电能自动抄表技术及相关思考
发布时间：2010-8-30 13:54
发布者：techshare
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1 引言 自动抄表（Automatic Meter Reading-AMR）是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据。发展电能自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。在用电管理方面，采用自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成帐单出错，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。由于电力用户因此不再需要与抄表者预约上门抄表时间，还能迅速查询帐单，故这种技术越来越受到用户欢迎。 随着电价的改革，供电部门为迅速出帐，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、分时电量和负荷曲线等，自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。随着现代电子技术的发展，通讯技术和计算机网络技术都有了飞速进步，而二者的结合又进一步演化出许多新的通讯方式和通讯系统，为自动抄表即自动抄表系统的实现提供了更多的现实可能。不难理解，电子式电度表及其与抄表主机的通讯是自动抄表系统的关键所在。 2 电子式电度表 电能计量和管理的需要以及电子技术的发展，使电子式电度表在20世纪70年代就已出现。随着数字电子技术的飞速进步，电子式电度表的功能逐渐增多并日臻完善。 电子式电度表一般由电能测量机构和数据处理机构两部分组成，根据电能测量机构的不同，又分为机电脉冲式电度表和全电子式电度表两大类。 机电脉冲式电度表沿用感应系电度表的测量机构，其数据处理机构则由电子电路和计算机控制系统实现，因而，机电脉冲式电度表是一种电子线路与机电转换单元相结合的半电子式电度表。 机电脉冲式电度表技术开发的重点放在有关电能管理的数据处理方面，使之能够进行本地和远地的数据传输以及遥测和遥控。机电脉冲式电度表以感应系电度表为基础，继承了感应系电度表结构牢固、长期运行可靠和价格低廉的优点，因而在民用电能计量领域被广泛采用。 全电子式电度表不再使用感应系测量机构，而是由乘法器完成对电功率的测量。由于它没有传统电度表上的旋转机构，因而又被称为“静止式电度表”或“固态电度表”。 近年来，各种新型电子式电度表不断推出，型号各异，功能众多，但其基本原理相同，主要功能可归为三个方面：计量、计费功能，包括分时计量、最大需量计量和预付费等；保护功能，包括过电流、过电压保护与防窃电等；通讯功能，可以是红外通讯、无线电通讯或载波通讯等。 3 常见的自动抄表通讯方式 （1）按信道介质分，常见的自动抄表通讯有光纤通讯、电话线通讯和无线通讯三种方式。 a）光纤通讯具有频带宽、传输速率高、传输距离远和抗干扰能力强等特点，非常适合上层通讯网的要求。随着光纤技术的发展和广泛应用，自动抄表系统中有可能更多地使用光纤。 b）由于电话在城镇的迅速普及，利用现有电话网进行数据通讯是一个经济有效的方案。利用电话网通讯，只需在数据集中器和工作主站处加装调制解调器即可，其传输速率可达56Kbps。但电话线通讯的线路接通时间较长，一般要几秒到十几秒。还有，我国的广大乡村、小城镇还没普及电话。 c)对于分布分散的集中器，利用无线方式进行数据通讯是一种较好的选择。目前我国已有车载无线通讯自动抄表系统投入运行。但无线通讯方式需要慎重选择频点，并需申请频点使用权。 （2）若按连接方式分，则自动抄表系统的通讯方式主要有星型和总线型连接方式。 a）星型连接通讯是以工作主站为中心，以星型发散的形式分别通过通讯信道，与分散于各地的集中器连接，形成1对N的连接形式。这种方式下信道通讯数据量大，要求有一定的传输速率和频宽。 b）总线型通讯以一条串行总线连接各分散的采集器或电度表，实行各节点的互连。这种方式下，信道上节点多，传输速率也不会很高，一般用于底层的电能数据的采集。常见的有RS-485总线网和低压电力线载波通讯网。由于电力线完全由电力部门控制，如果用电力线实施载波通讯，不需要再投资铺设通讯线路，不仅可大大节约资金投入，且还具有维护量小的特点；否则，用低压电力线作通讯信道可以实现灵活的“即插即用”。尤其是近年来扩频通讯技术的较成功应用，使得低压电力线载波通讯越来越多地用于自动抄表系统。利用低压电力线作为自动抄表系统的底层数据通道，成本低、方便准确。 通讯方式的选择是设计自动抄表系统的首要任务，它直接关系到系统的性能。具体确定通讯方式时需要综合考虑系统面对的对象、用户的分布、用户的数量、地理条件、期望达到以的目标以及系统的扩展升级和与其他网络的兼容，等等。因此，上述的各种通讯方式不应该是孤 立的，而且任何一种通讯方式在不同的系统中的应用效果也不尽相同。 4 典型自动抄表系统简介 目前，在我国有不少自动抄表系统已投入运行，但规模都不大，技术也需在应用中不断改进完善。这里介绍两种较适合我国国情的自动抄表系统。 （1）车载自动抄表系统由包括抄表主机、发射天线和接收天线等的车载端与用户端两部分组成。用户端的电度表有自己唯一的ID，每个ID由两部分构成：一部分是该电度表所在区域的编号，另一部分是其在区域内的编号。抄表车按一定的路线行驶，到达某一抄表区域时，发出“唤醒”信号，被唤醒的该区域的所有电度表依次向主机传送数据。传送完毕后，主机再唤醒下一组电度表。显然，这样的无线通讯方式最多只需两个频率通道，一个作“唤醒”信号用，一个用来传送数据。由于对一个区域只需发射一次“唤醒”信号，所以抄表速度会很快。同时，因为分成了不同的区域，故可较有效地避免数据的多次传送和数据传送冲突。 （2）采用载波通讯技术通过输电线路实现通讯，是电力系统特有的通讯方式，具体又分为电力线载波通讯、配电线载波通讯和低压用电线载波通讯等。这种通讯方式的突出特点是能进行双向通讯。在这样的自动抄表系统中，每个用户室内装设的电子式电度表就近与交流电源线相连接，电度表发出的调制脉冲信号经交流电源线送出，设置在抄表中心站的主机则定时通过低压用电线路以载波通讯方式 收集各用户电度表测得的电能数据信息。这类系统中具代表性的是英国远程自动抄表公司开发的低压电力线载波通讯系统POWERNET。该系统具有自动抄表（AMR）、用户管理（DSM）和配电自动化（DA）等功能，它包括中央控制器、局域控制器、网络耦合器、调制解调器、数据集中器和专用电度表等。 电网的运行要实现自动化，载波通讯的应用是必须的。然而，载波通讯，尤其是低压配电线载波通讯传输性能较差，主要表现为高噪声、低阻抗、损耗大、波动大、易受外界干扰等。 近年来，信事情处理技术的进步，尤其是扩频通讯技术的应用对推动低压载波抄表技术的进步起到了推动作用。 所谓扩频通讯技术，就是展宽频带，使之远大于传送信号所必须的最小带宽，以扩展频谱的方法换取信噪比的提高。频带的展宽是通过编码及调制的方法实现的，与所传送的信号数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩，恢复所传送的信号数据。扩频通讯以宽带宽换取高信噪比，亦即用宽带宽来换取低误码率，并提高通讯的抗干扰能力、增强通讯的隐蔽性。理论上讲，扩频通讯技术具有抗干扰能力较强、隐蔽性好和抗衰落等良好性能，可在一定程度上弥补普通低压电力线载波通讯技术之不足。 在日本，利用载波通讯与电话网通讯相结合的方式，很好地解决了偏远山区的抄表难问题。我国也已研制出了零相载波模式的电度表和基于零相载波的自动抄表系统。 在我国一些低压配电网，负荷变化很大且缺乏规律性，各种干扰十分严重，将扩频通讯技术应用于电能的自动抄表，也未能取得满意的效果。在这样的场合，据说有人改用超窄带通讯技术，使抄表成功率有所提高。 但应该客观地说，到目前为止，在我国将载波通讯技术应用于电能的自动抄表还未能取得十分令人满意的结果。面对我国许多地区和地方低压电力线负荷接线杂乱、负荷变动性大、各种干扰严重等不利的载波通讯线路条件，现在所采用的国外引进、国内开发的用于制作载波电度表的各种芯片还存在这样或那样的缺陷和弱点；在有些地方，通过再加装中断器或调整集中器的装设位置或直接采用电度表作中断器等，可提高抄表的成功率，但会增加投资和人力开销，且改善的效果也并非令人满意。 尽管如此，利用载波通讯技术给自动抄表领域初步带来的便捷、安全和高效，使不少人都对该项技术应用于自动抄表的前景十分看好，这从而也激励着致力于提高我国电能自动抄表技术的一些专家和工程技术人员，正在积极改进并着手开发性能更好、更适合我国低压电网条件下使用的载波通讯芯片，旨在使载波通讯技术在我国的电能自动抄表等领域能发挥出更大的作 用。 5 自动抄表技术近期发展动态及由此引发的若干想法 （1）在计算机技术、微电子技术和网络技术等的激励下，诞生了虚拟仪器。可当许多人还不知道何为虚拟仪器时，仪器的实物性又再次受到挑战——类智能化电度表即多用户智能化电子式电度表已铸就了多个用电户共取一个公共电压，而每个用电户的电源进线处只需装一个CT即可的测量模式。这些采集到的电流、电压信号就地由微处理器处理，并由与CT同样多的电度计度器显示出来的话，则还有点电度表的影子，但如果这此堆号改为仅通过某种接口就送上网，所有用电户的用电信息都交由设在异地的一台微机来处理、记录、存储，哪里还能直接见到传统意义上电度表的踪影？而形成如此的获取耗电数、用气数、使水数的测量技术已经出现，用已经出现的技术已完全有可能实现如此模式的网络化测量。这也可谓网络时代自动抄表技术发展进步的一个亮点吧。 （2）不久前，诞生了网络化电度表或称网络电度表概念，有资料介绍广东一家公司已在研制网络化电度表。所谓网络化电度表，不外乎是将电度表与自动抄表手段融合在一起，其中电度表本身带有上网接口并具备通讯能力，可在管理系统的控制下自动将电能耗用数据等信息传送到连网的用电管理部门的中央主计算机去分析处理。当然，随着网络技术的飞速发展及其在人们日常生活领域的应用日益广泛，利用网络环境实现各种信息、数据自动抄读的仪表的种类将会越来越多。 （3）目前，在我国一些大城市启用了智能化管理系统的现代居民住宅小区越来越多。居民住宅小区智能化管理系统主要包括住户信息管理、安防（包括：防盗、防入侵系统；电视监控；门禁系统）和通讯（包括：闭路电视；电话程控交换机；无线基站）等功能模块。已有人尝试基于智能小区如此完善的硬环境发展自动抄表技术。其基本的思路是：小区中各用户均加装数字化的电度表、水表、燃气表及热量表；每个单元所有用户的数据汇总于单元的集中器，该集中器可以成为门禁系统终端的一部分。由于门禁终端一般要通过有线或无线渠道与小区的住户信息管理模块相联以验证住户身份，所以各住户的电度表、水表、燃气表及热量表的数据亦可通过该渠道上传到小区住户管理系统中；小区根据用电管理部门的要求，将所有的住户数据通过蜂窝移动无线网GSM以短信息（SMS）的模式上传到GSM网的SMS中心；SMS中心将接收到的数据通过专线传递给用电管理部门等的数据处理服务器。 对于不具备智能化条件的居民区而言，有人已采用如下的自动抄表方案：各用户安装数字化的电度表、水表、燃气表及热量表；按居民楼几十家住户；安装一台数据集中器（具有数据采集和数据集中等功能）和一个无线发射终端，接入GSM网；GSM网的SMS中心接收到数据后，根据消息头的标志代码将该消息做相应处理，让接收到的抄表数据通过与用民管理部门连通的专线传至用电管理部门的子网服务器上；用电管理部门识别消息标志位后，将数据通过内网再传给各居民区电管所的数据库保存。 由于现在GSM网的覆盖面已几乎遍及全国，故构建这种自动抄表系统时，完全可利用现成的GSM无线网络而无需再新建基站，而且，这样的自动抄表系统一旦开发成功，可直接向有需求的地方推广，无需因地域的不同而进行改造。就单个无线发射终端而言，它实际只相当于使用了一部手机的短信息功能模块加上一个逻辑处理模块，其价格只有几百元人民币。而且它不但具有自动抄表功能，若利用GPRS（即通用分组无线业务，它可让用户在端对端分组模式下发送和接收数据，提供高达115千比特的传输速率，是当今GSM数据传输速率的12倍。其原理是将用户提交的数据打包传输，并可以选择传输路径，为确保用户“永远在线、永远联机”式的无线上网提供了条件）技术加以扩充，它便可为用户提供一个连入网络的接口，使用用户获得如下服务：①获取股票行情、天气预报、飞机航班、新闻等信息；②浏览Internet（由于GPRS与Internet的协同工作）；③共享/协作文件（在GPRS中可实现结合话凌晨、文本、图片等多媒体的信息传达室送），很便利地实现家庭远程医疗、远程旅馆预约等电子商务。 （4）现代化居民住宅小区智能管理系统的一个最新发展动态是“一切都上网”。越来越多的人已感到网络时代已向自己走来，网络能提升人的生活质量，拉近自己与整个世界的距离，极大提高自己的办事效率。一些开发、经营新型居民住宅小区的商家或企业已明确意识到所有居民都上网是迟早的事，因此他们甚至已在着手先无偿地将网线拉到小区中各家各户的门口，愿意为小区居民提供网络浏览、有线电视、IP电话、远程医疗、远程旅游预约、网上购物等全方位的服务，希望有越来越多的小区居民住户将家用计算机、传真机、打印机、可视电话、IP电话以及电度表、水表、燃气表、热量表和防盗/防灾探测报警器等都连到网上，由居民区的物业管理部门完成对本小区所有居民用户的生活和消费的网络化管理。在这样的网络化管理模式下，电能自动抄表只是该系统所具有众多功能中的一种，随着这种管理系统的不断完善和健全，电能的自动抄表在其中所占的成本消耗可能不会因技术手段的赵来越先进而增加，甚至完全可能还有所下降。 （5）若干年前开始见到“自动抄表”这个词时，也明白可以自动抄读的表计可能有多种，但当时了解最多的就是电能的自动抄表。且见到不少人撰写的有关电能自动抄表的文章中，通常不再加“电能”这个限制词。一时间，大家似乎也都接受了这样的概念：把自动抄表就可简单地理解为电能的自动抄表。但今非昔比，随着网络化测量技术的飞速发展，人们生活、家居条件的智能化水平越来越高，利用自动抄表技术把水表、电度表、燃气表及热量表的数据一起抄走已逐渐成为人们追求的目标。因此，自动抄表一词今后绝不再是电能自动抄表的代名词了，它意指多种计数据的自动抄取。 （6）蓝牙技术（1998年出现，是一种采用2.4G Hz IMS[Industrial, Scientific and Medical]频谱的短程无线技术，主要用来打破理时一般以红外线或电缆线联系不同产品时受到的限制，2000年做到使移动电话等设备与个人电脑或任何其他设备、仪器之间，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进行数据交换）的迅速扩展给我们以新的启发：能否将蓝牙技术用于自动抄表？有人说，蓝牙技术离能真正实用还需一、两年的时间；还有人认为，蓝牙技术不会往自动抄表方向“伸腿”，困为相对于现在的蓝牙芯片来讲，有些已有抄表技术的成本比较低；但有人想到，对那些利用现有自动抄表技术很难抄到的所谓“死角”处的电度表，利用蓝牙技术可能再好不过了；有人预计，再过大约两年，凡有移动电话的地方就将会有蓝牙。蓝牙技术到底能否在自动抄表方面获得应用无需争论，但作为从事微机化测量技术与仪器仪表研发的工程技术人员，应该在每一项新的计算机、网络、通讯和微电子技术诞生之后就立即着手考虑，它能否给自己所从事的科研带来革新性的发展和变化。 6 结束语 电能的自动抄表技术这几年发展很快，尤其是在网络化测量技术、传感器技术、通讯技术飞速进步的强劲支撑下，表现出与燃气、水吸热量等自动抄表技术的更紧密结合，并明显加快了融入现代综合化网络测量技术的步伐。 本文中所提出的有些想法，是受南通林洋电子有限公司总经理陆永华、清华大学电机系计算机仪器与测量技术研究室高工侯国屏和硕士研究生崔伟的启发而逐步形成的。在此，对他们给予的支持和帮助一并表示谢意。 |
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