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电表网络通信应用思考

2012-06-04 18:16 来源:通信技术 人参与在线咨询

 

1智能电表网络通信技术电能表通信技术经历了简单的本地通信,以及具有远程通信能力的电能量自动采集(自动抄表)系统的发展历程。在吸收、借鉴电能量自动采集系统工程经验的基础上,伴随着智能电网建设工作的推进,智能电表正在步入大规模联网的网络化阶段。

 

对于配电台区上行通信信道,自动抄表系统可采用的通信方式主要有PSTN公用电话网、GPRS无线、GSM无线、光纤等。由于采用的是公网通信,有专业队伍负责运行、服务,其通信技术、设备等相对成熟,运行可靠性也较好。

 

对于配电台区下行通信信道,主要有RS-485总线、低压电力线载波、无线及其混合方式。

 

下行信道的选择直接关系到系统的可靠性、性价比、施工难度等,是自动采集系统或智能电表通信网络成功与否的关键。

 

1.1智能电表网络对本地通信的要求

 

为满足“全覆盖、全采集、全预付费”以及其他增值服务的需要,智能电表本地通信网络在设计时应考虑并满足下述要求:

 

1)通信一次成功率应达到95%以上。

 

2)环境适应性要满足全面覆盖的要求,能广泛适用于密集的中心城区、城市郊区、城乡结合部、小城镇、农村村落、新建住宅、老旧城区、中小工业商业区等。

 

3)物理层应能自动完成网络构建,现场网络节点免设置,以尽可能降低调试及维护费用。

 

4)通信速率应能满足中小动力和工商业用户大信息量的传输要求。尤其对于经济发达地区,中小动力用户数量庞大,需要低成本、低运行费用、快速可靠的本地通信信道。

 

5)良好的性价比。本地网络的实施不仅需要考虑抄表计费,还需要考虑提高用电管理水平和提供增值服务的能力。

 

1.2智能电表网络通信技术

 

低压电力线载波通信、微功率无线网络和基于有线连接的总线通信是当前本地网络通信采用的三类主要技术。从全球的AMR和AMI工程应用结果来看,约63%的AMR、AMI用户采用的是微功率无线网络通信技术,其次是电力线载波或其他技术。

 

1)低压载波通信。由于220V/380V低压配电网的阻抗及衰减特性与高压电网截然不同,在高压电网应用成熟的载波技术,在低压配电网几乎无法使用。配电网已经进入千家万户,高级计量系统、服务的对象也是电力用户,如果能将已建成的巨大的配电网资源利用起来,用于数据采集和信息传输,对于建设资源节约型社会有着重大的意义。

 

低压电力线载波通信载波信号频率范围为3~500kHz,电力公司使用的频率范围为3~95kHz,其中3~9kHz一般用于语音传输。为了在有限的频带内将数据传输出去,各种各样的调制与解调方式被应用到低压电力线载波方案中,常见的有键控频移、键控幅移、键控相移和Chirp跳频。

 

国内应用比较多的载波通信芯片产品主要来自于意法半导体公司、埃斯朗(Echelon)公司、北京福星晓程公司和青岛东软公司。

 

意法半导体公司产品的解决方案是较为经典的FSK调制的电力线载波收发器,对基于电力线信道的自动抄表(AMR)的兴起做出重大贡献。其载波中心频率可编程,有8个频率可供选择,频率范围满足欧洲、北美、中国等标准;有4种通信波特率可编程选择。STMicroelectronics公司作为芯片级供应商,其载波芯片与外部采用无线通信协议的位传输模式进行数据交换,需要外部处理器(MCU)进行通信协议的处理和中继路由算法的实现。

 

埃斯朗(Echelon)公司产品的解决方案采用窄带双频自动切换通信技术,利用数字信号处理的方法克服噪声干扰和校正信号相位畸变现象,并通过前向纠错对突发位错误进行纠正。PL3120芯片自身支持LonWorks网络协议,LonWorks控制网络协议是第一个实现了OSI的七层网络协议,对于高速的双绞线、同轴电缆、光纤、无线通信介质是适合的,但对于低速数据传输的电力线信道来说,由于协议复杂、数据吞吐量大,可能导致效率降低。

 

北京福星晓程公司产品的解决方案的特点是芯片集成度较高,将电力线载波信号收发器、MCU以及计量和控制功能集成在一个芯片中,是一款SOC级的芯片。考虑到数据交换、通信协议处理、中继路由计算等均须由MCU处理,所以MCU的负担较重,应用系统对实时性的要求与通信系统的响应之间存在冲突。

 

青岛东软公司产品的解决方案通过高效、自适应、全自动的配电网络中继路由算法,自动感知配电网络拓扑结构,动态地自适应配电网络的变化,保证了通信系统的可靠和稳定。

 

其载波芯片由三层网络构成,其中数据链路层的设计是基于高级数据链路控制协议(HDLC),具有信息帧的长度可变、地址域长度可扩充性、帧中继转发机制等功能,提高了主站与从站之间数据交换能力。

 

2)微功率无线网络。微功率无线指使用433MHz/470MHz/780MHz/2.4GHz频率、发射功率小于等于50mW的无线射频通信。国家电网电能量信息采集与管理系统中把利用无线传感网络技术的通信组网方式叫做微功率无线组网。微功率无线通信的特点是微功耗、自组网、双向实时通信、标准化、便于移动、适合嵌入式安装,可方便地嵌入到抄表设备、电能表以及用电电器中。缺点是点与点之间传输距离较短,无线信号易受障碍物阻挡[3]。

 

微功率无线组网的灵活组网方式可以扩展到智能用电领域。

 

通过支持无线组网的电能表、采集设备和用电电器,可以方便的给用户提供实时的负荷曲线,分时电价,各电器实时、每日、每月耗电量(电费)的显示;还可以远方设定时段、电价、定时控制方案,更可以提供语音、数据、视频的信息。

 

ZigBee技术是微功率无线组网在电能量信息采集与管理系统中应用最成功的。ZigBee网络分为4层,自下向上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、网络层(NWK)和应用层(APL)。

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