當(dāng)電力消費置于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，最大的變革在于用電行為、交易、過程、電力調(diào)度及分布能源生產(chǎn)等電能的全生命周期均建立在互聯(lián)網(wǎng)虛擬空間和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的過程建模、分析及優(yōu)化。因此，“互聯(lián)網(wǎng)＋智慧售電”的實現(xiàn)即是一個數(shù)據(jù)獲取、傳輸、業(yè)務(wù)表達(dá)與價值發(fā)現(xiàn)過程。其中數(shù)據(jù)獲取主要依靠智能用電物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過連接各種用電器、分布能源和檢測模塊，獲取各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)傳輸主要依靠近距離通信、公共通信網(wǎng)絡(luò)等組成異構(gòu)融合的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)匯聚至云計算平臺；數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)表達(dá)和價值發(fā)現(xiàn)主要依靠大數(shù)據(jù)組織、可視化、挖掘等技術(shù)完成數(shù)據(jù)驅(qū)動的電力消費過程。

5.1.3智能用電物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)近距離通信技術(shù)

如圖5-5所示，近距離通信是智能用電物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。國內(nèi)外用于物聯(lián)網(wǎng)的近距離通信技術(shù)主要包括電力線通信(PLC)、無線射頻通信和雙網(wǎng)絡(luò)混合通信，實現(xiàn)智能電能表、傳感器等終端設(shè)備的組網(wǎng)與數(shù)據(jù)交換。

圖5-4  移動端智能用電交互界面

圖5-5  智能用電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)

1.電力線道信

因利用現(xiàn)有電力線網(wǎng)絡(luò)而無需重新布線，以及不存在微波傳輸固有的視距限制和其他無線傳輸方式受建筑物阻礙所帶來的傳輸距離有限等問題，加之電力線本身就屬于電力公司管轄，電力線載波成為實現(xiàn)智能電網(wǎng)通信的首選技術(shù)。如表5-1 所示，電力線通信主要技術(shù)類型包括窄帶單載波(1EC61334) 和OFDM 多載波PRIME、G3 )。

窄帶單載波調(diào)制技術(shù)主要包括FSK、BPSK、跳頻、直接字列擴(kuò)頻等，傳輸速率較低，抗干擾性差，一般用于白動抄表系統(tǒng)進(jìn)行月度電計算，數(shù)據(jù)傳輸最和實時性要求不高。OFTM多載波調(diào)制具有出色的抗窄帶噪聲性能，提供寬帶PIC 上所具備的巨大潛力，尤其是在中國這樣電網(wǎng)質(zhì)量較差的國家更是如此。OFDM的帶寬更寬，可以傳遞更多數(shù)據(jù)，這意味著傳感器上的測量數(shù)據(jù)可以被更瀕繁地來回傳遞，數(shù)據(jù)可以做安全加密，更多的終端可以被尋址，從而增加了數(shù)據(jù)容量，且可以采用更先進(jìn)的數(shù)據(jù)重傳技術(shù)以提高可靠性。另外，OFDM具備的糾錯技術(shù)可以用于恢復(fù)錯誤的碼元，從而提高傳輸?shù)某晒β省Ｃ佬挪捎肙FDM方式的MAX2990是一顆SOC芯片，基于美信16 位MAXQ MCU 內(nèi)核，芯片包含了物理層和MAC 層。

在OFDM 多載波領(lǐng)域，主要包括Prime 和G3 標(biāo)準(zhǔn)。這兩個標(biāo)準(zhǔn)都使用OFDM 技術(shù)，只是實現(xiàn)的方法不同。G3采用自適應(yīng)的色調(diào)映射技術(shù)監(jiān)視不同子信道，并且在最好的信道上安排最多的傳輸，來提高數(shù)據(jù)速率可靠性和易用性，因此消除了在差道上的嘗試，能夠提高數(shù)據(jù)速率。G3還有強(qiáng)壯的運行模式，確保在噪聲較大信道上的高可靠性傳輸。G3還具備更多的糾錯技術(shù)，它使用兩層糾錯技術(shù)去恢復(fù)由于突發(fā)噪聲帶來的錯誤碼元。可提供針對干擾和衰減的高度適應(yīng)性。因此，它能夠在中壓變壓器之間穿越時實現(xiàn)最遠(yuǎn)距離達(dá)4km的可靠通信。另外，該標(biāo)準(zhǔn)還可在橫跨低壓和中壓(LV/MV)變換時實現(xiàn)總距離不超過1～2km的通信。G3穿過變壓器的能力是一項很重要的性能，對于低人口密度的鄉(xiāng)村地區(qū)尤其如此。

中國依據(jù)IEC61334等國際標(biāo)準(zhǔn)在GB/T 19882.211—2010《自動抄表系統(tǒng) 第211部分: 低壓電力線載波抄表系統(tǒng)要求》和DL/T 5447—2312 《電力系統(tǒng)通信系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容深度規(guī)定》等標(biāo)準(zhǔn)中對電力線通信的應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)范，AMI國家標(biāo)準(zhǔn)體系中將G3-PLC作為主要電力線通信方案和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

電力線通信傳輸介質(zhì)負(fù)載的接入和斷開隨時間不斷變化，阻抗是頻率的函數(shù)，電器本身在用電過程中產(chǎn)生各種干擾形成負(fù)載特性的綜合效應(yīng)，再加上電力線本身對信號的衰減，以及終端阻抗不匹配產(chǎn)生的信號反射，使得低壓電力線載波信道呈現(xiàn)極不平坦的頻率響應(yīng)特性，且隨時間而變化，同時受頻率選擇性、時變性千擾，影響電力線通信的可靠性。

2.無線近距離通信

無線近距離通信主要包括Zigbee、藍(lán)牙、WIFI、NFC等技術(shù)，在傳輸速度、距離、耗電量等方面具有各自特點，見表5-2。

表5-2      主要近距離無線通信技術(shù)特點

相對于電力線載波通信，近距離無線通信技術(shù)的應(yīng)用范圍更為廣泛，尤其是在沒有條件布線的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。與此同時，RF通信在傳輸速度等方面較PUC方式具有優(yōu)勢。但介質(zhì)環(huán)境、建筑物阻礙等通信介質(zhì)物理屬性因素是影響近距離無線通信技術(shù)通信效率和傳輸距離的主要因素，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建中需要著重考慮的問題，往往成為影響整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，難以滿足有效的物聯(lián)網(wǎng)雙向?qū)崟r通信要求。在十萬規(guī)模的智能電能表組網(wǎng)應(yīng)用中。利用Zigbee 等近距離通信芯片，最多只能保障全網(wǎng)一天一次地可靠數(shù)據(jù)采集，節(jié)點網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，數(shù)據(jù)傳輸可靠性越低，難以滿足智能電網(wǎng)AMI或智能家居對數(shù)據(jù)實時雙向通信要求。

3.雙網(wǎng)絡(luò)混合通信技術(shù)

PLC/RF混合通信體系，充分利用電力線和無線通信各自的代點，在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行傳輸集成控制，即使一種通信方式數(shù)據(jù)傳輸失敗，也有另一種作為保障，從而有效解決物聯(lián)網(wǎng)近距離實時雙向通信問題。

如圖5-6和圖5-7所示，PLC/RF混合通信技術(shù)，雙物理介質(zhì)分別對應(yīng)各自介質(zhì)訪問控制層，通過數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)了對雙信道通信的邏輯協(xié)調(diào)與控制，由數(shù)據(jù)鏈路控制層控制數(shù)據(jù)的接收與分發(fā)邏輯，調(diào)整數(shù)據(jù)到達(dá)速率。基于PIC/RF雙網(wǎng)絡(luò)混合通信技術(shù)，終端發(fā)起通信時，同時通過PLC 和RF模擬前端向接文端發(fā)送同一個數(shù)據(jù)，PLC/RF 混合通信模塊實現(xiàn)各自信道的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)與控制，當(dāng)一種通信模式失效時，不影響另一信道的數(shù)據(jù)傳輸，即使兩種信道通信均有數(shù)據(jù)損失，亦可通過特定算法對兩種信道各自接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和補(bǔ)充糾錯，進(jìn)而還原真實數(shù)據(jù)，由此大大提高通信的成功率。

圖5-6  雙網(wǎng)絡(luò)混合通信原理圖

圖5-7  雙網(wǎng)絡(luò)混合通信架構(gòu)

如圖5-8所示，電力線/射頻雙網(wǎng)絡(luò)混合通信裝置主要包括未處理器、存儲器、電力線通信模塊、射頻通信模塊、電力線通信模擬前端射頻通信模擬前端、糾錯模塊、輸入輸出模塊、電源、時鐘、電路板等十一個部分，其中，微處理器連接時鐘、存儲器、輸入輸出模塊、電力線通信模塊、射頻通信模塊、糾錯模塊、電源；電力線通信模塊分別與電力線通信模擬前端、糾錯模塊和電源連接；射頻通信模塊分別與射頻通信模擬前端、糾錯模塊、電源連接；電力線通信模擬前端與外部電力線連接；射頻通信模擬前端與外部天線連接；電路板將其余十個部分有機(jī)結(jié)合形成整體。

圖5-8  雙網(wǎng)絡(luò)混合通信裝置結(jié)構(gòu)框圖

如圖5-9所示，雙網(wǎng)絡(luò)混合通信方法包含如下步驟：

①裝置的電力線通信模塊和射頻通信模塊分別通過各自模擬前端，按照各自通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)通信的物理層數(shù)據(jù)傳輸；

②數(shù)據(jù)以幀為單位在糾錯的模塊進(jìn)行混合，兩種或其中任何一種通信方式的幀數(shù)據(jù)經(jīng)過校驗判定正確，兩種通信方式均以該正確的幀數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行下一層數(shù)據(jù)處理，反之，將兩個物理層接收到的幀數(shù)據(jù)在糾錯模塊進(jìn)行對應(yīng)字節(jié)比較，發(fā)現(xiàn)可能的錯誤字節(jié)，并對可能錯誤字節(jié)的所有可能值的組合進(jìn)行遍歷試錯計算，直到其中一種通信方式校驗正確，利用正確的數(shù)據(jù)內(nèi)容修正另一種通信模式的錯誤幀；

③處理器分別針對兩種通信模塊進(jìn)行鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、會話層、表示層、應(yīng)用層的數(shù)據(jù)處理；

④分別通過電力線通信模塊和射頻通信模塊同時發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖5-9雙網(wǎng)絡(luò)混合通信糾錯方法