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[摘要] 电能计量是现代电力营销系统中的一个重要环节,传统的电能量结算是依靠人工定期到现场抄读数据,在实时性、准确性和应用性等方面都存在不足。因此提高电力部门电费实时性结算水平,建立一种新型的抄表方式催生了远程自动抄表计量技术。本文介绍了电能计量远程自动抄表系统的结构组成和特点、发展现状及发展趋势。
[关键词] 电能计量 远程自动抄表
采用中央计算机对智能电度表进行远程监控——即对用户进行远程供电、停电、抄表、计费等工作,既准确、可靠、安全,又具有节省人力等优点。
一、 远程自动抄表系统的构成
电能计量自动抄表系统是将电能计量数据自动采集、传输和处理的系统。它克服了传统人工抄表模式的低效率和不确定性,推进了电能管理现代化的发展进程。典型的电能计量自动抄表系统主要由前端采集子系统、通信子系统和中心处理子系统等三部分组成:
1.前端采集子系统
远程自动抄表系统由电子式电能表或加装了光电转换器的机电脉冲式电能表构成系统的最前端,它们把用户的用电量以电脉冲的形式传递给上一级数据采集装置。目前实际应用的远程自动抄表系统大多采用两级式数据汇集结构,即由安装于用户生活小区单元的采集器收集十几到几十个电能表的读数,而安装在配电变压器下的集中器则负责定期从采集器读取数据。
2.通信子系统
通信子系统是把数据传送到控制中心的信道。为了适应不同的环境条件以及成本要求,通信子系统的构成有多种方案。按照通信介质的不同,通信子系统主要有光纤传输、无线传输、电话线传输和低压电力线载波传输等四种。
(1)光纤通信具有频带宽、传输速率高、传输距离远以及抗干扰性强等特点,适合上层通信网的要求。但因其安装结构受限制且成本高,故很少在自动抄表系统中使用。
(2)无线通信适用于用户分散且范围广的场合,在某个频点上以散射通信方式进行无线通信。其优点是传输频带较宽,通信容量较大(可与几千个电能表通信),通信距离远(几十千米,也可通过中继站延伸)。目前,GPRS无线通信网络为无线抄表系统的实施提供了高效、便捷、可靠的数据通道。主要缺点是需申请频点使用权,且如果频点选择不合理,相邻信道会相互干扰。
(3)租用电话线通信是利用电话网络,在数据的发出和接收端分别加装调制解调器。该方法的数据传输率较高且可靠性好,投资少;不足之处是线路通信时间较长(通常需几秒甚至几十秒)。
(4)低压电力线载波通信利用低压电力线作为系统前端的数据传输信道。其基本原理是:在发送数据时,先将数据调制到高频载波上,经功率放大后耦合到电力线上。此高频信号经电力线路传输到接收方,接收机通过耦合电路将高频信号分离,滤去干扰信号后放大,再经解调电路还原成二进制数字信号。电力线载波直接利用配电网络,免去了租用线路或占用频段等问题,降低了抄表成本,有利于运营管理,发展前景十分广阔。但是,如何抑制电力线上的干扰,提高通信可靠性仍是亟待解决的问题。
3.中心处理子系统
中心处理子系统主要由中心处理工作站以及相应的软件构成,是整个电能计量自动抄表系统的最上层,所有用户的用电信息通过信道汇集到这里,管理人员利用软件对数据进行汇总和分析,作出相应的决策。如果硬件允许,还可直接向下级集中器或电能表发出指令,从而对用户的用电行为实施控制,如停、送电远程操作。
二、自动抄表技术的发展现状
1. 电能表
传感器、自动化仪表以及集成电路技术的发展,使得无论是机电脉冲式还是电子式电能表已能够较好地满足当今电能计量自动抄表技术的需要。预计今后相当一段时间内,电能计量自动抄表系统的终端采集装置将以机电脉冲式电能表和电子式电能表两种仪表为主。
2. 采集器和集中器
采集器和集中器是汇聚电能表电量数据的装置,由单片机、存储器和接口电路等构成,现在已经出现了较成熟的产品。
3. 通信信道
通信子系统是电能计量自动抄表技术中的关键。数据通信方式的选取要综合考虑地理环境特点、用户用电行为、技术水平、管理体制和投资成本等因素。国内外对于不同通信方式各有侧重,在西方发达国家,对于电能计量自动抄表技术的研究起步较早,电力系统包括配电网络较规范、完备,所以低压电力线载波技术被广泛应用;在我国,受条件所限,较多使用电话线通信。近来,随着对扩频技术研究的深入,低压电力线载波中干扰大的问题逐步得到解决,因此,低压电力线载波通信方式在电能计量自动抄表技术中的应用有逐步推广的趋势。
三、 自动抄表技术的发展趋势分析
1. 电力线载波通信
电力线载波通信,是将信息调制为高频信号(一般为50～500 kHz)并叠加在电力线路上进行通信的技术。其优势是利用电力线作为通信信道,不必另外铺设通信信道,大大节省投资,维护工作量少,可灵活实现“即插即用”。目前,国内10 kV以上电压等级的高压电力线载波技术已经较成熟,但低压电力网络上的载波通信还未能达到令人满意的水平,这在一定程度上制约了电能计量自动抄表技术在我国的实际应用。
2. 无线扩频通信
扩频技术是一种无线通信方式,把发送的信息转换为数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号,以扩展信号的频谱,通过相关接收,用相同的频码序列解扩,最后经信息解调,恢复出原始信息。扩频通信距离一般可达几十千米,其最大的优点在于抗干扰能力较强,因此具有较强的安全保密性。扩频技术在电能计量自动抄表系统的典型应用方式是:采集器通过电力线载波把数据传至集中器,再由设置在集中器附近的扩频电台把数据发送给中央处理站的接收电台。
3. 复合通信
在应用于电能计量自动抄表系统中的所有通信模式中,各种通信模式都有优缺点,任何一种采用单一通信技术的方案均很难完全满足需要。为解决这类矛盾,提出了复合通信方案。复合通信方案是在自动抄表的不同通信阶段采用不同的通信方式,组成实现电能自动抄表的复合通信网络。在数据传输量不太大、传输距離较近的底层数据采集阶段(电能表到采集器,采集器到集中器),可以采用如红外、低压电力线载波甚至点对点的通信方式;而在集中器到中央处理站段,则可采用电缆、电话线或无线通信等。选择什么样的复合方式,需根据实际情况统筹考虑。混合使用的各种通信方式之间要有很好的相容性,不能相互干扰,这其中涉及到运筹学、最优规划等方面的研究与设计。
4. 自动抄表的安全性
自动抄表的安全性主要包括自动抄表过程的安全性和中心处理子系统的计算机网络安全性。电能计量自动抄表系统的抄表过程是分散的采集器、集中器与中心处理站间交换数据的过程。通信中既要保证所抄数据的安全、可靠传输,又必须确保中心处理子系统不会受到来自传输网络的意外攻击。中心处理子系统的安全性主要是指其包含的计算机网络安全性,而主要的安全隐患来自以下4个方面:黑客、病毒、合法人员的失误和网络系统自身的脆弱性。保护及防范的措施是综合运用密码技术、身份验证技术、访问控制技术、防火墙技术、安全内核技术、网络反病毒技术、信息泄漏防治技术、网络安全漏洞扫描技术和入侵检测技术等。
四、结束语
电能直供到户是供电企业最重要的营销举措,这使得电能营销部门的电能抄算业务量成倍增长。采用新的远程抄表技术来改善用电管理和电能营销的装备水平、优化电能市场服务的技术手段是供电企业最紧迫的需求。
[关键词] 电能计量 远程自动抄表
采用中央计算机对智能电度表进行远程监控——即对用户进行远程供电、停电、抄表、计费等工作,既准确、可靠、安全,又具有节省人力等优点。
一、 远程自动抄表系统的构成
电能计量自动抄表系统是将电能计量数据自动采集、传输和处理的系统。它克服了传统人工抄表模式的低效率和不确定性,推进了电能管理现代化的发展进程。典型的电能计量自动抄表系统主要由前端采集子系统、通信子系统和中心处理子系统等三部分组成:
1.前端采集子系统
远程自动抄表系统由电子式电能表或加装了光电转换器的机电脉冲式电能表构成系统的最前端,它们把用户的用电量以电脉冲的形式传递给上一级数据采集装置。目前实际应用的远程自动抄表系统大多采用两级式数据汇集结构,即由安装于用户生活小区单元的采集器收集十几到几十个电能表的读数,而安装在配电变压器下的集中器则负责定期从采集器读取数据。
2.通信子系统
通信子系统是把数据传送到控制中心的信道。为了适应不同的环境条件以及成本要求,通信子系统的构成有多种方案。按照通信介质的不同,通信子系统主要有光纤传输、无线传输、电话线传输和低压电力线载波传输等四种。
(1)光纤通信具有频带宽、传输速率高、传输距离远以及抗干扰性强等特点,适合上层通信网的要求。但因其安装结构受限制且成本高,故很少在自动抄表系统中使用。
(2)无线通信适用于用户分散且范围广的场合,在某个频点上以散射通信方式进行无线通信。其优点是传输频带较宽,通信容量较大(可与几千个电能表通信),通信距离远(几十千米,也可通过中继站延伸)。目前,GPRS无线通信网络为无线抄表系统的实施提供了高效、便捷、可靠的数据通道。主要缺点是需申请频点使用权,且如果频点选择不合理,相邻信道会相互干扰。
(3)租用电话线通信是利用电话网络,在数据的发出和接收端分别加装调制解调器。该方法的数据传输率较高且可靠性好,投资少;不足之处是线路通信时间较长(通常需几秒甚至几十秒)。
(4)低压电力线载波通信利用低压电力线作为系统前端的数据传输信道。其基本原理是:在发送数据时,先将数据调制到高频载波上,经功率放大后耦合到电力线上。此高频信号经电力线路传输到接收方,接收机通过耦合电路将高频信号分离,滤去干扰信号后放大,再经解调电路还原成二进制数字信号。电力线载波直接利用配电网络,免去了租用线路或占用频段等问题,降低了抄表成本,有利于运营管理,发展前景十分广阔。但是,如何抑制电力线上的干扰,提高通信可靠性仍是亟待解决的问题。
3.中心处理子系统
中心处理子系统主要由中心处理工作站以及相应的软件构成,是整个电能计量自动抄表系统的最上层,所有用户的用电信息通过信道汇集到这里,管理人员利用软件对数据进行汇总和分析,作出相应的决策。如果硬件允许,还可直接向下级集中器或电能表发出指令,从而对用户的用电行为实施控制,如停、送电远程操作。
二、自动抄表技术的发展现状
1. 电能表
传感器、自动化仪表以及集成电路技术的发展,使得无论是机电脉冲式还是电子式电能表已能够较好地满足当今电能计量自动抄表技术的需要。预计今后相当一段时间内,电能计量自动抄表系统的终端采集装置将以机电脉冲式电能表和电子式电能表两种仪表为主。
2. 采集器和集中器
采集器和集中器是汇聚电能表电量数据的装置,由单片机、存储器和接口电路等构成,现在已经出现了较成熟的产品。
3. 通信信道
通信子系统是电能计量自动抄表技术中的关键。数据通信方式的选取要综合考虑地理环境特点、用户用电行为、技术水平、管理体制和投资成本等因素。国内外对于不同通信方式各有侧重,在西方发达国家,对于电能计量自动抄表技术的研究起步较早,电力系统包括配电网络较规范、完备,所以低压电力线载波技术被广泛应用;在我国,受条件所限,较多使用电话线通信。近来,随着对扩频技术研究的深入,低压电力线载波中干扰大的问题逐步得到解决,因此,低压电力线载波通信方式在电能计量自动抄表技术中的应用有逐步推广的趋势。
三、 自动抄表技术的发展趋势分析
1. 电力线载波通信
电力线载波通信,是将信息调制为高频信号(一般为50～500 kHz)并叠加在电力线路上进行通信的技术。其优势是利用电力线作为通信信道,不必另外铺设通信信道,大大节省投资,维护工作量少,可灵活实现“即插即用”。目前,国内10 kV以上电压等级的高压电力线载波技术已经较成熟,但低压电力网络上的载波通信还未能达到令人满意的水平,这在一定程度上制约了电能计量自动抄表技术在我国的实际应用。
2. 无线扩频通信
扩频技术是一种无线通信方式,把发送的信息转换为数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号,以扩展信号的频谱,通过相关接收,用相同的频码序列解扩,最后经信息解调,恢复出原始信息。扩频通信距离一般可达几十千米,其最大的优点在于抗干扰能力较强,因此具有较强的安全保密性。扩频技术在电能计量自动抄表系统的典型应用方式是:采集器通过电力线载波把数据传至集中器,再由设置在集中器附近的扩频电台把数据发送给中央处理站的接收电台。
3. 复合通信
在应用于电能计量自动抄表系统中的所有通信模式中,各种通信模式都有优缺点,任何一种采用单一通信技术的方案均很难完全满足需要。为解决这类矛盾,提出了复合通信方案。复合通信方案是在自动抄表的不同通信阶段采用不同的通信方式,组成实现电能自动抄表的复合通信网络。在数据传输量不太大、传输距離较近的底层数据采集阶段(电能表到采集器,采集器到集中器),可以采用如红外、低压电力线载波甚至点对点的通信方式;而在集中器到中央处理站段,则可采用电缆、电话线或无线通信等。选择什么样的复合方式,需根据实际情况统筹考虑。混合使用的各种通信方式之间要有很好的相容性,不能相互干扰,这其中涉及到运筹学、最优规划等方面的研究与设计。
4. 自动抄表的安全性
自动抄表的安全性主要包括自动抄表过程的安全性和中心处理子系统的计算机网络安全性。电能计量自动抄表系统的抄表过程是分散的采集器、集中器与中心处理站间交换数据的过程。通信中既要保证所抄数据的安全、可靠传输,又必须确保中心处理子系统不会受到来自传输网络的意外攻击。中心处理子系统的安全性主要是指其包含的计算机网络安全性,而主要的安全隐患来自以下4个方面:黑客、病毒、合法人员的失误和网络系统自身的脆弱性。保护及防范的措施是综合运用密码技术、身份验证技术、访问控制技术、防火墙技术、安全内核技术、网络反病毒技术、信息泄漏防治技术、网络安全漏洞扫描技术和入侵检测技术等。
四、结束语
电能直供到户是供电企业最重要的营销举措,这使得电能营销部门的电能抄算业务量成倍增长。采用新的远程抄表技术来改善用电管理和电能营销的装备水平、优化电能市场服务的技术手段是供电企业最紧迫的需求。