基于ZigBee技术的自动抄表系统在选煤厂的应用

张文斌，高慧玲

(1.河南龙宇能源股份有限公司车集选煤厂，河南永城476600;2.神火集团新庄选煤厂，河南永城476600)

自动抄表系统，简称 AMRS(Automatic Meter Reading System)，是一种采用计算机技术和通信技术自动读取和处理电能数据的智能化管理系统，且应用范围较广。该系统在车集选煤厂投入使用后，“厂-车间-重点设备”三级计量用电数据自动采集，通过GPRS无线将数据传输到服务器进行统计、分析，在人机可视化操作终端界面动态化显示，计量数据精确，抄表全程无需人工操作，真正实现选煤厂集约化、精细化、数字化的民能计量管理模式［1-3］。下面结合该系统在某选煤厂的应用情况，阐明其应用效果。

1 某选煤厂概况

选煤厂属于永城矿区，永夏煤田，矿区中心位置地理坐标为东经 116°30′00″，北纬 33°57′00″，车集井田位于永城市东南部，占地面积61.441 2 km2，矿区中心距市中心5 km。选煤厂处理能力为300万t/a，属矿井型动力煤选煤厂，采用“跳汰+浮选”联合洗选工艺，煤泥水实现一级闭路循环。

车集煤矿建有一座15 kV的变电站，选煤厂拥有2个高压变电所，内置5台变压器，厂区共有17个低压配电室及14台高压柜，全部无人值守。选煤厂现有电度表32块，分布在厂区各个配电室内，配电工作点多面广，电力管理困难。

2 抄表存在的问题

2.1 电工巡视时间较长

由于选煤厂在原始设计上存在部分缺陷，导致配电室比较分散，工作战线比较长，尤其是部分配电室处在厂房建筑较高的地方。通常安排一名电工对所有配电区域进行巡视一遍需要消耗3.8 h，约占去了正常工作日的一半时间。

2.2 抄表数据存在误差

选煤厂现拥有设备600余台，其中功率处在100 kW以上的高耗能设备占有28%。传统的人工抄表效率低下，难免出现误差，且人为抄表不能在同一时刻记录所有电表读数，无法进行精确计量。而且人工抄表时形成的原始数据错误，造成年初测算各车间的电量定额指标出现偏差，不利于选煤厂的能源管理。

2.3 抄表人力有限

选煤厂共有电气人员17名，人员结构为:主任1名，技术员1名，电工14名，办事员1名。他们承担着选煤厂600余台电机设备、计算机监控、调度电话、网络系统、地销及火车外运计量系统的维护检修工作，牵涉工作范围广，工作业务种类多，日常业务量大，技术力量明显比较薄弱。

3 AMRS改造应用

为解决传统手工抄表的误差及不确定性，该选煤厂于2011年10月份进行了电力能源计量系统的改造，主要采用AMRS远程智能抄表系统和通过ZigBee无线通讯网来实现远程电抄表。

3.1 ZigBee技术简介

ZigBee是一种新兴介于无线射频识别和蓝牙之间的无线网络技术。ZigBee技术的特点和优势主要体现在:耗电量小，支持多种节电工作模式;通信可靠，采用碰撞避免和完全确认的数据传输机制，能有效避免数据传输时的冲突和丢失;数据安全，提供了数据完整性检查和鉴权功能;网络容量大，一个ZigBee网络最多支持65 535个设备;网络自组织修复能力强，节点能自动感知周围节点并确定连接关系，任一节点发生故障，网络都能够自我修复。

3.2 AMRS结构设计

选煤厂现场的各类仪表分布较分散，集中抄表部署较为困难，且一旦集中器发生故障，则所连接的所有仪表均不能正常读取。因此，考虑到选煤厂后期可能扩充待测量的仪表或其他设备数量，AMRS采用了基于ZigBee技术的MESH网状网络。MESH网络采用多跳式路由通信，以支持扩充网络容量。

车集选煤厂AMRS实施方案可表述为:在厂房内的每个配电室设置一个ZigBee终端节点，通过485线连接所有电表，并在调度中心设置了一个ZigBee中心节点，该节点数据通过GPRS/CDMA上传到厂部集抄中心数据库。如图1所示。

由图1可知，ZigBee无线通讯网的通信信道分为上、下两层，上层为ZigBee中心节点与集抄中心之间的数据通信，下层为ZigBee终端节点与ZigBee中心节点之间的数据通信。通讯方式采用无线GPRS技术进行数据的传输，这样可以大大减少布线的工作量，同时无线抄表也具有更加灵活的使用性。

图1 AMRS结构示意图

3.3 AMRS功能实现

AMRS数据的采集、通讯过程主要通过节点来实现，当一个表具端开始运行时，电表便随之走字，ZigBee模块进行计数，当到达发送时间，则发送数据。为了节约能耗，在计数器每两次发送数据之间，设置通信模块处于休眠状态，每次需要定时自动唤醒。由于ZigBee硬件系统在定时唤醒上都有一个时间误差，所以每次发送都需要接受调度中心ZigBee中心节点发送来的时间进行校准。当接收到时间校准后，通信模块重新定时等待下次唤醒，计数模块继续计数。

调度中心ZigBee中心节点一直处于唤醒状态，当接收到ZigBee终端节点数据后，进行数据综合处理，然后将处理过的数据传送到与之连接的GPRS模块，GPRS模块将数据发送到厂部集抄中心数据库供给人机终端设备，其节点工作流程如图2所示。

图2 电表端节点和厂区集中节点工作流程

3.4 AMRS管理平台

图3 AMRS人机操作界面

AMRS管理平台位于厂部，由搭载了抄表管理软件的服务器构成。为保障选煤厂数据的安全、系统运行的稳定可靠，管理平台与移动网络之间采用了专线连接。抄表管理软件采用模块化设计开发，以利于适量修改或增加新的功能模块。该软件具有良好的人机界面，采用多窗口技术和交互式操作手段，画面的调用快捷方便，可实现统计分析、数据报表、图形分析、数据存储等主要功能。人机操作界面如图3所示。

4 应用效果

为确保AMRS数据采集、传输准确率，生产厂家对抄表系统随机抽取了6台电能表进行统计试验，人工抄表与智能抄表的对比数据，如表1所示。

表1 人工抄表与智能抄表对比数据

由表1显示，AMRS远程抄表的准确率可达到99.9%以上，满足精度要求。同时，采用GPRS技术实现的无线抄表系统，能够及时掌握选煤厂生产过程的能源消耗，具有良好的实时性和精确度。

5 结束语

AMRS投入实施后，实现了实时动态上报抄表数据，彻底解决了人工抄表时，工作效率低、人力物力消耗量大、电量考核滞后等弊病。更重要的是提高了抄表的准确性、实时性，使电力管理部门能及时准确的获取数据信息，无需架设电缆，节省了人力物力，极大改善了选煤厂现有节能减排落后的能源管理方式。

［1］孟凡辉，郑丹，丁立鑫，等.电力企业计量装置管理信息系统的研究［J］.黑龙江电力，2011(4):277-279.

［2］张净霞，邱立存.放样测量中的ZigBee无线传输系统设计［J］.工矿自动化，2011(11):66-70.

［3］黄庆南，蔡启仲，章帆.基于ZigBee和GPRS煤矿安全监测系统的设计与实现［J］.煤炭技术，2011(8):112-114.