载波双通道抄表系统实用化研究范文

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《价值工程杂志》2015年第十期

1纯微功率无线和纯电力线载波抄表的现状

1.1电力线载波通讯目前存在的主要问题第一，信道强衰减：据有关资料介绍：根据我国不同低压电网的不完全测试，从配电变压器出口到电网末端，最大高频（500kHz以下）衰减达到130db。主要因素包括：电缆的长度阻抗衰减；电缆的分布电容造成的相间衰减、对地衰减；高频趋肤效应造成的线路阻抗衰减；负载引起的线路阻抗的急剧减小造成的信号剧烈衰减；载波电路功放阻抗失配造成的衰减；线路节点引起的高频信号反射，特别是线路类别变化的节点，铜铝导线接点反射更加严重，架空线与电缆接头可能造成80％信号功率反射（约7db衰减）；多径衰落引起的高频信号衰减；大批劣质电器泛滥，对低压电网形成严重的污染；第二，信道时变性：对于一般的居民用户，我国采用的是220V交流两线供电。由于电网上负载的不断接入和切出，马达的停止和启动，电器开和关等各种随机事件，使信道特性具有很强的时变性；第三，干扰噪声多样：电力线载波通信的最大干扰是噪声，其主要来源是电力网上的所有负载、无线电广播等；第四，通讯速率相对较低，一般是几百BPS。可靠性不高、实时性不强，造成整个抄表系统不稳定，同时不能支撑费控、阶梯电价下发、互动服务等实时性要求高的业务。虽然电力线载波利用电力线扩频技术（SSC）和正交频分复用（OFDM）[4]等通讯技术解决以上的技术障碍，但现场还会有部分表抄读不上，形成孤岛。

1.2虽然纯微功率无线和纯电力线载波有以上问题，但由于制造成本相对来说还是低一些，安装和调试比较简单，目前市场份额还是比较大的。但从以后的市场需求出发，还需要实时性和可靠性比较稳定的抄表系统。通过以上两种通讯信道的问题分析，微功率无线和电力线载波两种通讯技术可以实现互补，微功率无线具有通信速率高、实时性相对强、可跨台区抄表等优点，电力线载波利用现有的配电网络基础设施，无需任何布线，只要有电力线就可通讯等优点。将2种通信信道集成到一起，将无线通讯技术与载波通讯技术相融合，开发双通道通信芯片和对应的通讯模块，实现两通道无缝自动切换，将会提高整体抄表系统的抗干扰能力，提高通讯成功率，通讯成功率将会达到真正的100%。

2微功率无线和电力线载波双通道抄表技术

双通道抄表技术就是在同一个通讯模块上实现微功率无线和电力线载波通讯，由MCU控制微功率无线芯片和电力线载波芯片的收发控制，实现以一种通讯网络（如微功率无线）为主，另一种通讯网络（如电力线载波）为辅的双通道通讯方式。这种通讯方式并没有改变微功率无线和电力线载波的物理特性，而是充分利用微功率无线和电力线载波的各自优点，实现信道互补，提高通讯成功率。纯微功率无线和纯电力线载波有些地方目前已可实现日抄收95%的通讯成功率，有些地方还不行，如果利用另一信道的优点可解决剩余5%用户的数据抄收，实现100%的日抄收成功率。微功率无线采用工作频率为免费的公共计量频段470MHz～510MHz，频率和业务受国家无线电管理机构的保护，且发射功率不大于50mW。技术采用微蜂窝无线自组织网络，其最主要的特点是网络的MESH分布特征和节点神经元特性，同时利用蜂窝频分复用体制，在单个蜂窝网内采用自组织网状网络构架，以及Adhoc多跳自组织动态组网应用，解决无线传输区域覆盖受限的问题。协议遵循《Q/GDW1376.4-2013电力用户用电信息采集系统通信协议第4部分：基于微功率无线通信的数据传输协议》。电力线载波一般采用窄带OFDM通讯方式，因国家层面技术规范正在讨论中，各厂家目前采用各自定义的电力线载波协议通讯。通讯模块总体技术规范满足《Q_GDW1374.3-2013电力用户用电信息采集系统通信单元技术规范》[5]。双通道抄表系统的结构图如图1所示，集中抄表的基本方式为：每个电表或者每个电表箱安装一个采集器，通过一定的数据接口和通信协议，从电表上采集电能量或远程拉合闸等操作，一个区域内（比如一个小区或者一个台区）所有的采集器采集到的数据集中传到集中器里，然后通过一定的网络将数据传送到后台管理机。后台管理机通过集中器操作采集器。双通道抄表系统的组成部件有：电能表，采集器，集中器，网络和后台管理系统。通道信道分为上行信道和下行信道。上行信道为后台主站与集中器之间的通讯线路，一般采用GPRS/CDMA、光纤以太网等通信信道，实现智能集中器与后台主站系统之间的数据交换。下行信道是指集中器与庞大的电能表之间的通讯线路，采用微功率无线和电力线载波双通道，共有4种通讯方式：①发送无线，接收无线；②发送无线，接收载波；③发送载波，接收载波；④发送载波，接收无线。

3双通道抄表系统的不同应用环境

按照电表划分，双通道抄表系统可实现以下几种抄表方案。

3.1智能电能表双通道抄表方案对于安装智能电能表的区域，可以采用在智能电能表、集中器上安装双通道通信模块，下行信道采用集中器和智能电能表直接通讯的实施方案。双通道通讯模块将微功率无线和电力线载波两种常用的通信方式结合起来，采用单芯片双通道技术，一方面增加了通信成功的途径，即由传统的单一方式（纯微功率无线或纯电力线载波）改为两种方式结合。另一方面既充分发挥了微功率无线通信和电力线载波通信信道的各自优点，又弥补了纯微功率无线通信或纯电力线载波通信的不足，进而提高了通信的稳定性与可靠性。优点：两种通讯方式相结合可使抄表的覆盖范围最大化，同时保证了在微功率无线通信或电力线载波通信孤岛情况下能够通讯成功，双通道通信技术将两种通信信道设计在一个模块中，可实现热插拔安装和双通道通信，在两种通信方式相结合的情况下可实现抄收成功率100%。此方案具有施工简单，维护方便等优点。

3.2RS-485电能表双通道抄表方案对于安装普通RS-485电能表的区域，可以采用加装Ⅰ型采集器或Ⅱ型采集器，采集器、集中器具有双通道通讯方式的实施方案。具体实施为将表箱内电能表的RS-485总线进行并联，然后将RS-485总线接入到采集器上。只要电能表具备RS-485通信接口，借助于采集器即可与集中器进行数据交互。集中器与采集器之间采用微功率无线和电力线载波相结合的双通道通信方式，采集器与电能表之间采用RS-485总线的通信方式。优点：处理老台区的电能表抄表问题，不用更换电能表，降低改造成本。

3.3混合双通道抄表方案对于安装既有智能电能表，又有普通RS-485电能表的区域，可以采用将以上两种抄表方案结合起来的实施方案。即对于安装的智能电能表，在智能电能表上安装双通道通信模块。对于普通RS-485电能表，加装双通道采集器。双通道集中器可以根据协议自动区分智能电能表和采集器，动态调整对应的采集方案。优点：将智能电能表和普通RS-485电能表两种抄表方案合2为1，合理利用小区现有资源，不需要额外拆除RS-485电能表，降低建设和改造成本。

4几种抄表系统的实验数据比较

第一种实验场景：纯微功率无线集中器、纯窄带载波集中器、双通道集中器放在电动车蓬的某处，不断增加集中器和测试点（带有通讯模块的电能表）距离和电动车数量，实验数据见表1。第二种实验场景：纯微功率无线集中器、纯窄带载波集中器、双通道集中器放在公司生产楼一楼西北角处，施加三相电，将带有微功率无线模块、窄带载波模块、双通道模块的电能表分别放在公司生产楼的二楼、三楼、四楼处，同时电能表自动化流水线在工作状态，实验数据见表2。对比测试通讯实验数据，可看出在不同的环境下，纯微功率无线或纯电力线载波通讯都会存在抄读的死点，而双通道通讯能很好地解决抄读的死点问题，提高抄读成功率。

5结束语

微功率无线和电力线载波双通道抄表系统由于采用了两个网络的互联技术，真正的发挥了各自的优势，且安装调试、维护都和纯微功率无线或纯电力线载波抄表系统一样简单，可实现现场的通讯成功率100%，如果没有达到，那就是现场设备可能损坏，对于排除故障等也非常容易。基于以上优势，双通道抄表技术良好的互补功能使得它应该是未来抄表的发展方向。

作者：刘志宏单位：河南许继仪表有限公司