低压无线抄表（共7篇）
低压无线抄表 篇1
1、应用背景
国家电网公司坚强智能电网建设的总体要求, 是保证智能电网建设规范有序推进, 实现电力用户用电信息采集系统建设“全覆盖、全采集、全预付费”。低压居民户表抄读覆盖范围最广, 用户量最大, 是目标实现的重点。
低压抄表系统按照抄表通信方式分有两类:有线和无线, 主要方案有:RS485抄表系统, 低压电力线载波抄表系统, 无线抄表系统, 混合抄表系统, 塑料光纤抄表系统。这两大类抄表系统有其各自的优势和适用领域。近年来, 低压电力线载波抄表占据了主流地位, 在大规模现场应用和抄通性, 稳定性和实时性方面取得了一些成绩, 但是存在不足:低压配电网环境复杂, 干扰大, 低压电力线载波难以保证其抄表的稳定性;对于多台变供电的用电环境, 由于载波串扰, 不宜实施载波抄表方案;由于载波传输距离有限, 需要通过中继方式保证抄表覆盖范围, 对于农村、城乡结合部等低密度住宅不能做到全覆盖, 实施难度很大;低压电力线窄带载波速率低, 实时性差, 无法满足远程预付费, 远程拉合闸的需求。
微功率无线通信技术可以克服其他通信方式在某些抄表应用场合的不足, 施工方便, 不需要额外铺设电缆, 一般工人都可以方便的进行安装;通信不受限于电网特性, 可方便的对跨台区、复杂用电环境快速实施抄表方案;通信速率快, 实时性高, 方便实施远程预付费, 远程拉合闸等应用。
2、微功率无线通信技术在低压抄表中的应用特点
居民表安装位置随着建筑结构的变化有不同, 大致分为两种情况:
(1) 集中器安装, 电能表集中安装在表箱内, 此类安装方法在城市高层住宅, 公寓, 宿舍, 写字楼, 在北方农村地区常见。
(2) 分散安装在户外, 一个电表一个安装箱, 常见于南方农村地区, 城乡结合部, 临街店铺, 别墅区, 低层住宅区。
电能表安装位置固定, 没有特殊情况, 不会对电能表安装位置进行挪动, 集中安装的电能表表箱之间距离较远, 间隔几个楼层, 农村地区会有几百到一公里的距离。分散安装的电能表安装位置有规律, 分布较为均匀。微功率无线技术是面向应用的, 结合电力设备安装特性, 其在低压抄表应用领域中有如下特点:
(1) 由于微功率无线距离短, 穿透力弱, 并且抄表系统一旦架设完毕, 设备都为无人值守状态, 如要完成低压抄表应用, 其拓扑结构应该是具有主节点的自组织网络, 一般集中器上的节点为主节点, 采集器、电表节点为从节点, 网络是具备自组织, 自路由, 自恢复, 自愈合特点的Mesh网。
(2) 电能表可能根据需求增加减少, 或者由于环境的影响到节点的通断, 在抄表应用中, 微功无线网络一定是个动态网络, 要求其具有动态的系统可重构性。
(3) 电力设备安装环境恶劣, 并且可能遭受动物或者认为的破坏, 在抄表应用中, 微功率无线网络节点数目庞大导致维护困难, 要求其软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
(4) 在抄表应用中, 相邻的两个集中器可能会相互干扰, 随意微功率无线网络需要具备自动跳频的机制, 各从节点归属的主节点可指定。
(5) 由于设备安装位置固定, 集中器、采集器、电能表层次分明, 从功能上集中器作为主节点, 电能表、采集器作为从节点, 微功率无线路由建立较标准的无线传感网络简单, 网络路由的建立在设备安装调试阶段能人工干预。
(6) 微功率无线抄表选用470M频段, 和某些地方的有线电视频段有重合, 在有线电视线路屏蔽层与地接触不良时, 可能干扰到有线电视信号。
(7) 集中器、采集器、电能表一般安装在金属箱内, 为了达到更好的应用效果, 需要把天线外引出金属箱, 并且注意天线的防护避免破坏。
(8) 取电方便, 电能表、采集器、集中器都从电力线取电, 微功率无线抄表应用不需要使用电池供电。
3、微功率无线低压抄表系统的架构和适用环境
图1为典型低压抄表系统的架构, 采集器、集中器称为都可电能表数据抄读, 数据汇总到集中器之后, 集中器通过一定的方式把数据交换到主站。微功率无线通信技术主要应用于低压集中器、采集器之间通信, 低压集中器和电能表之间通信, 按照低压集中器、采集器、电能表之间的搭配方式可分为全无线低压抄表系统和半无线低压抄表系统。
3.1 全无线低压抄表系统
全无线抄表系统适用于电能表安装分散且电能表安装在户外或者楼道。如南方农村、临街商铺、别墅、低层住宅、城乡结合部。无线电能表于电能表之间形成自组织网络, 集中器定时对电能表数据进行抄读、记录上报给主站系统。系统结构如图2所示。
3.2 半无线低压抄表系统
半无线抄表方案适用于电表安装集中且安装在户外或者楼道。如北方农村, 城乡结合部, 某些高层住宅, 宿舍等。电能表通过RS485接口连接到无线采集器, 无线采集器之间形成自组织网络, 集中器定时通过采集器透传抄读电能表数据进行抄读、记录上报给主站系统。系统结构如图3所示。
4、结语
本文根据抄表应用的经验, 总结出了微功率无线通信技术在低压抄表应用领域的特点, 列出了两种无线抄表系统架构适用的应用环境。微功率无线通信技术可弥补电力线载波抄表在某些场合下的不足, 对实现“全覆盖、全采集、全预付费”目标实现具有重要意义。
参考文献
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低压集中抄表系统的实施过程研究 篇2
低压电力用户集中抄表系统 (以下简称“低压集中抄表系统”) 是指采用通信和计算机网络等技术, 通过专用设备, 自动读取和处理电能计量点电能表数据。它从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端, 开启了电能计量管理现代化的新局面。目前, 美国等发达国家已将自动抄表技术广泛应用于配电网的自动化管理。
1 项目准备
1.1 制定计划
根据总体进度安排的要求, 制定安装、调试、验收工作计划, 指导运行人员、远程通信网络运维人员、现场安装调试工作人员、营销管理人员等协调一致, 有序开展工作。
安装调试计划须明确具体台区的施工周期、进度要求、台区总户数、用户姓名、地址、户号、电表地址以及设备配置总量等与安装有关的内容。
1.2 现场勘察
系统安装前, 应进行安装现场实地勘察, 根据技术标准、现场实际情况形成最终的安装与配置方案。现场勘察应重点完成工作:变压器的安装类型、用户电表及表箱安装形式、现场电源走向等涉及与安装、系统稳定运行以及方便后期设备维护管理等有关的所有细节, 根据电源变压器类型、外围结构和实际台区用户数量, 按比例进行安装设备的配置和方案制定。
1.3 方案设计
1.3.1 对于变压器已配置多功能总表和居民用户均安装了RS-485口通讯的电子表小区, 采用集中器与采集器的配置方案。
即:每个台变配置一台集中器, 每个表箱内配置一台采集器, 集中器统一接入总表, 采集器统一接入电子表。
1.3.2 对于变压器已配置多功能总表和居民用户均安装了载波的电子表的小区采用集中器与载波表配置方案:
每个台变安装一台集中器、每个表箱内安装载波表。
1.3.3 方案配置原则:
按一台变压器下安装一台集中器的原则配置集中器设备。按一个表箱内安装一块终端的原则分配采集器。如变压器未安装总表应安排计划另行安装。如小区现场未配置RS-485通讯接口的电子表或载波表应安排计划安装。最终按实际统计情况形成现场施工图, 方便现场施工与后期维护。信道采用光纤接入方式, 个别不具备部署的区域可以考虑GPRS/CDMA无线接入方式。
1.3.4 根据现场勘察结果, 编制施工方案, 方案主要应包含内容:
一是, 完整正确的台区用户档案, 包括总户数, 户号、用户姓名、地址、表箱、表号等;二是, 绘制工程施工平面图, 标出用户与台区隶属关系, 采集终端与集中器安装位置;三是, 统计各类设备及辅材数量等, 包括需更换的电表数量、表箱数量、线缆等;四是, 现场设备安装方案、现场施工成本统计和现场施工计划安排。
1.4 物料准备
根据安装调试施工方案, 准备相应的施工调试工具仪器、安装材料和安装设备。安装设备都必须事先经过各种测试检验, 确保工作正常。
2 低压集抄终端设备安装和调试
2.1 低压终端设备安装
集中器的安装考虑到载波信号最强点有助于提高通讯效率, 集中器均应安装在变压器400V侧。集中器统一安装在安装箱体内, 变压器多功能电表, 应统一接入集中器实现远程抄表。
采集器的安装主要包括:采集终端、宽带采集器、载波表等设备的安装。采集器的安装一般以单元为单位, 根据单元表箱位置, 每个单元安装一只采集终端或数只, 单元内所有电表通过RS-485总线同终端RS-485接口并联。
2.2 低压集抄终端设备调试
2.2.1 集中器+采集器+485表
根据主站和现场通信通道建设到位的情况不同, 调试分两种方式进行:
当与主站的通讯通道未建设完成时调试开展步骤, 首先是采集终端与表计连接调试;采用手持抄表终端, 通过红外通讯方式, 抄收电能表计实时示数, 以验证其连接正确性;对不能正确性抄收的, 检查RS-485连线, 调整后直至通讯正常;测试完成后, 对终端、电能表计加装铅封;建立采集终端、表号、户号对应关系表, 并注册至采集终端内。如采用宽带式载波终端, 应增加采集器设备的IP网络信息的设置。其次是集中器与采集终端连接调试:统计并建立集中器下所有采集终端、表号、户号对应关系表。未建立远程信道的情况下, 采用手持抄表终端、红外通讯或RS232方式, 将对应关系表注册至集中器内;实时抄收采集终端数据, 并记录;对不能抄收成功的, 检查集中器、采集终端各类参数设置。
当与主站的通讯通道建设完成时调试开展步骤, 首先是采集终端与表计连接调试:采用手持抄表终端, 通过红外通讯方式, 抄收电能表计实时示数, 以验证其连接正确性;对不能正确性抄收的, 检查RS-485连线, 调整后直至通讯正常;测试完成后, 对终端、电能表计加装铅封;建立采集终端、表号、户号对应关系表, 并注册至采集终端内。如采用宽带式载波终端, 应增加采集器设备的IP网络信息的设置。其次是集中器与采集终端连接调试:统计并建立集中器下全部采集终端、表号、户号对应关系表。在主站利用远程信道将对应关系注册至集中器内。实时抄收采集终端数据, 并记录;对不能抄收成功的, 检查集中器、采集器各类参数设置。
2.2.2 集中器+载波电表
根据主站和现场通信通道建设到位的情况不同, 调试分如下两种方式进行:
一是, 当与主站的通讯通道未建设完成时:统计并建立集中器下所有载波表号、户号对应关系表。未建立远程信道的情况下, 采用手持抄表终端、红外通讯或RS232方式, 将对应关系表注册至集中器内;实时抄收载波表数据, 并记录;对不能抄收成功的, 检查集中器各类参数设置。
二是, 当与主站的通讯通道建设完成时:统计并建立集中器下所有载波表号、户号对应关系表。建立好远程信道的情况下, 将对应关系表注册至集中器内:实时抄收载波表数据, 并记录;对不能抄收成功的, 检查集中器各类参数设置。
3 项目验收
3.1 验收流程
为确保工程质量达到要求, 设备从安装前到工程结束, 依据项目的进度和规模程度, 分三阶段组织验收, 具体包括:施工前验收、工程验收、实用化验收等过程。
3.2 施工前验收
出厂验收:根据技术条件要求, 生产厂家组织自验收并向供应单位提供产品检测的证明材料、合格证等。
到货验收:设备送到供电公司后由负责部门组织人员按技术条件的要求验收, 主要包括型号、数量、以及外观标识等。
设备检验:供电公司验收部门根据技术标准对供应的设备按技术条件进行设备检测, 合格品予以安装使用。
3.3 工程验收
工程自验收:以小区为单位, 设备安装完成后由施工单位组织自验收, 验收内容包括功能验收、指标验收以及工程文件, 并形成验收文档。
竣工验收:批量施工完成自验收后, 使用部门组织现场验收。并根据工程自验收材料, 验收现场安装设备, 验收比例按100%执行。
3.4 试运行
竣工验收完成后, 由管理部门安排计划将设备投入试运行, 试运行期间, 详细统计运行数据, 并做好运行记录。
3.5 实用化验收
阶段性试运行后, 由管理部门组织实用化验收, 内容包括资料验收、功能抽测和指标抽测。其中验收资料包括:功能测试报告、验收指标、竣工报告、试运行报告等。
4 结束语
总之, 全面构建低压电力用户集中抄表系统, 实现电力用户用电信息自动采集, 符合国际电网技术发展的要求, 是建设智能电网的重要组成部分。
参考文献
[1]孙成宝, 刘福义.低压电力实用技术[M].中国水利水电出版社, 1998.
低压无线抄表 篇3
1 工程建设基本情况
(1) 低压集中抄表系统建设工程投资计划完成情况。以在长沙电业局所属城南供电局和长沙县电力局范围内实施的第一期建设工程为例, 项目总投资计划规模约为7000万元。
(2) 良好的施工环境是工程顺利推进的关键。长沙电业局积极向长沙市政府相关职能部门沟通汇报, 市政府发布了《长沙市人民政府关于开展长沙市低压电力用户集抄系统建设的通告》, 为集抄推广工作提供了强有力的政策支持。通过各种途径开展面向社会大众的宣传解释工作, 加强正面宣传, 积极阐述集抄改造建设是电力营销现代化管理的大势所趋, 是供电企业与客户共建和谐的需要, 赢得了广大客户的理解和支持。在建设过程中, 供电企业公布工作流程, 简化手续办理, 加强与社区 (镇、村、居委会) 沟通协商, 提前进行公告, 用试点等形式使客户亲身感受集抄带来的便利, 为今后的宣传和应用提供了示范效应, 保证了工作“规范化、细致化、人性化”, 为工程建设的顺利进行和提前完成打下了良好的基础。
(3) 低压集中抄表系统建设工程量完成情况。工程共设计批复882个台区实施低压集抄改造。主要包括:更换单相载波电表89549块、三相载波电表10800块, 新增低压电流互感器321只, 新增集中器 (集抄配套用) 905台, 新增综合配电箱19个, 新增 (更换) 电表箱3366个, 改造电表箱4578个。另外还包括集中抄表主站系统的功能完善等。
2 应用技术分析
2.1 规范了基础管理
在集抄系统建设的过程中, 通过台区排查, 核对了台区图纸资料, 绘制了台区出线示意图, 完善了台区客户台账, 拆除了私拉乱接, 规范了用电秩序。做到了台区清理到位, 配网关系清晰, 营销基础资料与数据完备准确。排查过程中进行了相应的集中器、台区总表更换, 更改了部分表计接线错误和部分客户电流互感器变比错误, 调整客户表计台区归属100余户。通过线损达标排查, 城南供电局2009年共发现窃电91户, 无表用电21户, 有表无卡6户, 追补电费及违约使用费41.1万元。使用集抄系统实现自动抄表后, 台区管理员的工作重心由抄表逐渐转到加强台区巡视、台区综合管理等方面, 台区基础管理工作得到加强。
2.2 推动了精细管理
通过更换智能化的集抄表计, 提高了计量数据的精准度。通过系统应用, 提高了抄表数据的准确性, 确保了台区线损核算的真实性, 促进了电费精细化管理, 实现了抄表、电费回收自动化, 杜绝了人为的、主观的、客观的因素干扰, 对客户电量电费使用情况从真正意义上实现了全方位监控。
2.3 改进了缴费方式
结合集抄实施了实时电费平台建设, 实现了集抄客户日电费计算、电费预付、自助缴费、余额报警、欠费催费、自动停送电、实时信息监控、实时数据分析等功能。21847户纳入集中式预付费实时电费管理, 累计发送余额报警、停送电等各类信息131394条, 进行远程停复电超过10万次, 成功率在80%以上。客户形成了在帐户预存金额的习惯, 长沙县电力局在确保电费回收率达100%的同时还每周留有预存金额达600万元以上, 人均预存金额为291.45元。
2.4 创新了管理模式
长沙电业局成立了负荷监控中心, 集中对全局采集系统和计量装置运行状态、线损异常、台区低压电流不平衡和过负荷等进行监视和分析, 更加专业化的运作使问题发现更为迅速, 处理更为及时。2010年上半年数据分析总数为321210次, 发现并处理故障数3522个。
通过整合电能量、负控、远抄、集抄数据, 有力推动了“分压、分片、分线、分台区”的“四分”线损平台应用。纳入平台应用的区域实现了供、售电量的同期统计, 线损统计分析周期由过去的每月缩短为每天。对于超损台区、线路、供电区域的及时分析, 迅速堵塞漏洞, 有的放矢地采取降损措施, 大幅度提高了线损管理水平。及时上报的超损信息为用电检查工作提供依据并带来了变革, 工作针对性更强, 时效性更高, 实施效果更好。
3 综合效益分析
3.1 经济效益分析
(1) 降损增收 (见表1) 。
(2) 均价提高 (见表2) 。在进行集抄建设的同时, 同步进行了用户档案清查工作, 纠正了部分电价执行不到位的用户, 客户售电均价得到不同程度的提高, 由此产生了相当可观的年电费收益增量。同时对未来进行测算, 应用集抄系统对未实行分类用电计费的综合用电客户进行重点监测, 重新调整计量计费方式, 至少还可使供电区域内售电均价有相当幅度的提升。同时电费回收也得到有力的技术支持, 回收时间更为充裕, 集中收费压力得以有效分解, 回收工作更加主动。
(3) 减员增效。现场抄表等大量人工工作被自动化手段取代, 人工成本大大降低, 工作效率大大提高, 人力资源得到更为合理的调配和运用。集抄系统建成后城南供电局和长沙县电力局台区管理人员较建设前减少近40人, 以平均每年每人5万元成本 (含工资、福利以及办公费用) 测算, 每年将减少人员开支约200万元。
3.2 社会效益分析
(1) 供电可靠性提高。在集抄建设中同步进行了台区设备改造工作, 设备标准更高, 线路得到规范性整理, 运行状况更好, 对全局配网供电可靠率RS3的不断提升起到了有力的推动作用。全局RS3由2007年的99.89%提高到2010年上半年的99.952%。
(2) 电压合格率上升。在集抄建设过程中, 由于进行了合理的负荷调整, 减小了变压器的供电半径, 增大导线线径, 电网到户电压的合格率有效提高。全局D类电压合格率由2007年的98.317%提高到2010年上半年的99.809%。
(3) 服务水平提升。电力服务随着科技化管理模式的逐渐完善, 更加贴近客户需求。依托自主开发的实时电费平台, 除了每天自动发送余额报警、待停电通知等短信外, 还根据不同的节假日发送问候短信及温馨提示, 节约用电及安全用电小知识;通过开通电话自动语音查询系统, 客户可随时拨打服务电话查询账户余额, 方便快捷。
(4) 树立良好形象。利用集抄建设的契机, 加强与用户的沟通, 以扎实的工作作风、规范的作业流程、良好的服务形象改变了不少人对电力行业的看法。从建设初期的阻力重重到真心赢得大力支持, 解决了许多“老大难”问题。既很好地履行了社会责任, 推动了合理用电和节能减排, 又树立了良好的企业形象, 收获了难以估量的无形资产。
3.3 投资回收情况分析
通过综合统计分析, 集抄系统建设投资回报期短, 完成后的盈利能力相当可观。根据以上指标测算, 集抄系统建设总投资约为7000万元, 包括集中器通信费15.66万元、设备运行费 (总投资估算的1.5%, 105万元) 等在内的年运行费用约为120.66万元, 综合降损、减员和均价提升创造的效益和系统、设备运行费用, 系统年运营收益约在2900万元以上, 剔除集抄系统年运行成本及折旧后的静态投资回报期约为2.41年, 投资回报率约为41%。
4 结束语
低压无线抄表 篇4
本文结合电力企业在抄表管理与服务方面的问题及需求, 介绍了L o n W o r k s现场总线技术、双频传输的新型低压电力载波集中抄表系统的结构和特点等, 并针对以往使用中所出现的问题提出了解决方案。
1.新型低压电力载波集中抄表系统
1.1总体布局
新型低压电力载波集中抄表系统采用美国Echelon公司的LonWorks现场总线技术、以Echelon公司的神经元微处理器P L 3 1 5 0芯片为核心开发的智能型分布式监控网络产品。系统主要由集中器、三相电子式多费率载波电能表、单相电子式多功能载波电能表、主站管理系统四部分组成, 如图1所示。
集中器上行信道采用公用电话网 (或者G P R S、无线) , 下行信道采用低压电力线;集中器可实时采集1000块电能表数据, 同时可记录电能表运行状况;还可根据要求通过低压电力线采集用户电能表数据;主站管理系统通过公用电话网 (或者G P R S/无线) 抄收集中器存储用户电能表数据或直接抄读用户电能表数据, 实现抄表。
集中抄表系统主站管理系统采用基于W i n d o w s平台的高级语言开发, 管理软件在功能上分为四大模块:数据管理模块、操作模块、数据处理模块和在线帮助。数据管理模块的功能是对使用的数据库进行维护;它主要由编辑台区表数据、编辑用户信息、数据导入、数据导出、掌上机接口、系统安全设置组成;操作模块的主要功能是主站对远端集中器发送各种操作指令, 传送数据和接收集中器的抄表数据, 主要由串口通讯设置、时钟校对、抄表时段和表号操作、系统状态和参数设置、抄表、安全验证组成;数据分析与处理模块是对抄收回来的数据进行数据查询、分析、计算、形成报表及生成电量分析曲线图, 在线帮助功能可在线指导用户进行操作。
1.2系统结构概述
1.2.1集中器
集中器主要由电源 (三相供电) 、时钟、数据显示、存储、数据处理、通讯接口 (电力线载波、RS485、RS232、调制解调器) 等单元组成, 分别实现信号耦合、用户数据接收和处理、接收主站命令及通过低压电力线控制载波表工作。考虑到布线及电磁兼容, 电源部分将采用单独一块线路板, 使用A C/D C电源模块;时钟部分采用时钟芯片加后备电池方式;存储部分采用d5铁电存储器, 以确保数据存储安全可靠;数据处理部分采用C51 (W77W516B) 系列芯片;另外, PL3150本身内置电力线收发器具有双频载波、B P S K调制等特性, 再稍加一点外围电路, 即可保证电力线通讯的可靠性。
1.2.2单相电子式多功能载波电能表和三相电子式多费率载波电能表
电能表主要包括电源、计量、数据处理、数据存储、数据显示、通讯接口部分 (包括电力线载波、红外接口) 等, 分别实现用户电能计量、显示、数据采集、处理、接收集中器命令等功能。单相电子式多功能载波电能表电源部分 (单相供电) 、存储部分和时钟采用的器件与集中器相同;另外, 电力线数据处理部分也和集中器相同;显示部分采用L C D显示;计量部分采用A D E 7 7 5 3计量芯片, 通过S P 1口与M C U完成数据交换;数据处理及控制部分采用瑞萨的单片机H 8/3 6 9 4 F;三相电子式多费率载波电能表为了方便生产, 电源、时钟和存储部分及载波通讯方面与集中器相同。而计量部分则采用ATT7026计量芯片。
1.3主要工作原理
主站管理系统通过电话网 (G P R S/无线) 对集中器发送命令, 集中器接收到主站管理系统命令后, 对命令进行分析, 并做相应处理:集中器将数据命令通过C P U耦合到电力线上, 载波电能表将数据命令从电力线上提取出来并进行相关处理, 根据命令做相应动作, 然后相应数据通过PL3150芯片内置电力线收发器耦合到电力线上;集中器将载波表返回的数据进行解析、处理, 并将处理后的数据通过电话网 (GPRS/无线) 送回主站管理系统。
集中器原理框图如图2所示, 集中器具有两个核心芯片PL3150和MCU, 其中MCU负责数据处理, PL3150负责通过电力线收发器和外部通讯, 从电力线上接收数据信息, 交给M C U处理, 然后把处理好的数据信息耦合到电力线上去。M C U从双口R P M读取数据信息、处理数据, 根据要求把处理好的数据信息分别送到铁电、双口RAM、显示LED、RS232等。集中器还要增加红外传输功能:当供电部门现场查询用户用电信息时, 红外通讯将是非常方便的。
单/三相载波电能表原理框图如图3所示, 采用一片P L 3 1 5 0和一片M C U负责载波电能表的通讯 (R S 4 8 5、红外等) 和数据处理的任务;PL3150负责电力线载波方面, 将从M C U接收到命令来做相应处理, 并将处理结果通过电力线收发器耦合到电力线发给集中器;另外采用一片计量芯片ADE7753 (单相) /ATT7026 (三相) 负责电能计量方面, 通过S P L口与M C U通讯。
2.新型低压电力载波集中抄表系统的特点
与国内外同类产品水平分析比较, 新型低压电力载波集中抄表系统具有以下特点:
(1) 系统采用LonWorks现场总线技术, 与国内常见的基于软扩频技术的低压电力线通信系统相比, 基于LonWorks技术的载波通讯采用双频载波, 前向纠错等技术, 配合强大的输出放大器, 能有效抵制低压电网普遍存在的马达、开关电源及家用电器等失真源的干扰;先进的双频载波技术, 在其主要通讯频率受到噪声阻塞后, 自动选择另一频率进行传输, 有效的避免了低压电网随机产生的噪声干扰, 从而提高了系统的抄表成功率, 满足了家居自动化对通信可靠性的苛刻要求;系统电力线传输速率为5 k b p s, 相对国内其他系统3 0 0 b p s左右的通讯速率, 本系统的通讯效率更高, 实时性能更好, 更能满足家居自动化对通讯速度的要求。
(2) 系统将基于LonWorks技术的智能电力线收发器嵌入系统的底层设备——载波电能表中, 可将载波电能表作为未来家居自动化的主要终端设备以“无缝”接入流行的LonWorks家居及楼宇网络, 通过路由器, 可连接INTERNET网络, 真正实现家居智能化。
(3) 先进的自安装功能。现国内常见的安装方式是将集中器和载波电能表安装后, 通过主站管理系统, 手动输入数据 (如载波电能表表号) , 然后不载到集中器和主站管理系统数据库中, 从而构建一个系统;而本系统在安装完成集中器和载波电能表通电后, 载波表和集中器能自动建立连接, 避免了因为人工手动输入可能造成的失误, 更能提高工作效率。当载波电能表由于各种原因不能正常工作, 只要将故障表换下, 换上正常的载波电能表即可, 无需改动现有整个系统, 真正实现了即插即用功能。
(4) 更好的兼容性。相比国内现有的低压电力载波集中抄表系统, 本系统兼容性更好, 它除了能满足国各种标准外, 还符合欧洲C L C E N 5 0 0 6 5-1《低压电力低压配电网信号传输规范》、美国FCC15.107规范和ANSI/EIA709.2《控制网络电力线信道规范》的要求。
3.集中抄表系统建设的难点和解决方法
集中抄表系统主要技术难点在于如何保证电力线载波通讯的可靠性。低压电力网组网复杂, 阻抗变化大, 线路衰减等特点影响电力线载波传输信号的可靠性, 我们采用的E c helon公司的神经元芯片PL3150就能较好的解决这一问题。其内置电力线收发器运用的是一种基于D S R 9 (数字信号处理) 为基础的5 k b p s B P S K, B P S K是二进制移相键控法, 是指用载波不同的相位直接来表示相应的数字信号的移相键控。
以DSP (数字信号处理) 为基础的5kbpsBPSK技术具有以下优点:多元门的数据相关器, 在噪波干扰的情况下, 能够保全信号;消除脉冲噪波;自行失真校正;错误校正。电力线收发器是将待传送的信息数据以某一相位为基准进行移相键控调制, 调制手再耦合到电力线上传输;接收端也采用相同的固定相位基准进行解调及相关处理, 恢复原始数据。另外, 电力线收发器具有双频载波模式, 它可以两个频带内进行通讯, 一旦它的主要通讯频率受到噪声阻塞后, 它会自动选择另一个频率进行信号传输。
发送端:数字信号从MCU送到3150, 接着PL3150通过自带的电力线收发器将接收的信号进行二进制相移键控调制 (B P S K) , 然后将调制后的二进相移键控信号通过专用耦合器耦合到电力线上。
接收端:PL3150自带的电力线收发器将从电力线耦合过来的信号解调、还原, 然后由PL3150发送到MCU。这样, 就保证了电力线载波的可靠性。
在L o n W orks网络上, 针对有两个以上节点同时向集中器发送信息时出现L o n o r k s网络堵塞的问题, 可以在L o n W o r k s网络程序处理方面采用最小发送时间和最大发送时间等一系列竞争机制来保证L o n W o r k s网络的实时性。
4.结束语
新型低压电力线载波集中抄表系统具有自动抄表、用电检测、防窃电等功能, 同时可以作为智能系统之一“无缝“接入基于LonWorks现场总线标准的“家居及楼宇自动化”网络。这为电力部门提高用电管理水平、服务水平和企业形象作出贡献。同时随着电力系统集中抄表系统的推广和深入, 新型低压电力线载波集中抄表系统将凭借其良好的性能受到电力用户的认可, 拥有广阔的市场, 创造良好的经济效益。
摘要：针对我国目前电力集中抄表系统的不足, 以美国Echelo公司的LonWorks现场总线技术为参照, 设计出一种符合我国低压电力线信道传输特性的新型低压电力载波集中抄表系统, 该系统是以PL3150芯片为核心开发的智能型分布式监控网络产品, 系统包括主站管理软件、集中器和单相电子式载波多功能电能表和三相电子式载波多费率电能表, 具有低成本、高可靠性的特点。
低压自动化集中抄表系统构建探讨 篇5
随着国家电力体制改革的不断深入,电力部门为解决“一户一表”制带来的巨额工作量,近年来研究出一种高效率、低成本且极具实用性的抄表系统,即低压自动化集中抄表系统。低压自动化集中抄表系统是指由主站利用通信信道(有线或无线)对多个380/220V及以下电力用户的电能表数据进行集中抄读、分析、处理的自动化系统。该系统建成投运后,能对电力部门台区线损管理、电能运营监控提供较大的技术支持,对优化员工配置、提高供电质量、提升企业形象更是大有裨益。
1系统现状
1.1历史背景
国外对自动抄表技术的研究始于20世纪70年代。进入21世纪后,随着计算机技术、通信技术和电路集成技术的发展成熟,世界各主要国家纷纷加大对智能电网的投资建设力度,自动抄表技术得以蓬勃发展起来。
国内在自动抄表领域的实践几乎与国外同时起步,但在相关技术及产品化形成方面却长期落后于国外,再加上我国低压电网结构复杂、早期规划缺失等原因,使得系统一直未能大规模推广应用。最近10年国内技术研究工作在通信方式上得到突破,电能量抄收成功率大幅提升。2006年以后相关技术产品开始投放市场,多个省市步入试点行列,系统建设工程稳步推进,低压自动化集中抄表技术的应用呈现出火热上升的趋势。
1.2系统框架
低压自动化集中抄表系统由一套主站系统、两级通信信道及三层硬件设备构成,其中主站系统包括主站端数据处理设备以及相应的系统软件。电力部门管理人员可通过系统指令对指定范围内的下层设备进行管理维护、运行分析、数据统计等操作。两级通信信道指的是集中器与主站之间的数据传输信道,以及采集端设备与用户电能表之间的数据传输信道。三层硬件设备包括主站端硬件设备、采集端集中器、采集器以及系统底层数量庞大的计量表计。
2构建选型
2.1主要构成部分
低压自动化集中抄表系统的主要构成包括计量表计、采集器、集中器、通信信道和主站。
(1)主站:指能够选择并与下层设备进行信息交换的计算机设备组。一般来说主站接收电能量数据要经过三层处理。首先前置采集层会自动进行终端接入、链路管理、负载均衡等操作,再将数据进行接收上传;数据处理层会按照通信规约将接收到的报文数据解析成为统一的可供应用系统软件使用的基础数据;业务处理层再对数据进行编码约束,经增量处理后便得到各类可供分析的应用数据,最终实现数据抄收率统计、设备运行状况监控、终端对时及参数修改等业务处理操作。
(2)通信信道:指能够实现信息交换的数据传输通路,分为上行通信信道和下行通信信道。以集中器为中心,从集中器到主站之间的通信信道设定为上行信道,目前主要使用的通信方式包括无线公网(GPRS/CDMA)、有线电话网、电视网络等;从集中器到客户电能表之间的通信信道设定为下行信道,主要通信方式包括低压电力线载波、RS-485总线、红外线通信、ZigBee通信等。
(3)集中器:指能自动收集一体化电能表或采集器的电能量数据并进行处理、储存,还能与系统主站进行数据交换的设备。集中器是连接主站系统和下层电能量采集设备的枢纽,其作为数据采集端的核心设备,具有承上启下的作用。集中器有两个主要功能:定时收集、处理并储存下行通信信道向其传送的用户用电信息;根据主站系统下发的指令,定时或实时地将设备内部存储的用户用电信息等数据通过上行通信信道传送至主站端。
(4)采集器:指能自动收集来自多路分线连接的电能表的数据信息,并将处理储存后的数据上传给集中器,还能实现上层对下层进行指令传输的设备。当没有接收到上层集中器发送的命令时,采集器会巡回抄读下层电表发出的脉冲信号;一旦接收到命令时,便对指令进行分析并做出响应,将对应数据传送出去。
(5)计量表计:指安装于配电变压器低压侧的所有用户电能表。多数选用多功能、低功耗的电子式电能表,因其具有适应性强、开发效率高、软件升级方便快捷等更具实用性的特点。建议使用模块化设计的电能表,因其对保持计量稳定、按需切换通信方案以及设备软件升级有很大帮助。
2.2数据采集配置方案
不论系统结构如何架设,通信方式的选择始终是贯穿于整个系统的关键环节,也是系统实现优化运行的难点所在。通信方式的选择直接关系到采集设备的安装配置,所以在系统构建之前,要综合考虑方方面面的因素,例如现场运行环境、设备技术特点、用户用电情况、投资和管理模式等。一个合适的数据采集配置方案,必须是综合了多种考虑因素的折中选择,而不能仅仅追求技术最新或利益最大。
(1)上行信道。现阶段主站与采集设备主要使用无线公网进行数据传输,其中又以通用分组无线服务技术 (GeneralPacketRadioService,简称GPRS)最为常用。GPRS技术的特点在于引入了分组交换和分组传输的概念,其对于网络资源的利用率远远高于老一代GSM技术。GPRS按照数据流量进行计费,拥有171.2kb/s的访问速度,几乎无需任何时间就能访问到相关请求,特别适用于间断、突发或频繁、少量的数据传输。GPRS无线公网具有无需铺设线路、调试运行维护皆由通信运营商负责等优点,在系统建设时能够大大降低成本输出,对系统长期安全稳定运行有很大保障。
(2)下行信道。采集端与下层设备的通信配置问题总是低压自动化集中抄表技术研究的活跃部分。目前使用最多的两种通信技术各有优缺点。
低压电力线载波通信(PowerLineCommunication,简称PLC)是指利用电力线以载波方式传输信号的技术,是供电系统特有的通信方式。PLC的工作原理是发送端先将需传输的数据信息调制为高频信号(一般为50~500kHz),再经功率放大后耦合叠加到电力线上进行传输;而接收端从电力线上经耦合器获得载波信号,经过滤波、放大、解调等处理,将测得的实用数据信息再送至微处理器[1]。PLC具有覆盖面广、无需重新布线、建设成本低等优点,但在实际运行中会出现很多问题,例如在运行环境恶劣的时候,传输信号衰减大、干扰强,所以往往需要采取措施提高传输性能,例如自动中继技术。总的来说,PLC适用于电能表安装位置分散、布线相较困难的片区。
基于RS-485总线实现数据通信,是目前国内应用最多的一种电能自动抄表通信方式。RS-485通信网络多采用屏蔽双绞线传输,一般是两线接法组成总线型拓扑结构实现半双工通信,在同一总线上接多个结点,可满足一个采集终端与多个电能表之间通信的需求。RS-485通信网络中一般采用的是主从通信方式,即一个主机带多个从机,其通信可靠性高、实时性好;但遭遇多结点、长距离布线时,信道易损坏、故障排除困难,且容易产生事故。所以RS-485总线通信适用于电表安装较为集中、易布线、管理好的住宅小区。
低压电力网络的运行环境恶劣复杂,使用单一的通信技术方案很难达到预期目标,要得到高标准的电能量数据抄收率,必须根据不同的用电环境选择设备配置和通信方案。从以往的经验来看,总结出两套实用性最强的数据采集设备通信配置方案,即由集中器、载波表组成的全载波模式以及由集中器、采集器、485表组成的半载波模式。
全载波模式即集中器利用电力载波线每日定时抄收其下挂的载波电能表的数据并进行储存,再根据终端参数或系统指令,将储存的电能量数据通过无线公网上传至主站。这种配置模式无需另外布线、设备安装成本低、维护方便,但是通信可靠性波动较大,在实际运行中常会出现集中器离线率高或者单日数据完整率偏低,需要重复进行数据采集的情况,对定时抄表工作带来一定影响。
半载波模式可以采用集中器与采集器使用PLC线路,采集器与485电能表使用485总线的连接方式组成半载波方式进行通信;也可以全程使用485总线对集中器、采集器、485表实行组网通信。利用采集器将小范围内的电能表数据集中起来后,再通过PLC线或485总线发送给集中器,能有效提升数据抄收的完整性,对提高数据通信质量有很大好处。但采集器与485电能表必须采用专线进行布网,设备维护难度较大、成本较高,且运行维护人员必须掌握较高的相关技术能力。
全载波与半载波结合的数据采集配置方案,灵活地将PLC和RS-485两种通信方式结合起来,充分利用了其各自的技术优点,较好地规避了实际运用中可能产生的通信风险,应该说是目前系统下行通信的最佳配置方案。
3施工要点
系统建设点多面广,必须制定合理的建设方案、完善的实施计划和切实有效的管理办法,才能确保系统拥有更高的运行性能。
建设前期可通过多种渠道向广大人民群众宣传解释工作,讲解安装使用新设备的利处,赢取客户的理解、支持,为工程建设营造和谐氛围奠定基础。组织专业人员到现场勘查实况,逐个台区排查核对设备及用电信息,保证系统资料与实际情况相符合,确保数据完整、准确、真实。
利用现有低压电力线作为传输媒体,设备安装十分方便,但要特别注意设备安装布置应采用安全模式进行设计,保证设备运行的独立性,达到某一设备故障不影响台区内外其他设备正常运行的目的。将计量设备统一安装在铅封的计量箱内,可大大减少人为破坏因素,也有利于工作人员发现和处理故障点;另外还要注意做好防雷电、防电弧等措施,保证系统运行安全。
工程建设覆盖面广、工作量大,要根据标准化管理的方针,一次性规范计量设备的安装。加强施工队伍管理,标准化作业管理,严格控制施工质量;工程进行中要指派专业管理人员对施工情况进行监督,发现问题要及时解决,最后竣工要做好验收,防止把关不严造成的工程建设质量低劣,或者返工问题。
4运行维护
低压自动化集中抄表系统建成后,最起码要管理着一个片区内数十万计的用户信息及用电数据,所以在系统运行中要不间断地对其进行监控、管理和维护,如此才能保证系统正常有序稳定地运行,才能保证其发挥应有的效能[2]。系统运行维护一般包括以下几方面内容:
(1)设备运行监控。设立系统监控部门对现场设备运行情况进行监视,包括计量表计的运行情况、采集端设备上线率、数据抄收完整率等。建立流程化的设备故障处理模式,通过系统监控人员及时发现故障点,由专业技术人员对故障设备进行检测维修,再由系统数据维护人员对修正后的数据进行更新、修改等操作,以此保证故障设备得到及时处理、电能量数据抄收完整,确保系统安全、稳定运行。
(2)系统档案维护。低压用户数量众多,底层电能表的安装和维护量给供电企业带来极大的工作量,所以首先必须保证系统档案准确无误,避免不必要的反复操作;新装、更改、拆除现场设备后,相关档案数据要及时录入系统,倘若系统档案数据得不到良好的保护,会给数据的准确抄收带来障碍。除此之外,还要注意及时将档案数据同步至其他交互应用系统,确保各内部系统间数据能够正常、准确地共享。
(3)主站设备运维。主站端服务器承载着大量数据业务,如果运行设备出现异常却得不到及时维护,将严重影响整个系统的安全稳定。要对主站端的硬件装备和设施进行定期检修,确保系统的中央枢纽能够正常运行。内网信息安全防护是重中之重,使用入侵监测机制监测异常信息流,采用防火墙、虚拟防火墙、VLAN访问控制技术进行安全防护,仅允许开放与确定安全域主机、确定地址的网络通信,能够有效预防来自外部网络的病毒或恶意攻击[3],保证应用系统运行平台的安全稳定。
(4)应用安全防护。为了确保应用系统软件的安全性,必须采取有效的访问控制机制,使用系统时须通过身份认证,采用“用户名+口令+验证码”的方式进行登录,只有经过授权的主机和账号才能进入主站系统,并对角色进行权限分配,跟踪操作事件,记录设备日志,及时对安全事件进行审计分析。
5 结语
在低压自动化集中抄表系统的构建过程中,合理设计数据采集方案是首要前提,规范管理使用硬件设备是关键因素,严格制定运行维护措施是重要保障。只有在系统运行中不断总结得失、积累经验,不断研究探索更先进更有效更实用的应用技术,才能保证低压自动化集中抄表系统一直高效、稳定、安全地运行,才能为企业、社会、国家创造出更多更好的经济利益与社会效益。
摘要：概述了低压自动化集中抄表系统的现状,探讨了系统的设备组建模式和通信配置方案,着重论述了几种常用的通信技术和数据采集方案,并对系统的运行维护方法进行了简要分析。
低压无线抄表 篇6
低压电力用户集中抄表系统 (以下简称:低压集中抄表系统) 是指采用通信和计算机网络等技术, 通过专用设备, 自动读取和处理电能计量点电能表数据。它从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端, 开启了电能计量管理现代化的新局面。目前, 美国等发达国家已将自动抄表技术广泛应用于配电网的自动化管理。
1 项目准备
1.1 制定计划
根据总体进度安排的要求, 制定安装、调试、验收工作计划, 指导运行人员、远程通信网络运维人员、现场安装调试工作人员、营销管理人员等协调一致, 有序开展工作。
安装调试计划须明确具体台区的施工周期、进度要求、台区总户数、用户姓名、地址、户号、电表地址以及设备配置总量等与安装有关的内容。
1.2 现场勘察
系统安装前, 应进行安装现场实地勘察, 根据技术标准、现场实际情况形成最终的安装与配置方案。现场勘察应重点完成工作:变压器的安装类型、用户电表及表箱安装形式、现场电源走向等涉及与安装、系统稳定运行以及方便后期设备维护管理等有关的所有细节, 根据电源变压器类型、外围结构和实际台区用户数量, 按比例进行安装设备的配置和方案制定。
勘察并核对用户资料, 确保台区户数、隶属关系, 户号、表地址等资料完整无误。勘察并核对各台区交流走线结构, 走线类型为地埋还是架空线, 记录各支路走线的距离, 核实表箱位置、记录表箱号、记录并核对一电表位置及表号 (地址) , 变压器位置及安装形式等, 用户电表是否满足要求, 是否需要更换, 建立完整的现场档案。
根据小区内电源变压器和实际用户数配置远程抄表系统的专用信号线、终端设备和集中器。规划及标注现场采集终端、集中器安装位置、安装方案, 实地测试集中器安装位置的本地噪声情况。统计现场设备及辅材。确定安装条件是否具备、远程通信通道是否具备, 现场是否有干扰源, 采取有效的隔离措施。通知当地电力用户具体施工时间, 是否停电等。
1.3 方案设计
方案设计与设备配置根据现场的情况不同可以分别选择以下几种:
(1) 对于变压器已配置多功能总表和居民用户均安装了RS-485口通讯的电子表小区, 采用集中器与采集器的配置方案。即:每个台变配置一台集中器, 每个表箱内配置一台采集器, 集中器统一接入总表, 采集器统一接入电子表。
(2) 对于变压器已配置多功能总表和居民用户均安装了载波的电子表的小区采用集中器与载波表配置方案:每个台变安装一台集中器、每个表箱内安装载波表。
(3) 方案配置原则:按一台变压器下安装一台集中器的原则配置集中器设备。按一个表箱内安装一块终端的原则分配采集器。如变压器未安装总表应安排计划另行安装。如小区现场未配置RS-485通讯接口的电子表或载波表应安排计划安装。最终按实际统计情况形成现场施工图, 方便现场施工与后期维护。信道采用光纤接入方式, 个别不具备部署的区域可以考虑GPRS/CDMA无线接入方式。
(4) 根据现场勘察结果, 编制施工方案, 方案主要应包含内容:一是, 完整正确的台区用户档案, 包括总户数, 户号、用户姓名、地址、表箱、表号等。二是, 绘制工程施工平面图, 标出用户与台区隶属关系, 采集终端与集中器安装位置。三是, 统计各类设备及辅材数量等, 包括需更换的电表数量、表箱数量、线缆等。四是, 现场设备安装方案、现场施工成本统计和现场施工计划安排。
1.4 物料准备
根据安装调试施工方案, 准备相应的施工调试工具仪器、安装材料和安装设备。安装设备都必须事先经过各种测试检验, 确保工作正常。
2 低压集抄终端设备安装和调试
2.1 低压终端设备安装
集中器的安装考虑到载波信号最强点有助于提高通讯效率, 集中器均应安装在变压器400V侧。集中器统一安装在安装箱体内, 变压器多功能电表, 应统一接入集中器实现远程抄表。
采集器的安装主要包括:采集终端、宽带采集器、载波表等设备的安装。采集器的安装一般以单元为单位, 根据单元表箱位置, 每个单元安装一只采集终端或数只, 单元内所有电表通过RS-485总线同终端RS-485接口并联。
2.2 低压集抄终端设备调试
2.2.1 集中器+采集器+485表
根据主站和现场通信通道建设到位的情况不同, 调试分两种方式进行:
当与主站的通讯通道未建设完成时调试开展步骤, 首先是采集终端与表计连接调试;采用手持抄表终端, 通过红外通讯方式, 抄收电能表计实时示数, 以验证其连接正确性;对不能正确性抄收的, 检查RS-485连线, 调整后直至通讯正常;测试完成后, 对终端、电能表计加装铅封;建立采集终端、表号、户号对应关系表, 并注册至采集终端内。如采用宽带式载波终端, 应增加采集器设备的IP网络信息的设置。其次是集中器与采集终端连接调试:统计并建立集中器下所有采集终端、表号、户号对应关系表。未建立远程信道的情况下, 采用手持抄表终端、红外通讯或RS232方式, 将对应关系表注册至集中器内;实时抄收采集终端数据, 并记录;对不能抄收成功的, 检查集中器、采集终端各类参数设置。
当与主站的通讯通道建设完成时调试开展步骤, 首先是采集终端与表计连接调试:采用手持抄表终端, 通过红外通讯方式, 抄收电能表计实时示数, 以验证其连接正确性;对不能正确性抄收的, 检查RS-485连线, 调整后直至通讯正常;测试完成后, 对终端、电能表计加装铅封;建立采集终端、表号、户号对应关系表, 并注册至采集终端内。如采用宽带式载波终端, 应增加采集器设备的IP网络信息的设置。其次是集中器与采集终端连接调试:统计并建立集中器下全部采集终端、表号、户号对应关系表。在主站利用远程信道将对应关系注册至集中器内。实时抄收采集终端数据, 并记录;对不能抄收成功的, 检查集中器、采集器各类参数设置。
2.2.2 集中器+载波电表
根据主站和现场通信通道建设到位的情况不同, 调试分如下两种方式进行:
一是, 当与主站的通讯通道未建设完成时:统计并建立集中器下所有载波表号、户号对-应关系表。未建立远程信道的情况下, 采用手持抄表终端、红外通讯或RS232方式, 将对应关系表注册至集中器内;实时抄收载波表数据, 并记录;对不能抄收成功的, 检查集中器各类参数设置。
二是, 当与主站的通讯通道建设完成时:统计并建立集中器下所有载波表号、户号对应关系表。建立好远程信道的情况下, 将对应关系表注册至集中器内:实时抄收载波表数据, 并记录;对不能抄收成功的, 检查集中器各类参数设置。
3 结束语
总之, 随着电力体制市场化改革进程的不断推进, 为了提升电力营销市场响应快速化水平, 提高客户服务的质量, 应逐步建立适应市场变化、快速反映客户需求的电力营销体系。全面构建低压电力用户集中抄表系统, 实现电力用户用电信息自动采集, 符合国际电网技术发展的要求, 是建设智能电网的重要组成部分。
参考文献
[1]钟雄光.低压电力线载波自动抄表系统[D].长春理工大学, 2002.
[2]刘峰.低压电力用户集中抄表系统构建研究[D].华北电力大学 (北京) , 2010.
低压无线抄表 篇7
目前国内市场上的自动抄表系统通信方式主要有三种:有线、无线、载波,从理论上讲最理想的电力用户集中抄表系统通信方式是电力线载波。这是因为它实现了电能馈送和数据传输的自然匹配与完美结合,且不用另外铺设通信信道。
随着近几年国家电网公司建设“坚强智能电网”发展目标的提出,逐步规范了智能电表和低压载波通信电力用户用电信息采集系统的技术要求。近一步对集抄系统的通信稳定性提出了更高的要求。但在现场实际应用时发现载波信道存在的最大缺陷是系统数据抄收不稳定,造成抄收不稳定的原因很多,有些原因是外界环境造成,人为不可(或很难)改变的,这就需要抄表系统从技术层面上去完善、解决这一问题。作为该系统产品的研发、测试从业人员,在抄表系统的测试[1]和实用性方面积累了大量经验。本文中介绍的低压电力用户集中抄表系统稳定性的实用化具体方案,较好地解决载波信道系统数据抄收不稳定这一实际问题,在业内各个电力公司得到了广泛应用,并取得了客户的认可。对当前国内的低压电力用户集中抄表系统的现状,以及系统现场应用中采用的关键通信技术进行了研究。
1 低压电力用户集中抄表系统的现状[2,3]
1.1 市场容量潜力巨大,同时市场也已经提出了各种新的要求
低压电力用户集中抄表系统在我国已经发展了十几年,系统示意图如图1所示,以前市场由各省网公司和地方集中统一招标,2010年后由国网公司统一招标,南网以广东省网统一招标为标志。这种模式彻底改变了集抄由零星发展的非均衡混乱状态,形成了统一规范全面普及的推广应用局面。但是现实就是系统真正的实用化程度怎样,对于瘫痪或半瘫痪状态的系统应该如何去处理,让供电局完全作为一个摆设呢,还是真正推荐给供电部门一个很好用,很实用化的性能优良的集抄系统。如果不认真的去研究这个问题,总是在搞一些很花架子的东西,系统的实用化根本就不行,或则总是出问题,供电局根本就不能很好的使用,那么这个市场还能不能持续下去,这都是一个值得讨论的问题。
随着电力体制的改革,用电管理模式的变化,提出了“一户一表”问题,另外用电分时计价,阶梯式电价……都对传统的计量装备与抄收方式,提出了有力的挑战,手工抄表越来越困难,广大电力用户或者物业管理者在等待一个很实用,能真正解决抄表难问题的系统。
从长远看,随着国计民生对通信的需求日益增加,人民把目光投向世界上覆盖最广的网络——低压配电网,这条信道的开放可以解决现在的三表抄收、物业管理、消防、保安、医疗、卫生、计算机上网等一系列通信方面的要求。
1.2 低压电力用户集中抄表系统推广应用存在的技术障碍
信道衰减:据有关资料介绍:根据我国不同低压电网的不完全测试,从配电变压器出口到电网末端,最大高频(500 kHz以下)衰减达到130 dB。
电力线信道衰减的主要因素包括:电缆的长度阻抗衰减;电缆的分布电容造成的相间衰减、对地衰减;还有高频趋肤效应造成的线路阻抗衰减;负载引起的线路阻抗的急剧减小造成的信号剧烈衰减;载波电路功放阻抗失配造成的衰减;线路节点引起的高频信号反射,特别是线路类别变化的节点,铜铝导线接点反射更加严重,架空线与电缆接头可能造成80%信号功率反射(约7 dB衰减);多径衰落引起的高频信号衰减。大批劣质电器泛滥,对低压电网形成严重的污染(例如河北高阳县电业局家属院,线路质量很好,布线也很规矩,但是载波信号在此家属院的传输距离不超过50 m,信号衰减非常严重,分析为线路接头较多,并且铜线和铝线并用,信号反射损耗很大;另外用电负荷较大,电器种类较多,也是造成载波信号损耗的一大原因)。
由于低压电网环境十分复杂,衰减的分析计算极端困难,影响因素很多,人们只能根据试验结果,进行定性分析比较。
由于以上的干扰分析,低压电力线的载波通信处理必须使用特殊的处理方法,常规的通信方法在低压电力线上行不通,根据近几年各厂家的研究以及现场使用的经验总结分析,电力线扩频技术(SSC)和正交频分复用(OFDM)是各厂家使用最多和比较成功的技术[4]。
2 低压电力用户集中抄表系统的通信技术分析
2.1 扩频技术[5]分析
载波技术的代表在20世纪80年代后期和90年代初期各厂家都大量使用ST7536进行电力线载波通信。ST7536是2FSK技术,其主要的问题是载波电路比较复杂,外围电路元器件较多,严重影响了载波电路的工作可靠性和寿命;ST7536所需要的电源比较复杂,成本贵,可靠性也较差;由于在扩频的原理上没有进行抗干扰的处理,所以抗电力线上干扰的能力很差;另外使用ST7536芯片的载波电路的成本(大约100元)一直是制约各厂家的发展的瓶颈。现在除了少数厂家还在使用这种技术外,众多厂家都已完全抛弃了这种技术。
扩频技术在近几年的发展代表是青岛东软和北京晓程。其他厂家也报道有这方面的技术,但是基本不脱离这些技术的概念,并且市场的使用也比较少。下面就以青岛东软和北京晓程的技术作为重点,讲解这个技术的优点和技术描述,并且对这两种技术的缺点进行分析。
扩频通信是指用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种通信方式。其解调过程是由接收信号和一个发端扩频码同步的信号进行相关处理来完成的,扩频通信系统模型图如图2所示。根据信息论(香农公式),扩频通信的好处在于:可用较大的带宽换取较小的信噪比,即较小的信号功率。这时,系统表现出较好的抗干扰性,从而使强噪声环境下的通信质量得以改善。这种“用带宽换功率”的措施特别适合电力线载波通信。
直接序列扩频(DS)系统用高速伪随机序列直接对信息数据进行调制。由于伪随机序列带宽远远大于原始信号带宽,从而扩展了频谱。在接收端有一个扩频序列同步电路,它产生一个与接收信号中的扩频序列精确同步的扩频序列,当收到的扩频信号与本地码相匹配时,所需解调的信号就会恢复到其扩展之前的原始带宽,而任何与之不匹配的输入信号则被本地码扩展到与本地码的带宽相同或更宽的频带上。解扩后的信号经过一个窄带滤波器后,有用的信号被保留,干扰信号被抑制,从而改善了信噪比,提高了抗干扰能力。扩频通信系统经过对信息信号带宽的扩展和解扩处理,获得了扩频增益。
2.2 扩频系统的优点
扩频系统具有抗衰减能力强的特点,由于信号频带很宽,当由于某种原因引起衰减时,只会使一小部分频谱衰减,而不会使整个信号产生严重畸变。
(1)扩频系统具有抗干扰的能力,对于扩频系统,由于扩频信号的带宽远远大于基带信号的带宽,所以在信号传输频带内,允许有干扰源的存在,对于广谱干扰,定量的分析,S N>0.3,就可以完成信号的解调。
(2)扩频系统需要的电源功率小,使用比较小的功率就可以换取好的信道灵敏度,另外从产品可靠性上考虑,由于电源消耗小,产品整体可靠性比较高。
(3)扩频系统信息的传输速率高,可以满足645标准协议的传输,对于标准化的开发工作很有帮助,另外由于抄表速度很快,能满足很多用户的需求。
2.3 扩频系统的缺点
由于成本的问题,电力线载波扩频通信的制造成本都比较低,在这种因素的制约下,扩频系统对于同频的影响是无法克服的。经过测试,东软的同频干扰频带宽度为270 Hz~275 kHz,晓程的同频干扰频带宽度为65~145 kHz。比较下来,东软的抗干扰性好。
2.4 扩频系统的扩频增益处理
扩频通信系统经过对信息信号带宽的扩展和解扩处理,获得了扩频增益(Spreading Gain),也叫作处理增益(Processing Gain),定义为:
式中:Bss是扩频后信号的带宽(或扩频后的比特速率);B是原始信号带宽。
扩频通信系统频谱变换关系示意图如图3所示。
扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号,送入信道中传输,再利用相应手段将其压缩,从而获取传输信息的通信系统。也就是说在传输同样信息时所需的射频带宽,远比已熟知的各种调制方式要求的带宽要宽得多,即扩展频谱系统必须满足以下两条准则:
(1)传输带宽远远大于被传送的原始信息的带宽;
(2)传输带宽主要由扩频函数决定,此扩频函数常用的是伪随机编码信号。
扩频通信系统具有这些优点,其理论依据是扩展频谱技术的理论基础,可用香农(C·E·Shannon)信道容量公式表示:
在高斯信道中当传输系统的信号噪声功率比S N下降时,可用增加系统传输带宽W的办法来保持信道容量C不变。(C值可以理解为在固定的时间里传输有用信号的能力)对于任意给定的信号噪声功率比,可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。扩展频谱技术正是利用这一原理,用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍至几千倍,故在相同的信噪比条件下,具有较强的抗噪声干扰的能力。
3 工频调制技术分析
工频调制技术的国内代表厂家是南京三能、深圳赛斯特、珠海钱龙、北京海通(漳州科能)。
3.1 工频调制技术的原理
工频调制技术的原理就是使用工频50 Hz的过零点实现同步,真正的同步点应该是在正半周进入零点电压前的50 V左右时,使用比较大的脉冲电压来产生电力线上的脉冲波,在远方实现脉冲的波形检波,通过单片机的处理,来实现信息1和0的传送。
3.2 工频调制技术的优、缺点
工频调制技术的优点:解决了电力线上数据传输的能量问题,代表数据的脉冲波可以是几十伏到一百多伏,所以信息的传输是可靠的;从影响电网稳定上考虑,由于脉冲波的存在时间很短,所以不影响电网的正常运行;另外由于其同步的过零点技术,以集中器为参考,判别相位是其优点(如果采用采集终端,就没有这个优点)。
工频调制技术的缺点:对电网还是会产生干扰,开关管的控制容易烧毁,造成电表损坏;数据传输的波特率不可能超过50 BPS;另外这种技术的最大缺点是如果线路分支太多,脉冲波的线路衰减会比较明显,脉冲波就可能不会被接收方感知,会出现抄表失败。
工频技术的最大优点是能够解决以集中器为中心参考的相位技术,但这必须是载波表,即每一块表都要有一个模块,但是随着采集器的推广应用,以及485方式的采集器的大量推广应用,对于电表的相位感知已经没有意义了,因为485方式采集电表的数据无法感知相位,所以上传的数据就没有这方面的数据。此技术还在现场零星使用。
4 正交频分多路复用技术(0FDM)分析
正交频分复用(0FDM)技术在国内应用的代表厂家有河南许继、深圳力合微、上海矩全等,都在试运行阶段。
4.1 正交频分多路复用技术(0FDM)的基本原理
OFDM技术实际上是多载波调制(MCM)的一种。其主要思想是将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道都可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰,如图4所示。而每个子载波可以分别使用不同的调制方式,也可以使用相同的调制方式,常用的有BPSK、QPSK、QAM等调制技术。
由于DSP技术的发展,在OFDM系统调制解调的实际应用中可以采用快速算法IFFT/FFT实现IDFT/DFT的理论计算,这为OFDM技术的推广创造了极为有利的条件。另外,为消除码间干扰(ISI),在实际OFDM系统中采用插入循环前缀(CP)的方法,即将OFDM符号尾部的一部分复制后放到符号前面,CP使所传输的符号表现出周期性,当CP的持续时间比信号在信道传输延迟时间大时,码间干扰仅仅会干扰OFDM符号体前面的CP从而消除ISI。
4.2 正交频分多路复用技术(0FDM)的优势
(1)OFDM[6,7]在对抗干扰及衰落的优势为把高速数据流通过串/并变换,使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加,可有效对抗信号波形间的干扰ISI,适用于多径环道存在频率选择性,而所有子载波都处于深衰落的概率极小,OFDM系统可通过动态比特分配和动态子信道分配的方法,充分利用信噪比较高的子信道,提高系统性能。因为窄带干扰只能影响一小部分的子载波,因此OFDM可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。OFDM的以上优势减小了接收机的复杂度,甚至可以不用均衡器,仅采用插入循环前缀的方法消除ISI的不利影响,大大节省了系统花费、减小了系统复杂度和功率消耗。
(2)OFDM系统由于子载波之间存在正交性,允许子信道的频谱相互重叠,因此与常规的频分复用相比,OFDM可以最大限度地利用频谱资源。这一点在频谱资源有限的电力线环境中尤为重要,当子载波数目很大时,系统的频谱利用率趋于2 Baud/Hz。
(3)各子信道的正交调制和解调可通过离散傅利叶反变换(IDFT)和离散傅利叶变换(DFT)实现。对N很大(N>32)的系统,可以通过快速傅里叶变换(FFT)[8]来实现。基于FFT的系统在计算方面更有效,并且随着大规模集成电路技术[9]和DSP[10]的发展,IFFT和EFT都非常容易实现。
(4)OFDM的开放灵活性:希望物理层支持非对称高速数据传输,而OFDM系统可以很容易使用不同数量的子载波来实现上下链路中不同的传输速率。
4.3 正交频分多路复用技术(0FDM)的不足
(1)由于OFDM系统内存在多个正交子载波,而且其输出信号是多个子信道的叠加,因此对子信道的正交性有严格要求。而由于电力线信道的时变性,还有发射机载波和本地振荡器的频率偏差,所以OFDM易受频率偏差的影响。
(2)如果多个子信号的相位一致时,所得到的叠加信号的瞬时功率会远大于信号的功率,出现较大的峰值与均值功率比(PAR),这个比值的增大会降低功率放大器的功率效率,使系统性能恶化。为克服这些缺陷所要解决OFDM系统的同步问题和减少PAR值问题是目前研究热点。
5 推荐使用的方案分析
优良的载波系统应该是系统功能完善,系统稳定可靠,特别是载波系统运行4~5年以后仍然能正常运行,这样的系统经过综合评价,应该是可以大量推广应用的。
5.1 优良的载波系统应具备以下指标
(1)作为大量使用的表计,应该是稳定可靠的,特别是载波电路,电源应该简单,载波电路应该简单。只有满足这些条件,表计才具备了稳定的条件。
(2)系统的功能应该简单明了,主要的抄表功能必须具备,辅助分析功能应该在满足用户的条件下,尽可能的简单。可以使用功能组合的方式来完成系统功能。
(3)中继器可以下工夫做好,在接收回路作好抗干扰,并且做好信号的放大,在发射回路可以使用正负电源推挽放大电路来提高载波的发射功率。尽量把中继技术做好。考虑到中继措施不仅可以提高系统的抗衰减能力,而且由于信号幅度以几何级数增加,大大提高了接收信噪比,对系统抗干扰能力提高,同样有效。所以近年在低压载波通信领域,中继通信是一个十分热门的话题。
(4)对于抄表特别困难的区域,可以考虑使用485方式或无线方式的中继器来进行中继抄表。这样以485或无线中继器为中心150 m以内的载波表的抄表就不是什么问题了。所谓485或无线方式的中继器,就是使用485或无线方式来连接中继器和集中器,中继器仍然使用载波方式抄表。
5.2 处理抄表困难问题的办法和原则
(1)一般情况下,以集中器为中心的200 m以内的400块表的抄表是没有问题的,最多使用电表之间的相互中继。
(2)对于500 m以外的,抄表困难,使用专业中继器进行中继。
(3)对于特别复杂的区域,例如线路分支较多,使用铝线较多,或则铜铝交错使用的地方或者线路较远,载波信号传输特别困难,建议使用485方式或无线建立中继器与集中器之间的通信,这样保证了中继器与集中器的通信,以中继器为中心的150 m以内的载波表与中继器的通信就可以保证了,缺点就是现场需要进行少量的布线和成本增加。
6 结语
由于扩频技术的数据传输速度快,抗干扰能力强,所以以扩频技术为中心的窄带载波抄表目前是主流。而OFDM可以有效地消除信号多径传播所造成码间干扰(ISI),OFDM技术良好的性能使得其是未来抄表的发展方向。随着PLC通信技术的成熟和稳定应用,其必将成为电力用户用电信息采集的主要手段。
参考文献
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