祝宇楠1，劉 建1，徐 晴1，馬勝國2
（1. 江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 210019；2. 深圳市國電科技通信有限公司，廣東 深圳 518031）
摘 要： 隨著智能電能表推廣應用的開展，國網公司在經營管理中依托采集的智能電能表數據信息取得了顯著的實用化成效，為營銷業務應用系統、供電電壓在線監測系統等相關業務應用系統提供了基礎數據支撐，推動了智能電網互動化的發展。考慮到用戶所有用電信息都可以由智能電能表監測、生成并記錄，而電能表又在用戶本地，如果用戶能與電能表直接進行信息交互，將從很大程度上打破信息傳遞實時性差、可靠性低、完整性差等限制。本文通過對智能電能表雙模通信技術進行深入研究，提出可行的智能電能表本地雙向交互策略及具體實現方式，解決用戶與智能電能表之間直接進行信息交互的問題。
關鍵詞： 雙模通信;智能電能表;雙向交互
0 引言
隨著用戶對電網企業的服務理念、服務方式、服務內容和服務質量提出更高要求，電網公司供用電服務的內外部環境發生了顯著變化；同時，國內外智能電網建設步伐的不斷加快，對智能電網用電環節的互動化體現更加顯著，需求將進一步增強[1]。
隨著小型風電、光伏發電裝置，以及蓄電池等儲能裝置的推廣應用與普及，用戶向電網反向饋電也成為可能，用戶參與電網互動需求與日俱增，這使常規的用電運營模式難以適應市場發展需求。如果不能及時與電力公司進行信息互動，將嚴重影響用戶參與的積極性，阻礙電網智能化的發展進程。智能電能表作為電力公司和用戶之間的紐帶在用電計量、收費、指令傳輸方面起著重要作用。將智能電能表與智能家居系統相結合，在不影響居民生活質量的前提下，可以便捷有效地實現用戶用電的自動調節，達到用電負荷均勻分布，不僅減少了用戶電費支出，同時也實現了總體負荷“削峰填谷”的效果，提高了電網設備的利用效率[2]。用電過程中的互動體驗將是未來發展的方向，通過雙向交互將電網用戶發電及能量儲存等各部分有效地連接成一個整體，使用電用戶直接參與電力市場的同時，也大大提升電力公司的資產管理水平和運行機制[3]。
1 國內雙向互動領域研究現狀
目前，國內在雙向互動領域中主要依托用電信息采集系統，通過95598互動網站、營銷業務應用系統、電能服務管理平臺、智能小區管理系統等構建的智能用電雙向互動服務綜合平臺來實現用戶的互動，各專業可根據業務需要拓展互動服務內容，具備提供更豐富、更優質用戶互動服務的先決條件[3]。
1.1 互動領域發展現狀
近年來，國網公司在華北、北京、重慶開展了基于智能電網新技術的智能小區試點建設，加強在用電側和用戶的互動。智能小區的建設為用戶搭建了智能用電互動平臺，引入了全新的家庭用能模式，加強了用電側和用戶電能的互動，提高了能源利用效率。通過一系列智能小區、智能樓宇、智能園區、智能營業廳等新型智能用電集成應用試點建設工作，在智能用電互動方面進行了積極有益的探索，梳理了電網與用戶的互動服務需求，通過研究智能用電關鍵技術和設備，構建全新的、雙向的智能用電互動服務平臺，探索為用戶提供優質、便捷的智能服務，為社會創造更大的價值[4]。但在與家庭中智能電能表直接雙向交互方面尚無先例，處于探索階段。
1.2 存在的問題
國內在與用戶的雙向互動領域已經開展了較多的單項技術研究并開展了多個試點工程，制定了互動領域多項標準規范，部分項目已經結題驗收，互動方面的工程實踐也積累了一定的經驗，并且已經具備了較為充分的理論基礎。但綜合分析項目的國內外現狀，仍然存在一些問題和不足：
（1）目前，我國關于用戶用電信息計量、采集相關信息化建設主要集中在用電信息采集系統、采集終端、智能電能表三方面，且均未開放用戶訪問，采集到的海量數據僅電力企業內部使用，用戶用電相關信息沒有及時有效地傳遞至用戶。
（2）實現與用戶的雙向互動(信息互動、電能互動和業務互動)是智能用電的一個顯著標志。但是，目前在智能用電領域缺少統一標準的互動服務體系，缺乏對互動服務業務模式及商業運營模式積極有益的探索。因此，亟需建立健全規范的體系架構標準，同時積極探索互動服務業務模式及商業運營模式，以支撐用電互動服務健康有序地發展[5]。
（3）此外，就用電技術領域而言，尚未開展過系統全面的用電業務梳理，尤其對用電方面的互動體系和運營模式，更是缺乏統一考慮和分析，為電力用戶提供差異化、個性化服務需求的互動技術手段需要進一步完善和提高，在用電互動支撐平臺及系統集成等方面的研究與國外先進水平相比存在一定的差距，難以適應未來靈活互動用電場景的需要[6]。
2 直接雙向交互組網方案研究
通過深入研究學習國外AMI系統雙向交互建設理念以及建設成效，結合國內用電信息采集系統現狀提出了可行的智能電能表直接雙向交互解決方案。此方案以智能電能表為紐帶，在保持智能電能表本體不變、保證用電信息采集系統穩定運行的前提下，重點研究智能雙向交互網關和升級改造電能表通信模塊。智能雙向交互網關是安裝在室內的一種利用電力線載波或微功率無線等通信方式與電能表進行互動的設備。通過智能雙向交互網關，用戶可以利用智能終端設備獲取用電用戶的智能電能表中用電數據信息，實現用戶與智能電能表之間信息的交互。
2.1 用電信息采集系統組網方式
目前，用電信息采集系統通信采集網絡組網廣泛采用了多種通信組網方式實現電能表數據的通信與采集，其中典型的應用環境包括：寬帶載波通信組網方式、窄帶載波通信組網方式、微功率無線通信組網方式和RS485通信組網方式[7]。本文主要探討基于電力線載波通信組網方式和微功率無線通信組網方式實現智能電能表的直接雙向互動解決方案。
2.2 智能電能表直接雙向交互組網方案
利用電力線載波或微功率無線通信方式實現智能電能表的直接雙向互動組網方案如圖1所示。
智能電能表直接雙向交互組網方案是采用家庭內部的智能雙向交互網關設備與智能電能表通信模塊、智能手機客戶端軟件連接，智能手機客戶端軟件下達抄讀指令到智能雙向交互網關，由智能雙向交互網關完成智能電能表數據信息的抄讀，并將數據反饋給智能手機客戶端軟件，完成抄讀數據的展示[8]。
根據對網絡單元中涉及的通信模塊組網方式分析，現有智能電能表通信模塊僅支持指定的單一信道通信，不能滿足雙向交互要求。因此利用目前通信模塊進行雙向互動，需要對現有的載波/微功率無線通信模塊進行升級改造，使其能夠與集中器、智能雙向交互網關進行數據通信，并且互不影響。
3 雙模通信技術研究
低壓電力線載波通信和微功率無線通信在電力系統中都有廣泛應用，并各有優缺點。低壓電力線載波通信屬于有線通信技術，其信道特征受配電網網絡結構、用電負荷大小、干擾和噪聲等因素影響；而無線通信技術受地理環境、天氣因素影響較大，因此，二者信道特征具有互補特性。
針對目前智能電能表及用電信息采集設備較多采用電力線載波和微功率無線通信模式，在智能電能表直接雙向交互網方案研究過程中，采用電力線載波與微功率無線融合通信技術，利于電力線載波與無線雙信道部署或者異構組網部署方式，優化組網結構，擴大覆蓋范圍，消除通信盲點，提高通信網的可靠性[9]。
3.1 雙模通信工作原理
針對雙模通信模塊的功能定位，雙模通信模塊應支持電力線載波與微功率無線同時協調工作。因此，雙模通信模塊需要集成載波調制解析模塊、微功率無線調制解析模塊、進行數據控制處理的主CPU以及與采集設備進行數據交互的本地通信接口。雙模通信模塊原理如圖2所示。
3.2 雙模通信技術研究路線
（1）雙模通信芯片接口模型
雙模通信模塊包含一個本地通信接口、一個載波耦合接口、一個微功率無線通信接口，通信模塊內置CPU，與載波接口、微功率無線接口相連處理雙模通信與外界的通信。雙模通信芯片接口示意圖如圖3所示。
載波耦合接口和微功率無線接口通過不同的管腳連接主控芯片，主控芯片根據管腳接口判斷數據的來源，接收數據后通過本地通信模塊接口發送給電能表或采集終端進行數據交互，同時接收電能表或采集終端返回的數據并通過不同的串口發送至載波耦合接口或者微功率無線接口，進行數據交互。載波通信芯片和微功率通信芯片之間沒有直接的數據交互，兩者使用不同的進程與主控芯片進行數據交互，主控芯片使用隊列方式進行數據的傳輸。
（2）雙模通信物理層、MAC層融合技術
電力線載波與無線通信物理層集成技術主要采用獨立物理層、MAC層融合方式。獨立MAC層、物理層的電力線載波與無線融合技術實現了兩者的MAC層、物理層完全獨立，僅在網絡層實現融合。如圖4所示，該方式中PLC與無線的物理層可采用不同參數或者調制方式，MAC層協議也可采用不相同協議在網絡層及以上協議層實現融合,這種融合方式需要進行協議轉換研究。
在圖4邏輯結構中，將PLC通道MAC、物理層與無線通道的MAC、物理層分別獨立配置，在網絡層和應用層實現融合。
（3）雙模通信協議轉換技術
獨立MAC層、物理層的電力線載波與無線融合技術還需研究雙模通信協議切換技術，首先對MAC層進行信道質量評估和通信成功率統計，可優先采用電力線載波物理層通道進行數據發送，電力線載波發送失敗時，切換到微功率無線物理層通道，繼續實現與目的信息節點的物理連接。兩技術實現無縫接入，要求每個通信節點具有上述同樣的協議模型，MAC層包含微功率無線MAC層和電力線載波的MAC層兩部分內容，且能實現兩協議的切換調度，并為網絡層提供統一接口。
雙模通信技術將電力線載波通信和微功率無線通信集成在一個通信模塊中，構成單芯片雙模通信解決方案，即載波與無線兩種通信模式互相結合，互相協調，互為備份，自動切換，構成復合通信技術，實現資源與優勢互補,為智能電能表在與集中器、智能雙向交互網關進行數據通信時的穩定和高效提供了保障。
4 結束語
開展智能電能表及用電信息采集設備雙模通信技術的研究，使智能電能表同時具備微功率無線和電力線載波兩種通信通道，為每種通信方式分配了用于數據采集交互的獨立資源，避開了資源分層，有效減弱信道的沖突，使得智能電能表利用這兩種通信通道實現雙向信息交互，同時參與到兩個通信組網中，促進智能電能表直接雙向交互應用的實現。
智能電能表直接雙向交互能夠通過支持和引導用戶參與供需平衡的自動需求響應，為用戶提供靈活友好、支持電能量交互的用電互動平臺，從而提升用戶服務體驗，優化用戶用電方式，提高終端用能效率。
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