智能電能表的遠(yuǎn)程預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：近幾年伴隨著智能可記得不斷發(fā)展，電力行業(yè)的服務(wù)也發(fā)生著智能化轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在隨著智能科技的應(yīng)用，電力用戶已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，此外，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)和用戶的實(shí)時(shí)管理和監(jiān)測，以適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代用戶需求。本文對(duì)智能電能表的遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)設(shè)計(jì)一些技 

術(shù)進(jìn)行介紹，以期為更好的做好遠(yuǎn)程集抄工作。

關(guān)鍵詞: 電能表；遠(yuǎn)程集抄；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

       電力系統(tǒng)利用智能電能表實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集抄，其原則是借助遠(yuǎn)程智能抄表工具，對(duì)用戶數(shù)據(jù)收集和分析，再利用數(shù)據(jù)通信傳輸功能，將在用戶收集的數(shù)據(jù)傳輸至管理平臺(tái)。采集到用戶數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)智能用電的基礎(chǔ)信息，發(fā)展電能自動(dòng)抄表技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能用電和用電管理的必經(jīng)之路，也是電力系統(tǒng)和智能數(shù)字化生活發(fā)展的必然產(chǎn)物。

 

1.1 RS485通信方式

       RS485總線通信方式不僅需要分接收器而且要配合平衡驅(qū)動(dòng)器并作為數(shù)據(jù)傳輸接口專線通信方式。總線通信較比其它模式的優(yōu)點(diǎn)在于具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾性，信道數(shù)據(jù)的傳輸速率峰值達(dá)到了10Mbps，優(yōu)化的通信距離更是超過了1.2千米。根據(jù)理論數(shù)據(jù)顯示，總線通信的傳輸距離和傳輸速率成反比，即傳輸距離越長（短），則數(shù)據(jù)傳輸速率越?。ù螅?。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率峰值達(dá)到了100Mbps，那么通信距離就能成為現(xiàn)實(shí)。RS-485并不只是一種連接方式，除了半雙工連接方式外，還有全雙工這種鏈接方式。前者能讓通信雙方的信道實(shí)現(xiàn)共享，從而進(jìn)行多點(diǎn)雙向的通信。后者信道不能共享，所以只能一對(duì)多進(jìn)行通信。鑒于前者優(yōu)勢非常明顯，所以這種連接方式被廣泛使用。遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)給每棟安裝了集中控制器，給每戶都裝上了數(shù)據(jù)采集終端，依靠該終端可以對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。 

1.2 窄帶電力線載波通信方式

       窄帶電力線載波通信除了相移鍵控方式外，還有頻移鍵控方式。前者用“0"和“1"分別表示 0°相位和 180°相位，后者也用“0"和“1"分別表示存在差異的兩種頻率。這種通信方式一方面由于成本不高、操作更便捷，另一方面我國國網(wǎng)營銷部在市場上主推這種方式的相關(guān)產(chǎn)品，所以在安裝利用時(shí)大多會(huì)這一方式。這種通信所使用的頻率范圍是 3~500kHz，但實(shí)際上當(dāng)頻率處于9~95kHz時(shí)數(shù)據(jù)傳遞性好。窄帶電力線載波通信方式較比RS-485通信方式有很多不同之處，如可直接使用、價(jià)格便宜、安裝簡單、不需要后期維護(hù)等。所以，有些電力部門選擇這種通信方式，既達(dá)到了雙向傳輸數(shù)據(jù)的目的，又有效降低了投入的成本。特別是如果用戶的電壓很低，那么采用這種方式連接之后，不僅能同樣有效采集相關(guān)數(shù)據(jù)，而且還能對(duì)電力等情況進(jìn)行檢測，更者能有效防止竊電等違法行為的發(fā)生，能適用于廣大用戶家中。 

1.3 寬帶電力線載波通信方式

       電力線寬帶載波這種技術(shù)是建立在以太網(wǎng)技術(shù)和正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM 基礎(chǔ)之上的。該技術(shù)的基本頻帶范圍是1～20MHz，而擴(kuò)展頻帶的范圍具體是3～100MHz。該通信技術(shù)在以太網(wǎng)技術(shù)、正交頻分復(fù)用技術(shù)OFDM、離散多音頻調(diào)制技術(shù)DMT這三種技術(shù)的綜合作用下，讓數(shù)據(jù)的傳輸更敏捷、更可靠。這是因?yàn)橐环矫嫘盘?hào)的傳輸是采用正交子信道，進(jìn)而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性，另一方面這樣就提升了信號(hào)和數(shù)據(jù)的抗多徑干擾能力，進(jìn)而讓信道傳輸更快、數(shù)據(jù)更可靠。智能電能表采集相關(guān)用電數(shù)據(jù)，首先需要將居民電表和電力線抄表的終端依靠RS-485接口進(jìn)行連接。然后，需要將這些數(shù)據(jù)以IP格式呈現(xiàn)，這需要借助電力線寬帶載波采集器。第三步就是將IP格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PLC電力線寬帶信號(hào)，然后再將這些信號(hào)與出戶電力線進(jìn)行耦合，并將之傳輸?shù)骄W(wǎng)橋當(dāng)中，這樣就到達(dá)了總抄表集中器和交換機(jī)上，把用戶的用電數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了上傳。

1.4 微功率無線通信方式

       微功率無線通信和當(dāng)前使用的無線路由出現(xiàn)的時(shí)間比較接近。微功率無線通信方式傳輸信息，是依靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN實(shí)現(xiàn)的。至于如何組網(wǎng)，這種通信方式中采用的仍是采集器的安裝。這樣一來，將采集器和微功率無線結(jié)合就可以實(shí)現(xiàn)信息或數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)然，利用全載波和集中器進(jìn)行結(jié)合也可以進(jìn)行信息或數(shù)據(jù)的傳輸。

 

        遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)包括中心管理站，下位機(jī)包括數(shù)據(jù)集中器、采集終端。上位機(jī)的作用有兩個(gè)方面，其一負(fù)責(zé)設(shè)置系統(tǒng)、命令發(fā)送、監(jiān)測及顯示系統(tǒng)狀態(tài)，其二與數(shù)據(jù)集中器保持雙向通信。數(shù)據(jù)集中器是整個(gè)系統(tǒng)的通信樞紐，具有非常重要的地位，不僅接受指令、集中和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而且連接智能電表和中心站。采集終端和智能電表相連，主要負(fù)責(zé)用戶實(shí)時(shí)用電的數(shù)據(jù)采集和記錄。不僅如此，還能對(duì)電表相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。因此數(shù)據(jù)集中器需要同時(shí)與中心站和智能電表進(jìn)行通信，本系統(tǒng)利用集中器工具，以GPRS形式與中心站進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的傳輸，再與智能電表之間的短程通信是利用無線方式采取通信通信，可見，集中器自身需有無線通信方式的模塊。

圖1

 

 

      為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集抄，對(duì)智能電表設(shè)計(jì)的整體需求其功能主要是依靠三個(gè)不同的單元，對(duì)應(yīng)的功能分別是采集電能、處理信號(hào)和數(shù)據(jù)通信。通常來說，智能電表共有以下幾大功能：

    （1）輸入輸出功能 這種電表要顯示出數(shù)據(jù)，通常是借助LCD顯示屏。這種電表顯示屏顯示的內(nèi)容比較多，比如設(shè)備的運(yùn)行情況、年月日、時(shí)間、用電峰值和谷值、電力的平值循環(huán)顯示等。另外，這種電表在信息輸入這方面也有很多功能，如開始、暫停、確定等。

    （2）儲(chǔ)存數(shù)據(jù) 智能電表應(yīng)用二級(jí)儲(chǔ)存系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其中一級(jí)由CPU的程序存儲(chǔ)器閃存方式實(shí)現(xiàn)，二級(jí)由擴(kuò)展閃存的方式實(shí)現(xiàn)。

    （3）抄表 想要電表數(shù)據(jù)得到更順利的傳輸，無限模塊SI4438可以實(shí)現(xiàn)這一目的。當(dāng)然，除此之外還可以采用RS485接口，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)先匯總到集中器當(dāng)中，然后再借助無線網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。如對(duì)一部分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)生疑問，還可以采用終端現(xiàn)場讀表抄數(shù)。

    （4）通信 智能電能表通信方式主要有兩種，一種是借助Si4438無線模塊，另一種是借助RS485接口。后者的通信功能更強(qiáng)大和靈活，距離在1.2千米之間都可以滿足用戶需求。更重要的是，這種方式和當(dāng)前主要使用的手持抄表終端設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，讓抄表工作變得更加簡便。

    （5）編程 采用程序編程后，電表相關(guān)功能的使用會(huì)變得更加靈活。設(shè)計(jì)方案時(shí)，可以給整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)射方式采用無線射頻技術(shù)，讓上位機(jī)發(fā)出的命令借助數(shù)據(jù)集中器傳輸給RS485接口，然后就可以讓整個(gè)電表實(shí)現(xiàn)編程控制。

      為了提高智能電表的使用性能，在設(shè)計(jì)無線收發(fā)器時(shí)特地選用了當(dāng)前比較新型的 Si4438收發(fā)器。之所以稱為新型收發(fā)器，是因?yàn)镾i4438收發(fā)器一方面采用了ilicon Lab的設(shè)計(jì)s方式，另一方面是滿足了我國對(duì)新能源要求的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是我國智能電表使用的頻段是470-510MHz，這種模塊可以達(dá)到這一頻段要求。為了讓信息傳輸受到的阻礙越小，從而確保信息能傳輸更長的距離，可以給智能電表的信息收發(fā)器安裝攻略放大器。它有諸多顯著特點(diǎn)，如輸出功率狀態(tài)可以達(dá)到+20，靈敏度也更好，相鄰信道抑制保持在58分貝左右。

 

5.1 系統(tǒng)方案

      系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺(tái)集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費(fèi)電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計(jì)量箱ADF300L系列，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和電費(fèi)管理等功能。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)，達(dá)到先交費(fèi)后用水的目的，剩余水量用完自動(dòng)關(guān)閥。

5.2 系統(tǒng)功能

      AcrelCloud-3200預(yù)付費(fèi)水電云平臺(tái)由云平臺(tái)-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費(fèi)電能表組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報(bào)警等功能。

     本系統(tǒng)適用于一些大集團(tuán)和大物業(yè)，往往需要將多個(gè)物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費(fèi)和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財(cái)務(wù)操作分散，在線支付，總部財(cái)務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。

 

遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，快速便捷，免去人工抄表 。

水表預(yù)付費(fèi):可是查看某區(qū)域水表的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并可以進(jìn)行單表或批量設(shè)置水價(jià)控閥等操作。

遠(yuǎn)程售電:財(cái)務(wù)集中管理，電量實(shí)時(shí)下發(fā)，并比對(duì)充值次數(shù)，方便快捷。

 

 

 

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費(fèi)表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財(cái)務(wù)軌跡一體式綜合管理報(bào)表，包含用戶表的能耗、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財(cái)務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號(hào)實(shí)現(xiàn)在線自助充值水電費(fèi)，也可以實(shí)時(shí)關(guān)注商鋪用水用電情況。

短信提醒:金額不足或金額欠費(fèi)提醒、電表充值到賬提醒，都可及時(shí)短信通知商戶。

 

 

遠(yuǎn)程控制:可對(duì)任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)程控制操作，方便管理。

 

5.3 產(chǎn)品選型

 

 

 

       本文針對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集問題，一方面利用了si4438無線收發(fā)器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行組建，另一方面根據(jù)數(shù)據(jù)采集實(shí)地設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集端，以遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)為主要呈現(xiàn)，并且通過對(duì)該系統(tǒng)的通信方式進(jìn)行研究和分析，從而為智能電能表的遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)功能提供了基礎(chǔ)理論，進(jìn)而讓智能電表遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)給實(shí)際工作帶來便利。

 

【1】高磊.智能電能表的遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【2】王廣輝.中國智能用電的實(shí)踐與未來展望[J].中國電力,2012,45(1):1-3.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06