能源领域大数据传输技术

随着现代通信、计算、网络和控制技术的进步，信息技术运用领域的不断拓展，信息与能源数据的结合已成为一种必然的发展趋势。为加快能源用户用电信息自动采集系统的建设，国家电网公司提出在系统范围内能源用户实现“全覆盖、全采集、全预付费”的工作目标，积极推进营销计量、抄表、收费模式标准化建设和电网信息化建设，并将用电信息自动采集系统列入国家电网信息化建设的重要组成部分，用电信息的采集的受重视程度比以往任何历史时期都要更加突出，同时科研、设计、制造等设计的各级厂商和各级能源公司均投入了大量的人力财力开展这方面的研究和实施工作。

从目前我国已建成的能源通信网络来看，其特点是以光纤通信为主，微波、载波、卫星、无线公网等多种通信方式并存，分层分级自愈环网为主要特征的能源专用通信网络架构。在配电、用电领域，有电力负荷控制专用无线电频率230 MHz，有电力线载波（PLC）等技术，应用于自动抄表、配网管理、用户双向通信等方面。

需要指出的是，我国目前的电力通信系统骨干网络基本实现了传输媒介光纤化，但是总体上仍呈现“骨干网强、接入网弱”，“高压端强、低压端弱”的特点，EMS主站与配网基站信息传输（上行信道）的瓶颈已经消除，但“最后一公里”的下行信道却成为电力数据采集的最大瓶颈。本书中所展开讨论的电力能源数据传输方式也主要是针对下行信道的采集和传输。

8.3.2.1　能源数据传输方式

智能电网信息流的层次模型包括4个层次，即电网设备层、通信网架层、数据存储管理层、数据应用层。各个层次组成的信息支撑体系是坚强智能电网信息运转的有效载体，是坚强智能电网坚实的信息传输基础。信息流的层次模型如图8-7所示。

单击“尺寸/几何关系”工具栏上的“尺寸标注”按钮,此时光标变为形状。将光标放到要标注的圆/圆弧上,变为形状,要标注的圆/圆弧以红色高亮显示;单击则出现标注尺寸线并随着光标移动,将尺寸线移动到适当的位置后,再次单击将尺寸线固定下来。

在“修改”对话框中输入圆弧/圆的半径/直径,单击“确定”按钮完成标注。

3)角度尺寸的标注

角度尺寸用于标注两条直线的夹角或圆弧的圆心角。

图8-7　采集信息流的层次模型

在通信网架层中，从传输媒介的分类来看，电力能源数据传输技术可以分为有线通信和无线通信。在电力通信专网中，有线通信主要包括电力线载波（PLC）通信和光纤通信等。

（1）电力线载波通信。电力线载波通信是电力系统传统的特有通信方式，它以输电线路为传输通道，具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等优点，曾经是电力通信的主要方式。

但电力线载波通信的缺点也比较明显。由于受电力线强磁场干扰，杂音电平高；传输性能受电力线结构影响，电力线换位及线路故障会衰耗剧增；通道容量小，我国规定其频率使用范围在40～500 k Hz，音频范围窄。目前这种通信方式已逐步退出运行。

（2）光纤通信。光纤的传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻。光纤原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；兼有绝缘高、抗电磁干扰性能强、抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花和保密性强等优点。它一问世便在电力行业得以应用并迅速发展。除普通光纤外，一些专用于电力系统的特种光纤已被大量使用。

光纤通道可以开展光纤复合架空地线（OPGW）、全介质自承式光缆（ADSS）、光纤复合相线（OPPC）、光纤复合低压电缆（OPLC）等多项特种应用，实现网络化、宽带化和综合化的目标，满足电力通信网络应用及用户需求。

光纤复合架空地线（OPGW）是在传统的输电地线、导线中融合光信息单元，是导线与特种光缆的高度融合和集成产品。光纤复合相线（OPPC）技术是OPGW、ADSS的延伸，实现电力通信从骨干输电网络延伸到配电网络，主要适用于110 k V、35 k V、10 k V等城网、农网通信改造及配网自动化系统。

通过OPGW、ADSS、OPPC等光缆解决骨干网、配电网电力通信技术，还需要解决用电侧“最后一公里”的接入问题。光纤复合低压电缆OPLC集电缆和光缆于一体，“一线四用”解决终端供电、信号传输、宽带接入等问题，实现电力网、电信网、电视网、互联网的“多网融合”，可实现面向智能电网的基于OPLC的电力光纤到户PFTTH接入部署方案，推行智能电网光电无缝链接，实现快速高效的安装、开通、管理和维护。

在无线通信技术中，常见的有230 MHz无线专网通信、微波通信、无线局域网WLAN通信、2G/2.5G无线公网通信、3G/B3G无线公网通信、4G无线公网通信等。

（1）230 MHz无线专网通信。自1991年国家无线电管理委员批复电力负荷控制专用230 MHz频点以来，经过多年发展，全国大部分城市已建有230 MHz无线系统。系统以地市公司为单位建设，在地市公司主站附近建一主台站，在辖区随信号覆盖情况建设基站/中继站，实现地市级大用户覆盖。2005年以前，县级电力公司主要选用230 MHz无线通信系统实现专变用户的数据采集与负荷控制等功能，具有投资少、建设周期短、维护简单等优点，非常适合应用于通信节点分散的配电网。230 MHz无线数传电台也存在一些诸如传输速率低、实时性差、管理能力差、系统容量小、组网能力弱等缺点，在很大程度上制约了该项技术的发展和应用。

（2）微波通信。微波通信是使用波长为0.1～1 000 mm电磁波的通信。微波通信不需要固体介质，只要两点间直线距离内无障碍就可以传送微波。微波通信具有良好的抗灾性能，但微波经空中传送，易受干扰。由于在同一方向上不能使用一个以上的同频率的微波通信，所以微波电路必须在无线电管理部门的严格管理下进行建设。

（3）无线局域网WLAN通信。WLAN是在局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络。其传输媒介为射频无线电波和红外光波；具有灵活性、可伸缩性、经济性等优点。但又有可靠性受影响、宽带系统容量有限，兼容性、安全性等局限性。所以需要设计者在研发过程中加以考虑，使用者在应用时加以克服和注意。

（4）2G/2.5G无线公网通信。2G即第二代移动通信技术，以数字语音传输技术为核心，代表为GSM。2.5G是一种介于2G和3G之间的无线技术，可以提供更高的速率和功能，代表为GPRS。GPRS是一种分组交换系统，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。在电力行业，通过租用运营商的通信系统，GPRS技术可用于部分远程数据采集。例如配网自动化的数据采集。

（5）3G/B3G无线公网通信。国际电信联盟（international telecommunication union，ITU）一共确定了全球四大3G标准，它们分别是宽带码分多址（wide-band code division multiple access，WCDMA）、CDMA2000时分同步码分多址、TD-CDMA（time division synchronous code division multiple access）、全球微波互联接入（world wide interoperability for microwave access，WiMAX）。WiMAX又称为802.16无线城域网。WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大标准已在我国三大运营商，中国联通、中国电信和中国移动开始商用。三种技术都属于宽带CDM技术。3G具有提供多速率业务、分组数据、载波间切换、快速功控、多用户检测等优点。TD SCDMA在频率利用率、对业务支持具有灵活性；WCDMA有较高的扩频增益，发展空间较大，全球漫游能力最强，技术成熟性最佳；CDMA2000建设成本低廉。总之三大技术都各有优缺点，对于移动性要求不高的电力系统通信，这三大技术都有很大的发挥空间。

超三代移动通信系统（beyond third generation in mobile communication system，B3G）与3G技术相比，B3G有着更高的传输效率、更全的业务类型、很强的智能性、适应性和灵活性等优点。3G技术在世界范围已大规模商用，不久的将来B3G技术的使用将使世界移动通信面貌焕然一新，在智能电网的实现中大有作为。

（6）4G无线公网通信。是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G系统被认为是基于IP的蜂窝系统；目前许多不同的4G空中接口正在接受检验，4G系统必须是低成本的、不断提高QoS，一些可能的4G工具和技术包括：先进的天线技术、MIMO技术、自适应、可重配置系统、无线接入技术、广播与蜂窝网络的结合。目前4G发展的趋势是多种技术的结合。4G通信具有通信速度更快、网络频谱更宽、通信更加灵活、智能性更高、兼容性更平滑、提供各种增值服务、实现更高质量的多媒体通信、频率使用效率更高、通信费用更加便宜等优点。

随着信息通信技术（ICT）、网络技术与自动化、生产、管理等应用正在日益走向融合，信息通信技术是支撑智能电网的关键技术，对于用电信息采集系统也不例外。可以预见的是，电力数据采集系统的发展将会有如下趋势：

（1）230 MHz无线专网。拥有国家无委会批准专用的15对双工频点和10个单工频点构建数据通信资源，现在可采用新的单工/双工自组网技术，支持自动中继和路由功能，可充分利用频点资源，扩充系统容量，为电力大型专变用户提供用电信息采集和监控等服务。

（2）目前远程信道主要采用GPRS/CDMA和230 MHz专网方式，随着3G、4G新一代公网通信方式的发展，会衍生基于语音、照片、数据、视频的高速、大量数据的传输需求。

（3）电力系统接入点分散、环境复杂、接入点扩容变化大，建设用电信息采集系统需要1套技术先进、稳定可靠、扩展便捷、成本最优的通信接入系统。EPON作为全IP化宽带光纤接入系统，可以有星形、F形、一字形等多种组网方式，能很好满足电力系统接入需求。

（4）电力线宽带通信技术经多年发展，技术已趋成熟，电力线宽带抄表的实时性、远程控制能力、网络及设备管理能力可大力应用到电力用户用电信息采集系统；在条件不具备的地区，可考虑用电力线低压载波作为补偿。

（5）大部分数据的采集采用基于开放标准的数字通信网，即基于IP的实时数据传输方式。多通道共用，提高通道利用率，可以和其他数据通信共用。为保证信息安全加密，用电信息采集设备特别是费控电能表考虑内置ESRM模块等安全芯片。

8.3.2.2　能源数据传输接口协议及标准

能源系统是一个复杂系统，以电力行业为例，其涉及发电、输电、配电、用电以及信息安全等诸多环节，为保证安全、稳定运行，电力系统大量使用了网络通信与信息技术，实现了对生产与管理的信息收集与控制。目前，发电、输电、变配电、用电和调度系统各个环节都有网络通信技术对生产与管理进行支撑。现有的通信标准大多针对特定需求，在不同的历史阶段制定，种类很多。控制中心（能源管理系统EMS）的软件接口标准遵循IEC 61970或IEC 61968标准；控制中心与变电站之间遵循IEC 60870等标准；变电站自动化系统内部则遵循IEC 61850标准进行通信。

电力能源数据信息采集通常被划分到用电环节。从长期以来的用电网络建设来看，我国历史上电网缺电严重，加上“重发、轻配、不管用”的影响，用电系统的建设相对薄弱，自动化、信息化的程度相对较差，从时间上来看，在20世纪90年代全面推广应用电力负荷控制系统之后，才迎来了电力能源数据信息采集的快速发展时期。

随着电力负荷控制系统采集功能应用的逐步扩大，在大用户、台区监测及居民抄表应用中也部分投运了配变监测系统和居民集抄系统。但是，由于各系统分别建设，没有很好整合各种系统资源，主站软件对多种信道的综合运用能力存在不足，目前应用的有230 MHz无线专网、GPRS/CDMA无线公网、电力线载波（PLC）等，缺乏统一管理，存在重复建设、信道资源利用率低等问题。

针对这种情况，在国家电网公司主导下，电力行业标委会修订了《DL/T698电能信息采集与管理系统》。它系统规范了电能信息采集的主站、信道、终端的功能、性能，其范围涵盖了所有上网关口、变电站关口和考核、各类电力用户、公用配变考核的所有计量点，并可构成一个整体的从发电上网到用户消费的全过程电能信息采集。

1）电能信息采集与管理系统的架构

电能信息采集与管理系统的物理结构如图8-8所示。(www.xing528.com)

从图8-8（a）部分可以看出，电能信息采集与管理系统的结构通常有三层。第一层是主站，是整个系统的管理中心，负责整个系统的电能信息采集、用电管理以及数据管理和应用等；第二层数据采集层，负责对各采集点电能信息的采集和监控，包括各种应用场所的电能信息采集终端；第三层采集点的监控设备，是电能信息采集源和监控对象，如智能电表和相关测量设备、用户配电开关、无功补偿装置以及其他现场智能设备等。通信网络负责系统各层之间的数据传输，可以使专用或公用、有线或无线通信网络等各种形式，从通信方向上可以分为数据采集层至主站的上行信道、数据采集层至采集点监测设备的下行信道。

图8-8　电能信息采集与管理系统物理结构示意图

需要说明的是，数据采集层的主体是电能信息采集终端，负责电能信息的采集、数据管理、数据传输以及执行或转发主站下发的各种控制指令。按照不同的应用场所，电能信息采集终端可以分为厂站采集终端、专变采集终端、公变采集终端和低压集中抄表终端（包括低压集中器和低压采集器等）几种类型，如图8-8（b）所示。

2）上行信道的通信协议

上行通道包括主站与电能信息采集终端之间的数据传输，以及主站与直接通信的电能表通信单元见的数据传输，这两种数据传输的通信协议目前都采用DL/T 698.41-2010《电能信息采集与管理系统第4-1部分：通信协议主站与电能信息采集终端通信》。

在上行信道的通信协议中，采用了异步传输帧格式，如图8-9所示。

定义了以下传输规则：

（1）线路空闲状态为二进制1。

（2）帧的字符之间无线路空闲间隔；两帧之间的线路空闲间隔最少需33位。

（3）如按步骤（5）检出了差错，两帧之间的线路空闲间隔最少需33位。

（4）帧校验和（CS）是用户数据区的八位位组的算术和，不考虑进位位。

(1)单击“尺寸/几何关系”工具栏上的“尺寸标注”按钮,此时光标变为形状。单击拾取第一条直线,此时标注尺寸线出现,继续单击拾取第二条直线。

这时,标注尺寸线显示为两条直线之间的角度,随着光标的移动,系统会显示3种不同的夹角角度,如图2-18所示,选择要标注的角度单击即可将尺寸线固定下来。

图8-9　异步传输帧格式

（5）接收方校验：

①对于每个字符：校验起动位、停止位、偶校验位。

②对于每帧：

A.检验帧的固定报文头中的开头和结束所规定的字符以及规约标识位；

B.识别2个长度L；

C.每帧接收的字符数为用户数据长度L1＋8；

D.帧校验和；

E.结束字符；

F.校验出一个差错时，校验按（3）的线路空闲间隔。

若这些校验有一个失败，舍弃此帧；若无差错，则此帧数据有效。主站和终端之间的传输服务被分为3种，如表8-4所示。

表8-4　主站和终端的传输服务

图2-18　3种不同的夹角

在协议中，将通信内容分为两大部分，链路层和应用层，其中链路层规定了数据的长度、控制域和地址域，应用层规定了功能码、帧序列域、数据单元标识、数据单元格式、附加信息域。基本的原则是，链路层用来明确终端的地址、唯一性标识及主站及终端要进行的操作方向和命令内容，应用层用来响应请求、处理请求和按协议中规定的格式来传输数据，适用于点对点、多点共线及一点对多点的通信方式，适用于主站对终端执行主从问答方式以及终端主动上传方式的通信。

3）下行信道的通信协议

下行信道主要指的是集中器与电能表之间的通信，或采集器之间的数据传输。协议中规定了主从结构的半双工通信方式，集中器为主动站，电能表或采集器为从动站。每个电能表或采集器均有各自的地址编码。通信链路的建立与解除均由集中器发出的信息帧来控制。每帧由帧起始符、从动站地址域、控制码、附加信息域、数据域长度、数据域、帧信息逐比特校验码及帧结束符8个域组成。每个域由若干字节组成。

下行信道的数据传输帧格式如图8-10所示。

在“修改”对话框中输入夹角的角度值,单击“确定”按钮完成标注。

图8-10　下行信道数据传输帧格式

协议中对控制码进行了约定，明确了数据传输方向、从站应答标志，约定了读数据、读通信地址、写数据、广播校时、写地址、更改通信速率、清零等功能码。

同时，协议中对数据域进行了规范，约定数据域包含数据标识、密码、数据等，其结构随功能码不同而改变，传输时发送方按字节进行加33H处理，接收方按字节进行减33H处理。

在传输时，所有的数据项传输次序为先传送低位字节，后传送高位字节。每次通信都是由主动站向按信息帧地址域选择的从动站发出请求命令帧开始，被请求的从动站接收到命令后做出响应。

与上行信道通信协议相同的是，协议中同样对应用层中的数据格式进行了规范和约束，规定了数据传输中主站的控制码，以及从站的正常应答和异常应答。