自动抄表系统中通信方案的现状与展望

　清华大学自动化系　北京同构高技术研究中心　杨宏业　张跃　吕芳

　　 摘　要：针对我国电力部门的管理体制和实际情况，本文对目前国内外的自动抄表系统数据通信方案和结构进行了全面分析、比较和总结，并根据我国三网合一（互联网、有线电视网和电话网）的发展趋势，对自动抄表系统的发展进行了客观的预测。
　　 关键词：自动抄表；扩频通信；三网合一；数据通信方案

   1 引言

　　自动抄表系统，简称AMRS（Automatic Meter Reading System），是一种不需要人员到达现场就能完成抄读用户消耗电能的智能化管理系统。近年来，这一技术在国内外应运而生，而且发展非常迅速。为加强用电管理，提高供电效益，使其适应市场经济需要，供电部门实行电度表自动抄表的用电的监控需要，供电部门实行电度表自动抄表和用电的监控管理是非常必要的。因此，自动抄表系统（AMRS）将是未来发展的主要方向，这对于提高电力部门的管理水平和经济效益无疑有着十分重要的意义。配电网中的自动抄表系统是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分，它的最终目的是：自动、集中、定时地抄录各用户的用电量；按用电的峰、平、谷时间和季节自动高速复费率去核算每个用户的电价；通过银行向各用户自动完成转帐收款、电费结算、打印收据；为电力部门提供有效的电网运行参数。该系统的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的现代化水平。

   2 现有方案的构架及特点

　　我国的电能计量方式采取的是一户一表制，这就决定了抄表系统主要具有如下两个特点：其一，系统数据采集点多，成千上万，数据量大；其二，系统是一个覆盖面很广的通信网络（采集点具有分散性）。目前的远程抄表系统的通信信道主要包括用电管理中心与集中器的通信信道和集中器与采集器的通信信道。一般来说，几乎所有AMRS系统的整体都采用分布式体系结构。这种体系结构分上下两层：上层（用电管理中心与集中器之间）数据的采集采用星型结构；底层（集中器与采集器之间）数据的采集采用总线型结构，如图1所示。
　　 

     2.1 上层星型通信方案
　　 星型通信系统是以安装在供电局管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与分散于各台变区域的集中器连接，形成1对N的连接形式。在这种方式下，信道的通信数据量较大，要求有一定的传输速率和带宽。根据信道的介质可分为光纤、电话线和无线三种模式。 图1 AMR系统的整体体系结构
　　 2.1.1光纤通信网
　　 光纤通信具有很多优点，如频带宽、传输速率高、传输距离远，以及高抗干扰性等特点，非常适合上层通信网的要求。因为光纤本身难以实现T形连接，不能实现总线结构（除非采用光纤环网技术），因此特别适合于星型连接。由于目前星型连接节点造价高，安装费用也比较高，在ARMS系统中无法采用。随着光纤技术和网络的发展，不久以后在ARMS系统中借用其它现有光纤通信网进行上层通信将是一种很好的选择。
　　 2.1.2电话线网
　　 由于电话网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行数据通信也是一个经济有效的方案。利用电话通信，只需在数据集中器和管理中心主机各加装调制解调器（Modem）即可，其通信速率可达2.4kbps、9.6kbps甚至56kbps。主机对集中器的呼叫可通过拨号由交换机自动完成，也可以租用专线，但费用较高。租用电话线方式进行数据通信时，线路续接（包括呼叫应答等）时间较长，通常需几秒到几十秒。这一方面使得管理中心无法对用户实时监控；另一方面当集中器数目N较多时，租用电话线路多，其租用费用也很可观，因此不适合大容量系统。
　　 2.1.3无线通信网
　　 利用无线电波进行无线通信，对于范围广、布局分散的集中器进行数据通信，是一种较好的选择。其特点是传输频带较宽，通信容量较大（可达几千台），通信距离长（一般几十公里，还可通过中继站延伸到更远）。在进行通信时，管理中心主机控制无线电台发出呼叫命令，各集中器收到命令后进行地址对比，如正确则发出应答信号，完成数据链路的建立，然后进行数据通信。使用这种通信方式，安装调试方便，主要缺点是需申请频点使用权，如果频点选择不合理，相邻两个信道会产生相互干扰。一般情况下，小型无线电台的通信速率较低，常用600bps或1200 bps，且设备及安装成本较高，所以这种通信方式的使用场合有一定的限制，多用于大用户电力负荷的无线电监控及用电管理系统中。
　　 2.2底层总线型通信方案
　　 总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的，这种方式以一条串行总线连接各分散的采集器或电度表，实现各节点的互连。这种方式下，信道上节点较多，传输速率不很高（与通信介质有关），传输距离短，不超过2000 m，因此一般用于底层电能数据的采集。常用的模式有低压电力线载波通信、RS-485网和仪表总线等。
　　 2.2.1 RS-485网
　　 EIA RS-485是CCITT标准化V.11/X.27兼容的平衡式电气特性标准。该标准采用集成电路，在一对平衡的互连电缆上传送差分信号，在接收端用差分接收器进行信号判决。这种接口是具有抑制共模干扰的能力，因此抗干扰性能很好，信号发送频率最高可达10MHz。在使用双绞线，信号速率小于100kbps时，传输距离可达1200m。RS-485接口在一个通道上可进行半双工通信，所以只需两根线便可双向通信，并可方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信网络，一般使用双绞线作为网络总线。总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯片而异，最多可接128个节点。对要求较高的系统可考虑选用带光电隔离的、抗雷电及抗静电放电的冲击的收发器，在进行系统设计时应综合考虑这些因素。
　　 2.2.2低压电力线载波通信
　　 利用低压电力线作为AMR系统的底层数据通道运行成本低，无疑是非常经济的方案。在发送数据时，发送器先将数据调制到一高频载波上，再经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上。信号频带一般为50~300kHz，峰峰值电压不超过10V，因此不会对电力线路造成不良影响。此高频信号经线路传输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离出来，滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号。低压电力线载波通信网的系统结构同RS-485系统结构，采用总线结构。在同一变压器区域下，一个集中器采集若干个采集器或电度表的数据，构成一个总线型图。但是，利用低压电力线作为传输信道还存在许多问题。
　　 首先，电力线上的干扰非常大，特别是在用户线路上。例如：用户家用电器、开关电源等产生的高次谐波，各种用电设备的通断产生的瞬时脉冲干扰，各种大功率开关器件的开关产生的宽频谱的驻波干扰等等。因此，如何抑制干扰，提高通信的可靠性是首要考虑的。其次，不同地方的线路特性可能完全不同，使用线路的种类及线路上的负荷情况都会对高频信号在电力线上的传输特性产生很大的影响。即使是同一段电力线路，其传输特性也会随各种电力负荷的投切而改变，所以通信设备的稳定性和适应不同线路的能力也很重要。当前市场上应用于电力线上的调制解调器一般是基于移频键控（FSK）调制方式的，由于传输速率低（一般不超过2400bps），而且抗干扰性能差、传输距离短，所以基本上已经被淘汰，而被广泛使用的是扩频调制解调器。扩频系统分发端和收端两部分，收端可简化为调制和扩频两个模块。在发送端，信号首先对某个载频进行调制，调制器输出的窄带已调信号再送及扩频器进行二次调制，输出的信号为宽带已调信号。由于扩频器是利用一高速伪随机码（PN）序列对发射信号调制，因此获得的输出信号的谱密度大大地降低了。接收端由解扩和解调器构成，在接收端，利用与发端相同的伪码序列对收到的扩频信号进行解扩（扩频的反变换）处理，还原成窄带已调信号，窄带已调信号再经过解调器后原始信号就解调出来。由于扩频信号带宽与窄带滤波器带宽之比越大，信噪比就越大，所以扩频通信是以宽带宽换取高信噪比，并提高通信的抗干扰能力、增强通信的隐蔽性的。因此这种调制方式将是低压电力线载波通信的发展方向。
　　2.2.3仪表总线
　　 底层电能数据的采集，除了采用低压电力线载波通信和RS-485网外，还有采用新的仪表总线的，如美国德州仪器公司的TSS721A。它采用欧洲新型总线结构，具有极性可互换，总线拓扑结构可任意，传输距离远等特点。目前这种通信方式主要应用国外，国内应用的很少。

   3 AMR方案的展望

　　二十一世纪是网络化时代，在计算机技术，微电子技术和网络技术等的迅速发展下，抄表方案也层出不穷。各种方案都有其特点，有其相适应的应用环境和存在的条件，不能一概而论，甚至在特殊情况下还需要将其结合在一起，扬长避短可发挥出更大的优势。
　　 

   3.1基于三网合一的抄表系统
　　美国率先在1993年9月宣布了“信息高速公路计划”，此后全世界范围内掀起了一场信息高速公路的建设热潮。“信息高速公路”是一个连接千家万户，提供电信、电视和数据等综合服务的网络。因此把通信广播电视、电信业务和多媒体传输等多种信息服务纳入计算机网络，打破传统的信息传递模式和行业界限，统一规划建立一个宽频带、大容量、高速率的共用信息网络（即三网合一）就变得尤为重要。我国有线电视有两个明显的优势：第一是“最后一公里”的带宽非常宽；第二是覆盖率也电信网还要广。因此，利用HFC网络（光缆与同轴电缆相结合的网络）闲置的频带资源来为“信息高速公路”提供网络基础可实现三网合一。它所具的明显优势是价格低廉、信道容量大及信号质量优良。
　　 目前，我国的有线电视网的覆盖面最广，约为8000万户。将来通过机顶盒的多功能接口，电视机可以享受视频点播（VOD）、计算机（PC）可以上网。基于三网的机顶盒将来几乎会遍布千家万户。在智能化小区以及现代化城市中，利用多功能、多接口的机顶盒进行三表（电表、水表和煤气表）的自动抄表系统自然是未来的发展方向，如图2所示。基于三网合一的AMR系统的整体结构采用星型结构，它是以安装在供电局管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式通过三合一网与分散于各户的抄表器连接，形成1对N的连接形式。其中管理中心的系统工作站通过网卡与以太网交换机相连，抄表器借助于机顶盒连入HFC网，通过上行信道将电表数据上传到管理中心。

　　 3.2基于电网的抄表系统
　　 近年来，信号处理技术、通信技术的进步，使低压电力载波通信得到了迅速发展。再加上智能化小区的建设，家庭智能化网络HOMENET的兴起和电力部门用电、配电管理实现智能化、自动化和科学化管理的需求等都为载波通信提供了广阔的发展市场。低压电力载波通信的历史可追溯到很远，但低压电力载波通信相比高压电力载波通信还不成熟。其主要原因是低压电力线路的数学模型是时变的、随机的，致使建立数学模型非常困难。特别是线路上的宽带噪声污染使通信的误码率大大地增加。为了抑制噪声，目前主要采取扩频通信技术。这种芯片已有很多公司推出，但仍然存在这样和那样的问题（主要是通信距离和稳定性）。尽管这样，由于低压电力载波通信的强大优势（电所到，网所达），致使低压电力载波通信仍然保持强劲的发展势头。
　　 

     3.3基于移动无线网络的抄表系统
　　 目前蜂窝移动无线网（GSM）覆盖面已几乎遍及全国，因此构建这种抄表系统时，完全可以利用现成的GSM无一网格而不必重新建设新的基站。基于移动无限网络的抄表系统必须在管理中心和集中器中加装无线通信模块，由于这种无线通信模块（其实就是无键盘、无显示屏的手机）结构简单，控制容易，所以利用它的RS-232标准的接口很容易和单片机连接在一起，构造出一个可利用标准Hayse AT命令集驱动控制的、具有无线收发功能的集中器。网络结构如图3所示，用电管理中心与各个集中器都装有这种无线通信模块，它们之间的通信是通过拨号接入GSM网，以短消息SMS的模式进行上传数据，下达命令的。短消息SMS的工作机制类似于Internet网上的电子邮件E-mail，当无线信道发生拥塞时，短消自SMS的信道延时是不可预测的，这是它的致命缺点。
　　 由于现阶段其价格偏高（批量购买WAVECOM无线通信模块约700元人民币），所以只能用于抄表系统的上层。随着技术的进步，大批量的生产，到一定的时候也有望用于下层的通信。这是一种很有潜力的抄表方案，其特点是不需重新组网，方案无需变更就可以推广到不同地域使用。这种无线通信模块目前国外各大公司MOTORLOA、WAVECOM、NOKIA等都有相应类型的模块，它主要用于GPS定位系统中的移动通信。

   4 结束语

　　综上所述，这三种方案各有千秋，相互补足，其共同的特点在于不需要建网投资，利用已有的网络信道资源。不同之处是低压电力载波通信的覆盖面广，但可靠性，传输距离短需中继器。GSM通信方案传输距离远、可靠性高，但时延长无实时性。这种方案只能用于需要对用电户进行实时监控的抄表系统。三网合一的抄表系统的频带宽、速度快，用户覆盖面虽不及电力载波通信的覆盖面广，但有线电视根植于社会，其覆盖面约为8000万户。因此，IP技术和有线电视网络相结合，是低成本、平民化接入信息高速公路的较好手段。
　　 可以预见，建立宽带用户接入网和交互式有线电视网作为信息高速公路的入户网络，将会给自动抄表系统的发展及我国网络服务业的发展带来一次飞跃。

   5 致谢

　　本文在起草中得到了有关专家的指导，同时也参考了大量的文献资料，限于篇幅不能一一列出，在此特向各位先生、同仁表示衷心感谢！

  参考文献

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