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摘要: 本文是笔者结合多年工作经验，主要针对目前我国电表数据的人工采集抄表方式存在的问题，以及自动抄表的应用前景做了进一步探讨研究。以供参考
关键词:抄表方式；连接方式；自动化抄表
引言
目前, 我国电表数据的采集大多以人工抄表方式为主, 需要抄表人员每月走家串户读取电表值后, 再通过微机或手工制作的电费单催缴用户电费, 该方式存在错抄、漏抄、估抄以及抄表不及时等问题, 影响了用户生活以及供电部门的经济效益和社会效益。随着电力市场的发展, 电力营销正逐步向以提高服务质量、提高经济效益为目标的方向发展, 自动抄表系统的应用是解决上述问题的有效途径之一。自动抄表技术在国内应用已有多年, 但很少有成功的应用, 其原因除传感器等技术外, 通信技术一直未能得到很好地解决。因此, 本文将对当前我国电力行业存在的抄表体系结构与通信技术进行详细的分析和研究。
1 系统结构方式
自动抄表通信系统总体上采用星型和总线型连接方式, 小范围内也采用点对点的通信方式。
1. 1 星型连接方式
星型通信结构是以安装在供电公司的工作站为中心点, 以发散的形式分别通过通信信道, 与分散于各配电变压器(简称配变)的集中器连接, 形成1对N 的连接形式, 信道通信数据量较大, 要求有一定的传输速率和带宽。按信道介质分光纤、电话线和无线3种模式。
1. 2 总线型连接方式
总线型通信结构是为克服星型连接的不足而采用的, 该方式以一条串行总线连接各分散的采集器或电能表实现各节点的互联。具有信道上节点较多、传输速率低、传输距离短(不超过2 km)等特点, 因此, 一般用于底层(如采集器、集中器层)电能数据的采集。低压电力线载波与RS- 485 总线网是常见的总线型结构。
1. 3 点对点通信方式
两数据点之间或一固定点与若干点之间都各有其独立的专线信道。该方式的优点是提高了通信的可靠性和实时性, 可实现许多附加功能; 缺点是抄表速度较慢。另外, 由于点对点的通信方式实施了电气隔离, 所以提高了系统的防雷击、防静电击穿能力。
1. 4复合通信方式
RS- 485总线、低压电力线载波和红外线方式具有通信距离近、成本低的特点, 因而适合于局域网, 可用于底层电能表的数据采集, 尤其是红外线只适合于小范围内的人工手持微机抄表。光纤、无线电和电话交换网具有通信距离远、成本高的特点, 因而适合于广域网, 可用于高层数据传输层。在实际应用中, 将几种通信方式结合起来构成的复用通信系统如图1所示。分散的用户电表将数据送到采集器, 再经RS- 485总线或低压电力线通道到配变的集中器,完成配电台区数据的集中, 最后将数据经光纤、无线电网或电话线网送到供电管理中心, 形成一个完整的AMR系统。
图1自动抄表系统结构框架
2 抄表方式分类
2. 1 人工抄表
由抄表人员读取用户电表的数据并记录在抄表记录本上, 然后由此生成用电户的缴费账单。虽然目前我国大部分地区以该方式为主, 但是该方式面临着 门锁问题!以及大量人为因素造成的估抄、漏抄、错抄及抄表不及时等现象, 给用户与电力管理部门带来了极大的不便。
2. 2 IC 卡抄表方式
IC 卡技术的不断成熟, 促使IC 卡预付费电能表应运而生, 该表是基于用户先购电再用电的管理模式开发研制出来的。其基本原理是: 用户IC 卡上存有所买的电量(可为电量度数或费用), 插入电表中, 电表将卡上的数据存入电表单片机内的相应区域, 然后根据所用电量的多少自动扣除, 直到报警电量, 提醒用户去购电。该表能够自动报警,提醒用户及时购电, 否则将切断电源终止用户用电。该方式的优点是: 从一定程度上防止了窃电行为, 提高了供电部门的效率和供电设备的使用寿命,加快了电能生产。缺点是: IC 卡电表不能满足管理部门及时了解电网负荷情况的要求, 难以通过IC卡电表进行线损统计和动态掌握用户的用电情况。
2. 3 手持终端抄表
可分为2类: 一是利用人工读取表计数据, 然后将其录入到手持终端生成账单; 二是利用手持抄表终端, 通过通信接口(红外或者蓝牙技术)将表计数据录入到抄表终端。其中, 红外线在红外可视距离内, 能非接触地读取仪表数据, 操作简单方便,数据传输可靠, 成本较低。但信息传输距离较短,对方位性要求高, 且系统的自动化程度较低, 适合在计量仪表相对集中的城市居民区应用。蓝牙通信技术的有效距离一般为10 m, 其连接方式灵活,不限制于直线范围等。该方式为半自动抄表, 最后将数据录入管理中心的计算机, 经处理后打印账单并将需要保存的数据存入数据库。手持终端抄表比传统人工抄表有较大的进步, 但工作量仍很大、费用相当高。
2. 4 无线抄表技术
2. 4. 1 无线电波
使用小功率无线发射装置的现场手持无线抄表和小型大功率无线电台。其优点是可实现半自动化、统一校时、工作方式不易破坏、数据可靠性高; 缺点是通信距离较短、易受外界环境干扰、不能远端控制、造价较高、需更换基表、工程量较大。
2. 4. 2 GSM 短消息
电表集中器与电力公司管理中心需配置GSM短信收发模块, 通过GSM 网络将数据传送到中心电力远程抄表系统。该方式具有建设成本低、实时性强、可对电表设备进行远程控制、集抄范围广等特点。在GSM 网络的覆盖范围之内, 都可以完成对集中抄表的控制和管理, 扩容和接入地点都无限制, 能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。但业务数据流量有限, 不适合大业务量系统的运用。
2. 4. 3 GPRS /CDMA 方式
利用GPRS或CDMA Modem通过无线通信网络实现数据传输的远程无线抄表。该抄表方式是较简单、方便的抄表模式。该方式受气候、环境的影响很大, 一旦刮风下雨或者居民生活区有别的发射台发射信号, 大量的居民用电数据传输将会受到干扰, 并且在节假日信息流量高峰时段容易发生阻塞!现象, 因此很难保证数据的稳定可靠性。
2. 5有线通信技术
2. 5. 1 电话线通信
该方式是利用公用电话网络进行数据传输, 在数据的发送和接收端分别加装Modem 即可。该方式数据传输率较高、可靠性好、一次性投资小, 不足的是线路接通时间较长(通常需几秒甚至几十秒), 当集中器数较多时, 集中器到控制中心的通信效率将明显降低, 若租用电话线路多, 其租用费也不低, 因此不适合大容量系统。利用电话网通信需要加装Modem, 使得通信速率受到限制, 管理中心无法对用户进行实时监控。
2. 5. 2 基于有线电视宽带的抄表
其数据终端将电量信息调制成有线电视射频信号送到有线电视网, 再经过中心的调制解调, 经计算机网络送到供电数据处理中心。该方式具有传输率高、一次抄读成功率高、传输可靠等优点, 但要求信道完全普及且网络通信是双向的, 大多城市都不完全具备此技术条件。该方式在硬件实现上存在较大难度, 可行性差, 有待理论和技术上的进一步突破。
2. 5. 3 光纤通信方式
光纤抄表方式是以铺设专用光纤为数据传输载体的一种有线通信方式。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, 故目前在自动抄表系统中使用较少。
2. 5. 4 低压电力载波抄表
利用现有的220 /380 V 电力线网络为信道进行数据传输, 这是我国未来抄表技术发展的必然趋势。工作原理: 发送端将信息调制为高频信号(一般为50~ 500 KH z) , 通過功率放大后耦合叠加到电力线上进行传输, 接收端从电力线上经耦合器收到载波信号, 经过滤波、放大、解调出数据送到微处理器。该方式的优点是避免了租用线路或占用频段等问题, 节省了铺设信道的投资, 几乎不需要维护或维护量极小, 且即插即用。由于低压电器电磁兼容性与低压电网的电磁污染, 在低压电力线上的信号传输具有工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大以及时变性大等缺点, 严重影响了载波通信的质量。要利用该技术需解决其存在的问题, 如调制解调技术、纠错技术、跨台区的抄表、抄表路由选择、高次谐波、瞬时脉冲干扰等。
2. 5. 5 基于RS- 485总线技术的远程抄表
用户的电能表通过RS - 485总线与集中器连接, 一个小区安装1个或多个集中器进行数据采集, 数据采集一次性抄读的成功率和可靠性较高。目前我国自动抄表仍以RS - 485总线为主, 这使原本为工业自动化数据采集而设计的少结点(一般不多于100点)、短距离(一般几百米)、可规范布线的RS - 485 总线通信, 在多结点、长距离(数千米)、任意分布的民用电表通信中难以可靠应用, 并且存在布线工程量大、信道易受人为损坏、故障排除困难、恢复慢、信道维护量大等不足。
3 结束语
目前我国供用电需求与经济状况, 需考虑自动抄表数据信息的可靠性、安全性、工程造价与施工周期、系统维护费用以及可扩展性等因素, 相信上层为GPRS或CDMA1X 通信信道、下层为低压电力线载波方式的双层结构自动抄表系统会在未来的电力系统中得到广泛的应用。
关键词:抄表方式；连接方式；自动化抄表
引言
目前, 我国电表数据的采集大多以人工抄表方式为主, 需要抄表人员每月走家串户读取电表值后, 再通过微机或手工制作的电费单催缴用户电费, 该方式存在错抄、漏抄、估抄以及抄表不及时等问题, 影响了用户生活以及供电部门的经济效益和社会效益。随着电力市场的发展, 电力营销正逐步向以提高服务质量、提高经济效益为目标的方向发展, 自动抄表系统的应用是解决上述问题的有效途径之一。自动抄表技术在国内应用已有多年, 但很少有成功的应用, 其原因除传感器等技术外, 通信技术一直未能得到很好地解决。因此, 本文将对当前我国电力行业存在的抄表体系结构与通信技术进行详细的分析和研究。
1 系统结构方式
自动抄表通信系统总体上采用星型和总线型连接方式, 小范围内也采用点对点的通信方式。
1. 1 星型连接方式
星型通信结构是以安装在供电公司的工作站为中心点, 以发散的形式分别通过通信信道, 与分散于各配电变压器(简称配变)的集中器连接, 形成1对N 的连接形式, 信道通信数据量较大, 要求有一定的传输速率和带宽。按信道介质分光纤、电话线和无线3种模式。
1. 2 总线型连接方式
总线型通信结构是为克服星型连接的不足而采用的, 该方式以一条串行总线连接各分散的采集器或电能表实现各节点的互联。具有信道上节点较多、传输速率低、传输距离短(不超过2 km)等特点, 因此, 一般用于底层(如采集器、集中器层)电能数据的采集。低压电力线载波与RS- 485 总线网是常见的总线型结构。
1. 3 点对点通信方式
两数据点之间或一固定点与若干点之间都各有其独立的专线信道。该方式的优点是提高了通信的可靠性和实时性, 可实现许多附加功能; 缺点是抄表速度较慢。另外, 由于点对点的通信方式实施了电气隔离, 所以提高了系统的防雷击、防静电击穿能力。
1. 4复合通信方式
RS- 485总线、低压电力线载波和红外线方式具有通信距离近、成本低的特点, 因而适合于局域网, 可用于底层电能表的数据采集, 尤其是红外线只适合于小范围内的人工手持微机抄表。光纤、无线电和电话交换网具有通信距离远、成本高的特点, 因而适合于广域网, 可用于高层数据传输层。在实际应用中, 将几种通信方式结合起来构成的复用通信系统如图1所示。分散的用户电表将数据送到采集器, 再经RS- 485总线或低压电力线通道到配变的集中器,完成配电台区数据的集中, 最后将数据经光纤、无线电网或电话线网送到供电管理中心, 形成一个完整的AMR系统。
图1自动抄表系统结构框架
2 抄表方式分类
2. 1 人工抄表
由抄表人员读取用户电表的数据并记录在抄表记录本上, 然后由此生成用电户的缴费账单。虽然目前我国大部分地区以该方式为主, 但是该方式面临着 门锁问题!以及大量人为因素造成的估抄、漏抄、错抄及抄表不及时等现象, 给用户与电力管理部门带来了极大的不便。
2. 2 IC 卡抄表方式
IC 卡技术的不断成熟, 促使IC 卡预付费电能表应运而生, 该表是基于用户先购电再用电的管理模式开发研制出来的。其基本原理是: 用户IC 卡上存有所买的电量(可为电量度数或费用), 插入电表中, 电表将卡上的数据存入电表单片机内的相应区域, 然后根据所用电量的多少自动扣除, 直到报警电量, 提醒用户去购电。该表能够自动报警,提醒用户及时购电, 否则将切断电源终止用户用电。该方式的优点是: 从一定程度上防止了窃电行为, 提高了供电部门的效率和供电设备的使用寿命,加快了电能生产。缺点是: IC 卡电表不能满足管理部门及时了解电网负荷情况的要求, 难以通过IC卡电表进行线损统计和动态掌握用户的用电情况。
2. 3 手持终端抄表
可分为2类: 一是利用人工读取表计数据, 然后将其录入到手持终端生成账单; 二是利用手持抄表终端, 通过通信接口(红外或者蓝牙技术)将表计数据录入到抄表终端。其中, 红外线在红外可视距离内, 能非接触地读取仪表数据, 操作简单方便,数据传输可靠, 成本较低。但信息传输距离较短,对方位性要求高, 且系统的自动化程度较低, 适合在计量仪表相对集中的城市居民区应用。蓝牙通信技术的有效距离一般为10 m, 其连接方式灵活,不限制于直线范围等。该方式为半自动抄表, 最后将数据录入管理中心的计算机, 经处理后打印账单并将需要保存的数据存入数据库。手持终端抄表比传统人工抄表有较大的进步, 但工作量仍很大、费用相当高。
2. 4 无线抄表技术
2. 4. 1 无线电波
使用小功率无线发射装置的现场手持无线抄表和小型大功率无线电台。其优点是可实现半自动化、统一校时、工作方式不易破坏、数据可靠性高; 缺点是通信距离较短、易受外界环境干扰、不能远端控制、造价较高、需更换基表、工程量较大。
2. 4. 2 GSM 短消息
电表集中器与电力公司管理中心需配置GSM短信收发模块, 通过GSM 网络将数据传送到中心电力远程抄表系统。该方式具有建设成本低、实时性强、可对电表设备进行远程控制、集抄范围广等特点。在GSM 网络的覆盖范围之内, 都可以完成对集中抄表的控制和管理, 扩容和接入地点都无限制, 能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。但业务数据流量有限, 不适合大业务量系统的运用。
2. 4. 3 GPRS /CDMA 方式
利用GPRS或CDMA Modem通过无线通信网络实现数据传输的远程无线抄表。该抄表方式是较简单、方便的抄表模式。该方式受气候、环境的影响很大, 一旦刮风下雨或者居民生活区有别的发射台发射信号, 大量的居民用电数据传输将会受到干扰, 并且在节假日信息流量高峰时段容易发生阻塞!现象, 因此很难保证数据的稳定可靠性。
2. 5有线通信技术
2. 5. 1 电话线通信
该方式是利用公用电话网络进行数据传输, 在数据的发送和接收端分别加装Modem 即可。该方式数据传输率较高、可靠性好、一次性投资小, 不足的是线路接通时间较长(通常需几秒甚至几十秒), 当集中器数较多时, 集中器到控制中心的通信效率将明显降低, 若租用电话线路多, 其租用费也不低, 因此不适合大容量系统。利用电话网通信需要加装Modem, 使得通信速率受到限制, 管理中心无法对用户进行实时监控。
2. 5. 2 基于有线电视宽带的抄表
其数据终端将电量信息调制成有线电视射频信号送到有线电视网, 再经过中心的调制解调, 经计算机网络送到供电数据处理中心。该方式具有传输率高、一次抄读成功率高、传输可靠等优点, 但要求信道完全普及且网络通信是双向的, 大多城市都不完全具备此技术条件。该方式在硬件实现上存在较大难度, 可行性差, 有待理论和技术上的进一步突破。
2. 5. 3 光纤通信方式
光纤抄表方式是以铺设专用光纤为数据传输载体的一种有线通信方式。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, 故目前在自动抄表系统中使用较少。
2. 5. 4 低压电力载波抄表
利用现有的220 /380 V 电力线网络为信道进行数据传输, 这是我国未来抄表技术发展的必然趋势。工作原理: 发送端将信息调制为高频信号(一般为50~ 500 KH z) , 通過功率放大后耦合叠加到电力线上进行传输, 接收端从电力线上经耦合器收到载波信号, 经过滤波、放大、解调出数据送到微处理器。该方式的优点是避免了租用线路或占用频段等问题, 节省了铺设信道的投资, 几乎不需要维护或维护量极小, 且即插即用。由于低压电器电磁兼容性与低压电网的电磁污染, 在低压电力线上的信号传输具有工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大以及时变性大等缺点, 严重影响了载波通信的质量。要利用该技术需解决其存在的问题, 如调制解调技术、纠错技术、跨台区的抄表、抄表路由选择、高次谐波、瞬时脉冲干扰等。
2. 5. 5 基于RS- 485总线技术的远程抄表
用户的电能表通过RS - 485总线与集中器连接, 一个小区安装1个或多个集中器进行数据采集, 数据采集一次性抄读的成功率和可靠性较高。目前我国自动抄表仍以RS - 485总线为主, 这使原本为工业自动化数据采集而设计的少结点(一般不多于100点)、短距离(一般几百米)、可规范布线的RS - 485 总线通信, 在多结点、长距离(数千米)、任意分布的民用电表通信中难以可靠应用, 并且存在布线工程量大、信道易受人为损坏、故障排除困难、恢复慢、信道维护量大等不足。
3 结束语
目前我国供用电需求与经济状况, 需考虑自动抄表数据信息的可靠性、安全性、工程造价与施工周期、系统维护费用以及可扩展性等因素, 相信上层为GPRS或CDMA1X 通信信道、下层为低压电力线载波方式的双层结构自动抄表系统会在未来的电力系统中得到广泛的应用。