徐 晴，劉 建，田正其，祝宇楠，王 蕾，吳麗云

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 210019；2.國(guó)家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210019；3.杭州炬華科技股份有限公司，杭州 311121)

水、熱、氣、電四表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

徐 晴1,2，劉 建1,2，田正其1,2，祝宇楠1,2，王 蕾3，吳麗云3

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 210019；2.國(guó)家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210019；3.杭州炬華科技股份有限公司，杭州 311121)

目前居民在用的水表、熱表、氣表、和電表四種表計(jì)雖然在抄表付費(fèi)流程上相似，但由于分屬不同部門管理，無(wú)法形成資源共享，既浪費(fèi)工作量又給居民帶來(lái)不便；文章論述了四表合一的技術(shù)構(gòu)架，提出了從主站，通信信道，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備3個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)的方法；首先，介紹了協(xié)議轉(zhuǎn)換器的主要設(shè)計(jì)原理和用電信息采集設(shè)備—集中器的上下行通訊協(xié)議的改進(jìn)方法，并且擴(kuò)展協(xié)議轉(zhuǎn)換器多種下行通訊方式以匹配市場(chǎng)上水表、熱表、氣表通訊方式多樣化的現(xiàn)狀，在用電信息采集系統(tǒng)平臺(tái)上增加協(xié)議轉(zhuǎn)換器及升級(jí)現(xiàn)有集中器程序，通過現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單布線快速經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)四表合一數(shù)據(jù)采集；按此方案布局的四表合一采集試點(diǎn)，項(xiàng)目建設(shè)簡(jiǎn)潔、迅速，抄表運(yùn)行穩(wěn)定，一次性采集成功率在95%以上。

四表合一；協(xié)議轉(zhuǎn)換器；LoRa微功率無(wú)線；M-BUS

0 引言

目前國(guó)內(nèi)各地居民水、熱、氣、電的使用推行一戶一表的政策，但這四表分屬不同行業(yè)管理，各自運(yùn)營(yíng)，在能源貿(mào)易結(jié)算時(shí)產(chǎn)生各種處理方式。尤其氣表、熱表，一般安裝在室內(nèi)，不確定因數(shù)較多使抄表員工作難度增大，效率降低。

近幾年，國(guó)家電網(wǎng)大力推進(jìn)智能用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)[1-2]，全國(guó)大部分地區(qū)智能電網(wǎng)覆蓋率基本達(dá)到90%以上。本文描述的水、熱、氣、電四表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是基于用電信息采集系統(tǒng)平臺(tái)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器這個(gè)“翻譯官”，打破水、熱、氣、電間“語(yǔ)言不通，各自處理”的壁壘，采集四表相應(yīng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一上傳至集中器，將原有的人工抄表升級(jí)為遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。利用“互聯(lián)網(wǎng)+”和大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)四表合一后，使人們享受到了一站式服務(wù)帶來(lái)的便捷，減少了公共事業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的重復(fù)投資，降低了公共事業(yè)的綜合運(yùn)營(yíng)成本，構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)。

1 四表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)從物理上根據(jù)部署位置分為主站，通信信道，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備三部分[3-4]。

主站：主站一般由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，接口服務(wù)器，防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成；

通信信道：通信信道分上行通信和下行通信兩部分，對(duì)于集中器來(lái)說上行通信指系統(tǒng)主站與集中器之間的遠(yuǎn)程通信信道，主要包括光纖、GPRS/CDMA的2G、4G等無(wú)線通訊；下行通信是指集中器與協(xié)議轉(zhuǎn)換器或智能電表之間的通信，主要包括電力線載波，RS485，微功率無(wú)線等通訊方式；對(duì)于協(xié)議轉(zhuǎn)換器來(lái)說上行通訊與集中器的下行通信一致，而下行通信因采集內(nèi)容增加了水、熱、氣表，所以除了RS485、微功率無(wú)線(LoRa)、電力線載波外還包含了M-BUS通信。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是指安裝在現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)量裝置及采集裝置，主要由采集裝置集中器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，計(jì)量裝置水表、熱表、燃?xì)獗?、電表等組成。

四表合一的采集系統(tǒng)是建立在用電信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，因此需要保留現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)的整個(gè)框架，在這個(gè)基礎(chǔ)之上，花盡可能小的代價(jià)建立四表合一采集系統(tǒng)。因此本文考慮在電力采集器這一層增加協(xié)議轉(zhuǎn)換器，解決對(duì)、氣、熱表的采集，增加協(xié)議轉(zhuǎn)換器后，整個(gè)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 四表合一采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 四表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 通訊協(xié)議擴(kuò)展技術(shù)

目前電力采集系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)規(guī)范，主站與集中器、專變終端之間采用“Q/GDW1376.1-2013 電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議 第1部分：主站與采集終端通信協(xié)議”[5]進(jìn)行協(xié)議通信；集中器與本地通信模塊(PLC、微功能無(wú)線)之間采用“Q/GDW1376.2-2013 電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議 第2部分：集中器本地通信模塊接口協(xié)議”[6]進(jìn)行通信；集中器、采集器、專變終端與電能表采用“DLT 645多功能電能表通信協(xié)議及其備案文件”進(jìn)行通信。而目前的水、氣、熱表的通信協(xié)議極不規(guī)范，主要有以下幾種協(xié)議：

①CJT 188-2004 戶用計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件；

②在電能表DLT 645-1997協(xié)議上自定義；

③各燃?xì)夤?、水?wù)公司、表廠等自定義的通信協(xié)議。

針對(duì)這個(gè)問題，本文給出的解決方案是，在通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器上行及以上的部分，采用統(tǒng)一的通信協(xié)議：DL/T 645多功能電能表通信協(xié)議[7]，這樣可以保證整個(gè)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器這一層實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)化，即翻譯。本方案分別對(duì)上行各個(gè)協(xié)議做了擴(kuò)充，使集中器能識(shí)別水、熱、氣、電四表返回?cái)?shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)分別判斷和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)四表合一采集系統(tǒng)協(xié)議的完整性。擴(kuò)充內(nèi)容主要為幀格式的定義和數(shù)據(jù)項(xiàng)的擴(kuò)充，幀格式的定義在原來(lái)645規(guī)約的格式中增加儀表類型及儀表地址，可以根據(jù)返回的儀表類型解析對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，具體如表1～2所示。

表1 645規(guī)約幀格式定義

當(dāng)擴(kuò)充了協(xié)議轉(zhuǎn)換器中的645通訊協(xié)議后，為了識(shí)別增加的內(nèi)容，集中器在原來(lái)上行通訊“QGDW1376.1-2013 電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議 第1部分：主站與采集終端通信協(xié)議”的基礎(chǔ)上同樣需擴(kuò)展部分條款，滿足對(duì)水、熱氣表增加數(shù)據(jù)的識(shí)別。重要參數(shù)如檔案參數(shù)配置F10，擴(kuò)展內(nèi)容如表3～4所示。

表3 擴(kuò)展參數(shù)F10

通信協(xié)議類型：當(dāng)表計(jì)為水、氣、熱表時(shí)，填寫32。

通信地址：填寫水氣熱表地址的A0～A5。

有功電能示值整數(shù)位及小數(shù)位個(gè)數(shù)：填寫水氣熱表地址的A6。

表4 通信地址格式定義

用戶大類號(hào)及用戶小類號(hào)：填寫水氣熱表的儀表類型。

一類數(shù)據(jù)F188格式定義：F188數(shù)據(jù)具有復(fù)用功能，根據(jù)儀表類型區(qū)分，抄讀水氣表(10H～19H，30H～49H)與抄讀熱表(20H～29H)的上行報(bào)文數(shù)據(jù)單元格式相同但是內(nèi)容不同，熱表數(shù)據(jù)格式一致，數(shù)據(jù)內(nèi)容解析時(shí)能根據(jù)儀表類型解析。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與日、月凍結(jié)數(shù)據(jù)類似，凍結(jié)數(shù)據(jù)會(huì)增加時(shí)標(biāo)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)具體格式如表5～8所示。

表5 水、氣表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)格式定義

表6 熱表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)格式定義

2.2 低功耗、遠(yuǎn)距離無(wú)線組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)技術(shù)

水、熱、氣、電四表中只有電表是在運(yùn)行過程中有交流電源供電，其余三表計(jì)量過程中靠電池供電，為了保證表計(jì)工作時(shí)間，表計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)均采用低功耗設(shè)計(jì)，故水、熱、氣表常見有線通訊方式為M-BUS通信，而考慮到部分表計(jì)需要入戶安裝有線，通訊方式安裝復(fù)雜，通訊線路受干擾因素更多，故很多廠家傾向于采用無(wú)線方式通訊。

表7 狀態(tài)字ST定義

表8 單位代號(hào)單位代號(hào)

2.2.1 M-BUS優(yōu)化電路設(shè)計(jì)技術(shù)

M-BUS通訊方式在水、熱、氣表中普遍存在，它是一種半雙工通信總線,通信時(shí)采用主從方式[8-10]。M-BUS 總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位定義如下：①由主站向從站傳輸?shù)男盘?hào)采用電壓值的變化來(lái)表示, 即主站向從站發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電壓脈沖序列, 用+36 V表示邏輯1，用+24 V表示邏輯0。在穩(wěn)態(tài)時(shí),線路將保持邏輯1狀態(tài)。②從站向主站傳輸?shù)男盘?hào)采用電流值的變化來(lái)表示, 即由從站向主站發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電流脈沖序列, 通常用1.5 mA的電流值表示邏輯1,當(dāng)傳輸0時(shí),由從站控制使電流值增加11～20 mA。

表9 每路M-Bus主節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)規(guī)格要求

表10 每路M-Bus主節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)規(guī)格要求

M-BUS電路要求如下。

(1)電源方案。

電源方案，采用開關(guān)電源設(shè)計(jì)，輸出兩路電源。由于M-BUS回路負(fù)載不確定，功耗可能較大，采用開關(guān)電源反饋回路作為M-BUS電源輸出，保證輸出電壓的穩(wěn)定。M-BUS主電路中要輸出24 V和36 V兩個(gè)電源。有兩種方案，一種是開關(guān)電源輸出24 V，再由升壓電路升壓到36 V;另外一種方案是開關(guān)電源輸出36 V，再由降壓電路降到24 V?？紤]輸出電壓的穩(wěn)定性，一般選擇降壓方案。如圖2所示。

圖2 電源系統(tǒng)框圖

(2)帶載能力。

本系統(tǒng)的36 V電源設(shè)計(jì)的帶載能力是300 mA,按照每路M-Bus主節(jié)點(diǎn)信號(hào)接收規(guī)格要求，當(dāng)未通訊的時(shí)候每個(gè)從電路的電流輸出最大為1.5 mA，所以按照電源的最大負(fù)載能力300 mA計(jì)算，一路M-BUS主電路最多可以帶200塊負(fù)載，考慮通訊時(shí)刻，只有一個(gè)從電路在通訊，因此回路中電流最多會(huì)增加20 mA，所以一路M-BUS的理論最大帶載能力為186塊負(fù)載。如已知某公司生產(chǎn)的水表靜態(tài)電流只有0.6 mA，理論上一個(gè)轉(zhuǎn)換器一路M-BUS電路能帶該公司水表的數(shù)量為400塊以上。

(3)發(fā)送回路。

M-BUS的發(fā)送回路有個(gè)特點(diǎn)是半雙工通訊，為了提高利用率，采用如圖13所示的電路設(shè)計(jì)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，有兩路M-BUS輸出，但是只有一路串口用于通訊，這一路串口可以完成兩路M-BUS的通訊，M-BUS1和M-BUS2之間的切換則是通過不同的MOS管來(lái)切換的MOS U13完成的是信號(hào)36V和24V的調(diào)制，U14和U15則是決定把調(diào)制好的信號(hào)切換到哪一路M-BUS輸出端。因?yàn)樵谌我鈺r(shí)刻都只有一塊表用于通訊，所以每一路放置一個(gè)MOS管的方式可以實(shí)現(xiàn)所有的表都可以完成通訊。這樣僅僅增加很少的器件就能夠使利用率成倍的提高,而對(duì)電源的帶載能力要求就低了很多。

圖3 發(fā)送回路原理圖

(4)接收回路。

M-BUS接收回路是一種電流脈沖序列，一般是通過電阻把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)采樣，采樣電阻取12歐姆。實(shí)際上負(fù)載越多，靜態(tài)電流就越大，采樣的電壓就越高。如果不采取措施，對(duì)于后面的轉(zhuǎn)換電路是非常不利的，這樣也會(huì)增加后端信號(hào)采集的成本。根據(jù)接收回路電流變化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖4所示電路。

圖4 接收回路原理圖

雖然C47只是一個(gè)簡(jiǎn)單的貼片瓷片電容，但是可以把接收回路里面沒用的直流分量濾除，只通過有用的交流分量。不管接多少負(fù)載，有信號(hào)返回的時(shí)候的交流分量是固定不變的，通常介于11～20 mA之間。濾除了直流分量后的交流分量電壓信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放兩級(jí)放大，可以得到非常好的方波信號(hào)，這樣再通過光耦耦合，可以把M-BUS總線上的信息傳達(dá)給處理器。放大電路如圖5所示。

圖5 信號(hào)放大電路原理圖

M-BUS通信接線示意圖如圖6所示。

圖6 M-BUS總線結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 LoRa無(wú)線通訊方式技術(shù)分析

本文描述的下行無(wú)線通訊方式采用LoRa無(wú)線通訊方式[11]。LoRa是基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)通信，這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離通信的最完美的結(jié)合，而線性調(diào)頻擴(kuò)頻具有極強(qiáng)的抗干擾性點(diǎn)，非常適合在電池供電設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)通訊。

(1) LoRa與常用表計(jì)無(wú)線通訊方式比較。

隨著表計(jì)智能化、自動(dòng)化的發(fā)展，使用無(wú)線進(jìn)行集中抄表產(chǎn)品大量出現(xiàn)，無(wú)線技術(shù)主要有OOK、FSK、GFSK、LoRa。見表11。

表11 3種無(wú)線技術(shù)參數(shù)比對(duì)

(a)GFSK與LoRa接收靈敏度對(duì)比(接收靈敏度越高傳輸距離越遠(yuǎn))[11]

在發(fā)射功率固定的情況下，要增加傳輸距離，必須要有高的接收靈敏度。GFSK接收靈敏度可到-120 dBm，LoRa接收靈敏度可到-140 dBm(每小6 dBm通信距離可增加一倍)，見圖7。

圖7 GFSK與LoRa接收靈敏度對(duì)比圖

(b)GFSK與LoRa帶寬對(duì)比(圖8，帶寬越寬抗干擾能力越強(qiáng))

圖8 GFSK與LoRa帶寬對(duì)比圖

(2)本系統(tǒng)中LoRa使用參數(shù)。

工作頻率：470 MHz；

發(fā)射功率：50 mW(17 dBm)；

連續(xù)發(fā)射時(shí)間：小于1秒；

該技術(shù)參數(shù)完全滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《微功率(短距離)無(wú)線電設(shè)備的技術(shù)要求》，發(fā)射功率和我們使用的手機(jī)WIFI差不多，但一天發(fā)射的總時(shí)間加起來(lái)都不會(huì)超過10秒。

3 四表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用

本系統(tǒng)的實(shí)施與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境密不可分，因水、熱、氣表規(guī)約不統(tǒng)一，通訊方式及結(jié)構(gòu)多樣化，四表組合隨機(jī)，需在全國(guó)各地展開全面的試點(diǎn)運(yùn)行。對(duì)于已安裝用電信息采集系統(tǒng)的試點(diǎn)，勘察現(xiàn)場(chǎng)條件后給出合理的采集方案，對(duì)于未安裝用電信息采集系統(tǒng)的試點(diǎn)如新建小區(qū)，可以通過現(xiàn)場(chǎng)可布線及容量決定采集方案。本文描述一個(gè)未安裝用電信息采集系統(tǒng)的試點(diǎn)運(yùn)行方案。

項(xiàng)目規(guī)模：100個(gè)II型集中器，100個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，400只智能水表，400只燃?xì)獗恚?00只電能表；

系統(tǒng)方案：采用遠(yuǎn)傳智能水表，通過有線M-BUS與協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接，采用遠(yuǎn)傳燃?xì)獗硗ㄟ^微功率無(wú)線與協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接；協(xié)議轉(zhuǎn)換器與集中器采用RS485連接；

系統(tǒng)物理架構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 試點(diǎn)采集系統(tǒng)物理架構(gòu)圖

系統(tǒng)通訊方式：集中器通過GPRS和系統(tǒng)主站連接；電表、協(xié)議轉(zhuǎn)換器通過RS485總線和集中器連接；水表通過M-BUS總線和協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接；氣表通過微功率無(wú)線(LoRa)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接。

該系統(tǒng)目前已在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用，項(xiàng)目建設(shè)簡(jiǎn)潔、迅速，抄表運(yùn)行穩(wěn)定，一次性采集成功率在95%以上。

4 結(jié)論

本文主要描述四表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成，技術(shù)分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況?；谠瓉?lái)廣泛的用電信息采集系統(tǒng)平臺(tái)，增加協(xié)議轉(zhuǎn)換器及下行通訊方式的選擇搭建四表合一采集系統(tǒng)是一個(gè)快速，有效的建立方式，本系統(tǒng)的推廣需要由水，熱，氣，電各個(gè)職能部門聯(lián)合推動(dòng)，目前已在全國(guó)范圍內(nèi)開展多地試點(diǎn)項(xiàng)目，從小范圍采集，兩表，三表采集開始，相信在不久的將來(lái)會(huì)在全國(guó)推廣四表合一采集項(xiàng)目。

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Research and Application on Data Acquisition System about Water, Heat, Gas, and Electricity Meters in One

Xu Qing1,2，Liu Jian1,2，Tian Zhengqi1,2，Zhu Yunan1,2, Wang Lei3，Wu Liyun3

(1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 210019, China; 2.State Grid Key Laboratory of Electric Energy Metering, Nanjing 210019, China； 3.Hangzhou Sunrise Technology Co.Ltd., Hangzhou 311121, China)

At present, water, heat, gas, and electricity four meters belong to different departments for management. Although similar in meter reading and payment processing, they cannot share the same resources, which is a waste of workloads and inconvenient for users. This paper discusses the technique framework of “four meters in one”, proposed a method of modifying the current system from three aspects, i.e., the master station, the communication channel, and the devices. This paper introduced the main design principle of protocol converter and the improvements of the communication protocols of centralized meter reading terminal, and extending downward communication ways on protocol converter to match the present situation of diversification of communication about water meter, heat meter, gas meter in the market. With the popularity of the smart grid, increase protocol converters and upgrading existing centralized concentrator program on this good platform for the data acquisition, through the simple wiring after the implementation of rapid economic four meters data collection. Using this proposed method, the demonstration projects shows that, it is easy and fast to build, meter reading runs well, and the one-time acquisition success rate is above 95%.

four meters in one； protocol converters； LoRa micropower wireless； M-BUS

2016-11-02；

2016-11-24。

徐 晴(1973-)，女，研究員級(jí)高工，主要從事電力計(jì)量檢測(cè)技術(shù)方向研究。

1671-4598(2017)03-02017-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.059

TM933

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