基于全光纤网络的电力抄表系统

刘 阔, 范晓健, 孙思文, 王 菲, 张大明

(吉林大学 a. 集成光电子学国家重点实验室; b. 电子科学与工程学院; c. 吉林省光通信用聚合物波导器件工程实验室, 长春 130012)

0 引 言

为践行我国可持续发展战略、 建设资源节约型和环境友好型社会, 节能减排、 实现有效稳定的能源费控越来越受到广泛的重视。其中, 对用电信息进行准确采集和科学管理是一个关键方面。早在2012年, 国家发改委就出台了居民阶梯电价政策, 以促使居民在生活中合理用电、 节约资源。该政策的实施, 使得传统的量控计量模式不再满足要求。新的计量费控模式以智能抄表为基础, 采用多种抄读方式, 力争实现用电信息迅速采集、 高效管理, 推动构建现代化智能电网系统[1-4]。

远程费控系统是能适应国家政策要求、 实现用电信息高效高速采集、 远程数据传输处理的现代化计量费控系统, 因此, 针对远程费控系统的研究和完善是当前用电信息采集行业的主要任务。远程费控系统在实现时具有信号传输距离远、 传输环节多等特点, 这就要求其通信链路必须具备极高的稳定性, 以承担远程大规模的数据传输任务, 只有稳定性高、 可靠性强、 传输能力优越的通信介质才能支撑远程费控系统的真正实现和长久运行。

光纤是现代通信领域最常见、 最高效的数据传输介质, 为其在电力抄表系统中的应用提供了可能。常见的光纤包括石英光纤和塑料光纤, 二者分别在长距离和短距离通信领域具有极大的优势[5-11], 可分别适用于电力抄表系统在小区内集抄和将数据远程传输到供电商两种场景, 取代现有的载波式或半光纤式电力抄读方式, 为用电信息采集提供更加稳定高效的解决方案。

笔者基于石英光纤在中长距离的通信能力和塑料光纤在短距离的数据传输性能优势, 提出在电力抄表系统中综合运用石英光纤和塑料光纤作为通信介质, 对现有传统的电力集抄方式进行全方面的改进, 提高用电信息采集的稳定性和高效性, 使之更加符合远程费控系统的需要, 为智能用电系统的建设和发展奠定基础。

1 智能用电信息采集系统

智能用电信息系统是时代发展的要求, 不仅要实现对用电量的计量计价和控制, 也要具有信息反馈、 用电保护、 故障监控、 智能调配等功能, 构建供电方与用电方信息交流反馈的平台, 促进合理用电、 科学用电, 以实现节约能源、 减少浪费的目的。智能用电系统包括以下几个部分： 计量主站、 远距离通信信道、 本地终端、 局域网络和用户[12], 整体结构如图1所示。

图1 智能用电系统示意图

计量主站是指供电商内部实现数据采集、 存储、 管理等功能的系统, 其通过远程信道与本地终端进行有机连接, 既要实现收集并处理终端传输的各种数据, 又要即时发布命令, 包括事件监测、 故障定位等。这部分的数据传输具有数量大、 距离远等特点, 伴随着电力行业的发展, 未来还将拓展更多的增值功能[13-15], 比如分时段计价、 多次结算、 信息公开、 政策透明、 即时保障用电稳定和安全等, 因此对远程信道通信介质的信号传输能力提出了更高的要求。我国各地区应根据用电信息采集系统实际建设和发展情况自主选择最优方案, 同时跟紧时代步伐, 向智能化电力抄表系统迈进。

本地终端主要包括用电设备、 计量设备、 采集和集中终端以及各类传感设备等, 其中计量设备和采集、 集中终端需依据用户分布情况, 按照一定的拓扑结构进行连接, 构成本地主干通信网络[16]。计量设备的主要功能是用电数据计量、 相应费率控制和计算、 数据存储和显示, 并能实现双向通信。采集和集中终端一般为装有相应模块的采集器和集中器, 主要功能是实现对计量设备数据的采集、 存储和传输, 其中采集器还负责将本地数据向上发送至计量主站, 并接受和传达其命令。本地主干网络目前常见的是电力载波和微功率无线技术, 运用RS485、 RS232、 CAN(Controller Aoea Network)总线等有线方式和ZigBee、 GPRS(General Packet Radio Service)等无线方式形成本地通信网络[17-18], 将采集器、 集中器、 智能电表进行连接, 实现信息传输。我国目前主流采用的电力抄表系统中传输方式为载波数据传输, 以低压电力线作为数据传输介质。这种技术的优势主要在于节省了前期布线的步骤, 不需要专门为用电信息采集重新布线。但其缺点也十分明显, 由于低压电力线的主要功能是传输电能, 相比于专用通信介质, 其信道环境十分复杂, 使整体可靠性较低, 随着对用电信息采集系统的要求提高, 载波式电力抄表方式将受到越来越大的挑战。

2 塑料光纤在本地终端电力抄表系统中的应用

图2 塑料光纤基本结构

用电信息采集系统可划分为两大部分: 一是用电现场终端及其构成的短距离数据采集系统; 二是计量主站及连接其与用电终端之间的远程信道。其中前者的数据传输距离一般不超过200 m, 按照现有的塑料光纤通讯能力完全可以胜任通信介质。塑料光纤是由高透明聚合物如聚苯乙烯(PS: Polystyrene)、 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA: Polymethyl Methacrylete)、 聚碳酸酯(PC: Polycarbonate)作为芯层材料, PMMA、 氟塑料等作为皮层材料, 通过物理加工合成的光导纤维[19], 不同的材料具有不同的光衰减性能和温度应用范围(见图2)。

目前国内生产的通信用塑料光纤产品, 主要采用PMMA作为芯层、 氟化材料作为包层, 其损耗不超过180 dB/km, 带宽可达1 GHz·km, 表1为几种通信介质性能对比。由表1可看出在短距离信号传输领域, 塑料光纤相对铜质电缆和石英光纤均有自己的独特优势, 为实现在用电信息采集系统中的应用奠定了坚实的技术基础[20-23]。

表1 几种通信材料性能对比

塑料光纤在通信领域中的应用离不开其相应的光收发模块, 目前塑料光纤光模块主要有650 nm和520 nm两种, 其中低速的光模块传输速率在1～50 Mbit/s, 高速的可达1.25 Gbit/s[24]。当前世界流行的塑料光纤收发模块主要是Infineon, Avago, OPTEK等国外公司生产的, 我国的相关研究起步较晚, 目前国内仅有几家公司具备自主生产塑料光纤收发模块的能力, 市售还是以国外产品为主。650 nm的光收发模块适用于100 m以内的通信距离, 此时光发射器功率为-5 dBm, 相应地采用在650 nm波长下衰减小于180 dB/km的塑料光纤即可满足本地主干网络通信的要求； 520 nm光收发模块在100～300 m的通信距离中更有优势, 发射器功率达-3～-0.5 dBm, 此时需要采用在绿光波段衰减小于100 dB/km的塑料光纤。需要指出的是, 目前这种在绿光波段性能较好的塑料光纤在国内鲜有生产, 基本均为国外产品。未来塑料光纤收发模块的发展趋势是小型化、 集成化、 低功耗和低成本, 我国的光模块产品则将占据更多的市场份额, 并带动与之相对应的更优性能的塑料光纤产品的发展。

基于塑料光纤的用电信息短距离数据采集系统解决方案如图3所示。 从图3可看出, 安装了塑料光纤专用收发模块的智能电表与相应采集器用塑料光纤连接, 采用单芯闭环的拓扑结构, 即从采集器本地通信模块出发, 依次串联数个智能电表, 最后回到采集器模块； 集中器与采集器的连接方式与之类似, 数个采集器依次串联, 最终仍回到集中器相应模块。这就实现了环与环之间并联、 环内串联的拓扑结构。作为对比, 可设计两种连接方案, 一种是在智能电表、 采集器、 集中器之间全部用塑料光纤进行连接的实验组； 另一种是用传统的电力载波方式进行连接的对照组。其中用塑料光纤连接的方案中, 需要将智能电表、 采集器和集中器进行改造, 加装光通信模块, 使之具有光信号传输能力。系统连接后, 将集中器数据导入至塑料光纤测试管理软件, 通过该软件实时监测系统数据传输情况。这种组装方案采用TCP/IP协议, 因此设备的可替换性较强, 当需要维修时, 可直接选购各厂家的器件、 模块进行替换, 有效降低维护时间和成本。

图3 塑料光纤本地用电信息采集系统

图4 现有试点对比数据

数家塑料光纤试点与窄带载波系统进行对比测试的典型数据如图4所示。从图4中可看出, 在几百户的用电规模下, 塑料光纤方案抄读成功率接近100%, 相较于窄带载波方案的87.5%是质的突破； 平均抄读耗时降到了秒级, 下降了300倍； 系统功耗降至毫瓦级别, 比窄带低30倍, 极大地提升了系统的运行速度和质量。进行测试时, 应尽量保证两种方案的通信距离接近、 测试时间用电量接近, 以减小实验误差。测试的项目包括全部数据采集一次消耗时长、 高采集频率下不间断通信成功率、 长时间内系统运行稳定性、 不同用电峰值时间段系统可靠性、 不同环境(温度、 湿度、 光照等)下系统可靠性、 电磁干扰环境下系统稳定性等。此外, 在实施和成本方面, 塑料光纤方案还具有布线简单、 施工成本低、 运行维护方便、 维修容易等优势； 在不同环境下系统的可靠性方面, 现有的塑料光纤产品均能实现80 ℃以下正常使用20年以上, 温度适应范围较大； 且因脱离电力信号传输, 故不受电磁干扰, 环境可靠性强。

3 石英光纤在长距离电力抄表系统中的应用

电力抄表系统中的长距离信号传输部分是指从集中器到供电公司主站, 这段线路距离通常超过1 km, 目前常用的远程信道包括GPRS/CDMA(Code Division Multiple Access)无线公网、 230 MHz无线专网和中压电力线载波网络。智能电力抄表系统的主站由电力业务应用、 信息采集、 数据储存管理、 营销支持和前置通信等组成, 远程信道将主站与用电终端进行连接, 实现将集中器数据上行传输、 主站命令下行通信等功能[25]。随着智能电力系统的不断发展, 未来需要通过远程信道进行传输的数据量将会大大提升, 以实现梯量计价、 有序管理、 减小电力浪费、 实时监测充电桩等设备运行、 故障上报与定位和确保用电质量和安全等增值功能。面对将大量增加的数据传输量, 现行的无线、 电力线载波方式会面临较大的压力。无线网络由于易受建筑物、 树木的遮挡和天气、 风力的影响, 存在信号传输不稳定的缺陷； 电力线载波方式则是存在传输效率不高、 抗电磁干扰能力差等方面的不足。石英光纤是光纤通信乃至整个现代通信领域的基石, 具有其他通信材料无法比拟的优势[26-33], 自20世纪60年代提出之后, 受到了广泛的重视并迅速发展。相对现行的无线和电力载波方式, 光纤方案具有带宽大、 传输损耗极低、 尺寸小、 质量轻、 制作成本低等优势。目前实际应用的石英光纤传输损耗均在0.5 dB/km以下, 色散小于18 ps/km·nm, 包层直径仅有125 μm。表2是石英光纤与其他长距离通信方式的对比, 可看出将石英光纤应用于电力抄表系统具有十分坚实的技术基础。

表2 长距离通信方式对比

石英光纤应用在电力抄表系统远程信道中, 需要将主站和集中器分别添加相应的光通信模块, 使二者都具有光通信能力, 在布线方面则可以参考现有的宽带网络光纤到户布线方案甚至凭借其现有的光纤进行用电信息数据的传输[34]。

如图5所示, 在集中器侧, 由于短距离抄表系统连接的是塑料光纤, 长距离传输采用石英光纤, 二者中心波长不同, 需要进行一定的调制解调以满足两类光纤的要求。也就是说, 集中器既需要安装塑料光纤光模块, 同时也要增加石英光纤光模块, 将两种模块以最佳方式适配集中器可参考具体安装环境, 采用将模块直接加在集中器内或额外添加调制解调器的方式。按照石英光纤方案改造完成后, 可从布线成本、 维护成本、 响应时间、 传输速度和稳定性等方面进行测试, 可充分体现石英光纤方案的优势。

图5 石英光纤远程信道

4 结 语

采用长距离石英光纤通信和短距离塑料光纤通信方案结合实现全光网络电力抄表系统, 可以真正实现100%的抄读成功率, 而且将采集耗时限制在秒级, 提高了采集效率, 降低采集人员的工作强度, 方便供电主站对用户的精准计价, 并实现故障实时检测、 定位, 方便对供电障碍的维护； 更精准及时的费控能有力地帮助供电营销单位对区域用电做出最佳规划, 削峰填谷、 分时计费, 缓解电力供需矛盾, 促进节能减排, 并且可增加防窃电预警装置, 减少资源浪费； 可实现多表合一, 集合水、 电、 气和热表数据采集, 以足够的带宽光纤方案完全可以实现多种计量数据同时传输, 起始但不限于电力抄表行业； 可以拓展许多需要大量、 高速、 实时数据传输的功能, 符合未来智能电网的发展趋势, 例如在用户端可增加手机软件, 方便用户对自己用电量和供电公司政策的把握, 实现以每家每户为起点的节能减耗, 并且方便故障定位和维修, 提供用户与供电方交流反馈的平台。

但在实际工程实施过程中, 全光网络方案也存在一定的劣势。由于塑料光纤的传输距离一般不超过250 m, 限制了采集器、 集中器的连接距离, 可能导致需要的仪器数量超过原本的载波方案, 造成成本的增加, 尤其是对占地面积较大的小区、 企业等需要集中安装表计的单位, 改造或新建的前期器件购置成本要略高于电力载波式方案。另外, 在安装完成后, 调试费用和运行维护费用方面, 全光网络方案也没有明显的优势。目前塑料光纤应用在电力抄表系统的实际案例还较少, 其带宽大和稳定性高的优势还没有能完全体现出来, 附加功能也处在探索阶段。相信随着技术的完善和应用的普及, 凭借自身独特的优势和顺应时代潮流的特性, 全光网络将会成为未来电力抄表乃至整个远程数据采集行业的大趋势。