互联网环境下智慧售电关键技术——通信技术

当电力消费置于互联网环境下，最大的变革在于用电行为、交易、过程、电力调度及分布能源生产等电能的全生命周期均建立在互联网虚拟空间和基于数据驱动的过程建模、分析及优化。因此，“互联网＋智慧售电”的实现即是一个数据获取、传输、业务表达与价值发现过程。其中数据获取主要依靠智能用电物联网系统，通过连接各种用电器、分布能源和检测模块，获取各种基础数据信息；数据传输主要依靠近距离通信、公共通信网络等组成异构融合的数据传输网络，将数据汇聚至云计算平台；数据的业务表达和价值发现主要依靠大数据组织、可视化、挖掘等技术完成数据驱动的电力消费过程。

5.1.3智能用电物联网系统近距离通信技术

如图5-5所示，近距离通信是智能用电物联网系统实现数据网络传输的关键环节。国内外用于物联网的近距离通信技术主要包括电力线通信(PLC)、无线射频通信和双网络混合通信，实现智能电能表、传感器等终端设备的组网与数据交换。

图5-4  移动端智能用电交互界面

图5-5  智能用电物联网技术体系架构

1.电力线道信

因利用现有电力线网络而无需重新布线，以及不存在微波传输固有的视距限制和其他无线传输方式受建筑物阻碍所带来的传输距离有限等问题，加之电力线本身就属于电力公司管辖，电力线载波成为实现智能电网通信的首选技术。如表5-1 所示，电力线通信主要技术类型包括窄带单载波(1EC61334) 和OFDM 多载波PRIME、G3 )。

窄带单载波调制技术主要包括FSK、BPSK、跳频、直接字列扩频等，传输速率较低，抗干扰性差，一般用于白动抄表系统进行月度电计算，数据传输最和实时性要求不高。OFTM多载波调制具有出色的抗窄带噪声性能，提供宽带PIC 上所具备的巨大潜力，尤其是在中国这样电网质量较差的国家更是如此。OFDM的带宽更宽，可以传递更多数据，这意味着传感器上的测量数据可以被更濒繁地来回传递，数据可以做安全加密，更多的终端可以被寻址，从而增加了数据容量，且可以采用更先进的数据重传技术以提高可靠性。另外，OFDM具备的纠错技术可以用于恢复错误的码元，从而提高传输的成功率。美信采用OFDM方式的MAX2990是一颗SOC芯片，基于美信16 位MAXQ MCU 内核，芯片包含了物理层和MAC 层。

在OFDM 多载波领域，主要包括Prime 和G3 标准。这两个标准都使用OFDM 技术，只是实现的方法不同。G3采用自适应的色调映射技术监视不同子信道，并且在最好的信道上安排最多的传输，来提高数据速率可靠性和易用性，因此消除了在差道上的尝试，能够提高数据速率。G3还有强壮的运行模式，确保在噪声较大信道上的高可靠性传输。G3还具备更多的纠错技术，它使用两层纠错技术去恢复由于突发噪声带来的错误码元。可提供针对干扰和衰减的高度适应性。因此，它能够在中压变压器之间穿越时实现最远距离达4km的可靠通信。另外，该标准还可在横跨低压和中压(LV/MV)变换时实现总距离不超过1～2km的通信。G3穿过变压器的能力是一项很重要的性能，对于低人口密度的乡村地区尤其如此。

中国依据IEC61334等国际标准在GB/T 19882.211—2010《自动抄表系统 第211部分: 低压电力线载波抄表系统要求》和DL/T 5447—2312 《电力系统通信系统设计内容深度规定》等标准中对电力线通信的应用进行了规范，AMI国家标准体系中将G3-PLC作为主要电力线通信方案和技术标准。

电力线通信传输介质负载的接入和断开随时间不断变化，阻抗是频率的函数，电器本身在用电过程中产生各种干扰形成负载特性的综合效应，再加上电力线本身对信号的衰减，以及终端阻抗不匹配产生的信号反射，使得低压电力线载波信道呈现极不平坦的频率响应特性，且随时间而变化，同时受频率选择性、时变性千扰，影响电力线通信的可靠性。

2.无线近距离通信

无线近距离通信主要包括Zigbee、蓝牙、WIFI、NFC等技术，在传输速度、距离、耗电量等方面具有各自特点，见表5-2。

表5-2      主要近距离无线通信技术特点

相对于电力线载波通信，近距离无线通信技术的应用范围更为广泛，尤其是在没有条件布线的物联网应用领域。与此同时，RF通信在传输速度等方面较PUC方式具有优势。但介质环境、建筑物阻碍等通信介质物理属性因素是影响近距离无线通信技术通信效率和传输距离的主要因素，是物联网系统构建中需要着重考虑的问题，往往成为影响整个物联网系统数据传输的瓶颈，难以满足有效的物联网双向实时通信要求。在十万规模的智能电能表组网应用中。利用Zigbee 等近距离通信芯片，最多只能保障全网一天一次地可靠数据采集，节点网络规模越大，数据传输可靠性越低，难以满足智能电网AMI或智能家居对数据实时双向通信要求。

3.双网络混合通信技术

PLC/RF混合通信体系，充分利用电力线和无线通信各自的代点，在数据链路层进行传输集成控制，即使一种通信方式数据传输失败，也有另一种作为保障，从而有效解决物联网近距离实时双向通信问题。

如图5-6和图5-7所示，PLC/RF混合通信技术，双物理介质分别对应各自介质访问控制层，通过数据链路层实现了对双信道通信的逻辑协调与控制，由数据链路控制层控制数据的接收与分发逻辑，调整数据到达速率。基于PIC/RF双网络混合通信技术，终端发起通信时，同时通过PLC 和RF模拟前端向接文端发送同一个数据，PLC/RF 混合通信模块实现各自信道的数据协调与控制，当一种通信模式失效时，不影响另一信道的数据传输，即使两种信道通信均有数据损失，亦可通过特定算法对两种信道各自接收到的数据进行比对和补充纠错，进而还原真实数据，由此大大提高通信的成功率。

图5-6  双网络混合通信原理图

图5-7  双网络混合通信架构

如图5-8所示，电力线/射频双网络混合通信装置主要包括未处理器、存储器、电力线通信模块、射频通信模块、电力线通信模拟前端射频通信模拟前端、纠错模块、输入输出模块、电源、时钟、电路板等十一个部分，其中，微处理器连接时钟、存储器、输入输出模块、电力线通信模块、射频通信模块、纠错模块、电源；电力线通信模块分别与电力线通信模拟前端、纠错模块和电源连接；射频通信模块分别与射频通信模拟前端、纠错模块、电源连接；电力线通信模拟前端与外部电力线连接；射频通信模拟前端与外部天线连接；电路板将其余十个部分有机结合形成整体。

图5-8  双网络混合通信装置结构框图

如图5-9所示，双网络混合通信方法包含如下步骤：

①装置的电力线通信模块和射频通信模块分别通过各自模拟前端，按照各自通信标准协议接收数据，实现通信的物理层数据传输；

②数据以帧为单位在纠错的模块进行混合，两种或其中任何一种通信方式的帧数据经过校验判定正确，两种通信方式均以该正确的帧数据内容进行下一层数据处理，反之，将两个物理层接收到的帧数据在纠错模块进行对应字节比较，发现可能的错误字节，并对可能错误字节的所有可能值的组合进行遍历试错计算，直到其中一种通信方式校验正确，利用正确的数据内容修正另一种通信模式的错误帧；

③处理器分别针对两种通信模块进行链路层、网络层、会话层、表示层、应用层的数据处理；

④分别通过电力线通信模块和射频通信模块同时发送数据。

图5-9双网络混合通信纠错方法