浅析居民小区远程抄表系统

谢明秋　何兵

【摘 要】该文通过对目前国内远程抄表系统进行分析，提出直接利用低压电力线构成与低压电网系统结构相对应的用户电能表终端+配变集中器组网的远程抄表系统。

【关键词】远程抄表；居民小区；低压扩频载波

1.远程自动抄表系统的现状及其特点

一般情况下，一个家属楼单元有14～18块低压电能表，单元子区数据采集器负责采集其下属的电能表电量数据，配变集中器则负责收集配电变压器下面的所有单元子区采集器的数据。从数据传输的角度看，其组网方式有：两级纯专线组网方式、 两级混合组网方式、两级载波组网方式。

从组网拓扑的角度讲，只要在用户电能表、单元子区采集器、配变集中器采用专用信道通信，远程自动抄表系统的缆线工程量就非常大，有线专用信道的维护也有一定困难。鉴于这种情况，各科研单位和厂商都在努力做到取消单元子区采集器，实现用户电能表与配变集中器的直接低压电力线载波通信，这样就大大减少了缆线工程量，而且数据远程传输的组网拓扑与低压配电网保持一致，有利于系统的运行维护和用户数量的模数化扩展。这种拓扑要求一个用户终端，不但要实现电能计量，还要实现数据信息的编码、解码、载波收发等功能。可以构成完全基于低压电力线信道的载波电能表+配变集中器+营业站主机的组网拓扑。

2.试点居民小区远程抄表系统方案

（1）在试点小区的配电变压器和小区住户之间不敷设任何专用有线信道，数据的上行或下行传送必须使用现成的低压电力线作为数据媒介。

（2）只在配电变压器和住户地点对应安装数据的收发装置，建立起各用户电能表终端与配变集中器的直接数据链路，中间不安装任何硬件上的中继或第二级集中转发装置。

（3）用户电能表终端除了记录电量外，它还应该执行就地保护和远方监控功能。

2.1系统组成结构

系统由营业站用电管理主机、配电变压器集中器、接在配电变压器低压电力线上的多个用户电能表终端（接于A相的A1～Ap终端、接于B相的B1～Bm终端、接于C相的C1～Cn终端）和通信信道组成。配电变压器集中器和用户电能表终端分别与配电变压器、用户一一对应并就地分布式安装。用电管理信息只能在系统的上下级之间传输。其中用电管理主机到配电变压器集中器的信息传输媒介采用扩频无线信道或公共电话网（第一级信道），配电变压器集中器到用户电能表终端的信息传输媒介利用低压电力线载波信道（第二级信道）。本系统的任务在于实现低压用户电量数据的远程传输和抄算，对低压电力用户的负荷和用电进行远程监控。

由于使用了分布式安装结构，在系统建设上与集中抄表箱用电系统相比，无须庞大繁琐的缆线工程，施工难度将会大幅下降。系统的扩展将随用户或配变数量的递增而模数化扩展，就象增加一个用户增加一块电能表那样简单。因此，系统扩展极具伸缩性，不会象集中式系统那样新建时资源闲置，用户发展时容量又不够。应该说，这个系统比较符合营业用电管理系统发展的主流方向。

2.2网络通信协议的选择与研究

在计算机网络中，信道共享技术已经比较成熟。一般可分为两类，即受控接入和随机接入。

随机接入共享信道的特点是所有用户都可以根据自己的意愿随机地发送信息。实际上就是争用接入，征用胜利者才能获得总线，从而发送自己的信息。典型的随机接入是载体侦听多重访问/冲突检测（CSMA/CD）网络，其为总线型结构，后文重点介绍的基于CEbus的扩频载波线性扫频信号（Chirp）由于具有自相关性，所以适用于CSMA网络。结合电力线的传输特性，综合比较各种网络，在本文所要开发的远抄系统中选用CSMA协议应该是比较合适的。CSMA协议网络的缺点，如时延不确定、重载时效率下降，对数据传输量较小的远程抄表系统来讲，并不是值得考虑的问题。

2.3用户电能表终端的总体设计

用户电能表终端由AC/DC开关电源模块、电量传感器模块、故障保护模块、计量模块、负荷控制模块、LED显示模块、MCU系统模块、低压扩频载波通信模块构成。

多输出开关电源负责为用户电能表终端供电，它输出DC+5V 0.5A和DC±15V0.5A电源各一组，其交流输入的设计范围为AC220V ±20%。为了降低电源模块的体积，采用TOP2XX脉宽调制功率开关为核心器件，构成单端反激式电路。

故障保护模块负责监视低压用户的负荷电器的运行情况，当发生短路、过流、漏电或电网电压超标时，向MCU系统模块发出信号请求执行断电控制程序。

计量模块负责把用户的用电功率转化为频率正比于功率大小的脉冲串，提供给MCU系统模块进行电量计算。即使用户实施了窃电行为，它仍然可以输出正确的电量计算脉冲串，并向MCU系统发出窃电信号。

负荷控制模块是一个受MCU系统输出的TTL电平控制的大功率交流无触点开关，能够过零关断或开启6kW的负荷功率。

MCU系统由AT89C528位单片机、X5045看门狗芯片和DS1302时钟日历芯片构成。它是用户电能表终端的计算监控中心，主要负责对电量脉冲串进行计算或处理，执行就地或远方的负荷控制程序，与低压扩频载波通信模块进行数据交换并控制其收发信。

显示模块由一个8位LED及其动态扫描控制芯片构成，主要完成电量数据的旧的查询显示，便于用户了解自己的电量或电费情况。

低压扩频载波模块主要由SSC P200低压电力线扩频载波网络控制器、前置功放和电力线耦合电路构成，负责对MCU系统送来的数据进行线性扫频调制，放大后耦合到电力线上，对通过电力线送来的载波信号进行扫频解调后送给MCU系统。这种数据通信采用了收发分时控制的半双工通信。该模块与配变集中器的设计通信距离为1000 m。在信道特性最恶劣的情况下，也要保证不小于600m。

2.4配电变压器集中器的总体设计

配变集中器主要由三个分相耦合的低压扩频通信模块、三个按相配置的电能表模块、MCU单片机系统、3个双口RAM和一个工控机系统及电话线调制解调器构成。

低压扩频载波通信模块分相配置，是为了杜绝跨相耦合载波信号，电能表和MCU电路按相配置是为了使集中器能够并行处理各相的用户终端数据，增加数据传输和处理速度。以上电路基本上与用户终端类似，只是不具备故障保护、窃电侦测和负荷控制电路而已。

在配变集中器内设置电能表模块便于对每一相的总电量进行计量和统计分析，以作为用电管理部门考核线损和平衡3相负荷的依据。

工控机完成与每一相的MCU系统交换数据，并通过Modem和公用电话网与营业站抄算主机交换数据信号。上行和下行数据要经过工控机的处理，并在不需要数据通信的时候储存在工控机的磁盘中。鉴于数据处理量不是很大，选用486工控机就能满足要求。

2.5营业站抄算主站的总体设计

营业站抄算主机主要由PC机、电话线Modem及其软件构成。主要负责营业站到配电变压器集中器之间的数据指令的调制发送、解调接受及综合分析处理。另外，电话线Modem还可以将营业站用电管理主机与电费托收银行联机。

PC微机主要完成用户用电数据的采集，送电能表参数、用电信息、欠费警告及断电控制，不安全和违章用电监视报警，用户用电管理及查询，报表输出等功能。

【参考文献】

[1]邵源，钟炬，等.关于低压用户集中抄表系统综述.电力系统自动化，1999（9）.

[2]徐平平，邱玉春.电力集中抄表中的通信技术.电力系统通信，1999（4）.

[3]杨士中.静电无绳广播方法.