基于NB-IoT及電力載波三表合一集抄系統(tǒng)

王子敬， 舒 欽， 姚先威

(1.武漢市天然氣有限公司， 湖北 武漢 430033； 2.哈爾濱天源石化工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司武漢分公司， 湖北 武漢 430023)

1 燃?xì)獗?、電表和水表的運(yùn)行現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)居民用戶均采用氣、電、水一戶一表分開(kāi)計(jì)量的原則，各公司對(duì)自己的領(lǐng)域自行管理、自成系統(tǒng)。雖然在抄表方面遇到很多相同的問(wèn)題，但由于行業(yè)管理的限制，無(wú)法形成資源共享。一般情況下，武漢市新建的住宅在32層以上，電表、水表有專用的強(qiáng)電井和水井，燃?xì)獗韯t安裝在廚房。公共區(qū)域的抄表給工作人員帶來(lái)的麻煩較小，但燃?xì)獾某砉ぷ鞅仨毴霊?，由于居民的作息時(shí)間、出差等原因，工作人員經(jīng)常多次上門(mén)卻無(wú)法完成抄收工作。

預(yù)付費(fèi)模式的開(kāi)展與使用，可以大大降低抄表收費(fèi)的壓力，方便用戶。國(guó)家電網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的智能電表改造及用電信息采集建設(shè)，電力自動(dòng)抄表技術(shù)已相當(dāng)成熟。但燃?xì)獗?、水表仍然延續(xù)著線上充值線下寫(xiě)卡(將信息寫(xiě)入卡中)的模式，用戶不得不去營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)或自助機(jī)上寫(xiě)卡。此次突如其來(lái)的疫情，武漢作為全國(guó)疫情最嚴(yán)重的區(qū)域，這種寫(xiě)卡模式給用戶帶來(lái)了極大的不便，用戶在家中自我隔離，無(wú)法外出寫(xiě)卡，短期內(nèi)投訴量激增。為保障民生，燃?xì)夤就度氪罅咳肆ξ锪椭脩魧?xiě)卡，線上充值并直接使用已迫在眉睫。

2 三表合一存在的問(wèn)題及創(chuàng)新

三表合一的概念已提出多年[1]，很多城燃企業(yè)也在跟進(jìn)，但效果一般。拋開(kāi)行業(yè)壁壘，究其原因主要有：燃?xì)獗?、電表、水表智能化采取的通信協(xié)議不一致，無(wú)法整合；現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)穿透能力或抗干擾能力等很難滿足需要；智能表具無(wú)法實(shí)現(xiàn)不間斷供電；實(shí)現(xiàn)工程量少，回報(bào)大，同時(shí)盡可能不影響用戶使用習(xí)慣的方式極少[2]。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，NB-IoT技術(shù)的推出和低壓電力載波技術(shù)的全面成熟，使得解決上述難點(diǎn)成為可能。我公司聯(lián)合電力公司、水務(wù)公司采用NB-IoT和低壓電力載波技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建一套實(shí)時(shí)雙向、通信速度快、效率極高、安全可靠、使用方便的自動(dòng)抄表控制系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，同時(shí)解決智能表具長(zhǎng)期供電的問(wèn)題，從而使氣、電、水表緊密組網(wǎng)，成為統(tǒng)一的整體。具備深度覆蓋、海量連接、超低功耗和低成本等重要優(yōu)勢(shì)，使得大規(guī)模運(yùn)用成為可能，讓城市更加智能。

3 三表合一集抄系統(tǒng)的物理架構(gòu)

① 物理架構(gòu)

三表合一集抄系統(tǒng)的核心思想是最大可能地利用現(xiàn)有設(shè)備、不改造用戶家中布局、以最少的工程量實(shí)現(xiàn)所有功能。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了由系統(tǒng)主站(各公司的接收系統(tǒng))、集中器、采集器、I型轉(zhuǎn)換器、II型轉(zhuǎn)換器、用戶表(氣、電、水)的系統(tǒng)模型。系統(tǒng)主站與集中器之間可以根據(jù)具體情況選擇不同的通信信道(如GPRS);集中器和采集器、轉(zhuǎn)換器之間采用低壓電力載波(PLC)方式通信；新式電表內(nèi)部含有電力載波的解析模塊，可通過(guò)電力載波直接與集中器通信，老式電表中未含電力載波的解析模塊，則通過(guò)增加采集器的方式與集中器進(jìn)行通信。I型轉(zhuǎn)換器與用戶水表之間采用M-BUS總線方式通信，即可以提供電力保障又可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；II型轉(zhuǎn)換器與用戶燃?xì)獗碇g采用NB-IoT的微功率無(wú)線方式通信；老式電表采用RS485與采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。燃?xì)獗硎褂?號(hào)電池供電。一個(gè)系統(tǒng)主站可以管理多個(gè)集中器，一個(gè)集中器下轄多個(gè)轉(zhuǎn)換器或采集器。具體物理架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 三表合一集抄系統(tǒng)的物理架構(gòu)

② 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)主站：指通過(guò)遠(yuǎn)程信道對(duì)集中器中的信息進(jìn)行采集，并進(jìn)行處理和管理的設(shè)備。通常采用各單位的計(jì)算機(jī)設(shè)備作為主站，該站采取主動(dòng)方式對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行控制，是在一定范圍內(nèi)可以和不同地區(qū)的多個(gè)集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并集中處理的后臺(tái)系統(tǒng)。目前電力公司的系統(tǒng)主站是用電信息采集系統(tǒng)，需要增加燃?xì)獗?、水表的?shù)據(jù)采集，并設(shè)計(jì)接口收集燃?xì)夤尽⒐┧镜臄?shù)據(jù)。

集中器：能主動(dòng)收集新式電表、采集器、轉(zhuǎn)換器中燃?xì)獗怼㈦姳?、水表的?shù)據(jù)信息，并進(jìn)行處理儲(chǔ)存，同時(shí)能和主站或手持設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

采集器：用于采集單個(gè)或多個(gè)用戶電表的計(jì)量數(shù)據(jù)信息，處理后通過(guò)信道將數(shù)據(jù)傳送到集中器或?qū)⒓衅鞯拿顐鬟_(dá)到電表。

轉(zhuǎn)換器：用于采集單個(gè)或多個(gè)用戶表(燃?xì)獗?、水?的計(jì)量數(shù)據(jù)信息，并將它處理后通過(guò)信道傳送到集中器或?qū)⒓衅鞯拿顐鬟_(dá)到用戶表(燃?xì)獗?、水?。

用戶表(燃?xì)獗?、水表、電?：指具有計(jì)量、數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、通信中繼以及通過(guò)信道與系統(tǒng)上一級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的儀表。

③ 通信方式

M-BUS總線：M-BUS是一種由主機(jī)控制的分級(jí)通信系統(tǒng)，它由主機(jī)、從機(jī)和兩條連接電纜組成。從機(jī)之間不能直接交換信息，只能通過(guò)主機(jī)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)。M-BUS技術(shù)的傳輸介質(zhì)為雙絞線，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)300～9 600 bit/s，最大傳輸距離為1 000 m左右。另外，M-BUS總線可實(shí)現(xiàn)采集終端向計(jì)量設(shè)備遠(yuǎn)程供電，可解決三表合一水表無(wú)外供電的問(wèn)題。

NB-IoT：NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。

電力載波(PLC)：指利用工頻強(qiáng)電的電力線傳輸高頻弱電信號(hào)的通信技術(shù)。電力載波通信一般使用3～500 kHz或2～30 MHz的電力線頻譜資源，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 bit/s以上，在電力公司用電信息采集系統(tǒng)的通信技術(shù)中占比達(dá)70%以上。

RS485：RS485作為一種通信協(xié)議，一般采用的是主從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)，可以解決信息內(nèi)容的傳遞需求和一臺(tái)采集器對(duì)多臺(tái)電表的需要。

GPRS無(wú)線公網(wǎng)通信：指基于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)的通用分組無(wú)線通信技術(shù)，其覆蓋范圍非常大，通信速率可達(dá)100 kbit/s以上。

4 三表合一技術(shù)方案

基于以上物理架構(gòu)，結(jié)合武漢市一般建筑房屋的具體結(jié)構(gòu)形式，提出一種以適應(yīng)用電信息采集系統(tǒng)基本架構(gòu)為導(dǎo)向，覆蓋現(xiàn)場(chǎng)各種類型用電信息采集系統(tǒng)典型的三表合一技術(shù)方案，以便體現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)分散采集、集中管理、綜合監(jiān)控。

三表合一技術(shù)方案的總體布線見(jiàn)圖2。圖2中，中間層未出畫(huà)。

圖2 三表合一技術(shù)方案的總體布線

三表合一的數(shù)據(jù)傳輸流程是：燃?xì)獗硗ㄟ^(guò)NB-IoT無(wú)線通信模式與弱電井內(nèi)的II型轉(zhuǎn)換器通信，II型轉(zhuǎn)換器通過(guò)電力載波與集中器通信；強(qiáng)電井中的老式電表與采集器通過(guò)RS485通信，采集器再通過(guò)電力載波與集中器通信，新式電表可直接通過(guò)電力載波與集中器通信；水表運(yùn)用M-BUS協(xié)議模式與水井內(nèi)的I型轉(zhuǎn)換器通信，I型轉(zhuǎn)換器通過(guò)電力載波與集中器通信。燃?xì)夤?、水?wù)公司可根據(jù)自己的需要，在小區(qū)入口段增加燃?xì)饪偙?、水總表進(jìn)行總量對(duì)比，監(jiān)控和分析用戶用量，深挖用戶潛能，提供增值衍生服務(wù)，打擊偷氣偷水現(xiàn)象。當(dāng)需要增加燃?xì)饪偙砗退偙頃r(shí)，兩塊表具均通過(guò)電力載波與集中器通信。集中器采集的所有數(shù)據(jù)可通過(guò)GPRS等模式與系統(tǒng)主站通信，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收和傳輸。

該技術(shù)方案的主要優(yōu)勢(shì)：可以在不改變現(xiàn)有用戶使用習(xí)慣的基礎(chǔ)上，全程自動(dòng)收集用戶數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程操作，用戶無(wú)需參與；無(wú)論是新建還是已有用戶的改造，都不需要改動(dòng)用戶家中的布局；工程施工難度小，只包含增加設(shè)備和設(shè)備之間的線路連接，再無(wú)其他工程；有外供電的保障，不再局限于表具內(nèi)的鋰電池，減少了各單位的維護(hù)成本；數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃源蟠笤黾印?/p>

5 三表合一的效益分析

電力公司具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)以及強(qiáng)大的軟件平臺(tái)，燃?xì)獗怼㈦姳?、水表的?shù)據(jù)先傳到電力公司的系統(tǒng)中，再分發(fā)至供氣、水務(wù)公司。在如今信息化社會(huì)中，數(shù)據(jù)在任何行業(yè)尤其重要，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，深挖用戶的潛力極具意義。

① 打擊偷盜氣、電、水的行為。偷盜氣、電、水的行為屢禁不止，也是任何一家企業(yè)最為頭疼的事情。以往必須入戶檢查才能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，如今通過(guò)用氣、用水、用電數(shù)據(jù)的分析，可以直觀了解哪家用戶有偷盜行為，精確定位。

② 數(shù)據(jù)分析，提供高端服務(wù)。以往都是用戶端出現(xiàn)故障報(bào)修后維修，有了大數(shù)據(jù)的幫助，企業(yè)可以主動(dòng)提供維修、訂制針對(duì)性服務(wù)，提升用戶的滿意度。

③ 安全效益?，F(xiàn)在老人越來(lái)越多，子女因各種原因無(wú)法時(shí)常回家。通過(guò)氣、電、水的數(shù)據(jù)分析可以及時(shí)判斷哪個(gè)用戶存在漏氣等不安全狀態(tài)，及時(shí)上門(mén)排除，安全效益明顯。

④ 熟悉用戶習(xí)慣，深挖用戶潛能。氣、電、水新用戶的增量勢(shì)必越來(lái)越少，老用戶才是各企業(yè)利潤(rùn)增長(zhǎng)的主要來(lái)源。各企業(yè)可以根據(jù)氣、電、水?dāng)?shù)據(jù)的分析，量身定制一些服務(wù)或產(chǎn)品，增加收入來(lái)源。比如對(duì)于燃?xì)庥昧枯^大的用戶，推銷燃?xì)飧梢聶C(jī)、供暖爐等用氣設(shè)備并贈(zèng)送燃?xì)獾却胧?，讓用戶產(chǎn)生依賴，形成習(xí)慣。

⑤ 開(kāi)展延伸服務(wù)的重要支撐。隨著一系列燃?xì)鈨r(jià)格的改革，燃?xì)馄髽I(yè)的氣改壓力越來(lái)越大，開(kāi)展延伸服務(wù)，從賣氣到賣服務(wù)已成為每家燃?xì)馄髽I(yè)必須經(jīng)歷的過(guò)程，如何順利轉(zhuǎn)型為綜合能源供應(yīng)商就必須深知用戶習(xí)慣，智能化的實(shí)現(xiàn)成為開(kāi)展這些服務(wù)的重要支撐。

6 結(jié)語(yǔ)

市場(chǎng)上氣、電、水三表合一集抄系統(tǒng)方案很多，但實(shí)際成型的很少。NB-IoT技術(shù)使戶內(nèi)燃?xì)獗砜梢耘c外界實(shí)時(shí)通信；低壓載波技術(shù)使得現(xiàn)有電力線傳遞信息成為可能。三表合一系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)說(shuō)明基于NB-IoT及低壓電力載波技術(shù)的三表集抄系統(tǒng)可行有效。