- 艾寶物聯(lián)IOBOV? ─ 工業(yè)無線測控專家
1 背景與現(xiàn)狀分析
1.1 智能電網(wǎng)關(guān)鍵特征
1.1.1. 智能電網(wǎng)：分布式發(fā)電;雙向的電力流與信息流;遍布的傳感設(shè)施
圖1
1.1.2 智能電網(wǎng)的低壓末端區(qū)域
(1)節(jié)點、終端數(shù)量多，分布廣，部署環(huán)境復(fù)雜;
l(2)業(yè)務(wù)種類繁多，需求各異，智能電網(wǎng)主要的新型業(yè)務(wù)都集中或起源于這個區(qū)域;
(3)是“十三五”期間國家能源電力改革及建設(shè)相關(guān)政策重點關(guān)注的區(qū)域
國家能源局2015年9月公布《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃(2015—2020 年》2015-2020 年，配電網(wǎng)建設(shè)改造投資不低于2萬億元，其中2015年投資不低于3000億元，“十三五”期間累計投資不低于1.7萬億元。國家科技部2016年2月公布《國家重點研發(fā)計劃智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備專項實施方案》重點研究多元用戶供需互動用電，重點突破城區(qū)用戶與電網(wǎng)供需友好互動系統(tǒng)，多元用戶互動的配用電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范等。
1.2 政策背景：2015-2020 配網(wǎng)建設(shè)改造目標(biāo)
2015年7月國家能源局印發(fā)《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃(2015-2020年)》，提出了十三五期間我國的配網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)：
表1
1.3 AMI：智能電網(wǎng)的核心組件
圖2
1.4 數(shù)據(jù)采集與通信技術(shù)是AMI 的基礎(chǔ)
圖3
隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，未來AMI系統(tǒng)在滿足基本抄表業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，還需要擴展“全費控”、計算臺區(qū)線損、分布式能源系統(tǒng)并網(wǎng)監(jiān)測、實時能效管理等業(yè)務(wù)，甚至還可能使電表終端成為智能家居的通信入口，實現(xiàn)電力需求側(cè)的雙向互動與響應(yīng)。因此，AMI系統(tǒng)的通信技術(shù)將朝著更高帶寬、更低時延以及支持數(shù)據(jù)IP化，傳輸安全化，海量終端節(jié)點可管可控等方向發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究與技術(shù)換代正方興未艾。
1.5 電網(wǎng)末端計量系統(tǒng)及其通信通道現(xiàn)狀
相對于AMR，AMI對通信信道的要求更高，傳輸數(shù)據(jù)種類大大增多(包括電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、諧波、電網(wǎng)運行狀態(tài)、設(shè)備工作狀態(tài)，電價信息，系統(tǒng)下發(fā)升級等)，帶來了更高的可靠性與吞吐量需求，同時，實時雙向需求側(cè)響應(yīng)與互動需要實時的電價控制，對通信信道的時延也帶來了更高要求國內(nèi)現(xiàn)有的以AMR為基礎(chǔ)的用電信息采集系統(tǒng)在通信指標(biāo)上遠遠不能達AMI雙向信息流動的需求，尤其在節(jié)點終端數(shù)量多，分布廣，部署環(huán)境復(fù)雜的電網(wǎng)末端區(qū)域。
圖4
(1)目前，國內(nèi)的AMR的主要通信通道均以FSK 窄帶電力線載波，基于zigbee的RF Mesh，RS485等為主，這是造成當(dāng)前數(shù)據(jù)采集成功率低的主要原因。
(2)電網(wǎng)末端的數(shù)據(jù)采集與通信具有節(jié)點，終端數(shù)量多，分布廣，部署環(huán)境復(fù)雜等特點，相對來說，電力線載波PLC技術(shù)具有先天優(yōu)勢。
2.1 電力線載波通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)綜述
表2
2.2 電力線載波通信技術(shù)概述
(1)適用于智能電網(wǎng)末端采集與通信的主要PLC技術(shù)
表3
(2)傳統(tǒng)窄帶電力線載波在實際應(yīng)用中遇到的問題
一是，傳輸速率低，時延高?？垢蓴_能力與自適應(yīng)性較差
二是，近年來，投入運行的部分集采臺區(qū)(采用傳統(tǒng)FSK窄帶載波方案)出現(xiàn)采集成功率逐漸降低和大幅波動的現(xiàn)象，經(jīng)廠家技術(shù)人員多次現(xiàn)場升級維護，仍然沒有明顯提升，因此，造成區(qū)域性集采成功率指標(biāo)整體下降，電力公司運維成本大幅升高，阻礙了用電信息采集系統(tǒng)的推廣應(yīng)用及后續(xù)業(yè)務(wù)的發(fā)展。
三是，無論是對現(xiàn)有集抄業(yè)務(wù)，還是未來新興業(yè)務(wù)，傳統(tǒng)窄帶FSK載波已難以勝任。
圖5 中國與歐洲典型的低壓電力線載波信道特征
3.1 G3-PLC技術(shù)
表4
圖6
3.2 G3-PLC示范應(yīng)用案例：低壓本地通信(NAN)
中部某市低壓G3-PLC載波應(yīng)用測試：掛表大樓共計17層，全部為小戶型，每層樓有16戶住戶;在2-17層設(shè)有表箱，32塊iMeter100智能電表分別安裝在2-17層的A,B兩相上，總計272 塊表，采用全載波組網(wǎng)方案。
圖7 小區(qū)配電示意圖
圖8
(1)相對于中壓及高壓側(cè)，低壓用電側(cè)更靠近用戶負載，噪聲時變性大，因此在抄通率指標(biāo)上存在明顯的動態(tài)性
(2)以日凍結(jié)抄讀為指標(biāo)，在本案例下G3-PLC可長時間穩(wěn)定在98-99%左右，相對傳統(tǒng)FSK載波已有明顯提升。但對15分鐘凍結(jié)，實時電價，用戶需求響應(yīng)等。AMI典型業(yè)務(wù)，以及后續(xù)的大帶寬電力增值業(yè)務(wù)，G3-PLC顯得依然力不從心。
3.3 G3-PLC亦可用于中壓遠程接入(WAN)
圖9
部分測試運行結(jié)果：吞吐率與輪詢時間
表5
表6
測試結(jié)果：
(1)負載高的時段下，線路底噪較大
(2)在負載低的時段下，將使用更高效率的編碼調(diào)制方式(自適應(yīng))
(3)設(shè)備在低頻段(A頻段)比高頻段(FCC頻段)具有更小的線路衰減，因而能傳輸更遠距離;
(4)在信噪比較好的情況下，設(shè)備可使用FCC頻段和D8PSK編碼方式，鏈路層速率可達170kbps 。
(5)輪詢時間、收包成功率能滿足主站召測數(shù)據(jù)的規(guī)范要求，并比傳統(tǒng)的載波設(shè)備有較大的提高(傳統(tǒng)FSK窄帶載波設(shè)備輪詢時間約為15s)。
4 新一代B-PLC技術(shù)及應(yīng)用案例
4.1 新一代低壓寬帶PLC
國內(nèi)高層小區(qū)典型用電設(shè)備噪聲頻域特性：2MHz以上是用于低壓本地通信理想的工作頻段。
表7
4.2 寬帶載波示范應(yīng)用案例：低壓本地通信(NAN)
南方某市試點小區(qū)：
(1)典型老舊低層住宅小區(qū)，居民用電與商業(yè)用電混裝。臺區(qū)規(guī)模97戶，臺區(qū)半徑150米，走線為架空線，桿變，集中器安裝在變壓器下的配電箱中，電表箱安裝在各單元樓道里或者商鋪前。
(2)現(xiàn)場安裝的電能表為97規(guī)約電子表，通訊方式為RS485。原采集方案為半載波，采用FSK窄帶載波，抄通率(數(shù)據(jù)采集成功率)僅為30%左右。
圖10 現(xiàn)場實時自適應(yīng)路由拓撲
(1)項目上線以來，日凍結(jié)抄讀成功率穩(wěn)定在100%，已經(jīng)穩(wěn)定運行約1年。
(2)單次抄讀成功率基本穩(wěn)定在98%以上，大部分情況在100%，對15分鐘凍結(jié)指標(biāo)有明顯優(yōu)勢
(3)在傳輸帶寬及并發(fā)抄讀技術(shù)的支持下，單表抄讀時延降到毫秒級(全載波)，對費控，實時電價等業(yè)務(wù)支持性較好。
5 新一代B-PLC的應(yīng)用前景與當(dāng)前問題
伴隨著寬帶電力線通信技術(shù)的發(fā)展，電力線載波在比特速率，傳輸時延，穩(wěn)定性等指
標(biāo)上不斷演進。而PLC 以其不需要額外布線的獨特優(yōu)勢，將具有廣寬的應(yīng)用前景，助推電力新興業(yè)務(wù)與增值服務(wù)的發(fā)展。
圖11
當(dāng)前問題
(1)推動寬帶電力線載波技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)互聯(lián)互通與互操作
(2)明確寬帶電力線載波的頻譜使用與分配問題，是否存在政策阻礙