淺談電能計量自動抄表技術
2012-12-31 00:00:00劉進勇史毓巍
【摘要】本文從電能表、采集器和集中器，以及通信信道等方面闡述了電能計量自動抄表技術的現(xiàn)狀，指出電能計量自動抄表技術在電力線載波通信、無線擴頻通信、復合通信和自動抄表的安全性等方面的研究熱點和發(fā)展方向。敘述了電能計量自動抄表技術產(chǎn)生的背景，介紹了電能計量自動抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點。
【關鍵詞】自動抄表；電能計量；信道；采集終端
電能計量自動抄表系統(tǒng)通過對電能計量數(shù)據(jù)自動采集、傳輸和處理克服了傳統(tǒng)人工抄表模式的低效率和不確定性，推進了電能管理現(xiàn)代化的發(fā)展進程。
1.電能計量自動抄表技術產(chǎn)生背景
為解決傳統(tǒng)抄表方式存在的成本高、效率低，抄讀數(shù)據(jù)誤差，操作難以規(guī)范化，數(shù)據(jù)采集不及時、耗費人工多等問題。近年來出現(xiàn)了將電能計量數(shù)據(jù)自動采集、傳輸和處理的電能計量自動抄表系統(tǒng)。
2.電能計量自動抄表系統(tǒng)的構(gòu)成和特點
典型的電能計量自動抄表系統(tǒng)主要由前端采集子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和中心處理子系統(tǒng)等三部分組成。
2.1前端采集子系統(tǒng)
按照采集數(shù)據(jù)的方式不同，電能計量自動抄表系統(tǒng)可分為本地自動抄表系統(tǒng)和遠程自動抄表系統(tǒng)兩種。
本地自動抄表系統(tǒng)的電能表一般加裝紅外轉(zhuǎn)換裝置，把電量轉(zhuǎn)換為紅外信號，抄表時操作人員到現(xiàn)場使用便攜式抄表微型計算機，非接觸性地讀取數(shù)據(jù)。遠程采集系統(tǒng)由電子式電能表或加裝了光電轉(zhuǎn)換器的機電脈沖式電能表構(gòu)成系統(tǒng)的最前端，它們把用戶的用電量以電脈沖的形式傳遞給上一級數(shù)據(jù)采集裝置。
2.2通信子系統(tǒng)
通信子系統(tǒng)是把數(shù)據(jù)傳送到控制中心的信道。為了適應不同的環(huán)境條件以及成本要求，通信子系統(tǒng)的構(gòu)成有多種方案。按照通信介質(zhì)的不同，通信子系統(tǒng)主要有光纖傳輸、無線傳輸、電話線傳輸和低壓電力線載波傳輸?shù)人姆N。光纖通信具有頻帶寬、傳輸速率高、傳輸距離遠以及抗干擾性強等特點，適合上層通信網(wǎng)的要求。但因其安裝結(jié)構(gòu)受限制且成本高，故很少在自動抄表系統(tǒng)中使用。
2.3中心處理子系統(tǒng)
中心處理子系統(tǒng)主要由中心處理工作站以及相應的軟件構(gòu)成，是整個電能計量自動抄表系統(tǒng)的最上層，所有用戶的用電信息通過信道匯集到這里，管理人員利用軟件對數(shù)據(jù)進行匯總和分析，作出相應的決策。如果硬件允許，還可直接向下級集中器或電能表發(fā)出指令，從而對用戶的用電行為實施控制，如停、送電遠程操作。
由于抄表要處理的數(shù)據(jù)量大，因此要求中心工作站的硬件必須有一定的運算和存儲能力。軟件上要求操作系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，抄表軟件必須具有處理大量數(shù)據(jù)的能力。典型的抄表軟件具有如下功能：遠程設定抄表集中器和采集器內(nèi)的參數(shù)；抄收整個系統(tǒng)中所有電能表的數(shù)據(jù)；使中央控制站可遠程地對用戶電能表進行斷電和送電控制；運行數(shù)據(jù)庫可生成用電量日報、月報，進行電費結(jié)算；使系統(tǒng)可進行查詢管理，對異常用戶給予告警提示。
3.電能計量自動抄表技術的現(xiàn)狀
3.1電能表
傳感器、自動化儀表以及集成電路技術的發(fā)展，使得無論是機電脈沖式還是電子式電能表已能夠較好地滿足當今電能計量自動抄表技術的需要。對于機電脈沖式電能表，需在表內(nèi)安裝光電轉(zhuǎn)換模塊和相應的端口，實現(xiàn)反映用電量的電信號輸出。這類模塊和接口成本低、小巧且易于拆裝，因此適于目前仍在大量使用的感應式電能表的改裝。電子式電能表可直接讀取其脈沖輸出，有的新型電子式電能表本身安裝有多種接口，適用于模擬、數(shù)字等各種通信模式。
3.2采集器和集中器
采集器和集中器是匯聚電能表電量數(shù)據(jù)的裝置，由單片機、存儲器和接口電路等構(gòu)成。
3.3通信信道
通信子系統(tǒng)是電能計量自動抄表技術中的關鍵，也占據(jù)了一定比例的投資。數(shù)據(jù)通信方式的選取要綜合考慮地理環(huán)境特點、用戶用電行為、技術水平、管理體制和投資成本等因素。很多情況下，某種方式最終被選用并不表示經(jīng)濟利益和技術要求的最大滿足，而只是權衡了各方面條件后的折中。近來，隨著對擴頻技術研究的深入，低壓電力線載波中干擾大的問題逐步得到解決，因此，低壓電力線載波通信方式在電能計量自動抄表技術中的應用有逐步推廣的趨勢。
4.電能計量自動抄表技術的研究熱點和發(fā)展趨勢
近兩年在自動抄表技術領域形成了以下一些研究熱點和發(fā)展趨勢。
4.1電力線載波通信
電力線載波通信，是將信息調(diào)制為高頻信號并疊加在電力線路上進行通信的技術。其優(yōu)勢是利用電力線作為通信信道，不必另外鋪設通信信道，大大節(jié)省投資，維護工作量少，可靈活實現(xiàn)“即插即用”。
4.2無線擴頻通信
擴頻技術是一種無線通信方式，把發(fā)送的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號，以擴展信號的頻譜，通過相關接收，用相同的頻碼序列解擴，最后經(jīng)信息解調(diào)，恢復出原始信息。擴頻通信距離一般可達幾十千米，其最大的優(yōu)點在于抗干擾能力較強。被擴頻信號的輸出信噪比與輸入信噪比的比值正比于擴頻信號的射頻帶寬與信息帶寬的比值。擴頻實質(zhì)上是將干擾信號的頻譜展寬，使其變得頻譜寬而功率譜密度低。在接收端經(jīng)窄帶濾波后，干擾信號大部分被濾出，殘留部分的能量低，而有用信號被壓縮還原成窄帶信號，順利通過濾波器，從而增大了信噪比。依據(jù)相關原理進行接收，發(fā)、受雙方必須使用相同的擴頻碼序列，而且擴頻通信在負信噪比情況下仍能正常工作，因此具有較強的安全保密性。擴頻技術種類較多，主要包括直接序列擴展頻譜（簡稱“直擴”）、跳頻、跳時和線性調(diào)頻等。直擴技術因其簡單且易于實現(xiàn)，故應用最為廣泛。擴頻通信實際上是一種點對點的通信方式，相互通信的兩點必須有工作在相同頻率的發(fā)射、接收電臺以及符合增益要求且極化方向相同的天線。兩電臺間必須可視，沒有山脈或高大建筑物阻隔，否則會影響通信效果。
4.3復合通信
在應用于電能計量自動抄表系統(tǒng)中的所有通信模式中，各種通信模式都有優(yōu)缺點，任何一種采用單一通信技術的方案均很難完全滿足需要。為解決這類矛盾，提出了復合通信方案。
復合通信方案是在自動抄表的不同通信階段采用不同的通信方式，組成實現(xiàn)電能自動抄表的復合通信網(wǎng)絡。在數(shù)據(jù)傳輸量不太大、傳輸距離較近的底層數(shù)據(jù)采集階段，可以采用如紅外、低壓電力線載波甚至點對點的通信方式；而在集中器到中央處理站段，則可采用電纜、電話線或無線通信等。選擇什么樣的復合方式，需根據(jù)實際情況統(tǒng)籌考慮?；旌鲜褂玫母鞣N通信方式之間要有很好的相容性，不能相互干擾，這其中涉及到運籌學、最優(yōu)規(guī)劃等方面的研究與設計。
4.4自動抄表的安全性
自動抄表的安全性主要包括自動抄表過程的安全性和中心處理子系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡安全性。電能計量自動抄表系統(tǒng)的抄表過程是分散的采集器、集中器與中心處理站間交換數(shù)據(jù)的過程。通信中既要保證所抄數(shù)據(jù)的安全、可靠傳輸，又必須確保中心處理子系統(tǒng)不會受到來自傳輸網(wǎng)絡的意外攻擊。
中心處理子系統(tǒng)的安全性主要是指其包含的計算機網(wǎng)絡安全性，主要的安全隱患來自以下4個方面：黑客、病毒、合法人員的失誤和網(wǎng)絡系統(tǒng)自身的脆弱性。保護及防范的措施是綜合運用密碼技術、身份驗證技術、訪問控制技術、防火墻技術、安全內(nèi)核技術、網(wǎng)絡反病毒技術、信息泄漏防治技術、網(wǎng)絡安全漏洞掃描技術和入侵檢測技術等。
碼技術是最基本的安全技術，其原理是利用加密算法對數(shù)據(jù)進行加密。
5.結(jié)束語
電能計量自動抄表技術的發(fā)展較快，開發(fā)、生產(chǎn)的廠家很多，在選用有關廠家的產(chǎn)品時，需認真調(diào)查、研究，選用較為成熟的產(chǎn)品，避免重復投資，從而使電能計量自動抄表技術更好地為電力系統(tǒng)服務。 [科]
