時(shí)海剛，王澤眾，杜 彬，李宏毅

（1.國(guó)家電網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 泰安 271000；2.華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 引言

近幾年來(lái)，智能電網(wǎng)技術(shù)的研究與開發(fā)日漸深入。智能電網(wǎng)技術(shù)是將能源資源開發(fā)、輸送、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換（發(fā)電）、輸電、配電、供電、售電、服務(wù)以及蓄能與能源終端用戶的各種電氣設(shè)備和其它用能設(shè)施通過數(shù)字信息化網(wǎng)絡(luò)連接在一起［1］?？梢韵胍?，多種形式能源的智能接入、負(fù)荷的智能調(diào)度、電力設(shè)備的智能控制、終端用戶的智能服務(wù)、智能化的數(shù)據(jù)挖掘與分析共同組成了電網(wǎng)智能的核心。特別是終端用戶，不僅僅指用能者，而是連接在智能電網(wǎng)中的所有用戶。只有全面了解和把握終端用戶的詳細(xì)信息和需求，與用戶實(shí)現(xiàn)交互功能，才能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的真正智能化。

電力光纖是指電力電纜（線）中加入光纖，把電力電纜（線）打造成一條信息共享的“高速路”，在這條“高速路”上，既可輸送電能和智能電網(wǎng)信息，也可搭載互聯(lián)網(wǎng)和電信、廣播電視信號(hào)，最大程度地整合了各項(xiàng)資源。電力光纖秉承了光纖頻帶寬、傳輸容量大、無(wú)中繼傳輸距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，更為重要的是其抗干擾、抗銹蝕、耐高溫、防電磁輻射、可繞性好更適合隨電力線一同敷設(shè)［2］。上述特性決定完全可在更高電壓等級(jí)的電力電纜中搭載多芯光纖。在數(shù)字通信和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，電力光纖隨電力線延伸到各行各業(yè)、每家每戶，具有非常重要的意義。

下面以電力光纖為基礎(chǔ)來(lái)分析和研究電網(wǎng)智能終端模型的構(gòu)建問題。以區(qū)域電網(wǎng)公司為終端模型單元，采用樹形結(jié)構(gòu)，區(qū)域電網(wǎng)公司服務(wù)器為模型的根，下面分支（層）為變電站所（發(fā)電廠）、街區(qū)、小區(qū)、樓宇、住戶。區(qū)域電網(wǎng)公司服務(wù)器又是上層模型的分支，同時(shí)也是其他網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 終端模型架構(gòu)

該終端模型就是要實(shí)現(xiàn)這樣一種技術(shù)：電視網(wǎng)、電話網(wǎng)、Internet數(shù)據(jù)通過三網(wǎng)合一終端，和電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部分通過合波器混合在一起進(jìn)入?yún)^(qū)域電網(wǎng)公司服務(wù)器，服務(wù)器中提供WEB和WAP管理軟件，用于電網(wǎng)管理；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過電力光纖連接到變電站、小區(qū)、樓宇、單元、家庭用戶。在這個(gè)過程中，通過分波器在下行光纖中取出各自需要的信息；通過合波器把需要的用戶信息耦合進(jìn)上行光纖。比如在家庭用戶中，取出需要的三網(wǎng)數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)，同時(shí)還要把各種設(shè)備，包括水、電、氣、熱四表數(shù)據(jù)耦合進(jìn)上行光纖。當(dāng)然，考慮到電網(wǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)，電力光纖和普通光纖也可以混合使用，而不會(huì)影響傳輸效果。具體架構(gòu)參見圖2。從圖中可以看到，僅僅通過一根電力光纖就可實(shí)現(xiàn)各種功能。

圖1 終端模型的樹形結(jié)構(gòu)

圖2 終端模型架構(gòu)

三網(wǎng)合一終端實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)數(shù)據(jù)交換功能；合波器實(shí)現(xiàn)多個(gè)光源的混合功能；區(qū)域供電公司服務(wù)器是模型的核心，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理和控制中樞，負(fù)責(zé)該區(qū)域四網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理，同時(shí)作為網(wǎng)關(guān)使用；變電站相當(dāng)于中繼器，同時(shí)又是一個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)；小區(qū)箱式變電站相當(dāng)于智能小區(qū)管理中樞，也是一個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)；小區(qū)低壓配電箱負(fù)責(zé)為各個(gè)樓宇配線，通常和小區(qū)箱式變電站整合在一起；單元接線箱提供該單元視頻對(duì)講、指紋等系統(tǒng)接口；用戶機(jī)提供用戶和光網(wǎng)絡(luò)接口；用戶主要是指用戶的室內(nèi)設(shè)備和設(shè)施，也是一個(gè)重要監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。

該模型可在任意位置架設(shè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）AP 接入點(diǎn)［3］，以促進(jìn)將來(lái)的移動(dòng)互聯(lián)。

2 模型的功能模塊

2.1 變電站

區(qū)域電網(wǎng)公司到變電站的電力光纖建議采用8～12芯單模光纖結(jié)構(gòu)。其中2～4芯用于變電站監(jiān)控。

實(shí)際上，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要，區(qū)域電網(wǎng)公司到變電站的光纖網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成。要做的工作主要是光纖網(wǎng)絡(luò)的增容和改造。

電力光纖下行光纖連接光分接器取出所需信號(hào)，該變電站監(jiān)控信息通過合波器耦合進(jìn)上行光纖進(jìn)行傳輸。同時(shí)上行和下行光纖接至變電站低壓側(cè)出口。具體結(jié)構(gòu)參見圖3。

圖3 變電站

2.2 小區(qū)箱式變電站

小區(qū)箱式變電站入口即為變電站出口，其結(jié)構(gòu)與變電站類似。不僅為小區(qū)提供更低電壓等級(jí)的電能，還要負(fù)責(zé)該小區(qū)四網(wǎng)信號(hào)的傳輸。同時(shí)，針對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)小區(qū)變電箱缺少監(jiān)控和管理的問題，設(shè)計(jì)了一種基于ARM處理器的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，采用流行的通用技術(shù)，對(duì)小區(qū)箱式變電站進(jìn)行監(jiān)控和管理，監(jiān)控信號(hào)同樣通過電力光纖傳輸。其結(jié)構(gòu)參見圖4。

圖4 小區(qū)箱式變電站

小區(qū)箱式變電站的出口為各分區(qū)入口，當(dāng)然也可不設(shè)分區(qū)，或者一小區(qū)一個(gè)，要看實(shí)際情況而定，建議采用4～8芯單模光纖結(jié)構(gòu)。

2.3 小區(qū)低壓配電箱

小區(qū)低壓配電箱和智能電表模組集成在一起，為的是使用現(xiàn)成的智能電表，在節(jié)省大量資源的同時(shí)，與其進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)，配置、更新電表設(shè)置信息。

配電箱還提供小區(qū)各種參數(shù)監(jiān)視和報(bào)警，小區(qū)監(jiān)控探頭也可通過各樓宇配電箱引入。到時(shí)，智能小區(qū)問題就是連一根網(wǎng)線到配電箱的問題。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。建議采用4～8芯單模光纖結(jié)構(gòu)。

圖5 小區(qū)低壓配電箱

2.4 用戶機(jī)

用戶機(jī)可以安在室外，也可安在室內(nèi)。處理用戶、網(wǎng)絡(luò)、電力、水、電、氣、熱等信息。另外，還要和安防系統(tǒng)接口，提供指紋、視頻、對(duì)講功能。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。建議用戶門口機(jī)采用2～3芯單模光纖結(jié)構(gòu)。

圖6 用戶機(jī)

2.5 用戶

用戶是指該用戶所有的家庭設(shè)備或設(shè)施，包括移動(dòng)終端。典型用戶配置如圖7所示。

圖7 用戶模型

實(shí)際上，用戶端是一個(gè)難點(diǎn)，即要保證信號(hào)的統(tǒng)一，又要保證信號(hào)的質(zhì)量，還要保證環(huán)保，對(duì)人體無(wú)害，同時(shí)還要經(jīng)濟(jì)。另外，用戶設(shè)施類型繁多、布置分散。以上這些問題說明，用戶端所用的技術(shù)是一個(gè)多種技術(shù)的綜合體，這就需要制定一個(gè)規(guī)范進(jìn)行約束，以適合上述要求，而不論這些技術(shù)先進(jìn)與否。

3 模型實(shí)現(xiàn)

由于變電站監(jiān)控系統(tǒng)早就在電網(wǎng)公司實(shí)現(xiàn)，因此，從模型的功能來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)其他所有功能，首先必須具備高性能電力光纖傳輸系統(tǒng)以及為該系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)并進(jìn)行通信的智能設(shè)備和技術(shù)；其次是能實(shí)現(xiàn)所有中間智能節(jié)點(diǎn)功能的技術(shù)；最后是能實(shí)現(xiàn)終端用戶的智能化功能。除此之外，還要對(duì)一些智能設(shè)備的接口進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)，統(tǒng)一通信協(xié)議。至于采用何種技術(shù)，可以不加或略加限制。

3.1 電力光纖傳輸系統(tǒng)

電力光纖傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，線路上的節(jié)點(diǎn)多，數(shù)據(jù)交換復(fù)雜頻繁。因此，必須采用光的波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同信息的傳輸。也就是說，下行光纖要進(jìn)行分接復(fù)用（復(fù)接），取出所需數(shù)據(jù)的同時(shí)，不影響其他數(shù)據(jù)的傳輸；上行光纖要把不同節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行合波，然后進(jìn)行傳輸。本模型采用同步數(shù)字體系（SDH）作為傳輸系統(tǒng)，采用8～12芯單模光纖結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

從圖8可以看出，5種不同速率的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分別裝進(jìn)5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容器C-n；C-n作為信息凈負(fù)荷與通道開銷信號(hào)映射進(jìn)低階虛容器VC-n；VC-n加上相應(yīng)支路定位指針裝入支路單元TU-n；一個(gè)或多個(gè)TU-n組成支路單元組TUG；6 Mb/s速率的TUG-2既能復(fù)用進(jìn)48 Mb/s的高階虛容器VC-3再?gòu)?fù)用進(jìn)50 Mb/s的管理單元AU-3，也可復(fù)用進(jìn)49 Mb/s的TUG-3，通過150 Mb/s的高階虛容器VC-4復(fù)用進(jìn)150 Mb/s的管理單元 AU-4；AU-3、AU-4及管理單元指針共同組成150 Mb/s管理單元組，復(fù)用為155.52 Mb/s的STM-1同步數(shù)字傳送模塊。在我國(guó)，為了追求經(jīng)濟(jì)效益，省去了1.5 Mb/s和6 Mb/s速率接口，并采用AU-4復(fù)用線路。也就是去掉上圖中的C-2、C-11支路以及高階VC-3、AU-3支路。但考慮到智能電網(wǎng)傳輸信息的多樣性，推薦使用標(biāo)準(zhǔn)SDH。

SDH的同步傳送模塊STM-N目前只支持N=1，4，16，64，其速率分別為 155.52 Mb/s的 N 倍，也就是說最高數(shù)率達(dá)到9 953.28 Mb/s。

SDH可實(shí)現(xiàn)高速無(wú)協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，包括圖像、語(yǔ)音等。同時(shí)具有實(shí)時(shí)性、保密性強(qiáng)的特點(diǎn)，非常適合智能電網(wǎng)要求。

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的選擇

除了電力光纖之外，全網(wǎng)的設(shè)備布置無(wú)論從地域還是空間來(lái)看，都顯得較為復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，就需要一些相應(yīng)技術(shù)能夠執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)指令、采集用戶信息數(shù)據(jù)、設(shè)置局部系統(tǒng)參數(shù)等。同時(shí)，還必須具備新能源發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)。

在現(xiàn)場(chǎng)，如果設(shè)置局部系統(tǒng)參數(shù)，比如小區(qū)箱式變電站，人機(jī)交互是必備功能，可選擇嵌入式系統(tǒng)；如果設(shè)備比較分散，比如油田設(shè)施，可采用無(wú)線技術(shù)先行處理，再經(jīng)光纖傳輸；如果設(shè)備相對(duì)集中，但種類繁多，比如一般工廠和家庭，可采用LonWorks技術(shù)；如果是特殊應(yīng)用，可采用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。另外，在管理側(cè)，有可能是用戶也有可能是管理人員或者是領(lǐng)導(dǎo)者，這就需要提供全方位的管理軟件適應(yīng)不同的人群和不同的登錄方式（有線和無(wú)線終端），并賦予不同的管理權(quán)限，這一點(diǎn)，只有基于Web的MIS才能做到。

3.2.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以專門應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件可按需增加和刪除，硬件可按需配置，系統(tǒng)可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)［4］。硬件采用以ARM處理器為核心的開發(fā)平臺(tái)，軟件采用以Linux操作系統(tǒng)為主導(dǎo)的C、Java開發(fā)平臺(tái)，Android操作系統(tǒng)。典型嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)參見圖9。

圖8 同步數(shù)字體系STM-1

3.2.2 無(wú)線技術(shù)

無(wú)線技術(shù)就是利用電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)手段，常見的有 GSM、3G、4G、藍(lán)牙、Wi-Fi、紅外、ZigBee（IEEE802.15.4）等。本模型用到的是后面4種短距離無(wú)線通信技術(shù)，特別是ZigBee，它是最近發(fā)展起來(lái)的一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，功耗低，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場(chǎng)合的無(wú)線方式。它同樣使用2.4 GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。另外，它可與254個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)可以包括儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備，具有功耗小、成本低、時(shí)延短、容量大、安全、可靠等特點(diǎn)，使其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間［5］。

3.2.3 LonWorks技術(shù)

LonWorks是美國(guó)Echelon公司研制開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)核心元件是一個(gè)具有3個(gè)8位CPU的神經(jīng)元Neuron芯片。該技術(shù)采用LonTalk協(xié)議，具有ISO/OSI 7層模型，可在雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外、電力線等傳輸媒體中進(jìn)行通信，對(duì)于不同媒體，采用不同的收發(fā)和路由器，在最高通信速率1.25 Mb/s（傳輸距離130 m）和最遠(yuǎn)通信距離2 700 m（傳輸速率 78 kb/s）具有極高的可靠性［6］。 該技術(shù)非常適合用戶端的要求，建議采用。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，開發(fā)系統(tǒng)不夠開放，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要購(gòu)買。

3.2.4 單片機(jī)技術(shù)

單片機(jī)系統(tǒng)集CPU、EPROM、ROM、I/O 接口、中斷系統(tǒng)及電源、晶振于一體，可以很容易地構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理和控制［7］。因此，利用單片機(jī)系統(tǒng)同樣可以實(shí)現(xiàn)客戶端的大部分要求，但是存在開發(fā)較復(fù)雜、修改困難、維護(hù)不便的缺點(diǎn)。所以，特殊場(chǎng)合的應(yīng)用可以考慮采用單片機(jī)。

3.2.5 智能逆變技術(shù)

智能電網(wǎng)的要求必須為多種新能源提供混合接入手段，鼓勵(lì)新能源的使用和推廣。如果用戶安裝了太陽(yáng)能光電板或小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，應(yīng)該讓他們并入電網(wǎng)且不會(huì)影響電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定，這就需要智能逆變技術(shù)，把直流電轉(zhuǎn)化成交流電。智能逆變就是讓逆變器偽裝成同步發(fā)電機(jī)，實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)電壓波形的變化，保持同期或同步，能和調(diào)度中心進(jìn)行通信和聯(lián)絡(luò)，以便下達(dá)控制指令和進(jìn)行功率等的監(jiān)視。建議采用以DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）為核心處理部件的智能逆變器系統(tǒng)［8］。

當(dāng)然，僅靠這種智能調(diào)節(jié)是有限的，根本的解決辦法是采用大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，推薦抽水蓄能與風(fēng)能組合成一個(gè)電源對(duì)象的負(fù)荷調(diào)節(jié)方法，即對(duì)象內(nèi)部風(fēng)能的消納由抽水蓄能電站來(lái)解決，整個(gè)對(duì)象輸出利于調(diào)峰或相對(duì)平穩(wěn)。

3.2.6 基于Web的管理信息系統(tǒng)

信息管理離不開Web和數(shù)據(jù)庫(kù)。Web不僅能提供良好的人機(jī)交互界面，而且只在服務(wù)器端安裝，用戶端僅需瀏覽器即可，使軟件的修改和維護(hù)變得非常容易；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用來(lái)存儲(chǔ)、查詢、更新、刪除數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的安全、可靠［9］?？梢赃@樣說，現(xiàn)代系統(tǒng)管理如果離開了Web和數(shù)據(jù)庫(kù)，那就不是一個(gè)完善的系統(tǒng)。建議采用Java軟件為用戶界面開發(fā)平臺(tái)，可以整合不同的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，比如MySQL、SQL SERVER、Oracle 等［10］。

3.3 中間智能結(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

中間智能結(jié)點(diǎn)林林總總，大型變電站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控，除此之外，還包括箱式變電站、配電箱、小區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)、WLAN接入點(diǎn)等等。

小區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)由小區(qū)箱式變電站、低壓配電箱、路燈、安防、視頻以及總的水、氣、熱等的監(jiān)控共同組成。箱式變電站和低壓配電箱采用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行管理；路燈控制和水、氣、熱監(jiān)控采用LonWorks技術(shù)；安防系統(tǒng)的遙控采用無(wú)線技術(shù)；視頻和數(shù)據(jù)的匯總傳輸采用電力光纖；小區(qū)WLAN可在適當(dāng)位置多個(gè)設(shè)置，保證全面覆蓋。 其它中間智能節(jié)點(diǎn)與其基本類似。

3.4 終端用戶智能節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

終端用戶智能節(jié)點(diǎn)的典型設(shè)備是用戶機(jī)。用戶機(jī)采用ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，作為用戶和外界連接和管理的設(shè)備。

在用戶側(cè)，網(wǎng)絡(luò)、視頻、電話數(shù)據(jù)采用電力光纖傳輸并解碼；溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)用無(wú)線傳輸；空調(diào)、燈光、電飯煲、水、電、熱等設(shè)備監(jiān)控采用LonWorks技術(shù)傳輸和控制。最后匯總到用戶機(jī)。

在外側(cè)，連接外來(lái)電力光纖，包括以下數(shù)據(jù)：三網(wǎng)和電網(wǎng)數(shù)據(jù)、安防數(shù)據(jù)（比如單元門的可視對(duì)講數(shù)據(jù)）、小區(qū)通信數(shù)據(jù)（比如內(nèi)部電話）以及用戶的控制數(shù)據(jù)等等。

在內(nèi)部，集成智能電表模組以及傳感器電源；進(jìn)行光的分光和混合；下載存儲(chǔ)指紋數(shù)據(jù)；下載存儲(chǔ)階梯電價(jià)等等。

上述架構(gòu)和技術(shù)已經(jīng)在國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院和武漢大學(xué)合作的 《基于電力光纖入戶的智能家居用電控制系統(tǒng)的研制》科研項(xiàng)目中得到充分應(yīng)用和證明。

4 結(jié)語(yǔ)

基于電力光纖智能電網(wǎng)終端的全面覆蓋是未來(lái)的發(fā)展方向，根據(jù)適用范圍獵尋其他多種可能的技術(shù)，抓住當(dāng)前有利時(shí)機(jī)加快試點(diǎn)和推廣，提前做好布局，最終實(shí)現(xiàn)電力流、信息流、業(yè)務(wù)流高度融合。電能的管理將變得容易，不僅可以進(jìn)行網(wǎng)上購(gòu)電，而且特殊人群和企業(yè)的免費(fèi)額度、計(jì)量單價(jià)以及階梯電價(jià)的計(jì)量時(shí)限，都可以通過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)寫入用戶的智能電表。智能化的電網(wǎng)將把觸角延伸到每一個(gè)角落，橫跨多個(gè)領(lǐng)域，掌握更多信息，適應(yīng)所有形式的新能源發(fā)電并網(wǎng)。在物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃剛剛出臺(tái)、移動(dòng)互聯(lián)剛剛起步的今天，依托電力光纖不僅能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自身的智能化發(fā)展，而且有能力、有條件打造新一代綜合網(wǎng)絡(luò)。

［1］ 陳樹勇，宋書芳，李蘭欣，等.智能電網(wǎng)技術(shù)綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009（8）：1-7.

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