居民小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)

居民小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)摘要：該文通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出直接利用低壓電力線構(gòu)成與低壓電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的用戶電能表終端＋配變集中器組網(wǎng)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。

關(guān)鍵字：遠(yuǎn)程抄表居民小區(qū)低壓擴(kuò)頻載波長(zhǎng)期以來(lái)，供電企業(yè)電能數(shù)據(jù)的抄算都是基于電能表的手工作業(yè)方式，即每月定期派人到各用戶那里抄錄電能表的用電數(shù)據(jù)作為電費(fèi)計(jì)算和收繳的依據(jù)。隨著電力負(fù)荷的急劇增長(zhǎng)，一戶一表和直供到戶等營(yíng)銷舉措的不斷深入，用電企業(yè)紛紛將家屬宿舍的用電管理業(yè)務(wù)交還供電企業(yè)，致使供電企業(yè)的電量抄錄的工作量急劇膨脹。白銀供電公司在城網(wǎng)農(nóng)網(wǎng)改造結(jié)束后，僅市區(qū)居民直供用戶將達(dá)到9萬(wàn)戶，就地分散的手工抄表根本無(wú)法適應(yīng)用電管理的需要。因此，遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。1遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其特點(diǎn)我國(guó)研究和開(kāi)發(fā)的集中遠(yuǎn)抄系統(tǒng)都是單臺(tái)配變下的小區(qū)集中遠(yuǎn)抄系統(tǒng)，其典型的組網(wǎng)拓?fù)浯笾氯缦拢河脩綦娔鼙?單元子區(qū)數(shù)據(jù)采集器+配變集中器+營(yíng)業(yè)站抄算主機(jī)一般情況下，一個(gè)家屬樓單元有14~18塊低壓電能表，單元子區(qū)數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)采集其下屬的電能表電量數(shù)據(jù)，配變集中器則負(fù)責(zé)收集配電變壓器下面的所有單元子區(qū)采集器的數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌瓤?，其組網(wǎng)方式有：兩級(jí)純專線組網(wǎng)方式、兩級(jí)混合組網(wǎng)方式、兩級(jí)載波組網(wǎng)方式。從組網(wǎng)拓?fù)涞慕嵌戎v，只要在用戶電能表、單元子區(qū)采集器、配變集中器采用專用信道通信，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的纜線工程量就非常大，有線專用信道的維護(hù)也有一定困難。鑒于這種情況，各科研單位和廠商都在努力做到取消單元子區(qū)采集器，實(shí)現(xiàn)用戶電能表與配變集中器的直接低壓電力線載波通信，這樣就大大減少了纜線工程量，而且數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)慕M網(wǎng)拓?fù)渑c低壓配電網(wǎng)保持一致，有利于系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)和用戶數(shù)量的模數(shù)化擴(kuò)展。這種拓?fù)湟笠粋€(gè)用戶終端，不但要實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量，還要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的編碼、解碼、載波收發(fā)等功能?？梢詷?gòu)成完全基于低壓電力線信道的載波電能表+配變集中器+營(yíng)業(yè)站主機(jī)的組網(wǎng)拓?fù)?。?shí)踐證明：目前市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的窄帶調(diào)制的低壓載波表和配變集中器很難保證電量或控制數(shù)據(jù)的可靠傳輸。主要原因是低壓電力線載波信道的特性隨機(jī)性、時(shí)變性很大，非常地不穩(wěn)定。因此，低壓電力線載波技術(shù)是直接通過(guò)電力線組網(wǎng)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的瓶頸。本文就是致力于開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的擴(kuò)頻載波用戶終端，如果一旦開(kāi)發(fā)成功，抄算系統(tǒng)就可以使用簡(jiǎn)單明了的用戶終端+配變單元+營(yíng)業(yè)站抄算主站的組網(wǎng)拓?fù)?，并將成為?guó)內(nèi)主流的抄算系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?試點(diǎn)居民小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)方案在為試點(diǎn)居民小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)做的總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)時(shí)，本文遵循三條基本原則：（1）在試點(diǎn)小區(qū)的配電變壓器和小區(qū)住戶之間不敷設(shè)任何專用有線信道，數(shù)據(jù)的上行或下行傳送必須使用現(xiàn)成的低壓電力線作為數(shù)據(jù)媒介。（2）只在配電變壓器和住戶地點(diǎn)對(duì)應(yīng)安裝數(shù)據(jù)的收發(fā)裝置，建立起各用戶電能表終端與配變集中器的直接數(shù)據(jù)鏈路，中間不安裝任何硬件上的中繼或第二級(jí)集中轉(zhuǎn)發(fā)裝置。（3）用戶電能表終端除了記錄電量外，它還應(yīng)該執(zhí)行就地保護(hù)和遠(yuǎn)方監(jiān)控功能。2.1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由營(yíng)業(yè)站用電管理主機(jī)、配電變壓器集中器、接在配電變壓器低壓電力線上的多個(gè)用戶電能表終端（接于A相的A1~Ap終端、接于B相的B1~Bm終端、接于C相的C1~Cn終端）和通信信道組成。配電變壓器集中器和用戶電能表終端分別與配電變壓器、用戶一一對(duì)應(yīng)并就地分布式安裝。用電管理信息只能在系統(tǒng)的上下級(jí)之間傳輸。其中用電管理主機(jī)到配電變壓器集中器的信息傳輸媒介采用擴(kuò)頻無(wú)線信道或公共電話網(wǎng)（第一級(jí)信道），配電變壓器集中器到用戶電能表終端的信息傳輸媒介利用低壓電力線載波信道（第二級(jí)信道），詳見(jiàn)圖1。顯然，整個(gè)系統(tǒng)與配電變壓器下面的電壓電力網(wǎng)一樣呈樹(shù)形分布結(jié)構(gòu)，可隨用戶發(fā)展和負(fù)荷增長(zhǎng)任意擴(kuò)展。本系統(tǒng)的任務(wù)在于實(shí)現(xiàn)低壓用戶電量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和抄算，對(duì)低壓電力用戶的負(fù)荷和用電進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。由于使用了分布式安裝結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)建設(shè)上與集中抄表箱用電系統(tǒng)相比，無(wú)須龐大繁瑣的纜線工程，施工難度將會(huì)大幅下降。系統(tǒng)的擴(kuò)展將隨用戶或配變數(shù)量的遞增而模數(shù)化擴(kuò)展，就象增加一個(gè)用戶增加一塊電能表那樣簡(jiǎn)單。因此，系統(tǒng)擴(kuò)展極具伸縮性，不會(huì)象集中式系統(tǒng)那樣新建時(shí)資源閑置，用戶發(fā)展時(shí)容量又不夠。應(yīng)該說(shuō)，這個(gè)系統(tǒng)比較符合營(yíng)業(yè)用電管理系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。2.2網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的選擇與研究在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，信道共享技術(shù)已經(jīng)比較成熟。一般可分為兩類，即受控接入和隨機(jī)接入。隨機(jī)接入共享信道的特點(diǎn)是所有用戶都可以根據(jù)自己的意愿隨機(jī)地發(fā)送信息。實(shí)際上就是爭(zhēng)用接入，征用勝利者才能獲得總線，從而發(fā)送自己的信息。典型的隨機(jī)接入是載體偵聽(tīng)多重訪問(wèn)/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）網(wǎng)絡(luò)，其為總線型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。后文重點(diǎn)介紹的基于CEbus的擴(kuò)頻載波線性掃頻信號(hào)（Chirp）由于具有自相關(guān)性，所以適用于CSMA網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合電力線的傳輸特性，綜合比較各種網(wǎng)絡(luò)，在本文所要開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)抄系統(tǒng)中選用CSMA協(xié)議應(yīng)該是比較合適的。CSMA協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，如時(shí)延不確定、重載時(shí)效率下降，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸量較小的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)來(lái)講，并不是值得考慮的問(wèn)題。2.3用戶電能表終端的總體設(shè)計(jì)用戶電能表終端由AC/DC開(kāi)關(guān)電源模塊、電量傳感器模塊、故障保護(hù)模塊、計(jì)量模塊、負(fù)荷控制模塊、LED顯示模塊、MCU系統(tǒng)模塊、低壓擴(kuò)頻載波通信模塊構(gòu)成，圖3是用戶電能表終端硬件電路框圖。多輸出開(kāi)關(guān)電源負(fù)責(zé)為用戶電能表終端供電，它輸出DC+5V0.5A和DC±15V0.5A電源各一組，其交流輸入的設(shè)計(jì)范圍為AC220V±20%。為了降低電源模塊的體積，采用TOP2XX脈寬調(diào)制功率開(kāi)關(guān)為核心器件，構(gòu)成單端反激式電路。故障保護(hù)模塊負(fù)責(zé)監(jiān)視低壓用戶的負(fù)荷電器的運(yùn)行情況，當(dāng)發(fā)生短路、過(guò)流、漏電或電網(wǎng)電壓超標(biāo)時(shí)，向MCU系統(tǒng)模塊發(fā)出信號(hào)請(qǐng)求執(zhí)行斷電控制程序。計(jì)量模塊負(fù)責(zé)把用戶的用電功率轉(zhuǎn)化為頻率正比于功率大小的脈沖串，提供給MCU系統(tǒng)模塊進(jìn)行電量計(jì)算。即使用戶實(shí)施了竊電行為，它仍然可以輸出正確的電量計(jì)算脈沖串，并向MCU系統(tǒng)發(fā)出竊電信號(hào)。負(fù)荷控制模塊是一個(gè)受MCU系統(tǒng)輸出的TTL電平控制的大功率交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，能夠過(guò)零關(guān)斷或開(kāi)啟6kW的負(fù)荷功率。MCU系統(tǒng)由AT89C528位單片機(jī)、X5045看門(mén)狗芯片和DS1302時(shí)鐘日歷芯片構(gòu)成。它是用戶電能表終端的計(jì)算監(jiān)控中心，主要負(fù)責(zé)對(duì)電量脈沖串進(jìn)行計(jì)算或處理，執(zhí)行就地或遠(yuǎn)方的負(fù)荷控制程序，與低壓擴(kuò)頻載波通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并控制其收發(fā)信。顯示模塊由一個(gè)8位LED及其動(dòng)態(tài)掃描控制芯片構(gòu)成，主要完成電量數(shù)據(jù)的舊的查詢顯示，便于用戶了解自己的電量或電費(fèi)情況。低壓擴(kuò)頻載波模塊主要由SSCP200低壓電力線擴(kuò)頻載波網(wǎng)絡(luò)控制器、前置功放和電力線耦合電路構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)MCU系統(tǒng)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性掃頻調(diào)制，放大后耦合到電力線上，對(duì)通過(guò)電力線送來(lái)的載波信號(hào)進(jìn)行掃頻解調(diào)后送給MCU系統(tǒng)。這種數(shù)據(jù)通信采用了收發(fā)分時(shí)控制的半雙工通信。該模塊與配變集中器的設(shè)計(jì)通信距離為1000m。在信道特性最惡劣的情況下，也要保證不小于600m。2.4配電變壓器集中器的總體設(shè)計(jì)配變集中器主要由三個(gè)分相耦合的低壓擴(kuò)頻通信模塊、三個(gè)按相配置的電能表模塊、MCU單片機(jī)系統(tǒng)、3個(gè)雙口RAM和一個(gè)工控機(jī)系統(tǒng)及電話線調(diào)制解調(diào)器構(gòu)成。圖4是配變集中器的硬件電路框圖。低壓擴(kuò)頻載波通信模塊分相配置，是為了杜絕跨相耦合載波信號(hào)，電能表和MCU電路按相配置是為了使集中器能夠并行處理各相的用戶終端數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)傳輸和處理速度。以上電路基本上與用戶終端類似，只是不具備故障保護(hù)、竊電偵測(cè)和負(fù)荷控制電路而已。在配變集中器內(nèi)設(shè)置電能表模塊便于對(duì)每一相的總電量進(jìn)行計(jì)量和統(tǒng)計(jì)分析，以作為用電管理部門(mén)考核線損和平衡3相負(fù)荷的依據(jù)。工控機(jī)完成與每一相的MCU系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，并通過(guò)Modem和公用電話網(wǎng)與營(yíng)業(yè)站抄算主機(jī)交換數(shù)據(jù)信號(hào)。上行和下行數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)工控機(jī)的處理，并在不需要數(shù)據(jù)通信的時(shí)候儲(chǔ)存在工控機(jī)的磁盤(pán)中。鑒于數(shù)據(jù)處理量不是很大，選用486工控機(jī)就能滿足要求。2.5營(yíng)業(yè)站抄算主站的總體設(shè)計(jì)營(yíng)業(yè)站抄算主機(jī)主要由PC機(jī)、電話線Modem及其軟件構(gòu)成。主要負(fù)責(zé)營(yíng)業(yè)站到配電變壓器集中器之間的數(shù)據(jù)指令的調(diào)制發(fā)送、解調(diào)接受及綜合分析處理。另外，電話線Modem還可以將營(yíng)業(yè)站用電管理主機(jī)與電費(fèi)托收銀行聯(lián)機(jī)。PC微機(jī)主要完成用戶用電數(shù)據(jù)的采集，送電能表參數(shù)、用電信息、欠費(fèi)警告及斷電控制，不安全和違章用電監(jiān)視報(bào)警，用戶用電管理及查詢，報(bào)表輸出等功能。其中，用電采集程序可以進(jìn)行定時(shí)統(tǒng)抄、不定時(shí)統(tǒng)抄及單用戶隨時(shí)查抄；用電量可按地址統(tǒng)計(jì)，也可按相位統(tǒng)計(jì)，以便合理地調(diào)整配電變壓器A、B、C三相負(fù)載的配置，使供電系統(tǒng)的性能發(fā)揮得更好；在電費(fèi)結(jié)算時(shí)，可通過(guò)分時(shí)計(jì)費(fèi)，合理定價(jià)，使負(fù)載基本恒定；電表參數(shù)、用電信息可送到用戶終端，從而非常方便地修改電能表參數(shù)，顯示用戶的用電量及結(jié)算電費(fèi)；欠費(fèi)警告及斷電控制功能可督促用戶按時(shí)交費(fèi)；不安全和違章用電監(jiān)視報(bào)警功能可使用電監(jiān)察人員迅速準(zhǔn)確地維護(hù)用電秩序；日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表的形成和輸出方便而快捷。3結(jié)論與展望3.1研究結(jié)論我們?cè)趲追N不同的環(huán)境下對(duì)用戶電能表終端和配變集中器進(jìn)行了測(cè)試，取得了比較滿意的結(jié)果。依照CEBus標(biāo)準(zhǔn)編制的程序，在傳輸過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)誤碼的存在。不同的測(cè)試環(huán)境下，干擾強(qiáng)度與信道輸入阻抗的波動(dòng)范圍是影響擴(kuò)頻載波可靠通信距離的兩個(gè)主要因素，數(shù)據(jù)通信成功的平均幀延遲時(shí)間與平均通信距離的關(guān)系較大。戶表采集器的性能指標(biāo)如下：·載波通信距離：架空網(wǎng)或電纜電網(wǎng)均可達(dá)1000m；·抄表成功率：可達(dá)99.7%；·抄表正確率：100%；·讀數(shù)準(zhǔn)確度：計(jì)數(shù)精度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后兩位，用戶電能表讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)電能表的誤差不大于1個(gè)字(即0.5kWh)；·時(shí)鐘誤差：每天小于+1s；·用戶電能表功耗：待機(jī)時(shí)≤200mW，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)≤700mW，發(fā)送時(shí)間≤25ms，接收靈敏度≤2mW；·采用工業(yè)級(jí)芯片，環(huán)境溫度：-20~+85℃；·工作電壓：AC165~260V；·掉電保護(hù)：電源斷電情況下，數(shù)據(jù)可保存10年；3.2總結(jié)與展望電能直供到戶是供電企業(yè)最重要的營(yíng)銷舉措，這使得電能營(yíng)銷部門(mén)的電能抄算業(yè)務(wù)量成倍增長(zhǎng)。采用新的遠(yuǎn)程抄表技術(shù)來(lái)改善用電管理和電能營(yíng)銷的裝備水平、優(yōu)化電能市場(chǎng)服務(wù)的技術(shù)手段是供電企業(yè)最緊迫的需求。我國(guó)的低壓電能供應(yīng)都是以配電變壓器為一個(gè)臺(tái)區(qū)單元，在配電變壓器和用戶之間不使用任何獨(dú)立的中繼通信設(shè)備或?qū)Ｓ眯诺?，直接利用低壓電力線構(gòu)成與低壓電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的用戶電能表終端＋配變集中器＋營(yíng)業(yè)站電能抄算主機(jī)組網(wǎng)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，我們認(rèn)為這符合低壓遠(yuǎn)抄系統(tǒng)的主流發(fā)展方向，因而具有推廣應(yīng)用前景。具有低壓擴(kuò)頻載波數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能的用戶電能表終端和配變集中器是構(gòu)成本文所提出的遠(yuǎn)程抄表方案的核心裝置。最終的技術(shù)目的的實(shí)現(xiàn)必須建立在成功地開(kāi)發(fā)用戶電表終端和配變集中器的基礎(chǔ)之上，還要做營(yíng)業(yè)站抄算主機(jī)的軟件編制和數(shù)據(jù)庫(kù)編制。顯然本文所做的工作還離這一目標(biāo)有相當(dāng)長(zhǎng)的一段距離。本文只是對(duì)用戶電能表終端及其擴(kuò)頻載波通信模塊作了實(shí)用化開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和樣機(jī)試制，并且通過(guò)樣機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。配變集中器、軟件只作了一個(gè)方案性的設(shè)計(jì)。本文所取得的另一個(gè)成果就是，把用戶電能表終端設(shè)計(jì)成一個(gè)智能化的綜合性終端，除了完成電能的記錄和計(jì)量外，它還具有用戶現(xiàn)場(chǎng)防竊電、防誤接線、故障保護(hù)、遠(yuǎn)方停送電、遠(yuǎn)方修改電能表參數(shù)和負(fù)荷控制功能，這些技術(shù)手段對(duì)提高供電企業(yè)的用電管理水平無(wú)疑具有積極的意義。參考文獻(xiàn)[1]