載波雙通道抄表系統(tǒng)實用化研究范文

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《價值工程雜志》2015年第十期

1純微功率無線和純電力線載波抄表的現(xiàn)狀

1.1電力線載波通訊目前存在的主要問題第一，信道強衰減：據(jù)有關資料介紹：根據(jù)我國不同低壓電網(wǎng)的不完全測試，從配電變壓器出口到電網(wǎng)末端，最大高頻（500kHz以下）衰減達到130db。主要因素包括：電纜的長度阻抗衰減；電纜的分布電容造成的相間衰減、對地衰減；高頻趨膚效應造成的線路阻抗衰減；負載引起的線路阻抗的急劇減小造成的信號劇烈衰減；載波電路功放阻抗失配造成的衰減；線路節(jié)點引起的高頻信號反射，特別是線路類別變化的節(jié)點，銅鋁導線接點反射更加嚴重，架空線與電纜接頭可能造成80％信號功率反射（約7db衰減）；多徑衰落引起的高頻信號衰減；大批劣質(zhì)電器泛濫，對低壓電網(wǎng)形成嚴重的污染；第二，信道時變性：對于一般的居民用戶，我國采用的是220V交流兩線供電。由于電網(wǎng)上負載的不斷接入和切出，馬達的停止和啟動，電器開和關等各種隨機事件，使信道特性具有很強的時變性；第三，干擾噪聲多樣：電力線載波通信的最大干擾是噪聲，其主要來源是電力網(wǎng)上的所有負載、無線電廣播等；第四，通訊速率相對較低，一般是幾百BPS。可靠性不高、實時性不強，造成整個抄表系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時不能支撐費控、階梯電價下發(fā)、互動服務等實時性要求高的業(yè)務。雖然電力線載波利用電力線擴頻技術（SSC）和正交頻分復用（OFDM）[4]等通訊技術解決以上的技術障礙，但現(xiàn)場還會有部分表抄讀不上，形成孤島。

1.2雖然純微功率無線和純電力線載波有以上問題，但由于制造成本相對來說還是低一些，安裝和調(diào)試比較簡單，目前市場份額還是比較大的。但從以后的市場需求出發(fā)，還需要實時性和可靠性比較穩(wěn)定的抄表系統(tǒng)。通過以上兩種通訊信道的問題分析，微功率無線和電力線載波兩種通訊技術可以實現(xiàn)互補，微功率無線具有通信速率高、實時性相對強、可跨臺區(qū)抄表等優(yōu)點，電力線載波利用現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡基礎設施，無需任何布線，只要有電力線就可通訊等優(yōu)點。將2種通信信道集成到一起，將無線通訊技術與載波通訊技術相融合，開發(fā)雙通道通信芯片和對應的通訊模塊，實現(xiàn)兩通道無縫自動切換，將會提高整體抄表系統(tǒng)的抗干擾能力，提高通訊成功率，通訊成功率將會達到真正的100%。

2微功率無線和電力線載波雙通道抄表技術

雙通道抄表技術就是在同一個通訊模塊上實現(xiàn)微功率無線和電力線載波通訊，由MCU控制微功率無線芯片和電力線載波芯片的收發(fā)控制，實現(xiàn)以一種通訊網(wǎng)絡（如微功率無線）為主，另一種通訊網(wǎng)絡（如電力線載波）為輔的雙通道通訊方式。這種通訊方式并沒有改變微功率無線和電力線載波的物理特性，而是充分利用微功率無線和電力線載波的各自優(yōu)點，實現(xiàn)信道互補，提高通訊成功率。純微功率無線和純電力線載波有些地方目前已可實現(xiàn)日抄收95%的通訊成功率，有些地方還不行，如果利用另一信道的優(yōu)點可解決剩余5%用戶的數(shù)據(jù)抄收，實現(xiàn)100%的日抄收成功率。微功率無線采用工作頻率為免費的公共計量頻段470MHz～510MHz，頻率和業(yè)務受國家無線電管理機構的保護，且發(fā)射功率不大于50mW。技術采用微蜂窩無線自組織網(wǎng)絡，其最主要的特點是網(wǎng)絡的MESH分布特征和節(jié)點神經(jīng)元特性，同時利用蜂窩頻分復用體制，在單個蜂窩網(wǎng)內(nèi)采用自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡構架，以及Adhoc多跳自組織動態(tài)組網(wǎng)應用，解決無線傳輸區(qū)域覆蓋受限的問題。協(xié)議遵循《Q/GDW1376.4-2013電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議第4部分：基于微功率無線通信的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議》。電力線載波一般采用窄帶OFDM通訊方式，因國家層面技術規(guī)范正在討論中，各廠家目前采用各自定義的電力線載波協(xié)議通訊。通訊模塊總體技術規(guī)范滿足《Q_GDW1374.3-2013電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信單元技術規(guī)范》[5]。雙通道抄表系統(tǒng)的結構圖如圖1所示，集中抄表的基本方式為：每個電表或者每個電表箱安裝一個采集器，通過一定的數(shù)據(jù)接口和通信協(xié)議，從電表上采集電能量或遠程拉合閘等操作，一個區(qū)域內(nèi)（比如一個小區(qū)或者一個臺區(qū)）所有的采集器采集到的數(shù)據(jù)集中傳到集中器里，然后通過一定的網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送到后臺管理機。后臺管理機通過集中器操作采集器。雙通道抄表系統(tǒng)的組成部件有：電能表，采集器，集中器，網(wǎng)絡和后臺管理系統(tǒng)。通道信道分為上行信道和下行信道。上行信道為后臺主站與集中器之間的通訊線路，一般采用GPRS/CDMA、光纖以太網(wǎng)等通信信道，實現(xiàn)智能集中器與后臺主站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。下行信道是指集中器與龐大的電能表之間的通訊線路，采用微功率無線和電力線載波雙通道，共有4種通訊方式：①發(fā)送無線，接收無線；②發(fā)送無線，接收載波；③發(fā)送載波，接收載波；④發(fā)送載波，接收無線。

3雙通道抄表系統(tǒng)的不同應用環(huán)境

按照電表劃分，雙通道抄表系統(tǒng)可實現(xiàn)以下幾種抄表方案。

3.1智能電能表雙通道抄表方案對于安裝智能電能表的區(qū)域，可以采用在智能電能表、集中器上安裝雙通道通信模塊，下行信道采用集中器和智能電能表直接通訊的實施方案。雙通道通訊模塊將微功率無線和電力線載波兩種常用的通信方式結合起來，采用單芯片雙通道技術，一方面增加了通信成功的途徑，即由傳統(tǒng)的單一方式（純微功率無線或純電力線載波）改為兩種方式結合。另一方面既充分發(fā)揮了微功率無線通信和電力線載波通信信道的各自優(yōu)點，又彌補了純微功率無線通信或純電力線載波通信的不足，進而提高了通信的穩(wěn)定性與可靠性。優(yōu)點：兩種通訊方式相結合可使抄表的覆蓋范圍最大化，同時保證了在微功率無線通信或電力線載波通信孤島情況下能夠通訊成功，雙通道通信技術將兩種通信信道設計在一個模塊中，可實現(xiàn)熱插拔安裝和雙通道通信，在兩種通信方式相結合的情況下可實現(xiàn)抄收成功率100%。此方案具有施工簡單，維護方便等優(yōu)點。

3.2RS-485電能表雙通道抄表方案對于安裝普通RS-485電能表的區(qū)域，可以采用加裝Ⅰ型采集器或Ⅱ型采集器，采集器、集中器具有雙通道通訊方式的實施方案。具體實施為將表箱內(nèi)電能表的RS-485總線進行并聯(lián)，然后將RS-485總線接入到采集器上。只要電能表具備RS-485通信接口，借助于采集器即可與集中器進行數(shù)據(jù)交互。集中器與采集器之間采用微功率無線和電力線載波相結合的雙通道通信方式，采集器與電能表之間采用RS-485總線的通信方式。優(yōu)點：處理老臺區(qū)的電能表抄表問題，不用更換電能表，降低改造成本。

3.3混合雙通道抄表方案對于安裝既有智能電能表，又有普通RS-485電能表的區(qū)域，可以采用將以上兩種抄表方案結合起來的實施方案。即對于安裝的智能電能表，在智能電能表上安裝雙通道通信模塊。對于普通RS-485電能表，加裝雙通道采集器。雙通道集中器可以根據(jù)協(xié)議自動區(qū)分智能電能表和采集器，動態(tài)調(diào)整對應的采集方案。優(yōu)點：將智能電能表和普通RS-485電能表兩種抄表方案合2為1，合理利用小區(qū)現(xiàn)有資源，不需要額外拆除RS-485電能表，降低建設和改造成本。

4幾種抄表系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)比較

第一種實驗場景：純微功率無線集中器、純窄帶載波集中器、雙通道集中器放在電動車蓬的某處，不斷增加集中器和測試點（帶有通訊模塊的電能表）距離和電動車數(shù)量，實驗數(shù)據(jù)見表1。第二種實驗場景：純微功率無線集中器、純窄帶載波集中器、雙通道集中器放在公司生產(chǎn)樓一樓西北角處，施加三相電，將帶有微功率無線模塊、窄帶載波模塊、雙通道模塊的電能表分別放在公司生產(chǎn)樓的二樓、三樓、四樓處，同時電能表自動化流水線在工作狀態(tài)，實驗數(shù)據(jù)見表2。對比測試通訊實驗數(shù)據(jù)，可看出在不同的環(huán)境下，純微功率無線或純電力線載波通訊都會存在抄讀的死點，而雙通道通訊能很好地解決抄讀的死點問題，提高抄讀成功率。

5結束語

微功率無線和電力線載波雙通道抄表系統(tǒng)由于采用了兩個網(wǎng)絡的互聯(lián)技術，真正的發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，且安裝調(diào)試、維護都和純微功率無線或純電力線載波抄表系統(tǒng)一樣簡單，可實現(xiàn)現(xiàn)場的通訊成功率100%，如果沒有達到，那就是現(xiàn)場設備可能損壞，對于排除故障等也非常容易。基于以上優(yōu)勢，雙通道抄表技術良好的互補功能使得它應該是未來抄表的發(fā)展方向。

作者：劉志宏單位：河南許繼儀表有限公司