謝明秋　何兵

【摘 要】該文通過對目前國內(nèi)遠程抄表系統(tǒng)進行分析，提出直接利用低壓電力線構(gòu)成與低壓電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對應(yīng)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(guān)鍵詞】遠程抄表；居民小區(qū)；低壓擴頻載波

1.遠程自動抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其特點

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(zé)采集其下屬的電能表電量數(shù)據(jù)，配變集中器則負責(zé)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?gòu)成完全基于低壓電力線信道的載波電能表+配變集中器+營業(yè)站主機的組網(wǎng)拓撲。

2.試點居民小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)方案

（1）在試點小區(qū)的配電變壓器和小區(qū)住戶之間不敷設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)發(fā)裝置。

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

2.1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

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(yīng)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）。本系統(tǒng)的任務(wù)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(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)建設(shè)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(yīng)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(luò)通信協(xié)議的選擇與研究

在計算機網(wǎng)絡(luò)中，信道共享技術(shù)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(luò)，其為總線型結(jié)構(gòu)，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(guān)性，所以適用于CSMA網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合電力線的傳輸特性，綜合比較各種網(wǎng)絡(luò)，在本文所要開發(fā)的遠抄系統(tǒng)中選用CSMA協(xié)議應(yīng)該是比較合適的。CSMA協(xié)議網(wǎng)絡(luò)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(shè)計

用戶電能表終端由AC/DC開關(guān)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(gòu)成。

多輸出開關(guān)電源負責(zé)為用戶電能表終端供電，它輸出DC+5V 0.5A和DC±15V0.5A電源各一組，其交流輸入的設(shè)計范圍為AC220V ±20%。為了降低電源模塊的體積，采用TOP2XX脈寬調(diào)制功率開關(guān)為核心器件，構(gòu)成單端反激式電路。

故障保護模塊負責(zé)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(zé)把用戶的用電功率轉(zhuǎn)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(guān)，能夠過零關(guān)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(gòu)成。它是用戶電能表終端的計算監(jiān)控中心，主要負責(zé)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(gòu)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SSC P200低壓電力線擴頻載波網(wǎng)絡(luò)控制器、前置功放和電力線耦合電路構(gòu)成，負責(zé)對MCU系統(tǒng)送來的數(shù)據(jù)進行線性掃頻調(diào)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(diào)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(shè)計通信距離為1000 m。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(shè)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(diào)制解調(diào)器構(gòu)成。

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(nèi)設(shè)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(shè)計

營業(yè)站抄算主機主要由PC機、電話線Modem及其軟件構(gòu)成。主要負責(zé)營業(yè)站到配電變壓器集中器之間的數(shù)據(jù)指令的調(diào)制發(fā)送、解調(diào)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。

【參考文獻】

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