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電能自動抄表技術及相關思考

字體： 放大字體  縮小字體 發布日期：2004-02-24  瀏覽次數：877
綜述了與電能量自動抄取相關的電子式電度表及電能數據遠傳通訊技術在近幾年的發展狀況，又注意到電能、燃氣、水及熱量自動抄表技術融為一體的進步趨熱，并對網絡化測量條件下電能自動抄表技術可能的進展做了預測。 
　　　　　　　　　　  電能自動抄表技術及相關思考 
　　　　　　　　　　  

1 引言 

　　自動抄表（Automatic Meter Reading-AMR）是指采用通訊和計算機網絡等技術自動讀取和處理表計數據。發展電能自動抄表技術是提高用電管理水平的需要，也是網絡和計算機技術迅速發展的必然。在用電管理方面，采用自動抄表技術，不僅能節約人力資源，更重要的是可提高抄表的準確性，減少因估計或謄寫而造成帳單出錯，使供用電管理部門能及時準確獲得數據信息。由于電力用戶因此不再需要與抄表者預約上門抄表時間，還能迅速查詢帳單，故這種技術越來越受到用戶歡迎。

　　隨著電價的改革，供電部門為迅速出帳，需要從用戶處盡快獲取更多的數據信息，如電能需量、分時電量和負荷曲線等，自動抄表為實現上述要求提供了切實可行的技術手段。隨著現代電子技術的發展，通訊技術和計算機網絡技術都有了飛速進步，而二者的結合又進一步演化出許多新的通訊方式和通訊系統，為自動抄表即自動抄表系統的實現提供了更多的現實可能。 不難理解，電子式電度表及其與抄表主機的通訊是自動抄表系統的關鍵所在。 

2 電子式電度表 

　　電能計量和管理的需要以及電子技術的發展，使電子式電度表在20世紀70年代就已出現。隨著數字電子技術的飛速進步，電子式電度表的功能逐漸增多并日臻完善。 

　　電子式電度表一般由電能測量機構和數據處理機構兩部分組成，根據電能測量機構的不同，又分為機電脈沖式電度表和全電子式電度表兩大類。 機電脈沖式電度表沿用感應系電度表的測量機構，其數據處理機構則由電子電路和計算機控制系統實現，因而，機電脈沖式電度表是一種電子線路與機電轉換單元相結合的半電子式電度表。

　　機電脈沖式電度表技術開發的重點放在有關電能管理的數據處理方面，使之能夠進行本地和遠地的數據傳輸以及遙測和遙控。機電脈沖式電度表以感應系電度表為基礎，繼承了感應系電度表結構牢固、長期運行可靠和價格低廉的優點，因而在民用電能計量領域被廣泛采用。

　　全電子式電度表不再使用感應系測量機構，而是由乘法器完成對電功率的測量。由于它沒有傳統電度表上的旋轉機構，因而又被稱為“靜止式電度表”或“固態電度表”。 近年來，各種新型電子式電度表不斷推出，型號各異，功能眾多，但其基本原理相同，主要功能可歸為三個方面：計量、計費功能，包括分時計量、最大需量計量和預付費等；保護功能，包括過電流、過電壓保護與防竊電等；通訊功能，可以是紅外通訊、無線電通訊或載波通訊等。

3 常見的自動抄表通訊方式 

　　（1）按信道介質分，常見的自動抄表通訊有光纖通訊、電話線通訊和無線通訊三種方式。 　　　

　　a）光纖通訊具有頻帶寬、傳輸速率高、傳輸距離遠和抗干擾能力強等特點，非常適合上層通訊網的要求。隨著光纖技術的發展和廣泛應用，自動抄表系統中有可能更多地使用光纖。 

　　b）由于電話在城鎮的迅速普及，利用現有電話網進行數據通訊是一個經濟有效的方案。利用電話網通訊，只需在數據集中器和工作主站處加裝調制解調器即可，其傳輸速率可達56Kbps。但電話線通訊的線路接通時間較長，一般要幾秒到十幾秒。還有，我國的廣大鄉村、小城鎮還沒普及電話。 

　　c)對于分布分散的集中器，利用無線方式進行數據通訊是一種較好的選擇。目前我國已有車載無線通訊自動抄表系統投入運行。但無線通訊方式需要慎重選擇頻點，并需申請頻點使用權。

　　（2）若按連接方式分，則自動抄表系統的通訊方式主要有星型和總線型連接方式。

　　a）星型連接通訊是以工作主站為中心，以星型發散的形式分別通過通訊信道，與分散于各地的集中器連接，形成1對N的連接形式。這種方式下信道通訊數據量大，要求有一定的傳輸速率和頻寬。

　　b）總線型通訊以一條串行總線連接各分散的采集器或電度表，實行各節點的互連。這種方式下，信道上節點多，傳輸速率也不會很高，一般用于底層的電能數據的采集。常見的有RS-485總線網和低壓電力線載波通訊網。由于電力線完全由電力部門控制，如果用電力線實施載波通訊，不需要再投資鋪設通訊線路，不僅可大大節約資金投入，且還具有維護量小的特點；否則，用低壓電力線作通訊信道可以實現靈活的“即插即用”。尤其是近年來擴頻通訊技術的較成功應用，使得低壓電力線載波通訊越來越多地用于自動抄表系統。利用低壓電力線作為自動抄表系統的底層數據通道，成本低、方便準確。 

　　通訊方式的選擇是設計自動抄表系統的首要任務，它直接關系到系統的性能。具體確定通訊方式時需要綜合考慮系統面對的對象、用戶的分布、用戶的數量、地理條件、期望達到以的目標以及系統的擴展升級和與其他網絡的兼容，等等。因此，上述的各種通訊方式不應該是孤立的，而且任何一種通訊方式在不同的系統中的應用效果也不盡相同。 
　　
4 典型自動抄表系統簡介 

　　目前，在我國有不少自動抄表系統已投入運行，但規模都不大，技術也需在應用中不斷改進完善。這里介紹兩種較適合我國國情的自動抄表系統。 

　　（1）車載自動抄表系統由包括抄表主機、發射天線和接收天線等的車載端與用戶端兩部分組成。用戶端的電度表有自己唯一的ID，每個ID由兩部分構成：一部分是該電度表所在區域的編號，另一部分是其在區域內的編號。抄表車按一定的路線行駛，到達某一抄表區域時，發出“喚醒”信號，被喚醒的該區域的所有電度表依次向主機傳送數據。傳送完畢后，主機再喚醒下一組電度表。顯然，這樣的無線通訊方式最多只需兩個頻率通道，一個作“喚醒”信號用，一個用來傳送數據。由于對一個區域只需發射一次“喚醒”信號，所以抄表速度會很快。同時，因為分成了不同的區域，故可較有效地避免數據的多次傳送和數據傳送沖突。 

　　（2）采用載波通訊技術通過輸電線路實現通訊，是電力系統特有的通訊方式，具體又分為電力線載波通訊、配電線載波通訊和低壓用電線載波通訊等。這種通訊方式的突出特點是能進行雙向通訊。在這樣的自動抄表系統中，每個用戶室內裝設的電子式電度表就近與交流電源線相連接，電度表發出的調制脈沖信號經交流電源線送出，設置在抄表中心站的主機則定時通過低壓用電線路以載波通訊方式 收集各用戶電度表測得的電能數據信息。這類系統中具代表性的是英國遠程自動抄表公司開發的低壓電力線載波通訊系統POWERNET。該系統具有自動抄表（AMR）、用戶管理（DSM）和配電自動化（DA）等功能，它包括中央控制器、局域控制器、網絡耦合器、調制解調器、數據集中器和專用電度表等。 

　　電網的運行要實現自動化，載波通訊的應用是必須的。然而，載波通訊，尤其是低壓配電線載波通訊傳輸性能較差，主要表現為高噪聲、低阻抗、損耗大、波動大、易受外界干擾等。 

　　近年來，信事情處理技術的進步，尤其是擴頻通訊技術的應用對推動低壓載波抄表技術的進步起到了推動作用[1-2]。所謂擴頻通訊技術，就是展寬頻帶，使之遠大于傳送信號所必須的最小帶寬，以擴展頻譜的方法換取信噪比的提高。頻帶的展寬是通過編碼及調制的方法實現的，與所傳送的信號數據無關；在接收端則用相同的擴頻碼進行相關解調來解擴，恢復所傳送的信號數據。擴頻通訊以寬帶寬換取高信噪比，亦即用寬帶寬來換取低誤碼率，并提高通訊的抗干擾能力、增強通訊的隱蔽性。理論上講，擴頻通訊技術具有抗干擾能力較強、隱蔽性好和抗衰落等良好性能，可在一定程度上彌補普通低壓電力線載波通訊技術之不足。 

　　在日本，利用載波通訊與電話網通訊相結合的方式，很好地解決了偏遠山區的抄表難問題。我國也已研制出了零相載波模式的電度表和基于零相載波的自動抄表系統。 

　　在我國一些低壓配電網，負荷變化很大且缺乏規律性，各種干擾十分嚴重，將擴頻通訊技術應用于電能的自動抄表，也未能取得滿意的效果。在這樣的場合，據說有人改用超窄帶通訊技術，使抄表成功率有所提高。 

　　但應該客觀地說，到目前為止，在我國將載波通訊技術應用于電能的自動抄表還未能取得十分令人滿意的結果。面對我國許多地區和地方低壓電力線負荷接線雜亂、負荷變動性大、各種干擾嚴重等不利的載波通訊線路條件，現在所采用的國外引進、國內開發的用于制作載波電度表的各種芯片還存在這樣或那樣的缺陷和弱點；在有些地方，通過再加裝中斷器或調整集中器的裝設位置或直接采用電度表作中斷器等，可提高抄表的成功率，但會增加投資和人力開銷，且改善的效果也并非令人滿意。盡管如此，利用載波通訊技術給自動抄表領域初步帶來的便捷、安全和高效，使不少人都對該項技術應用于自動抄表的前景十分看好，這從而也激勵著致力于提高我國電能自動抄表技術的一些專家和工程技術人員，正在積極改進并著手開發性能更好、更適合我國低壓電網條件下使用的載波通訊芯片，旨在使載波通訊技術在我國的電能自動抄表等領域能發揮出更大的作用。

5 自動抄表技術近期發展動態及由此引發的若干想法 

　　（1）在計算機技術、微電子技術和網絡技術等的激勵下，誕生了虛擬儀器。可當許多人還不知道何為虛擬儀器時，儀器的實物性又再次受到挑戰——類智能化電度表即多用戶智能化電子式電度表已鑄就了多個用電戶共取一個公共電壓，而每個用電戶的電源進線處只需裝一個CT即可的測量模式。這些采集到的電流、電壓信號就地由微處理器處理，并由與CT同樣多的電度計度器顯示出來的話，則還有點電度表的影子，但如果這此堆號改為僅通過某種接口就送上網，所有用電戶的用電信息都交由設在異地的一臺微機來處理、記錄、存儲，哪里還能直接見到傳統意義上電度表的蹤影？而形成如此的獲取耗電數、用氣數、使水數的測量技術已經出現，用已經出現的技術已完全有可能實現如此模式的網絡化測量。這也可謂網絡時代自動抄表技術發展進步的一個亮點吧。 

　　（2）不久前，誕生了網絡化電度表或稱網絡電度表概念[3]，有資料介紹廣東一家公司已在研制網絡化電度表。所謂網絡化電度表，不外乎是將電度表與自動抄表手段融合在一起，其中電度表本身帶有上網接口并具備通訊能力，可在管理系統的控制下自動將電能耗用數據等信息傳送到連網的用電管理部門的中央主計算機去分析處理。當然，隨著網絡技術的飛速發展及其在人們日常生活領域的應用日益廣泛，利用網絡環境實現各種信息、數據自動抄讀的儀表的種類將會越來越多。

　　（3）目前，在我國一些大城市啟用了智能化管理系統的現代居民住宅小區越來越多。居民住宅小區智能化管理系統主要包括住戶信息管理、安防（包括：防盜、防入侵系統；電視監控；門禁系統）和通訊（包括：閉路電視；電話程控交換機；無線基站）等功能模塊。已有人嘗試基于智能小區如此完善的硬環境發展自動抄表技術。其基本的思路是：小區中各用戶均加裝數字化的電度表、水表、燃氣表及熱量表；每個單元所有用戶的數據匯總于單元的集中器，該集中器可以成為門禁系統終端的一部分。由于門禁終端一般要通過有線或無線渠道與小區的住戶信息管理模塊相聯以驗證住戶身份，所以各住戶的電度表、水表、燃氣表及熱量表的數據亦可通過該渠道上傳到小區住戶管理系統中；小區根據用電管理部門的要求，將所有的住戶數據通過蜂窩移動無線網GSM以短信息（SMS）的模式上傳到GSM網的SMS中心；SMS中心將接收到的數據通過專線傳遞給用電管理部門等的數據處理服務器。

　　對于不具備智能化條件的居民區而言，有人已采用如下的自動抄表方案：各用戶安裝數字化的電度表、水表、燃氣表及熱量表；按居民樓幾十家住戶；安裝一臺數據集中器（具有數據采集和數據集中等功能）和一個無線發射終端，接入GSM網；GSM網的SMS中心接收到數據后，根據消息頭的標志代碼將該消息做相應處理，讓接收到的抄表數據通過與用民管理部門連通的專線傳至用電管理部門的子網服務器上；用電管理部門識別消息標志位后，將數據通過內網再傳給各居民區電管所的數據庫保存。 

　　由于現在GSM網的覆蓋面已幾乎遍及全國，故構建這種自動抄表系統時，完全可利用現成的GSM無線網絡而無需再新建基站，而且，這樣的自動抄表系統一旦開發成功，可直接向有需求的地方推廣，無需因地域的不同而進行改造。就單個無線發射終端而言，它實際只相當于使用了一部手機的短信息功能模塊加上一個邏輯處理模塊，其價格只有幾百元人民幣。而且它不但具有自動抄表功能，若利用GPRS（即通用分組無線業務，它可讓用戶在端對端分組模式下發送和接收數據，提供高達115千比特的傳輸速率，是當今GSM數據傳輸速率的12倍。其原理是將用戶提交的數據打包傳輸，并可以選擇傳輸路徑，為確保用戶“永遠在線、永遠聯機”式的無線上網提供了條件）技術加以擴充，它便可為用戶提供一個連入網絡的接口，使用用戶獲得如下服務：①獲取股票行情、天氣預報、飛機航班、新聞等信息；②瀏覽Internet（由于GPRS與Internet的協同工作）；③共享/協作文件（在GPRS中可實現結合話凌晨、文本、圖片等多媒體的信息傳達室送），很便利地實現家庭遠程醫療、遠程旅館預約等電子商務。 

　　（4）現代化居民住宅小區智能管理系統的一個最新發展動態是“一切都上網”。越來越多的人已感到網絡時代已向自己走來，網絡能提升人的生活質量，拉近自己與整個世界的距離，極大提高自己的辦事效率。一些開發、經營新型居民住宅小區的商家或企業已明確意識到所有居民都上網是遲早的事，因此他們甚至已在著手先無償地將網線拉到小區中各家各戶的門口，愿意為小區居民提供網絡瀏覽、有線電視、IP電話、遠程醫療、遠程旅游預約、網上購物等全方位的服務，希望有越來越多的小區居民住戶將家用計算機、傳真機、打印機、可視電話、IP電話以及電度表、水表、燃氣表、熱量表和防盜/防災探測報警器等都連到網上，由居民區的物業管理部門完成對本小區所有居民用戶的生活和消費的網絡化管理。在這樣的網絡化管理模式下，電能自動抄表只是該系統所具有眾多功能中的一種，隨著這種管理系統的不斷完善和健全，電能的自動抄表在其中所占的成本消耗可能不會因技術手段的趙來越先進而增加，甚至完全可能還有所下降。

　　（5）若干年前開始見到“自動抄表”這個詞時，也明白可以自動抄讀的表計可能有多種，但當時了解最多的就是電能的自動抄表。且見到不少人撰寫的有關電能自動抄表的文章中，通常不再加“電能”這個限制詞。一時間，大家似乎也都接受了這樣的概念：把自動抄表就可簡單地理解為電能的自動抄表。但今非昔比，隨著網絡化測量技術的飛速發展，人們生活、家居條件的智能化水平越來越高，利用自動抄表技術把水表、電度表、燃氣表及熱量表的數據一起抄走已逐漸成為人們追求的目標。因此，自動抄表一詞今后絕不再是電能自動抄表的代名詞了，它意指多種計數據的自動抄取。 

　　（6）藍牙技術（1998年出現，是一種采用2.4G Hz IMS[Industrial, Scientific and Medical]頻譜的短程無線技術，主要用來打破理時一般以紅外線或電纜線聯系不同產品時受到的限制，2000年做到使移動電話等設備與個人電腦或任何其他設備、儀器之間，能夠在約幾十米的距離內無需連接電纜線或紅外接口就可進行數據交換）的迅速擴展給我們以新的啟發：能否將藍牙技術用于自動抄表？有人說，藍牙技術離能真正實用還需一、兩年的時間；還有人認為，藍牙技術不會往自動抄表方向“伸腿”，困為相對于現在的藍牙芯片來講，有些已有抄表技術的成本比較低；但有人想到，對那些利用現有自動抄表技術很難抄到的所謂“死角”處的電度表，利用藍牙技術可能再好不過了；有人預計，再過大約兩年，凡有移動電話的地方就將會有藍牙。藍牙技術到底能否在自動抄表方面獲得應用無需爭論，但作為從事微機化測量技術與儀器儀表研發的工程技術人員，應該在每一項新的計算機、網絡、通訊和微電子技術誕生之后就立即著手考慮，它能否給自己所從事的科研帶來革新性的發展和變化。

6 結束語 

　　電能的自動抄表技術這幾年發展很快，尤其是在網絡化測量技術、傳感器技術、通訊技術飛速進步的強勁支撐下，表現出與燃氣、水吸熱量等自動抄表技術的更緊密結合，并明顯加快了融入現代綜合化網絡測量技術的步伐。 
　　本文中所提出的有些想法，是受南通林洋電子有限公司總經理陸永華、清華大學電機系計算機儀器與測量技術研究室高工侯國屏和碩士研究生崔偉的啟發而逐步形成的。在此，對他們給予的支持和幫助一并表示謝意。 

參考文獻：

　 [1] 康志芳，李衛紅，擴頻通訊在石家莊電業局的應用[J]，華北電力技術，1999（10） 
　 [2] 趙寧，葉鍵，擴頻技術及其在自動抄表系統中的應用[J]，電測與儀表，1999（8） 
　 [3] 趙偉，張小牛，孟浩文，網絡化——測量技術與儀器發展的新趨勢（J），電測與儀表，2000（7） 


作 者：清 華 大 學 電 機 系  鄧 文、趙 偉
　　　 南 通 林 洋 電 子 有 限 公 司 顧 錦 源、胡 生
摘 自：中 國 智 能 建 筑 專 家 網


 


                
                
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