(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院 國(guó)家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210019)
目前,國(guó)內(nèi)各地居民的水、熱、氣、電四表使用推行“一戶一表”的政策,由于四表分屬于不同行業(yè)部門管理,各自運(yùn)營(yíng),絕大多數(shù)采用人工室內(nèi)抄表方式,抄表耗時(shí)費(fèi)力,且在能源貿(mào)易結(jié)算時(shí)產(chǎn)生各種處理方式,未形成公共事業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的資源共享,帶來(lái)重復(fù)投資、工作效率低等問(wèn)題,也給居民生活帶來(lái)諸多不便。若建成“電水氣熱”多表采集系統(tǒng),將打破電、水、氣、熱表間“語(yǔ)言不通,各成系統(tǒng)”的壁壘。
近幾年,國(guó)家電網(wǎng)公司大力推進(jìn)用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)?;诂F(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)平臺(tái),增加支持多種上行、下行通訊方式的多表采集通信接口轉(zhuǎn)換器,將是建立“電水氣熱”多表采集系統(tǒng)的快速有效途徑。通信接口轉(zhuǎn)換器是指采集電、水、氣、熱表數(shù)據(jù),并對(duì)水、氣、熱表數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ),同時(shí)可以與集中器或手持設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的設(shè)備。目前針對(duì)多表采集系統(tǒng)的研究與建設(shè)處于起步階段,集中器、通信接口轉(zhuǎn)換器等采集終端功能的開(kāi)發(fā)尚未完善,系統(tǒng)對(duì)水、氣、熱表通信協(xié)議的兼容性、數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性及采集成功率等均有待提高。
自2015年4月起,國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司就根據(jù)國(guó)家有關(guān)部門和國(guó)網(wǎng)公司相關(guān)要求,結(jié)合江蘇目前熱表應(yīng)用極少的實(shí)際情況,積極推進(jìn)“電水氣”三表采集系統(tǒng)建設(shè)。在此詳述“電水氣”三表合一數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。
多表采集系統(tǒng)總體上基于國(guó)網(wǎng)公司現(xiàn)有用電信息采集系統(tǒng)架構(gòu),從物理部署上分為主站、通信信道、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備三部分[1-2]。
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,對(duì)應(yīng)用電信息采集系統(tǒng)的服務(wù)主站,用于存儲(chǔ)、處理集中器上傳的各類電、水、氣、熱表數(shù)據(jù),為開(kāi)展進(jìn)一步的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐。
通信信道用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備之間的通信,分上行和下行2種。以集中器為例,上行通道即為與主站之間的遠(yuǎn)程通信,包括光纖、GPRS/CDMA無(wú)線公網(wǎng)等;下行通道是與采集器、通信接口轉(zhuǎn)換器之間的通信,包括電力線載波、RS-485,微功率無(wú)線等。
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是指安裝在各類用戶周邊的采集終端和計(jì)量裝置。其中,采集終端包括集中器、采集器、通信接口轉(zhuǎn)換器等,計(jì)量裝置是各類待采集的電、水、氣、熱表。
目前,多表采集系統(tǒng)普遍采用的通信技術(shù)方案主要有以下3種:
(1)采用微功率無(wú)線上行,即水、氣、熱表全部采用微功率無(wú)線通訊方式,需將采集器和智能電能表的微功率無(wú)線模塊升級(jí),一方面抄讀水、氣、熱表,一方面作為與集中器的上行通道。這種方案適用于廣泛采用微功率無(wú)線電能表的場(chǎng)合,但需大量更換無(wú)線模塊,所以工作量大、成本高。
(2)采用電力線載波上行,需將采集器和智能電能表的載波模塊升級(jí),使之同時(shí)支持與集中器的上行載波通訊和對(duì)水、氣、熱表的微功率無(wú)線通訊。由于上行、下行通訊在一個(gè)模塊上實(shí)現(xiàn),因此升級(jí)難度較大。
(3)增加通信接口轉(zhuǎn)換器。如圖1所示,電能表采集方案不變,水、氣、熱表數(shù)據(jù)由通信接口轉(zhuǎn)換器統(tǒng)一采集后再上傳集中器。通信接口轉(zhuǎn)換器本身具備電力線載波、RS-485,微功率無(wú)線的上行通道和RS-485,M-BUS,微功率無(wú)線的下行通道。這種方案只需完善通信接口轉(zhuǎn)換器,使之成為水,氣,熱表的專用“采集器”;可以兼顧有線、無(wú)線不同類型不同通信協(xié)議的水、氣、熱表計(jì)數(shù)據(jù)抄讀,與原有電能表數(shù)據(jù)采集互不影響;升級(jí)工作量和成本都相對(duì)較小,且適用范圍較前兩種更廣,為建立多表采集系統(tǒng)的優(yōu)選途徑。
圖1 多表采集系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Physical architecture diagram of three meters information collection system
由于上述第三種方案的多表采集系統(tǒng)表計(jì)兼容性強(qiáng),可以取得更好的試驗(yàn)測(cè)試效果,故在此采用通信接口轉(zhuǎn)換器配合集中器的方案,搭建“電水氣”三表合一數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)模擬當(dāng)前用電信息采集系統(tǒng)典型架構(gòu)設(shè)計(jì),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 三表合一數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic of data communication test platform for electricity,water and gas meters
該平臺(tái)由模擬主站系統(tǒng)、Ⅰ型集中器、通信接口轉(zhuǎn)換器、Ⅱ型采集器和各類電水氣表組成。Ⅱ型采集器采用RS-485總線采集電能表數(shù)據(jù);通信接口轉(zhuǎn)換器兼具RS-485,M-BUS和LoRa無(wú)線模塊接口,可抄讀以上3種通訊方式的水、氣表計(jì)數(shù)據(jù)。兩者將抄讀數(shù)據(jù)經(jīng)電力線寬帶載波上傳至集中器,實(shí)現(xiàn)集中器對(duì)“電水氣”三表的一體化采集。集中器通過(guò)以太網(wǎng)與模擬主站系統(tǒng)通信,模擬主站系統(tǒng)對(duì)上傳的各個(gè)表計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理并展示呈現(xiàn),實(shí)現(xiàn)對(duì)不同采集終端多表采集相關(guān)性能指標(biāo)的評(píng)測(cè)。
平臺(tái)的模擬主站系統(tǒng)采用基于C#語(yǔ)言的Microsoft Visual Studio 2010自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),數(shù)據(jù)庫(kù)使用Oracle 11g,以網(wǎng)頁(yè)形式展示多表采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)、表計(jì)通信方案及運(yùn)行數(shù)據(jù)。
集中器選用林洋DJGZ23-TLY2210型多表采集集中器,通信接口轉(zhuǎn)換器選用林洋TLY2311型通信接口轉(zhuǎn)換器,Ⅱ型采集器選用國(guó)電南瑞DCZL-KDSEA382型采集器。
電、水、氣表大部分選自江蘇省各多表采集試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)在運(yùn)設(shè)備,確保平臺(tái)對(duì)常見(jiàn)通訊類型電水氣表的廣泛覆蓋,使測(cè)試結(jié)果具有更高的通用性。平臺(tái)將電、水、氣表分別安裝在不同的定制試驗(yàn)架上,形成3個(gè)獨(dú)立的采集單元。同時(shí)配置了空氣壓縮機(jī)、水泵等,并接入了空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱等家用電器,模擬真實(shí)供水、供電、供氣環(huán)境,測(cè)試采集終端在用戶真實(shí)生活場(chǎng)景下的多表采集性能。
電能表采集單元的試驗(yàn)架將各智能電能表的電流回路串接。為了保證走字的一致性,電能表電壓由一個(gè)多路隔離電壓互感器提供,每個(gè)表位分到一組電壓。設(shè)置2套電流回路分別對(duì)應(yīng)虛負(fù)荷走字和實(shí)負(fù)荷走字,通過(guò)開(kāi)關(guān)切換,如圖3所示。
圖3 電能表采集單元接線原理Fig.3 Wiring diagram of smart meter data collection unit
虛負(fù)荷回路串接一個(gè)升流器,升流器輸出端電壓加在電能表的電流端子兩端,使電流回路產(chǎn)生電流,可以通過(guò)控制升流器的變比來(lái)改變電流的幅值。實(shí)負(fù)荷回路并聯(lián)多個(gè)電源插座,接入外部設(shè)備后則產(chǎn)生實(shí)際負(fù)載電流,采用雙回路供電,可選擇負(fù)載電流是否經(jīng)電能表。電能表采集單元選用了冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)3種功耗不同的常用家電作為實(shí)負(fù)荷,可模擬用戶各類用電場(chǎng)景,考察電能表在家庭實(shí)際用電環(huán)境下的電能計(jì)量性能及采集終端帶載能力。
水表采集單元的試驗(yàn)架為鋁型材框架結(jié)構(gòu),上層安裝水表,下層放置水箱和水泵。水表采集單元的設(shè)計(jì)原理如圖4所示,采用水泵抽水+水箱蓄水的方式實(shí)現(xiàn)采集單元內(nèi)部的水循環(huán)。水泵從水箱抽水后供水至水表安裝位。各水表采用先串接、再并接的方式連接,每排水表兩端均設(shè)有調(diào)節(jié)閥來(lái)控制進(jìn)出水量大小,排與排間互不影響。水經(jīng)各排水表流入水箱,再經(jīng)水泵重新抽出,依此循環(huán)。
圖4 水表采集單元原理示意Fig.4 Schematic diagram of water meter data collection unit
燃?xì)獗聿杉瘑卧O(shè)計(jì)原理與水表采集單元類似,如圖5所示。由空氣壓縮機(jī)壓縮空氣后經(jīng)每排的調(diào)節(jié)閥流過(guò)各個(gè)燃?xì)獗?,模擬實(shí)際供氣場(chǎng)景。不同的是不需要?dú)怏w在內(nèi)部循環(huán),每排空氣經(jīng)另一端調(diào)節(jié)閥直接從出氣口排出。
圖5 燃?xì)獗聿杉瘑卧硎疽釬ig.5 Schematic diagram of gas meter data collection unit
平臺(tái)廣泛搜集了省內(nèi)各多表采集試點(diǎn)在運(yùn)計(jì)量表計(jì),覆蓋了RS-485,M-BUS,LoRa無(wú)線等多種通訊類型。對(duì)每個(gè)采集單元分別選出20塊具有代表性的表計(jì),作為測(cè)試樣表安裝在試驗(yàn)架上,具體配置如表1所示。
表1 電、水、氣表配置方案Tab.1 Configuration of electricity,water and gas meters
建成的“電水氣”三表合一數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物全景如圖6所示。其中,集中器1臺(tái),通信接口轉(zhuǎn)換器和Ⅱ型采集器各2臺(tái),參與多表采集的電、水、氣表各20塊,電能表采集單元接入了空調(diào)、洗衣機(jī)和冰箱。
圖6 “電水氣”三表合一數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物Fig.6 Overall view of data communication test platform for electricity,water and gas meters
通信接口轉(zhuǎn)換器,在多表采集系統(tǒng)中作為連接各類水氣表計(jì)和集中器的“橋梁”,其性能直接影響到多表采集的整體效果。在數(shù)據(jù)抄讀過(guò)程中,通信接口轉(zhuǎn)換器首先從上行通道接收來(lái)自集中器的數(shù)據(jù)抄讀命令,對(duì)之拆幀解析后,從下行通道轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的水、氣表,待水、氣表做出應(yīng)答后,接收應(yīng)答報(bào)文,再重新封裝,從上行通道轉(zhuǎn)發(fā)集中器。
目前的通信接口轉(zhuǎn)換器大多僅支持單一通訊方式的水、氣表數(shù)據(jù)的抄讀,表計(jì)兼容性不強(qiáng),且抄讀效率不高,不利于多表采集系統(tǒng)的建設(shè)推廣。對(duì)此,對(duì)該平臺(tái)的通信接口轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了自適應(yīng)抄表設(shè)計(jì);針對(duì)LoRa無(wú)線抄讀成功率低、易損耗表計(jì)電池的現(xiàn)狀,提出了改進(jìn)方案,增加無(wú)線抄表數(shù)據(jù)緩存和抄讀保護(hù)機(jī)制,有效提升了多表采集數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。
自適應(yīng)抄表可使通信接口轉(zhuǎn)換器自動(dòng)識(shí)別水表、燃?xì)獗怼崃勘?、智能電能表的通訊方式,自?dòng)適應(yīng)DL/T 645-2007,DL/T 645-1997,CJ/T 188-2004等標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約,通過(guò)表號(hào)自動(dòng)綁定自適應(yīng)抄讀成功的下行通道,后續(xù)抄讀時(shí)優(yōu)先采用綁定通道采集數(shù)據(jù),以提高表計(jì)數(shù)據(jù)抄讀的成功率和效率。同時(shí),設(shè)置了每日抄表失敗次數(shù)上限,以應(yīng)對(duì)多次抄表失敗的情形,避免因表計(jì)自身故障、人為設(shè)置錯(cuò)誤等所導(dǎo)致的重復(fù)、無(wú)效抄表,對(duì)通信接口轉(zhuǎn)換器的損耗及整體抄表流程的阻塞。自適應(yīng)抄表流程如圖7所示。
圖7 自適應(yīng)抄表流程Fig.7 Flow chart of adaptive meter reading procedure
具體步驟如下:
步驟1從上行通道接收到來(lái)自集中器的水表、燃?xì)獗?、熱量表?shù)據(jù)抄讀命令后,查詢表號(hào)(即表通信地址)是否存在于通信接口轉(zhuǎn)換器的配置檔案中。
步驟2若表號(hào)已存在,按配置檔案中已綁定的下行通道轉(zhuǎn)發(fā)抄讀命令;若表號(hào)不存在,則將表號(hào)存儲(chǔ)在通信接口轉(zhuǎn)換器的配置檔案中,并在該次抄讀時(shí)在M-BUS,RS-485,LoRa無(wú)線通道中,同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)抄讀命令。
步驟3待某路通道對(duì)抄讀命令回復(fù)應(yīng)答報(bào)文后,通信接口轉(zhuǎn)換器根據(jù)接收的抄讀報(bào)文自動(dòng)識(shí)別下行通道,并存儲(chǔ)于配置檔案中,實(shí)現(xiàn)表號(hào)與該種下行通道的綁定。
步驟4通信接口轉(zhuǎn)換器根據(jù)下行通道的不同,將應(yīng)答報(bào)文按照相應(yīng)通信規(guī)約,以與表計(jì)通訊方式匹配的波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位從上行通道回復(fù)給集中器,結(jié)束本次抄讀。若未接收到來(lái)自下行通道的應(yīng)答報(bào)文,則回到步驟2重新嘗試,當(dāng)天最多轉(zhuǎn)發(fā)抄讀命令3次,第3次未接收到應(yīng)答報(bào)文后不再響應(yīng)對(duì)該表號(hào)表計(jì)的抄讀命令,即每日抄表失敗次數(shù)上限為3。次日零點(diǎn)后抄讀失敗次數(shù)清零,并返回步驟2。
LoRa是一種線性調(diào)頻擴(kuò)頻通信技術(shù)。它實(shí)現(xiàn)了低功耗、遠(yuǎn)距離通信、強(qiáng)抗干擾能力的結(jié)合,是現(xiàn)場(chǎng)水、氣、熱表普遍采用的無(wú)線通訊方式[3-4]。通信接口轉(zhuǎn)換器通過(guò)內(nèi)置LoRa模塊完成對(duì)無(wú)線水、氣表的數(shù)據(jù)抄讀。
LoRa模塊以通信接口轉(zhuǎn)換器為核心進(jìn)行自動(dòng)無(wú)線組網(wǎng),每塊無(wú)線表計(jì)在登記后都作為L(zhǎng)oRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的從節(jié)點(diǎn)。由于LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通訊存在低功耗喚醒機(jī)制,此時(shí)對(duì)單一節(jié)點(diǎn)的1次數(shù)據(jù)抄讀時(shí)間約10 s。而目前通信接口轉(zhuǎn)換器上行通訊方式一般為電力線載波,上行通信的超時(shí)時(shí)間較短(一般小于6 s),所以無(wú)線抄表完成時(shí)集中器可能因通信超時(shí)無(wú)法從上行通道獲取表計(jì)數(shù)據(jù)。另外,由于目前LoRa無(wú)線表計(jì)采用電池供電,若頻繁處理數(shù)據(jù)抄讀指令將增加耗電量,減少電池使用壽命,增加現(xiàn)場(chǎng)表計(jì)的運(yùn)維成本。
針對(duì)上述問(wèn)題,對(duì)LoRa無(wú)線抄表流程進(jìn)行了改進(jìn),增加了數(shù)據(jù)緩存機(jī)制,即每成功抄讀一塊表計(jì),通信接口轉(zhuǎn)換器接收到的應(yīng)答報(bào)文除返回上行通道外,還將自動(dòng)緩存。當(dāng)再次接收到來(lái)自上行通道的數(shù)據(jù)抄讀命令時(shí),立即回復(fù)上次緩存的應(yīng)答報(bào)文,確保集中器從上行通道采集數(shù)據(jù)的成功率。還提出了一種LoRa無(wú)線數(shù)據(jù)抄讀保護(hù)方案,用以“屏蔽”短時(shí)間內(nèi)不必要的數(shù)據(jù)抄讀指令,具體機(jī)制如下:
(1)通信接口轉(zhuǎn)換器可設(shè)置為調(diào)試模式或保護(hù)模式,默認(rèn)為保護(hù)模式;
(2)在調(diào)試模式下,數(shù)據(jù)抄讀命令將無(wú)條件轉(zhuǎn)發(fā),調(diào)試模式的維持時(shí)間可設(shè)置,設(shè)置為10 min整數(shù)倍(考慮到實(shí)際情況,調(diào)試模式每日凌晨2點(diǎn)自動(dòng)關(guān)閉);
(3)在保護(hù)模式下,對(duì)于已經(jīng)抄讀成功的表計(jì)每4 h為轉(zhuǎn)發(fā)周期,4 h內(nèi)對(duì)該表計(jì)的抄讀均回復(fù)緩存的應(yīng)答報(bào)文;
(4)在保護(hù)模式下,對(duì)抄讀失敗表計(jì)的數(shù)據(jù)抄讀命令在當(dāng)天內(nèi)最多轉(zhuǎn)發(fā)3次,每日過(guò)零點(diǎn)該表計(jì)的抄讀失敗次數(shù)清零,次日重新計(jì)數(shù)。
綜上所述,考慮數(shù)據(jù)緩存機(jī)制和數(shù)據(jù)抄讀保護(hù)的LoRa無(wú)線抄表流程如圖8所示。
圖8 改進(jìn)后的LoRa無(wú)線抄表流程Fig.8 Flow chart of advanced meter reading procedure based on LoRa technology
為應(yīng)對(duì)LoRa無(wú)線抄表運(yùn)行異常的情況,當(dāng)通信接口轉(zhuǎn)換器對(duì)LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的多次數(shù)據(jù)抄讀均失敗時(shí),可能是由于LoRa模塊自身參數(shù)設(shè)置不當(dāng),可設(shè)置抄讀失敗次數(shù)累計(jì)達(dá)到100次則復(fù)位LoRa模塊。
該平臺(tái)可測(cè)試集中器、通信接口轉(zhuǎn)換器等采集終端針對(duì)不同類型電、水、氣表的數(shù)據(jù)采集能力,因此在模擬主站系統(tǒng)的交互界面上基于 3種采集單元,以“戶”為單位成組展示電水氣表信息。采集單元里位置相同的3塊表計(jì)共同組成了 “一戶家庭”,表計(jì)讀數(shù)即表征了該戶人家的用電、用水、用氣情況。
對(duì)每組表計(jì),交互界面會(huì)展示組內(nèi)各塊表的通訊方式及運(yùn)行數(shù)據(jù),包括累計(jì)示數(shù)、當(dāng)日走字示數(shù),并輪流顯示電、水、氣表近一周的日走字示數(shù)折線圖,如圖9所示。
圖9 模擬主站系統(tǒng)交互界面Fig.9 User interface of management station
該平臺(tái)投運(yùn)后,可通過(guò)仿真用能環(huán)境下的多表采集試驗(yàn)測(cè)試不同廠家采集終端對(duì)全省不同類型電、水、氣表通信協(xié)議的兼容性、數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性及采集成功率等性能指標(biāo)。若出現(xiàn)采集異常,可就地進(jìn)行問(wèn)題排查,并以表計(jì)數(shù)據(jù)成功、穩(wěn)定采集作為采集終端性能質(zhì)量判定依據(jù)。
在當(dāng)前采集終端 (林洋集中器+林洋通信接口轉(zhuǎn)換器)配置下,從交互界面上可查詢到近一周的電水氣表數(shù)據(jù)均被準(zhǔn)確采集,數(shù)據(jù)采集成功率達(dá)到100%,表明該供應(yīng)商產(chǎn)品的表計(jì)兼容性強(qiáng),多表采集質(zhì)量較高。
本文設(shè)計(jì)了一種“電水氣”三表合一數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)搭建多表采集單元,模擬真實(shí)供水、供電、供氣環(huán)境以及優(yōu)化通信接口轉(zhuǎn)換器抄表方案,可實(shí)現(xiàn)對(duì)RS-485,M-BUS,LoRa無(wú)線等多種主流通訊方式不同通信協(xié)議的水表、燃?xì)獗怼⒅悄茈娔鼙碜x數(shù)的集中采集。數(shù)據(jù)定時(shí)上傳至模擬主站系統(tǒng)分析處理,可測(cè)試仿真用能環(huán)境下不同廠家采集終端對(duì)全省不同類型電、水、氣表通信協(xié)議的兼容性、數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性及采集成功率等性能指標(biāo),為今后進(jìn)一步開(kāi)展多表采集系統(tǒng)建設(shè)提供技術(shù)支撐。
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