淺談智能電表的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)

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(唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305)

自2009年7月國家電網(wǎng)規(guī)劃了智能電網(wǎng)的發(fā)展藍(lán)圖，實現(xiàn)電力能源的優(yōu)質(zhì)高效利用，實現(xiàn)電網(wǎng)運行的可靠、可控。作為智能電網(wǎng)的終端設(shè)備，智能電表在智能電網(wǎng)的建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用。智能電表除具備用電計量功能外，還兼顧用電信息遠(yuǎn)程收集、用戶信息呈現(xiàn)、防竊電、電量告警等功能。為提高電力資源的利用效率，目前國家實行峰谷分時電價等計價方式，這就需要智能電表的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)分時電價統(tǒng)計，時段電量控制。

1 智能電表的發(fā)展及現(xiàn)狀

智能電網(wǎng)作為“十二五”期間重要的經(jīng)濟刺激項目之一，至2015年已經(jīng)進入全面建設(shè)階段。其中，智能電表作為智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)備，已進入強勁增長態(tài)勢。

我國在2000年以后開始逐步使用預(yù)付費電表，在電量計量的基礎(chǔ)上，增加了預(yù)付費控制功能，實現(xiàn)用戶先買入電量，再使用的有條件供電控制。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電表配合現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機技術(shù)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表的自動化功能[1]。這樣有助于降低人工成本，通過對電力數(shù)據(jù)的分析，可以有效分配電網(wǎng)資源，提高電能的利用效率。

“十三五”期間，國家電網(wǎng)繼續(xù)推廣智能電表的配套采集建設(shè)，2016～2017年，國家電網(wǎng)重點要實現(xiàn)用電信息采集系統(tǒng)全覆蓋，兩年新增采集用戶7 885萬戶(包括采集終端780萬臺)，兩年投資約95億元。

目前，智能電表已經(jīng)具備用戶用電信息存儲、雙向計量、測量精度高、使用壽命長等特點。能夠滿足用戶查詢、分時計價、階梯電價、充值卡購電、網(wǎng)上充值等功能。

2 遠(yuǎn)程抄表技術(shù)

為實現(xiàn)智能電表的信息近距離采集、維護，智能電表集成了485通信模塊、紅外通信模塊。為便于電力部門遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集，智能電表已逐步集成遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)電表信息的雙向交流。智能電表的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)一般由計量單元、采集器、集中器、數(shù)據(jù)管理層、綜合應(yīng)用層組成。采集器收集電表信息，再將數(shù)據(jù)通過集中器的移動通信模塊傳輸至以太網(wǎng)，以便供電部門綜合管理。

圖1 智能電表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集層的采集器和集中器是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。即可將電表數(shù)據(jù)通過上行通道傳輸至數(shù)據(jù)管理層，又可將數(shù)據(jù)管理層的指令下行至電表，實現(xiàn)電表的智能通信。

目前電表通過RS485或低壓電力線載波傳輸技術(shù)，通過有線方式將電量等信息傳送至采集器。RS485總線技術(shù)具有較快的通信能力、抗干擾能力強、傳輸信號穩(wěn)定、可靠性高、低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)等特點。但是走線繁瑣，維護困難。低壓電力線載波傳輸是通過既有電力線纜傳輸數(shù)據(jù)，具有無需另架設(shè)網(wǎng)絡(luò)線路、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)等特點。但只能應(yīng)用于單相電網(wǎng)中，且易受電力網(wǎng)絡(luò)固有脈沖影響，易受低壓電器的電磁干擾。電力負(fù)荷程度嚴(yán)重影響著低壓電力載波的數(shù)據(jù)傳輸距離，在電力線纜低負(fù)荷運行時，信號傳輸距離可至幾千米。在高負(fù)荷時，卻衰減至幾十米[2]。

電表數(shù)據(jù)信息在采集器至集中器的傳輸一般采用無線通信技術(shù)，目前常用的有藍(lán)牙、Zigbee、LoRa、NB-IoT等技術(shù)。

藍(lán)牙技術(shù)具有低成本、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可采用調(diào)頻技術(shù)，減少同頻干擾。但是藍(lán)牙技術(shù)傳輸距只有幾十米，適合小范圍，電表數(shù)量較少的場合[3]。

ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、工作可靠等特點，帶載能力強，可帶65535個通訊模塊。ZigBee技術(shù)類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站，標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離可至幾千米。ZigBee具有無線自組網(wǎng)功能，模塊間就近組網(wǎng)，形成穩(wěn)定、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)鏈路中某一數(shù)傳模塊故障時，其他模塊會重新自動組網(wǎng)，隔離故障模塊，實現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的不間斷傳輸。但是ZigBee的衍射能力弱，穿墻能力弱，障礙物對信號影響大，在建筑密集區(qū)域需要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘枏姸鹊膯栴}。

Lora技術(shù)具有低功率、網(wǎng)絡(luò)連接可靠、抗干擾性強、傳輸距離遠(yuǎn)、低成本等特點。LoRa網(wǎng)絡(luò)采用全球免費的頻段， 一般在智能電表或采集器中集成LoRa模塊，然后通過LoRa網(wǎng)關(guān)控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信。在低功耗的前提下，實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸，最高可達(dá)到幾十千米的傳輸距離，即使在密集的城市群，也可達(dá)到2千多米的傳輸距離。LoRa網(wǎng)關(guān)可實現(xiàn)對通訊模塊的精準(zhǔn)定位，便于網(wǎng)絡(luò)的維護。內(nèi)置LoRa技術(shù)的網(wǎng)關(guān)或集中器可實現(xiàn)多信道的數(shù)據(jù)處理，但隨著LoRa的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署的增多，互相之間會形成頻譜干擾。

NB-IoT是IoT領(lǐng)域的一個新興技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接。NB-IoT具備功耗低、傳輸遠(yuǎn)、運營成本低、支持多用戶訪問等優(yōu)勢。NB-IOT具有超強連接能力，在同一基站下，可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50倍以上的用戶接入數(shù)。支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)三大運行商積極推進NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，因此NB-IoT無需重新建網(wǎng)。NB-IoT適用于遠(yuǎn)距離低速數(shù)據(jù)傳輸，特別是非實時低頻次數(shù)據(jù)傳輸，因此NB-IoT非常適合應(yīng)用于無線抄表領(lǐng)域。

3 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的應(yīng)用

藍(lán)牙技術(shù)是最早應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的技術(shù)之一，已具備成熟的技術(shù)應(yīng)用。目前，市場提供多種藍(lán)牙模塊，可與各種類型的電表(如單相電表、三相電表等)良好配合。同時，藍(lán)牙技術(shù)無需另架設(shè)基站，大大節(jié)約了應(yīng)用成本，在酒店、出租型公寓等小型區(qū)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

ZigBee技術(shù)的自組網(wǎng)功能，有效的降低了智能電表的維護成本，利于智能電表的故障診斷。短距離內(nèi)，ZigBee技術(shù)的抗干擾能力強，因此一般用于大型工廠等環(huán)境復(fù)雜的場所。

Lora技術(shù)的低功耗、帶載通訊模塊多、傳輸距離遠(yuǎn)等特點，使其常用于偏遠(yuǎn)或地況條件特殊的城鎮(zhèn)，例如山區(qū)、牧區(qū)等區(qū)域。

NB-IoT技術(shù)可利用運營商的基站網(wǎng)絡(luò)，能夠很好的銜接城市網(wǎng)絡(luò)。雖然需要支付一定的運營費用，但是對于幾十、百萬以上常駐人口的城市，避免了基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，利用現(xiàn)有高效、快速的網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)大大節(jié)約了運營成本。NB-IoT技術(shù)作為新興技術(shù)，能夠遠(yuǎn)距離通信，實現(xiàn)大量用戶的快速接入訪問，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)通信等特點，使其在城市中的智能電表領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用。

我公司的水源地架空線路分布較廣，最遠(yuǎn)距離離廠區(qū)約為25 km，用電設(shè)備分散，設(shè)備間隔距離較遠(yuǎn)，給抄表工作帶來很多不便，為便于井群設(shè)備用電量管理，于2016年，我公司采用了應(yīng)用ZigBee技術(shù)的智能電表，用于遠(yuǎn)程電量信息采集。再通過集成移動卡的集中器，通過移動基站，將電表數(shù)據(jù)傳輸至信息管理系統(tǒng)。使用此類智能電表后，極大的方便了我公司的電量管理工作，實現(xiàn)設(shè)備用電量的實時監(jiān)控，便于設(shè)備的維護管理。

4 智能電表遠(yuǎn)程抄表技術(shù)展望

智能電表的遠(yuǎn)程抄表技術(shù)的普及應(yīng)用，將大幅度的降低企業(yè)的運作成本，便于電力部門了解用戶對電力的使用情況，同時方便用戶對用電信息的查詢。實現(xiàn)電能的智能化利用，提高經(jīng)濟效益，保障人們對智能電表的合理需求。隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，智能化系統(tǒng)正日益完善，智能電表的遠(yuǎn)程抄表技術(shù)正呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢，不同的技術(shù)應(yīng)用于不同的場景，最終實現(xiàn)智能電表的全面覆蓋，實現(xiàn)國家的智能電網(wǎng)戰(zhàn)略。

[1] 燕飛.淺談電能表發(fā)展歷程[J].建筑工程，2016:28-29

[2] 胡長輝.淺談智能電表及遠(yuǎn)程集中抄表現(xiàn)狀及存在的問題[J].能源·電力，2005-2006[2013]18-0094-03

[3] 宋亞莉,任芳.針對遠(yuǎn)程抄表技術(shù)的綜合討論[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(24)