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摘要：該文通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出直接利用低壓電力線構(gòu)成與低壓電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的用戶電能表終端＋配變集中器組網(wǎng)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程抄表；居民小區(qū)；低壓擴(kuò)頻載波
長(zhǎng)期以來，供電企業(yè)電能數(shù)據(jù)的抄算都是基于電能表的手工作業(yè)方式，即每月定期派人到各用戶那里抄錄電能表的用電數(shù)據(jù)作為電費(fèi)計(jì)算和收繳的依據(jù)。隨著電力負(fù)荷的急劇增長(zhǎng)，一戶一表和直供到戶等營(yíng)銷舉措的不斷深入，用電企業(yè)紛紛將家屬宿舍的用電管理業(yè)務(wù)交還供電企業(yè)，致使供電企業(yè)的電量抄錄的工作量急劇膨脹。白銀供電公司在城網(wǎng)農(nóng)網(wǎng)改造結(jié)束后，僅市區(qū)居民直供用戶將達(dá)到9萬戶，就地分散的手工抄表根本無法適應(yīng)用電管理的需要。因此，遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)勢(shì)在必行。
1 遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其特點(diǎn)
我國(guó)研究和開發(fā)的集中遠(yuǎn)抄系統(tǒng)都是單臺(tái)配變下的小區(qū)集中遠(yuǎn)抄系統(tǒng)，其典型的組網(wǎng)拓?fù)浯笾氯缦拢?
用戶電能表+單元子區(qū)數(shù)據(jù)采集器+配變集中器+營(yíng)業(yè)站抄算主機(jī)
一般情況下，一個(gè)家屬樓單元有14～18塊低壓電能表，單元子區(qū)數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)采集其下屬的電能表電量數(shù)據(jù)，配變集中器則負(fù)責(zé)收集配電變壓器下面的所有單元子區(qū)采集器的數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌瓤�，其組網(wǎng)方式有：兩級(jí)純專線組網(wǎng)方式、 兩級(jí)混合組網(wǎng)方式、兩級(jí)載波組網(wǎng)方式。
從組網(wǎng)拓?fù)涞慕嵌戎v，只要在用戶電能表、單元子區(qū)采集器、配變集中器采用專用信道通信，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的纜線工程量就非常大，有線專用信道的維護(hù)也有一定困難。鑒于這種情況，各科研單位和廠商都在努力做到取消單元子區(qū)采集器，實(shí)現(xiàn)用戶電能表與配變集中器的直接低壓電力線載波通信，這樣就大大減少了纜線工程量，而且數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)慕M網(wǎng)拓?fù)渑c低壓配電網(wǎng)保持一致，有利于系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)和用戶數(shù)量的模數(shù)化擴(kuò)展。這種拓?fù)湟笠粋�(gè)用戶終端，不但要實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量，還要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的編碼、解碼、載波收發(fā)等功能�？梢詷�(gòu)成完全基于低壓電力線信道的載波電能表+配變集中器+營(yíng)業(yè)站主機(jī)的組網(wǎng)拓?fù)�。�?shí)踐證明：目前市場(chǎng)上已經(jīng)開發(fā)出來的窄帶調(diào)制的低壓載波表和配變集中器很難保證電量或控制數(shù)據(jù)的可靠傳輸。主要原因是低壓電力線載波信道的特性隨機(jī)性、時(shí)變性很大，非常地不穩(wěn)定。因此，低壓電力線載波技術(shù)是直接通過電力線組網(wǎng)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的瓶頸。
本文就是致力于開發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的擴(kuò)頻載波用戶終端，如果一旦開發(fā)成功，抄算系統(tǒng)就可以使用簡(jiǎn)單明了的用戶終端+配變單元+營(yíng)業(yè)站抄算主站的組網(wǎng)拓?fù)�，并將成為�?guó)內(nèi)主流的抄算系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?
2 試點(diǎn)居民小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)方案
由于使用了分布式安裝結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)建設(shè)上與集中抄表箱用電系統(tǒng)相比，無須龐大繁瑣的纜線工程，施工難度將會(huì)大幅下降。系統(tǒng)的擴(kuò)展將隨用戶或配變數(shù)量的遞增而模數(shù)化擴(kuò)展，就象增加一個(gè)用戶增加一塊電能表那樣簡(jiǎn)單。因此，系統(tǒng)擴(kuò)展極具伸縮性，不會(huì)象集中式系統(tǒng)那樣新建時(shí)資源閑置，用戶發(fā)展時(shí)容量又不夠。應(yīng)該說，這個(gè)系統(tǒng)比較符合營(yíng)業(yè)用電管理系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。
2.2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的選擇與研究
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，信道共享技術(shù)已經(jīng)比較成熟。一般可分為兩類，即受控接入和隨機(jī)接入。
隨機(jī)接入共享信道的特點(diǎn)是所有用戶都可以根據(jù)自己的意愿隨機(jī)地發(fā)送信息。實(shí)際上就是爭(zhēng)用接入，征用勝利者才能獲得總線，從而發(fā)送自己的信息。典型的隨機(jī)接入是載體偵聽多重訪問/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）網(wǎng)絡(luò)，其為總線型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。后文重點(diǎn)介紹的基于CEbus的擴(kuò)頻載波線性掃頻信號(hào)（Chirp）由于具有自相關(guān)性，所以適用于CSMA網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合電力線的傳輸特性，綜合比較各種網(wǎng)絡(luò)，在本文所要開發(fā)的遠(yuǎn)抄系統(tǒng)中選用CSMA協(xié)議應(yīng)該是比較合適的。CSMA協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，如時(shí)延不確定、重載時(shí)效率下降，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸量較小的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)來講，并不是值得考慮的問題。
2.3用戶電能表終端的總體設(shè)計(jì)
用戶電能表終端由AC/DC開關(guān)電源模塊、電量傳感器模塊、故障保護(hù)模塊、計(jì)量模塊、負(fù)荷控制模塊、LED顯示模塊、MCU系統(tǒng)模塊、低壓擴(kuò)頻載波通信模塊構(gòu)成，圖3是用戶電能表終端硬件電路框圖。
多輸出開關(guān)電源負(fù)責(zé)為用戶電能表終端供電，它輸出DC +5V 0.5A和DC ±15V 0.5A電源各一組，其交流輸入的設(shè)計(jì)范圍為AC 220V ±20%。為了降低電源模塊的體積，采用TOP2XX脈寬調(diào)制功率開關(guān)為核心器件，構(gòu)成單端反激式電路。
故障保護(hù)模塊負(fù)責(zé)監(jiān)視低壓用戶的負(fù)荷電器的運(yùn)行情況，當(dāng)發(fā)生短路、過流、漏電或電網(wǎng)電壓超標(biāo)時(shí)，向MCU系統(tǒng)模塊發(fā)出信號(hào)請(qǐng)求執(zhí)行斷電控制程序。
計(jì)量模塊負(fù)責(zé)把用戶的用電功率轉(zhuǎn)化為頻率正比于功率大小的脈沖串，提供給MCU系統(tǒng)模塊進(jìn)行電量計(jì)算。即使用戶實(shí)施了竊電行為，它仍然可以輸出正確的電量計(jì)算脈沖串，并向MCU系統(tǒng)發(fā)出竊電信號(hào)。
負(fù)荷控制模塊是一個(gè)受MCU系統(tǒng)輸出的TTL電平控制的大功率交流無觸點(diǎn)開關(guān)，能夠過零關(guān)斷或開啟6 kW的負(fù)荷功率。
MCU系統(tǒng)由AT89C52 8位單片機(jī)、X5045看門狗芯片和DS1302時(shí)鐘日歷芯片構(gòu)成。它是用戶電能表終端的計(jì)算監(jiān)控中心，主要負(fù)責(zé)對(duì)電量脈沖串進(jìn)行計(jì)算或處理，執(zhí)行就地或遠(yuǎn)方的負(fù)荷控制程序，與低壓擴(kuò)頻載波通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并控制其收發(fā)信。
顯示模塊由一個(gè)8位LED及其動(dòng)態(tài)掃描控制芯片構(gòu)成，主要完成電量數(shù)據(jù)的舊的查詢顯示，便于用戶了解自己的電量或電費(fèi)情況。
低壓擴(kuò)頻載波模塊主要由SSC P200低壓電力線擴(kuò)頻載波網(wǎng)絡(luò)控制器、前置功放和電力線耦合電路構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)MCU系統(tǒng)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性掃頻調(diào)制，放大后耦合到電力線上，對(duì)通過電力線送來的載波信號(hào)進(jìn)行掃頻解調(diào)后送給MCU系統(tǒng)。這種數(shù)據(jù)通信采用了收發(fā)分時(shí)控制的半雙工通信。該模塊與配變集中器的設(shè)計(jì)通信距離為1000 m。在信道特性最惡劣的情況下，也要保證不小于600m。
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