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摘要：該文通過對目前國內遠程抄表系統(tǒng)進行分析，提出直接利用低壓電力線構成與低壓電網(wǎng)系統(tǒng)結構相對應的用戶電能表終端＋配變集中器組網(wǎng)的遠程抄表系統(tǒng)。

關鍵詞：遠程抄表居民小區(qū)低壓擴頻載波

長期以來，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)作為電費計算和收繳的依據(jù)。隨著電力負荷的急劇增長，一戶一表和直供到戶等營銷舉措的不斷深入，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)農網(wǎng)改造結束后，僅市區(qū)居民直供用戶將達到9萬戶，就地分散的手工抄表根本無法適應用電管理的需要。因此，遠程抄表系統(tǒng)的技術研究和產品開發(fā)勢在必行。

1遠程自動抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其特點

我國研究和開發(fā)的集中遠抄系統(tǒng)都是單臺配變下的小區(qū)集中遠抄系統(tǒng)，其典型的組網(wǎng)拓撲大致如下：

用戶電能表+單元子區(qū)數(shù)據(jù)采集器+配變集中器+營業(yè)站抄算主機

一般情況下，一個家屬樓單元有14~18塊低壓電能表，單元子區(qū)數(shù)據(jù)采集器負責采集其下屬的電能表電量數(shù)據(jù)，配變集中器則負責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：兩級純專線組網(wǎng)方式、兩級混合組網(wǎng)方式、兩級載波組網(wǎng)方式。

從組網(wǎng)拓撲的角度講，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，遠程自動抄表系統(tǒng)的纜線工程量就非常大，有線專用信道的維護也有一定困難。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)遠程傳輸?shù)慕M網(wǎng)拓撲與低壓配電網(wǎng)保持一致，有利于系統(tǒng)的運行維護和用戶數(shù)量的模數(shù)化擴展。這種拓撲要求一個用戶終端，不但要實現(xiàn)電能計量，還要實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的編碼、解碼、載波收發(fā)等功能?？梢詷嫵赏耆诘蛪弘娏€信道的載波電能表+配變集中器+營業(yè)站主機的組網(wǎng)拓撲。實踐證明：目前市場上已經(jīng)開發(fā)出來的窄帶調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性、時變性很大，非常地不穩(wěn)定。因此，低壓電力線載波技術是直接通過電力線組網(wǎng)的遠程抄表系統(tǒng)進一步推廣應用的瓶頸。

本文就是致力于開發(fā)擁有自主知識產權的擴頻載波用戶終端，如果一旦開發(fā)成功，抄算系統(tǒng)就可以使用簡單明了的用戶終端+配變單元+營業(yè)站抄算主站的組網(wǎng)拓撲，并將成為國內主流的抄算系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲。

2試點居民小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)方案

在為試點居民小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)做的總體技術方案設計時，本文遵循三條基本原則：

（1）在試點小區(qū)的配電變壓器和小區(qū)住戶之間不敷設任何專用有線信道，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對應安裝數(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集中轉發(fā)裝置。

（3）用戶電能表終端除了記錄電量外，它還應該執(zhí)行就地保護和遠方監(jiān)控功能。

2.1系統(tǒng)組成結構

系統(tǒng)由營業(yè)站用電管理主機、配電變壓器集中器、接在配電變壓器低壓電力線上的多個用戶電能表終端（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、用戶一一對應并就地分布式安裝。用電管理信息只能在系統(tǒng)的上下級之間傳輸。其中用電管理主機到配電變壓器集中器的信息傳輸媒介采用擴頻無線信道或公共電話網(wǎng)（第一級信道），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（第二級信道），詳見圖1。顯然，整個系統(tǒng)與配電變壓器下面的電壓電力網(wǎng)一樣呈樹形分布結構，可隨用戶發(fā)展和負荷增長任意擴展。

本系統(tǒng)的任務在于實現(xiàn)低壓用戶電量數(shù)據(jù)的遠程傳輸和抄算，對低壓電力用戶的負荷和用電進行遠程監(jiān)控。

由于使用了分布式安裝結構，在系統(tǒng)建設上與集中抄表箱用電系統(tǒng)相比，無須龐大繁瑣的纜線工程，施工難度將會大幅下降。系統(tǒng)的擴展將隨用戶或配變數(shù)量的遞增而模數(shù)化擴展，就象增加一個用戶增加一塊電能表那樣簡單。因此，系統(tǒng)擴展極具伸縮性，不會象集中式系統(tǒng)那樣新建時資源閑置，用戶發(fā)展時容量又不夠。應該說，這個系統(tǒng)比較符合營業(yè)用電管理系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。

2.2網(wǎng)絡通信協(xié)議的選擇與研究

在計算機網(wǎng)絡中，信道共享技術已經(jīng)比較成熟。一般可分為兩類，即受控接入和隨機接入。

隨機接入共享信道的特點是所有用戶都可以根據(jù)自己的意愿隨機地發(fā)送信息。實際上就是爭用接入，征用勝利者才能獲得總線，從而發(fā)送自己的信息。典型的隨機接入是載體偵聽多重訪問/沖突檢測（CSMA/CD）網(wǎng)絡，其為總線型結構，如圖2所示。后文重點介紹的基于CEbus的擴頻載波線性掃頻信號（Chirp）由于具有自相關性，所以適用于CSMA網(wǎng)絡。結合電力線的傳輸特性，綜合比較各種網(wǎng)絡，在本文所要開發(fā)的遠抄系統(tǒng)中選用CSMA協(xié)議應該是比較合適的。CSMA協(xié)議網(wǎng)絡的缺點，如時延不確定、重載時效率下降，對數(shù)據(jù)傳輸量較小的遠程抄表系統(tǒng)來講，并不是值得考慮的問題。

2.3用戶電能表終端的總體設計

用戶電能表終端由AC/DC開關電源模塊、電量傳感器模塊、故障保護模塊、計量模塊、負荷控制模塊、LED顯示模塊、MCU系統(tǒng)模塊、低壓擴頻載波通信模塊構成，圖3是用戶電能表終端硬件電路框圖。

多輸出開關電源負責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，其交流輸入的設計范圍為AC220V±20%。為了降低電源模塊的體積，采用TOP2XX脈寬調制功率開關為核心器件，構成單端反激式電路。

故障保護模塊負責監(jiān)視低壓用戶的負荷電器的運行情況，當發(fā)生短路、過流、漏電或電網(wǎng)電壓超標時，向MCU系統(tǒng)模塊發(fā)出信號請求執(zhí)行斷電控制程序。

計量模塊負責把用戶的用電功率轉化為頻率正比于功率大小的脈沖串，提供給MCU系統(tǒng)模塊進行電量計算。即使用戶實施了竊電行為，它仍然可以輸出正確的電量計算脈沖串，并向MCU系統(tǒng)發(fā)出竊電信號。

負荷控制模塊是一個受MCU系統(tǒng)輸出的TTL電平控制的大功率交流無觸點開關，能夠過零關斷或開啟6kW的負荷功率。

MCU系統(tǒng)由AT89C528位單片機、X5045看門狗芯片和DS1302時鐘日歷芯片構成。它是用戶電能表終端的計算監(jiān)控中心，主要負責對電量脈沖串進行計算或處理，執(zhí)行就地或遠方的負荷控制程序，與低壓擴頻載波通信模塊進行數(shù)據(jù)交換并控制其收發(fā)信。

顯示模塊由一個8位LED及其動態(tài)掃描控制芯片構成，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情況。

低壓擴頻載波模塊主要由SSCP200低壓電力線擴頻載波網(wǎng)絡控制器、前置功放和電力線耦合電路構成，負責對MCU系統(tǒng)送來的數(shù)據(jù)進行線性掃頻調制，放大后耦合到電力線上，對通過電力線送來的載波信號進行掃頻解調后送給MCU系統(tǒng)。這種數(shù)據(jù)通信采用了收發(fā)分時控制的半雙工通信。該模塊與配變集中器的設計通信距離為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計

配變集中器主要由三個分相耦合的低壓擴頻通信模塊、三個按相配置的電能表模塊、MCU單片機系統(tǒng)、3個雙口RAM和一個工控機系統(tǒng)及電話線調制解調器構成。圖4是配變集中器的硬件電路框圖。

低壓擴頻載波通信模塊分相配置，是為了杜絕跨相耦合載波信號，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、竊電偵測和負荷控制電路而已。

在配變集中器內設置電能表模塊便于對每一相的總電量進行計量和統(tǒng)計分析，以作為用電管理部門考核線損和平衡3相負荷的依據(jù)。

工控機完成與每一相的MCU系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，并通過Modem和公用電話網(wǎng)與營業(yè)站抄算主機交換數(shù)據(jù)信號。上行和下行數(shù)據(jù)要經(jīng)過工控機的處理，并在不需要數(shù)據(jù)通信的時候儲存在工控機的磁盤中。鑒于數(shù)據(jù)處理量不是很大，選用486工控機就能滿足要求。

2.5營業(yè)站抄算主站的總體設計

營業(yè)站抄算主機主要由PC機、電話線Modem及其軟件構成。主要負責營業(yè)站到配電變壓器集中器之間的數(shù)據(jù)指令的調制發(fā)送、解調接受及綜合分析處理。另外，電話線Modem還可以將營業(yè)站用電管理主機與電費托收銀行聯(lián)機。

PC微機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、欠費警告及斷電控制，不安全和違章用電監(jiān)視報警，用戶用電管理及查詢，報表輸出等功能。

其中，用電采集程序可以進行定時統(tǒng)抄、不定時統(tǒng)抄及單用戶隨時查抄；用電量可按地址統(tǒng)計，也可按相位統(tǒng)計，以便合理地調整配電變壓器A、B、C三相負載的配置，使供電系統(tǒng)的性能發(fā)揮得更好；在電費結算時，可通過分時計費，合理定價，使負載基本恒定；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算電費；欠費警告及斷電控制功能可督促用戶按時交費；不安全和違章用電監(jiān)視報警功能可使用電監(jiān)察人員迅速準確地維護用電秩序；日報表、月報表、年報表的形成和輸出方便而快捷。

3結論與展望

3.1研究結論

我們在幾種不同的環(huán)境下對用戶電能表終端和配變集中器進行了測試，取得了比較滿意的結果。依照CEBus標準編制的程序，在傳輸過程中，沒有發(fā)現(xiàn)誤碼的存在。不同的測試環(huán)境下，干擾強度與信道輸入阻抗的波動范圍是影響擴頻載波可靠通信距離的兩個主要因素，數(shù)據(jù)通信成功的平均幀延遲時間與平均通信距離的關系較大。

戶表采集器的性能指標如下：

·載波通信距離：架空網(wǎng)或電纜電網(wǎng)均可達1000m；

·抄表成功率：可達99.7%；

·抄表正確率：100%；

·讀數(shù)準確度：計數(shù)精度達到小數(shù)點后兩位，用戶電能表讀數(shù)與標準電能表的誤差不大于1個字(即0.5kWh)；

·時鐘誤差：每天小于+1s；

·用戶電能表功耗：待機時≤200mW，發(fā)送數(shù)據(jù)時≤700mW，發(fā)送時間≤25ms，接收靈敏度≤2mW；

·采用工業(yè)級芯片，環(huán)境溫度：-20~+85℃；

·工作電壓：AC165~260V；

·掉電保護：電源斷電情況下，數(shù)據(jù)可保存10年；

3.2總結與展望

電能直供到戶是供電企業(yè)最重要的營銷舉措，這使得電能營銷部門的電能抄算業(yè)務量成倍增長。采用新的遠程抄表技術來改善用電管理和電能營銷的裝備水平、優(yōu)化電能市場服務的技術手段是供電企業(yè)最緊迫的需求。

我國的低壓電能供應都是以配電變壓器為一個臺區(qū)單元，在配電變壓器和用戶之間不使用任何獨立的中繼通信設備或專用信道，直接利用低壓電力線構成與低壓電網(wǎng)系統(tǒng)結構相對應的用戶電能表終端＋配變集中器＋營業(yè)站電能抄算主機組網(wǎng)的遠程抄表系統(tǒng)，我們認為這符合低壓遠抄系統(tǒng)的主流發(fā)展方向，因而具有推廣應用前景。

具有低壓擴頻載波數(shù)據(jù)遠傳功能的用戶電能表終端和配變集中器是構成本文所提出的遠程抄表方案的核心裝置。最終的技術目的的實現(xiàn)必須建立在成功地開發(fā)用戶電表終端和配變集中器的基礎之上，還要做營業(yè)站抄算主機的軟件編制和數(shù)據(jù)庫編制。顯然本文所做的工作還離這一目標有相當長的一段距離。本文只是對用戶電能表終端及其擴頻載波通信模塊作了實用化開發(fā)設計和樣機試制，并且通過樣機的現(xiàn)場測試。配變集中器、軟件只作了一個方案性的設計。

本文所取得的另一個成果就是，把用戶電能表終端設計成一個智能化的綜合性終端，除了完成電能的記錄和計量外，它還具有用戶現(xiàn)場防竊電、防誤接線、故障保護、遠方停送電、遠方修改電能表參數(shù)和負荷控制功能，這些技術手段對提高供電企業(yè)的用電管理水平無疑具有積極的意義。

參考文獻

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