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加快推进电力线载波通信技术向智能配电网多领域开发与应用

加快推进中频(低于12MHz)电力线载波通信技术(IEEE1901.1标准)向智能配电网多领域开发与应用


中国现代电网量测技术平台

张春晖


2018年9月16日


2018年以来,IEEE1901.1标准的推出,受到电网管理部门、通信产品开发企业和通信运营商的广泛关注。


1、抢占IEEE1901.1标准话语权


2018年5月14日,IEEE标准协会网站:IEEE1901.1《适用于智能电网应用的中频(低于12MHz)电力线载波通信技术标准》(Medium Freqency (less then 12MHz)Power Line Communcations for Smart Grid Applications)正式发布实施。该标准由中国成员发起,大量使用了中国创新技术,提出了物理层、数据链路层技术规范。


随后:


1)5月18日,青岛东软载波公司发布:东软载波现已推出符合IEEE1901.1标准的芯片:East soft SSC1667,并在多地大面积推广使用。


2)5月22日,由中国电科院、国网信通产业集团等企业联合制订的IEEE1901.1标准正式发布实施。该标准以国网Q/ GDW 11612 《低压电力线宽带载波通信互联互通技术规范》为基础,大量使用创新技术,提出物联层、数据链路层技术规范,填补了中频电力线载波通信应用在智能电网领域国际标准的空白。通过构建高宽带、高可靠、低时延、低成本的电力线通信网络,支持远程自动抄表、配电台区监测等多种应用场景,实现以电力线载波通信网络为基础的物联网在能源互联网中的有效应用。


3)在CIGRE 2018暨华为电力峰会上,华为与IEEE1901.1标准工作组成员共同庆祝IEEE1901.1标准正式发布。双方宣布将合作推进该标准的产业发展和生态建设,加速电力行业数字化转型。在标准的制订过程中,华为做出了重要贡献,其中包括贡献了草案(Draft Standard)的关键部分。同时,依托华为Open Lab,华为与IEEE1901.1标准工作组陆续开展PLC---IOT认证实验室建设以及多种PLC---IOT应用场景的测试床开发等工作。华为自主研发了PLC---IOT通信模块,即插即用,能够适配不同行业场景。


4)8月15日,华为联合广州供电局、广州电信打造智能配电网创新实验室:深入开展模块级、芯片级的合作,共同推进建立智能配电网行业标准,对全球电力行业及相关领域形成辐射示范效应,进一步支撑电网企业向综合能源服务公司转型。


5)补充件: 2017年10月,杭州万高集团提出:将G3---PLC的带宽扩大到2MHz


G3---PLC是采用国际上G3---PLC™联盟制订的OFDM窄带(低于500kHz)电力线载波(快速)通信技术标准。


采用PLC通信系统可以通过组网通信的路径,准确地绘制出能量传输拓扑图,以便监测线损、漏电、电线老化等问题。但是,绘制能量传输的物理拓扑图对通信实时性要求高,目前G3---PLC的速率略低,还无法满足要求。而万高提出G3+的理念,将G3---PLC的带宽扩大到2MHz,大幅提升通信速率,使得G3---PLC能广泛应用于配电自动化为代表的智能电力物联网的各类应用,同时不增加G3---PLC的系统成本和功耗。


可见,万高在IEEE1901.1标准发布之前,对中频(低于12MHz)电力线载波通信技术已经有深入的研究与开发计划。


以上情况说明:作为电网管理部门,通常优选电力线载波通信方式,具有自有通信资源的广分布、低成本优势;华为、青岛东软等通信产品开发企业则看准智能物联网的发展前景,多方合作推进IEEE1901.1标准的实施,力争使智能配电网首次构建起由中频电力线载波通信主导的高速率、高可靠的基础通信网络,这是一项海量、创新的通信工程。可以说,中频电力线载波通信技术具有智能配电网多领域开发应用的前景,主要有:上亿用户的电网远程自动抄表/AMI网络、百万量级的智能配变台区解决方案、以配电自动化为代表的电力物联网、智慧城市交通、路灯智能监测与控制系统等。


2、智能配电网多领域开发应用项目的讨论


本部分内容主要讨论中频电力线载波通信技术在远程自动抄表、智能配变台区管理、配电自动化、智慧城市项目4个领域开发应用的案例。


1)构建由中频电力线载波通信主导的高速率、高可靠的用电采集终端(I型集中器+采集器)本地基础通信网络


该项目是IEEE1901.1标准实施初期,中频电力线载波通信产品批量应用的重点。


—中频载波通信模块主要用来替代原有的窄带载波(低速)通信模块,解决长期存在的本地通信速率慢、自动抄表成功率低、有时24h抄不到表的技术瓶颈,很需要、有实用意义。


·用电采集终端(不含II型集中器)本地通信方式构成:


2017年底,国网用电信息采集系统覆盖率99%,采集4.3亿户用电信息。其中,用电采集终端(不含II型集中器)接入40850万户。


用电采集终端(不含II型集中器)本地通信方式构成:


a1 窄带载波(低速)通信用户约占采集终端(不含II集中器)本地通信用户量量的70%,即28595万户。这些I型集中器、采集器、载波表的通信模块,需要逐步进行更新

a2 OFDM窄带载波(快速)通信用户约占5%,即2042.5万户。这些通信模块是否需要更新,有不同看法

a3 短距离、微功率无线通信用户约占15%

a4 RS485通信模块、有线电视光纤通信用户等约占10%。


·采集终端窄带载波(低速)模块更新量的评估


a1 原有载波表的窄带载波(低速)模块量难以统计。暂按窄带载波(低速)通信用户量(28595万户)的8%来估计:2288万户,即2288万块窄带载波(低速)通信模块。


a2 原有I型集中器、采集器的窄带载波(低速)模块量


采集器窄带载波(低速)通信用户量约为26307万户。


2010---2017年,国网采集终端集中招标量:集中器、采集器5579万台,包括集中器464万台,采集器5115万台。其中,按比例折算,用于窄带载波(低速)通信的I型集中器324.8万台,采集器3580.5万台。


a3 2016、2017两年,国网采集终端中频载波模块招标量约为1034万块。其中,2016年招标约300万块,2017年招标量734万块。


a4按I型集中器与采集器的窄带载波(低速)模块的比例,扣除已经应用的中频载波模块,目前I型集中器尚有窄带载波(低速)模块238.6万块;采集器尚有窄带载波(低速)模块2632.7万块。采用目前中频载波模块的价位,这些模块更新,国网需投资23.2亿元。


·载波表窄带载波(低速)模块更新量暂时难以评估。


·拓宽窄带载波(低速)通信技术更新资金渠道


2018年起,国网投资重点还是特高压工程与加快配电网智能化建设。但是,目前申报用电信息采集系统本地通信技术更新具有充分的理由:


a1 IEEE1901.1标准由中国成员(国网、华为等企业)联合提出,采用中国成员提出的物理层、数据链路层技术规范,理应率先在国内落地实施,并要抓紧开展中频载波模块认证实验室的建设。


a2 化解窄带载波(低速)通信瓶颈是当务之急,争取首先在用电采集终端(I型集中器+采集器)本地通信系统构建起由中频电力线载波通信主导的高速率、高可靠的基础通信网络。


a3 居民用电的低压电网故障主动报警与抢修,电能质量监测与控制,配电网与用户之间高级互动功能开发与应用等,是目前智能配电网建设的短板,用电信息采集系统需要增加配电管理新功能。


由此,建议:各级电网营销经理你好和配电管理部门要联合提出中频电力线载波通信产品采购资金的申请报告。


— OFDM窄带(低于500kHz)电力线载波(快速)通信方式的应用前景?


近几年,OFDM窄带载波(快速)通信技术在南网、国网已经有批量应用。


· G3---PLC™联盟要扩大中国市场


2018年4月3日,G3---PLC技术应用交流会在北京召开。与会的有:法国电力(EDF)副总裁,G3---PLC™联盟主席、总秘书长,贵州电网、南方电网、广东电网的电科院专家,威胜信息技术公司的领导。会议探讨了G3---PLC™标准技术应用于中国智能电网AMI的可行性,并就后期针对中国区域与东南亚区域增加及推出新的G3---PLC™---M标准交换了看法。会议还讨论了G3---PLC™产品在中国本土认证实验室的建设等题目。


·杭州万高提出PLC新课题


前面已经提到,万高提出G3+的理念:将G3---PLC的带宽扩大到2MHz,就可以利用PLC通信系统绘制能量传输的物理拓扑图,这与国网正在开发的配变台区/电网末端的智能感知系统有类似的共同点。


2018年6月28日,本文作者:《2018年,国网电表市场和新技术需求的解读与引用》中介绍:国网开发配变台区/电网末端的智能感知系统技术分3类,用于低压电网故障主动上报与抢修等多种新功能。


a1 由陕西电网开发:智能电表和通过高速双模(高速无线+窄带载波)通信单元加装超级电容构建的智能感知系统。


a2 由江苏电网提出:通过重新设计配变台区采集技术架构的智能感知系统。


a3 由重庆电网研究:基于高速电力线载波通信网的智能感知系统。


技术原理:


在高速载波芯片解藕独立心跳通道,兼顾采集数据质量的同时实现低压电表停电“脱管”事件的准确实时获知,在主模块建立多站点探测机制,有效削除通信噪音干扰,从数据源头保证用户停电事件生成的准确性。


再在采集主站建立大数据分析模型,运用线性回归算法对停电告警研判模型进行训练与优化,收集高速载波低压通信网络运行品质信息,聚类提取通信特征值综合应用于分析停电事件发生原因与类别。


估计这里重庆电网提出的基于高速电力线载波通信网络的智能感知系统,与万高提出的G3---PLC扩频到2MHz后,可以绘制能量传输的物理拓扑图技术具有类似的原理。


· OFDM窄带载波(快速)通信方式应用分析


据了解,OFDM窄带载波(快速)通信技术的通信速率约20k bps,可用于远程自动抄表,而且价位要低于目前的中频载波模块。


但是,OFDM窄带载波(快速)通信模块因通信速率偏低,应用有局限性,与中频载波通信相比,难以拓展多功能。因此,本文作者认为:目前在电网上运行的OFDM窄带载波(快速)通信模块可以继续应用。以后,再上窄带载波(低速)通信模块更新工程,需优先采用中频载波通信模块,不宜再用OFDM窄带载波(快速)通信模块。


—国产中频电力线载波通信芯片


·华为海思公司:Hi3911型中频载波通信芯片应用性能


a1 工作频点:2M---12MHz


a2 调制方式:物理层采用OFDM技术;支持BPSK等多种调制


a3 通信速率:物理层>10M bps;MAC层>4Mbps;应用层>2Mbps


a4 CPU:超强MCU


a5 功耗:待机功耗<0.2W;工作功耗<1.5W


·青岛东软公司SSC1667型中频载波通信芯片应用性能: 2018年6月21日,本文作者:《经国网多年的合作开发,宽带(中频)电力线载波通信技术规模化应用的时机终于来临!》中已有介绍。


(待续)