智能电能表的通信端口设置研究

张保增,陈新春,张敬伟,王 哲

(许继集团有限公司，河南 许昌 461000)

智能电能表的通信端口设置研究

张保增,陈新春,张敬伟,王 哲

(许继集团有限公司，河南 许昌 461000)

针对电能表运行中RS-485通信端口作用有限的问题，追溯了电能表各通信端口要求的历史来源和各通信端口的功能；研究了电能表的通信端口，特别是红外通信的特点；探讨了使用红外通信端口实现RS-485端口所有功能的可行性。红外端口为空间开放端口，多对红外端口同时通信时容易产生干涉；而RS-485端口为有线通信，则不存在干涉问题。针对多个红外通信通道同时通信容易互相干涉，且红外信号太强无法通信的特点，提出在2个红外通信端口间增加衰减介质的方法，使得2个红外端口之间信号衰减到能够正常通信的强度，且散射光衰减到可以忽略的程度。同时，研究了红外端口通信速率慢对校表效率的影响及防止非法校表的操作。研究结果表明，在大多数场合下，RS-485通道其实并不是必要的，去除载波电能表RS-485通道可以有效降低成本和功耗，同时保持载波电能表的功能。

智能电网； 电能表； 红外信号； 自动抄表； 载波； 通信

0 引言

由于国家建设智能电网的要求，智能电能表在电能表市场中所占的比重越来越大，每年市场都需要约上亿只智能电能表。针对智能电能表的任何微小改进都将会对供电公司产生较大的影响。

国家电网公司的统一招标使得国内智能电能表的型号大大减少。目前，国家电网公司采购的单相智能电能表都采用国家电网公司标准《Q/GDW1354-2013 智能电能表功能规范》[1]；对其通信端口的要求引用国家标准《GB/T 17215.301-2007 多功能电能表特殊要求》[2]，对多功能电能表的通信信道要求为“至少具有一个红外接口，一个RS-485接口”，“通信物理层必须独立，一种通信信道的损坏不得影响另一信道的运行”。本文针对各端口，特别是RS-485端口的存在必要性进行了探讨。

1 电能表各端口通信简述

1.1 红外通信口

在智能电能表通信端口中，红外通信端口可以实现近距离无线通信。红外通信是一种半双工异步通信方式，具有成本低廉、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型移动设备中获得了广泛的应用。《DL/T 645-2007多功能电能表通信协议》[3]标准规定了接触式红外通信方式和调制式红外通信方式。目前，国家电网明确表明电能表需要具有调制式红外通信端口，以实现手持掌机远距离抄表。为了达到较远的通信距离，红外口通过38 kHz方波调制信号，实现掌机与电能表至少3 m之内的通信，使抄表过程方便快捷。但由于红外信号容易发散，掌机发出的红外光会照在一个圆锥面内；如果两个电能表相距较近，会发生干扰的情况。

1.2 RS-485通信口

国家电网公司的智能电能表要求[1]:“RS-485接口必须和电能表内部电路实行电气隔离，并有失效保护电路。RS-485接口通信速率可设置，标准速率为 1 200 bit/s、2 400 bit/s、4 800 bit/s、9 600 bit/s，缺省值为2 400 bit/s”。为了保证RS-485通信的安全性，电能表电路需要为RS-485单独提供电源，并在RS-485电路与电能表其他电路之间使用光耦器件实现隔离。近年来，为了解决现场RS-485极性容易接错的问题，国家电网公司要求智能电能表采用无极性的RS-485通信接口。目前，针对RS-485的无极性设计主要有曼彻斯特编码调制法、人工修正法、自动修正法[4-5]。

1.3 载波通信口

随着远程抄表技术的发展，目前以载波抄表为主流的远程抄表得到了越来越广泛的应用。载波通信通过电力线传送载波信号，无需再铺设线路，即可实现远程电能表数据的采集。

应用最多的两种远程抄表方案是“集中器+载波表”和“集中器+采集器+RS-485表”方案。其中“集中器+载波表”方案在市场上越来越主流，载波通信口在远程通信中不可或缺。在“集中器+载波表”抄表方案中，RS-485通信端口在电能表正常使用中不起作用，只是在生产和检验中有一定的作用。本文考虑去除RS-485通信端口，以简化电能表。

2 红外通信端口介绍

2.1 红外通信原理

DL/T 645-2007标准规定了多功能电能表的通信端口有调制型红外光口，而DL/T 645-1997标准中并无红外通信口的要求。DL/T 645-2007标准是参考国家标准《GB/T 19897.1-2005 自动抄表系统低层通信协议第1部分:直接本地数据交换》[6]的开放式红外通信方式加入的。而此标准就是从IEC 62056-21标准翻译过来的。在IEC 62056-21中并没有开放式光学端口，在翻译的过程中，加入了开放式光学端口的定义，以便通过手持设备采集数据。DL/T645-2007在加入红外通信通道时保留了RS-485通信通道。

2.2 红外通信特点

标准规定，当红外线波长为900 ～ 1 000 nm、数据传输的光路周围环境光强度小于5 000 lex时，有效通信距离大于3 m。国家电网公司电能表标准要求电能表上红外通信为调制型红外，调制频率为(38±1)kHz。调制前和调制后的电信号波形如图1所示。

图1 红外光电信号波形示意图

对于发送端，当无红外脉冲发射时，发送的是二进制数据1；当有红外脉冲发射时，发送的是二进制数0。而对于接收端，没有接收到红外光即认为是1，接收到则认为是0[7]。

发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送至解调电路进行解调，将其还原为二进制数字信号后输出。通过调制，接收端可以针对调制频率进行接收，以滤除环境干扰，实现较远距离通信。DL/T 645标准未针对调制波的占空比进行定义。红外通信的光辐射半角为15°。考虑到半径为3 m、锥角为15°的球面积为1.9 m2，即在1.9 m2范围内的红外接收装置都可以接收到红外信号，这就意味着在较大的范围内都可以接收到光信号，简单的远红外通信难以实现多个相邻电能表的同时通信。

文献[8]发明了点对点红外通信装置，将激光瞄准和红外聚集技术引入电力红外通信，从而使掌机抄表不再受其他相邻电能表的影响。但该方法仅能同时进行一对掌机和电能表的抄读，无法实现多对掌机和电能表的同时通信。

2.3 红外通信分析

在红外通信实现多路同时通信的过程中，主要存在两个问题：一个是多个红外设备之间的信号串扰问题，另一个是两个红外设备(电能表与抄控器)之间的可靠通信问题。事实上，当红外抄控器距离电能表过近(即红外信号过强)时，电能表同样不能正确接收数据。因此，采用红外抄控器直接接触电能表以防止红外光外泄的方式不可行。

为了实现电能表与红外抄控器之间红外信号不外泄，同时使电能表与红外抄控器之间可靠通信，采用在红外抄控器与电能表之间加入衰减介质的方式进行通信。该方法使红外抄控器正对电能表的红外发射接收头，通过衰减介质实现红外信号的衰减，使红外抄控器与电能表之间可靠通信。衰减介质选用普通的A4打印纸(亚太森博纸业生产，80 g/m2)。通信空间结构如图2所示。

图2 通信空间结构图

Fig.2 Structure of the communication space

2.3.1 通信成功率分析

分别采用0～36层纸张，在红外抄控器与电能表之间，使用红外抄控器抄读电能表数据；采用适配符读取地址数据，帧抄读电能表的地址，波特率为1 200 bit/s，偶校验由8位数据位、1位起始位、1位结束位构成。红外抄控器每秒抄读1次，共抄读200次，抄读成功率如表1所示。

表1 抄读成功率试验结果

2.3.2 通信干扰分析

由于红外二极管的发射光聚焦在15°的锥形内，所以在侧面发射的功率很小。同时，由于纸张较薄，每张纸厚度约为100 μm，则20张厚度为2 mm；侧面方向上的光透过的衰减距离较长，从侧面泄漏出来的红外光较少，不会对相邻的电能表红外通信造成影响。

电能表选用国家电网公司标准单相电能表[9]。把2块电能表放置在被测电能表的两边，3块电能表并排紧挨布置，3块红外抄控器红外通信端口分别对准3块电能表。电能表与相应红外抄控器之间隔20层纸，观察3对红外抄控器与相应电能表是否同时进行通信、互不干扰。红外二极管各锥角方向上的光功率密度如图3所示。

图3 红外二极管各方向的光功率密度示意图

3对电能表与红外抄控器同时、分别抄读电能表地址，每秒抄读1次，抄读200次。3对红外抄控器与电能表之间的通信成功率均为100%。试验证明，3对电能表与红外抄控器之间能够同时通信，相互之间没有干扰。

3 红外通信替代RS-485通信的分析

由于电能表电流采样电路和电压采样电路元器件不可避免地存在一定误差，所以需要对计量的结果进行修正，以获得较高的精确度。目前，电能表的校表方案已经从硬件校表向软件校表转变[10-11]。即由原来的调整采样分压电阻的校表方法，向依靠软件补偿的方法转变。由于软件校表方便、快捷、便于自动操作，所以现在的智能电能表生产几乎都采用软件校表的方法。

软件校表的校正过程中，需要与电能表进行通信交互。为了提高生产效率，在一个校表台体上需同时对多个电能表进行校表和检定工作，并对多块电能表同时通信，这就要求每块电能表之间通信互不干扰。目前，一般在生产的校表过程中，都采用RS-485通道与电能表通信。事实上，对于载波电能表，只有在生产和检验中使用了RS-485通信口。既然已经解决了多个红外通道同时通信的问题，下面对使用红外通信是否能完全替代RS-485通信进行讨论。

3.1 通信口设计对比

考虑到电能表使用中的人身安全，RS-485要实现与市电的隔离，同时电能表中一般使用分流器进行电流采样。电能表中的地为热地，所以电能表中的RS-485需要单独一路电源，还要实现电能计量与RS-485电路的隔离。这些要求增加了设计的复杂性，而红外通信没有这些要求。

3.2 校表用时对比

目前国家电网的电能表红外参数表明，红外通信速率最高仅能达到2 400 bit/s，一般采用1 200 bit/s；而RS-485通信可以达到9 600 bit/s，一般采用2 400 bit/s。这意味着采用红外通道校表比采用RS-485通道校表需要更长的时间。但由于校表过程并不完全是通信过程，在电能表生产和检验过程中耗时最长的是电能表走字及电量比对的过程，通信所用时间占比很小，所以生产和检验过程中采用红外通道校表并不会明显增加生产检验时间。

3.3 校表安全性对比

当电能表在现场安装完成后，由于对安装端子位置进行了铅封，所以用户无法在不破坏铅封的情况下接触到RS-485通信口。但是用户可以很方便地接触到红外通信口，这有可能带来出厂后用户对电能表非法校表的隐患。在实际使用中，可以采用特殊带密码的指令或者按键组合进行电能表校表，使用户不能通过红外通道进行校表，从而保障了电能表的计量安全。

4 结束语

“集中器+载波表”的抄表方式在实际使用中，智能电能表的RS-485通信口并非必要。去除RS-485通信通道，可以减少一路给RS-485供电的独立电源、对串口通信进行隔离的电路和RS-485转换电路，简化了电能表的设计。目前在国家电网招标中，载波电能表完全可以去除对RS-485通信信道的要求，从而有效降低电能表的成本和功耗，实现电能和资源的节约。

[1] 国家电网公司.Q/GDW 1354—2013智能电能表功能规范[S].2013.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 17215.301-2007 多功能电能表 特殊要求[S].2007.

[3] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 645-2007多功能电能表通信协议[S].2007.

[4] 胡鹏飞,袁玉湘,于坤山,等.无极性RS-485芯片的关键技术研究与智能电网中的应用[J].智能电网,2013,1(2)：47-51.

[5] 彭良清，洪占勇.RS422/RS485网络的无极性接线设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2002(6):5-7.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 19897.1-2005 自动抄表系统低层通信协议 第1部分:直接本地数据交换[S].2005.

[7] 张俊才.嵌入式信息家电平台中的红外通信研究与实现[D].昆明：昆明理工大学,2007.

[8] 杜艳,王者龙,杨杰,等.点对点红外通信装置的设计[J].电测与仪表,2015,52(7):97-100.

[9] 国家电网公司.Q/GDW 1355—2013单相智能电能表型式规范[S].2013.

[10]王舒憬,陆雅敏,叶申锐.电子式多功能电能表软件校表系统的设计[J].微计算机信息,2009，25(7):90-91.

[11]秦华旺,戴跃伟,左兵城,等.电能表检验装置中电能值的补偿方法[J].微计算机信息,2008,24(7):228-229.

Research on the Configuration of Communication Port for Smart Electric Energy Meter

ZHANG Baozeng,CHEN Xinchun,ZHANG Jingwei,WANG Zhe

(XJ Group Corporation,Xuchang 461000,China)

Since RS-485 communication port plays a minor role in operation of electric energy meter,the original requirements and functions requested for each communication port of the meter is retrieved,the features of communication port,especially the infrared communication are researched,and the feasibility of using infrared communication port to implement all the functions of RS-485 ports is investigated.Infrared port is space open port,multiple pairs of infrared communication ports may interfere to each other when they communicate simultaneously;while RS-485 communication port is wired communication,the problem doesn’t exist.In order to solve the problem that several infrared communication ports interfere to each other when they communicate at the same time,and they can’t communicate when the signal intensity is too strong,the method of inserting attenuating media between two infrared communication ports is put forward.In this way,the infrared light is attenuated to the magnitude that two infrared communication ports can communicate each other,while the diffused light is attenuated to be ignored.In addition,the influence to checking meter process because of slower infrared communicate rate,and how to avoid illegal checking meter are researched.The results show that in most cases,RS-485 communication port is not necessary in fact;removing RS-485 communication port from carrier line of the meter can reduce costs and energy consumption without decreasing its functions.

Smart gird； Electric energy meter; Infrared signal; Automatic meter reading； Carrier； Communication

张保增(1979—)，男，硕士，工程师，主要从事电子设备设计、制造技术的研究。E-mail：zhangbaozeng@163.com。

TH702;TP216.4

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702017

修改稿收到日期：2016-10-21