异常后，开始大规模安装宽带载波模块。

3.2.5 施工验收

通过查看集中器及各表计采集设备模块指示灯是否工作正常，确认本地载波组网情况；与电表档案进行比对，以排查故障电表；查看用电信息采集系统集中器GPRS上线并登陆主站情况，检查抄表成功率和抄表速度。当上述指标达标后，填写宽带载波现场施工报告表，进而完成现场及系统验收。

4 宽带载波方案运维技术要点

芯片启用2～12 MHZ频率，可根据现场用电环境自行调节，且支持双通道通信，可适应99.999 9%的用电环境，真正意义上实现通道的“免维护”。

方案兼备抄控器，抄控器下行通过220／380 V电源接入PLC通道，上行通过wifi与PC端连接。组网状态、挂接关系、通讯状态、故障信息等可直接展示，支持故障一键诊断，可简单、快速地进行故障定位［4］。宽带抄控器原理如图2所示。

图2 宽带抄控器原理结构图

日志记录模块强大，可长时间详细记录集中器、模块的运行日志，出现问题时可直接对现场进行远程分析，最大程度地减少了现场维护量。

5 宽带载波方案技术优点

5.1 抗干扰能力强

码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多。实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。宽带载波采用OFDM技术，采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。

5.2 传输速度快

OFDM的自适应调制机制，使不同的子载波可以根据信道情况和噪音背景的情况选择不同的调制方式。当信道条件好的时候，子载波采用效率高的调制方式；当信道条件差的时候，子载波采用抗干扰能力强的调制方式。而且OFDM加载算法技术，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上，有效保证宽带载波能够以高速率的方式进行数据传送。

5.3 带宽高

宽带载波可以实现高速带宽，其带宽在2～12 MHz之间，其带宽分布如图3所示，现场应用通信速率平均在2 Mbps左右，远高于窄带载波的几十和窄带高速的几百千比特每秒。

图3 电力线载波带宽分布

6 宽带载波方案应用效益分析

宽带载波方案因自身优势在智能电网数据通信中发挥着强大的优势，具体应用效益分析如下。

6.1 换装成本低

以300户台区为例，现场约需要60个表箱。

使用传统两层采集方案时，平均每3个计量箱需要加装一台II型集中器，需要外接485线缆800 m（一台Ⅱ型集中器600元／台，485线缆3元／m，一台Ⅱ型集中器外接485线增加人工安装成本240元），300户台区需安装Ⅱ型集中器15台，加485线缆及人工成本共计16 500元（其中未考虑每台II型集中器SIM卡通信成本）。

使用宽带载波技术方案，可完全替代Ⅱ型集中器实现用电信息采集，300户台区完成换装需要安装智能计量管理终端61台（主终端1 500元／台，子终端200元／台），共计13 500元。

相对于两层方案，宽带载波技术方案安装费用要节省3 000元左右，而且该方案具有现场调试简单，运维量少的优点，可以大幅节省调试运维成本。

6.2 抄表指标稳定

6.2.1 抄表成功率高

宽带载波方案采用高速自组网技术，保证了指标的稳定性。以500户及以下台区为例抄表成功率可以到达99.999%，300户及以下台区抄表成功率可以到达100%。

6.2.2 抄表速度快

相对于窄带载波和两层方案，宽带载波方案组网速度快且稳定，抄表速度较以前大幅提升。

以500户台区为例，5∶00之前可以完成抄表，确保了7∶00之前用电信息采集主站系统对中低压线损核算和采集成功率统计的需求。

6.2.3 全任务全事件采集

宽带载波方案，以其高速带宽、超强的传输速率，实现了集中器下挂接全部表计任务的下发和采集，为实现国网公司2017年计量实施意见中提出的全任务下发、全事件上报奠定基础，满足了上级公司的考核要求，有利于指标快速提升。

6.2.4 远程费控速度快且成功率稳定

远程停电执行时间是两层方式的1／3，远程复电执行时间是两层方式的1／5，成功率十分稳定，而且在实际应用过程中未发现复电不成功现象。

6.2.5 适应不同复杂场景用电信息采集

面对平原地区供电半径长（如农村灌溉用机井等供电半径超过1 km时）、山区供电落差大（RS485线连接困难）、新建居民小区地下室没有无线信号、供电线路状况差等特殊供电环境时，宽带载波方案利用其自身优势可以很好地保证数据传输和指标的稳定。

6.2.6 可拓展性强

宽带载波带宽高、数据传输快，容纳信息量大，在大容量下传输速度依然迅速，可以满足营销专业计量信息、生产专业电压电流等供电质量信息、调控专业遥控遥测信息和未来“互联网+”下智能家居、设备互联互通等一系列数据采集交换要求。同时还能够扩展接入台区表箱线损二级核算、防窃电音视频监控、GPRS定位、射频信号触发等新型智能表箱功能。