居民小區遠程分析的論文

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

關鍵詞：遠程抄表居民小區低壓擴頻載波

長期以來，供電企業電能數據的抄算都是基於電能表的手工作業方式，即每月定期派人到各用戶那裏抄錄電能表的用電數據作爲電費計算和收繳的依據。隨着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，用電企業紛紛將家屬宿舍的用電管理業務交還供電企業，致使供電企業的電量抄錄的工作量急劇膨脹。白銀供電公司在城網農網改造結束後，僅市區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，遠程抄表系統的技術研究和產品開發勢在必行。

1、遠程自動抄表系統的現狀及其特點

我國研究和開發的集中遠抄系統都是單臺配變下的小區集中遠抄系統，其典型的組網拓撲大致如下：

用戶電能表+單元子區數據採集器+配變集中器+營業站抄算主機

一般情況下，一個家屬樓單元有14~18塊低壓電能表，單元子區數據採集器負責採集其下屬的電能表電量數據，配變集中器則負責收集配電變壓器下面的所有單元子區採集器的數據。從數據傳輸的角度看，其組網方式有：兩級純專線組網方式、兩級混合組網方式、兩級載波組網方式。

從組網拓撲的角度講，只要在用戶電能表、單元子區採集器、配變集中器採用專用信道通信，遠程自動抄表系統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。鑑於這種情況，各科研單位和廠商都在努力做到取消單元子區採集器，實現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，而且數據遠程傳輸的組網拓撲與低壓配電網保持一致，有利於系統的執行維護和用戶數量的模數化擴展。這種拓撲要求一個用戶終端，不但要實現電能計量，還要實現數據資訊的編碼、解碼、載波收發等功能。可以構成完全基於低壓電力線信道的載波電能表+配變集中器+營業站主機的組網拓撲。實踐證明：目前市場上已經開發出來的窄帶調製的低壓載波表和配變集中器很難保證電量或控制數據的可靠傳輸。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，非常地不穩定。因此，低壓電力線載波技術是直接透過電力線組網的遠程抄表系統進一步推廣應用的瓶頸。

本文就是致力於開發擁有自主知識產權的擴頻載波用戶終端，如果一旦開發成功，抄算系統就可以使用簡單明瞭的用戶終端+配變單元+營業站抄算主站的組網拓撲，並將成爲國內主流的抄算系統網絡拓撲。

2、試點居民小區遠程抄表系統方案

在爲試點居民小區遠程抄表系統做的總體技術方案設計時，本文遵循三條基本原則：

（1）在試點小區的配電變壓器和小區住戶之間不敷設任何專用有線信道，數據的上行或下行傳送必須使用現成的低壓電力線作爲數據媒介。

（2）只在配電變壓器和住戶地點對應安裝數據的收發裝置，建立起各用戶電能表終端與配變集中器的直接數據鏈路，中間不安裝任何硬件上的中繼或第二級集中轉發裝置。

（3）用戶電能表終端除了記錄電量外，它還應該執行就地保護和遠方監控功能。

2.1系統組成結構

系統由營業站用電管理主機、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（接於A相的A1~Ap終端、接於B相的B1~Bm終端、接於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、用戶一一對應並就地分佈式安裝。用電管理資訊只能在系統的上下級之間傳輸。其中用電管理主機到配電變壓器集中器的資訊傳輸媒介採用擴頻無線信道或公共電話網（第一級信道），配電變壓器集中器到用戶電能表終端的資訊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，整個系統與配電變壓器下面的電壓電力網一樣呈樹形分佈結構，可隨用戶發展和負荷增長任意擴展。

本系統的任務在於實現低壓用戶電量數據的遠程傳輸和抄算，對低壓電力用戶的負荷和用電進行遠程監控。

由於使用了分佈式安裝結構，在系統建設上與集中抄表箱用電系統相比，無須龐大繁瑣的纜線工程，施工難度將會大幅下降。系統的擴展將隨用戶或配變數量的遞增而模數化擴展，就象增加一個用戶增加一塊電能表那樣簡單。因此，系統擴展極具伸縮性，不會象集中式系統那樣新建時資源閒置，用戶發展時容量又不夠。應該說，這個系統比較符合營業用電管理系統發展的主流方向。

2.2網絡通信協議的選擇與研究

在計算機網絡中，信道共享技術已經比較成熟。一般可分爲兩類，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自己的意願隨機地發送資訊。實際上就是爭用接入，徵用勝利者才能獲得總線，從而發送自己的資訊。典型的隨機接入是載體偵聽多重訪問/衝突檢測（CSMA/CD）網絡，其爲總線型結構，如圖2所示。後文重點介紹的基於CEbus的擴頻載波線性掃頻信號（Chirp）由於具有自相關性，所以適用於CSMA網絡。結合電力線的傳輸特性，綜合比較各種網絡，在本文所要開發的遠抄系統中選用CSMA協議應該是比較合適的。CSMA協議網絡的缺點，如時延不確定、重載時效率下降，對數據傳輸量較小的遠程抄表系統來講，並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開關電源模組、電量傳感器模組、故障保護模組、計量模組、負荷控制模組、LED顯示模組、MCU系統模組、低壓擴頻載波通信模組構成，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爲用戶電能表終端供電，它輸出DC+5V0.5A和DC±15V0.5A電源各一組，其交流輸入的設計範圍爲AC220V±20%。爲了降低電源模組的體積，採用TOP2XX脈寬調製功率開關爲核心器件，構成單端反激式電路。

故障保護模組負責監視低壓用戶的負荷電器的執行情況，當發生短路、過流、漏電或電網電壓超標時，向MCU系統模組發出信號請求執行斷電控制程序。

計量模組負責把用戶的用電功率轉化爲頻率正比於功率大小的脈衝串，提供給MCU系統模組進行電量計算。即使用戶實施了竊電行爲，它仍然可以輸出正確的電量計算脈衝串，並向MCU系統發出竊電信號。

負荷控制模組是一個受MCU系統輸出的TTL電平控制的大功率交流無觸點開關，能夠過零關斷或開啓6kW的負荷功率。

MCU系統由AT89C528位單片機、X5045看門狗芯片和DS1302時鐘日曆芯片構成。它是用戶電能表終端的計算監控中心，主要負責對電量脈衝串進行計算或處理，執行就地或遠方的負荷控制程序，與低壓擴頻載波通信模組進行數據交換並控制其收發信。

顯示模組由一個8位LED及其動態掃描控制芯片構成，主要完成電量數據的舊的查詢顯示，便於用戶瞭解自己的電量或電費情況。

低壓擴頻載波模組主要由SSCP200低壓電力線擴頻載波網絡控制器、前置功放和電力線耦合電路構成，負責對MCU系統送來的數據進行線性掃頻調製，放大後耦合到電力線上，對透過電力線送來的載波信號進行掃頻解調後送給MCU系統。這種數據通信採用了收發分時控制的半雙工通信。該模組與配變集中器的設計通信距離爲1000m。在信道特性最惡劣的情況下，也要保證不小於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組、三個按相配置的電能表模組、MCU單片機系統、3個雙口RAM和一個工控機系統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組分相配置，是爲了杜絕跨相耦合載波信號，電能表和MCU電路按相配置是爲了使集中器能夠並行處理各相的用戶終端數據，增加數據傳輸和處理速度。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。

在配變集中器內設定電能表模組便於對每一相的總電量進行計量和統計分析，以作爲用電管理部門考覈線損和平衡3相負荷的依據。

工控機完成與每一相的MCU系統交換數據，並透過Modem和公用電話網與營業站抄算主機交換數據信號。上行和下行數據要經過工控機的處理，並在不需要數據通信的時候儲存在工控機的磁盤中。鑑於數據處理量不是很大，選用486工控機就能滿足要求。

2.5營業站抄算主站的總體設計

營業站抄算主機主要由PC機、電話線Modem及其軟件構成。主要負責營業站到配電變壓器集中器之間的數據指令的調製發送、解調接受及綜合分析處理。另外，電話線Modem還可以將營業站用電管理主機與電費託收銀行聯機。

PC微機主要完成用戶用電數據的採集，送電能表參數、用電資訊、欠費警告及斷電控制，不安全和違章用電監視報警，用戶用電管理及查詢，報表輸出等功能。

其中，用電採集程序可以進行定時統抄、不定時統抄及單用戶隨時查抄；用電量可按地址統計，也可按相位統計，以便合理地調整配電變壓器A、B、C三相負載的配置，使供電系統的性能發揮得更好；在電費結算時，可透過分時計費，合理定價，使負載基本恆定；電錶參數、用電資訊可送到用戶終端，從而非常方便地修改電能表參數，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視報警功能可使用電監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，沒有發現誤碼的存在。不同的測試環境下，干擾強度與信道輸入阻抗的`波動範圍是影響擴頻載波可靠通信距離的兩個主要因素，數據通信成功的平均幀延遲時間與平均通信距離的關係較大。

戶表採集器的性能指標如下：

·載波通信距離：架空網或電纜電網均可達1000m；

·抄表成功率：可達99.7%；

·抄表正確率：100%；

·讀數準確度：計數精度達到小數點後兩位，用戶電能表讀數與標準電能表的誤差不大於1個字(即0.5kWh)；

·時鐘誤差：每天小於+1s；

·用戶電能表功耗：待機時≤200mW，發送數據時≤700mW，發送時間≤25ms，接收靈敏度≤2mW；

·採用工業級芯片，環境溫度：-20~+85℃；

·工作電壓：AC165~260V；

·掉電保護：電源斷電情況下，數據可儲存10年；

3.2總結與展望

電能直供到戶是供電企業最重要的營銷舉措，這使得電能營銷部門的電能抄算業務量成倍增長。採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、優化電能市場服務的技術手段是供電企業最緊迫的需求。

我國的低壓電能供應都是以配電變壓器爲一個臺區單元，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系統結構相對應的用戶電能表終端＋配變集中器＋營業站電能抄算主機組網的遠程抄表系統，我們認爲這符合低壓遠抄系統的主流發展方向，因而具有推廣應用前景。

具有低壓擴頻載波數據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必須建立在成功地開發用戶電錶終端和配變集中器的基礎之上，還要做營業站抄算主機的軟件編制和數據庫編制。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組作了實用化開發設計和樣機試製，並且透過樣機的現場測試。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和負荷控制功能，這些技術手段對提高供電企業的用電管理水平無疑具有積極的意義。

參考文獻

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