祝宇楠1，刘 建1，徐 晴1，马胜国2
（1. 江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 210019；2. 深圳市国电科技通信有限公司，广东 深圳 518031）
摘 要： 随着智能电能表推广应用的开展，国网公司在经营管理中依托采集的智能电能表数据信息取得了显著的实用化成效，为营销业务应用系统、供电电压在线监测系统等相关业务应用系统提供了基础数据支撑，推动了智能电网互动化的发展。考虑到用户所有用电信息都可以由智能电能表监测、生成并记录，而电能表又在用户本地，如果用户能与电能表直接进行信息交互，将从很大程度上打破信息传递实时性差、可靠性低、完整性差等限制。本文通过对智能电能表双模通信技术进行深入研究，提出可行的智能电能表本地双向交互策略及具体实现方式，解决用户与智能电能表之间直接进行信息交互的问题。
关键词： 双模通信;智能电能表;双向交互
0 引言
随着用户对电网企业的服务理念、服务方式、服务内容和服务质量提出更高要求，电网公司供用电服务的内外部环境发生了显著变化；同时，国内外智能电网建设步伐的不断加快，对智能电网用电环节的互动化体现更加显著，需求将进一步增强[1]。
随着小型风电、光伏发电装置，以及蓄电池等储能装置的推广应用与普及，用户向电网反向馈电也成为可能，用户参与电网互动需求与日俱增，这使常规的用电运营模式难以适应市场发展需求。如果不能及时与电力公司进行信息互动，将严重影响用户参与的积极性，阻碍电网智能化的发展进程。智能电能表作为电力公司和用户之间的纽带在用电计量、收费、指令传输方面起着重要作用。将智能电能表与智能家居系统相结合，在不影响居民生活质量的前提下，可以便捷有效地实现用户用电的自动调节，达到用电负荷均匀分布，不仅减少了用户电费支出，同时也实现了总体负荷“削峰填谷”的效果，提高了电网设备的利用效率[2]。用电过程中的互动体验将是未来发展的方向，通过双向交互将电网用户发电及能量储存等各部分有效地连接成一个整体，使用电用户直接参与电力市场的同时，也大大提升电力公司的资产管理水平和运行机制[3]。
1 国内双向互动领域研究现状
目前，国内在双向互动领域中主要依托用电信息采集系统，通过95598互动网站、营销业务应用系统、电能服务管理平台、智能小区管理系统等构建的智能用电双向互动服务综合平台来实现用户的互动，各专业可根据业务需要拓展互动服务内容，具备提供更丰富、更优质用户互动服务的先决条件[3]。
1.1 互动领域发展现状
近年来，国网公司在华北、北京、重庆开展了基于智能电网新技术的智能小区试点建设，加强在用电侧和用户的互动。智能小区的建设为用户搭建了智能用电互动平台，引入了全新的家庭用能模式，加强了用电侧和用户电能的互动，提高了能源利用效率。通过一系列智能小区、智能楼宇、智能园区、智能营业厅等新型智能用电集成应用试点建设工作，在智能用电互动方面进行了积极有益的探索，梳理了电网与用户的互动服务需求，通过研究智能用电关键技术和设备，构建全新的、双向的智能用电互动服务平台，探索为用户提供优质、便捷的智能服务，为社会创造更大的价值[4]。但在与家庭中智能电能表直接双向交互方面尚无先例，处于探索阶段。
1.2 存在的问题
国内在与用户的双向互动领域已经开展了较多的单项技术研究并开展了多个试点工程，制定了互动领域多项标准规范，部分项目已经结题验收，互动方面的工程实践也积累了一定的经验，并且已经具备了较为充分的理论基础。但综合分析项目的国内外现状，仍然存在一些问题和不足：
（1）目前，我国关于用户用电信息计量、采集相关信息化建设主要集中在用电信息采集系统、采集终端、智能电能表三方面，且均未开放用户访问，采集到的海量数据仅电力企业内部使用，用户用电相关信息没有及时有效地传递至用户。
（2）实现与用户的双向互动(信息互动、电能互动和业务互动)是智能用电的一个显著标志。但是，目前在智能用电领域缺少统一标准的互动服务体系，缺乏对互动服务业务模式及商业运营模式积极有益的探索。因此，亟需建立健全规范的体系架构标准，同时积极探索互动服务业务模式及商业运营模式，以支撑用电互动服务健康有序地发展[5]。
（3）此外，就用电技术领域而言，尚未开展过系统全面的用电业务梳理，尤其对用电方面的互动体系和运营模式，更是缺乏统一考虑和分析，为电力用户提供差异化、个性化服务需求的互动技术手段需要进一步完善和提高，在用电互动支撑平台及系统集成等方面的研究与国外先进水平相比存在一定的差距，难以适应未来灵活互动用电场景的需要[6]。
2 直接双向交互组网方案研究
通过深入研究学习国外AMI系统双向交互建设理念以及建设成效，结合国内用电信息采集系统现状提出了可行的智能电能表直接双向交互解决方案。此方案以智能电能表为纽带，在保持智能电能表本体不变、保证用电信息采集系统稳定运行的前提下，重点研究智能双向交互网关和升级改造电能表通信模块。智能双向交互网关是安装在室内的一种利用电力线载波或微功率无线等通信方式与电能表进行互动的设备。通过智能双向交互网关，用户可以利用智能终端设备获取用电用户的智能电能表中用电数据信息，实现用户与智能电能表之间信息的交互。
2.1 用电信息采集系统组网方式
目前，用电信息采集系统通信采集网络组网广泛采用了多种通信组网方式实现电能表数据的通信与采集，其中典型的应用环境包括：宽带载波通信组网方式、窄带载波通信组网方式、微功率无线通信组网方式和RS485通信组网方式[7]。本文主要探讨基于电力线载波通信组网方式和微功率无线通信组网方式实现智能电能表的直接双向互动解决方案。
2.2 智能电能表直接双向交互组网方案
利用电力线载波或微功率无线通信方式实现智能电能表的直接双向互动组网方案如图1所示。
智能电能表直接双向交互组网方案是采用家庭内部的智能双向交互网关设备与智能电能表通信模块、智能手机客户端软件连接，智能手机客户端软件下达抄读指令到智能双向交互网关，由智能双向交互网关完成智能电能表数据信息的抄读，并将数据反馈给智能手机客户端软件，完成抄读数据的展示[8]。
根据对网络单元中涉及的通信模块组网方式分析，现有智能电能表通信模块仅支持指定的单一信道通信，不能满足双向交互要求。因此利用目前通信模块进行双向互动，需要对现有的载波/微功率无线通信模块进行升级改造，使其能够与集中器、智能双向交互网关进行数据通信，并且互不影响。
3 双模通信技术研究
低压电力线载波通信和微功率无线通信在电力系统中都有广泛应用，并各有优缺点。低压电力线载波通信属于有线通信技术，其信道特征受配电网网络结构、用电负荷大小、干扰和噪声等因素影响；而无线通信技术受地理环境、天气因素影响较大，因此，二者信道特征具有互补特性。
针对目前智能电能表及用电信息采集设备较多采用电力线载波和微功率无线通信模式，在智能电能表直接双向交互网方案研究过程中，采用电力线载波与微功率无线融合通信技术，利于电力线载波与无线双信道部署或者异构组网部署方式，优化组网结构，扩大覆盖范围，消除通信盲点，提高通信网的可靠性[9]。
3.1 双模通信工作原理
针对双模通信模块的功能定位，双模通信模块应支持电力线载波与微功率无线同时协调工作。因此，双模通信模块需要集成载波调制解析模块、微功率无线调制解析模块、进行数据控制处理的主CPU以及与采集设备进行数据交互的本地通信接口。双模通信模块原理如图2所示。
3.2 双模通信技术研究路线
（1）双模通信芯片接口模型
双模通信模块包含一个本地通信接口、一个载波耦合接口、一个微功率无线通信接口，通信模块内置CPU，与载波接口、微功率无线接口相连处理双模通信与外界的通信。双模通信芯片接口示意图如图3所示。
载波耦合接口和微功率无线接口通过不同的管脚连接主控芯片，主控芯片根据管脚接口判断数据的来源，接收数据后通过本地通信模块接口发送给电能表或采集终端进行数据交互，同时接收电能表或采集终端返回的数据并通过不同的串口发送至载波耦合接口或者微功率无线接口，进行数据交互。载波通信芯片和微功率通信芯片之间没有直接的数据交互，两者使用不同的进程与主控芯片进行数据交互，主控芯片使用队列方式进行数据的传输。
（2）双模通信物理层、MAC层融合技术
电力线载波与无线通信物理层集成技术主要采用独立物理层、MAC层融合方式。独立MAC层、物理层的电力线载波与无线融合技术实现了两者的MAC层、物理层完全独立，仅在网络层实现融合。如图4所示，该方式中PLC与无线的物理层可采用不同参数或者调制方式，MAC层协议也可采用不相同协议在网络层及以上协议层实现融合,这种融合方式需要进行协议转换研究。
在图4逻辑结构中，将PLC通道MAC、物理层与无线通道的MAC、物理层分别独立配置，在网络层和应用层实现融合。
（3）双模通信协议转换技术
独立MAC层、物理层的电力线载波与无线融合技术还需研究双模通信协议切换技术，首先对MAC层进行信道质量评估和通信成功率统计，可优先采用电力线载波物理层通道进行数据发送，电力线载波发送失败时，切换到微功率无线物理层通道，继续实现与目的信息节点的物理连接。两技术实现无缝接入，要求每个通信节点具有上述同样的协议模型，MAC层包含微功率无线MAC层和电力线载波的MAC层两部分内容，且能实现两协议的切换调度，并为网络层提供统一接口。
双模通信技术将电力线载波通信和微功率无线通信集成在一个通信模块中，构成单芯片双模通信解决方案，即载波与无线两种通信模式互相结合，互相协调，互为备份，自动切换，构成复合通信技术，实现资源与优势互补,为智能电能表在与集中器、智能双向交互网关进行数据通信时的稳定和高效提供了保障。
4 结束语
开展智能电能表及用电信息采集设备双模通信技术的研究，使智能电能表同时具备微功率无线和电力线载波两种通信通道，为每种通信方式分配了用于数据采集交互的独立资源，避开了资源分层，有效减弱信道的冲突，使得智能电能表利用这两种通信通道实现双向信息交互，同时参与到两个通信组网中，促进智能电能表直接双向交互应用的实现。
智能电能表直接双向交互能够通过支持和引导用户参与供需平衡的自动需求响应，为用户提供灵活友好、支持电能量交互的用电互动平台，从而提升用户服务体验，优化用户用电方式，提高终端用能效率。
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