摘要：閘述了實行遠程載波預付費系統(tǒng)的必要性及解決方案，對該系統(tǒng)的組成、主要功能、主臺軟件功能、集中器、電力載波預付費電能表進行了較為詳細地介紹，并對今后上層通信方案的發(fā)展進行了展望。
關鍵詞： 自動抄表；電力線載波；遠程；預付費；多費率
1 實行電力載波遠程分時預付費的必要性
中國城市供電網(wǎng)及農(nóng)村供電網(wǎng)改造后，實行了一戶一表，抄表到戶，居民計量用表計數(shù)量成倍增加，尤其是在實行分時電價的城市，工作量在此基礎上又增加了4倍以上。若繼續(xù)采用傳統(tǒng)人工挨家挨戶抄取電能表數(shù)據(jù)，不僅耗費人工多、成本高、效率低，而且人為差錯多，不但不能適應電力體制改革的要求，還直接阻礙了諸如分時電價運營、預支電費等先進管理模式的推行。隨著技術與管理的進步，我國逐漸發(fā)展了集成電路(Integrate Circuit，IC)卡式預付費系統(tǒng)和自動抄表系統(tǒng)(Automatic Meter ReadingSystem，AMRS)。但從應用情況看，這兩種系統(tǒng)還存在不少缺點，急待開發(fā)新的先進的系統(tǒng)以滿足電力系統(tǒng)的需求。
1．1 1C卡式預付費
近幾年來，為減輕人工抄表工作量并實行電費提前收繳，我國各地陸續(xù)裝用了一些IC卡預付費電表，它們在使用中發(fā)生了一些技術質(zhì)量、管理及法律等方面的問題。
IC卡式電能表在技術質(zhì)量上存在的主要問題：①抗干擾能力脆弱，質(zhì)量問題突出，特別是其開放的讀寫窗口易受外界攻擊；②被攻擊造成控制系統(tǒng)失效后難以取證認定，極易發(fā)生用電糾紛。③預購電量快用完前發(fā)生斷電現(xiàn)象有違電力法規(guī)的規(guī)定；④價格高、壽命短、綜合效益差且使用風險大；⑤竊電嚴重，有些用戶私拉亂接長期不充值；⑥難以適應電價變動的要求，在電價調(diào)整時可能影響社會穩(wěn)定。
IC卡式電能表在電能管理上也存在問題，使其難以滿足電力營銷管理改革的需要：①不能實時反映用戶用電情況，無法計算損耗；②統(tǒng)計數(shù)據(jù)不準確，無法真實反映用戶用電情況；③操作難以規(guī)范化，造成不明損失增加；④數(shù)據(jù)采集不及時，無法實時反映電力負荷狀況，不能對用戶行為進行有效監(jiān)控。
1．2 電力載波自動抄表系統(tǒng)
自動抄表系統(tǒng)是將數(shù)據(jù)自動采集、傳輸和處理應用于電能供與用管理系統(tǒng)中的一項新技術。它從根本上克服了傳統(tǒng)的人工抄表模式的弊端，給電能管理的現(xiàn)代化帶來了新的希望。
尋求簡單可靠的自動抄表方法，是儀表通信領域的重要研究內(nèi)容。在通信媒體中，最受關注的還是電力線載波(PowerLine Carrier，PLC)通信，這是由于PLC線路遍布各地，從發(fā)電廠到各個居民家庭無所不至，不需重新布線，可以節(jié)省大量的人力物力。電力線載波通信是指將信息調(diào)制為高頻信號后疊加在電力線路上進行通信的技術，在同一變壓器區(qū)域下，一個集中器采集若干個采集器或電能表的數(shù)據(jù)，構成一個基于電力線的通信網(wǎng)。
利用低壓電力線作為AMRS的底層數(shù)據(jù)通道，不僅運行成本低，而且非常經(jīng)濟，其優(yōu)勢在于：①電力線是屬電力部門完全控制的通信信道，不必另外鋪設通信信道；②電力線是所有住房和建筑物的基礎設施，以電力線作為通信信道可大大節(jié)省鋪設通信信道的投資；③幾乎不需要維護或維護量極小；④以電力線為通信信道可以靈活地實現(xiàn)即插即用。
但是，利用低壓電力線作為傳輸信道還存在許多技術難點：首先，電力線上的干擾非常大，特別是在用戶線路上，如用戶家用電器及開關電源等產(chǎn)生的高次諧波、各種用電設備通斷時產(chǎn)生的瞬時脈沖干擾、各種大功率開關器件的開關產(chǎn)生的寬頻譜駐波干擾等等；其次，不同地方的線路特性可能完全不同，所使用線路的種類及線路上的負載情況都會對高頻信號在電力線上的傳輸特性產(chǎn)生很大的影響，即使是同一段電力線路，其傳輸特性也會隨電力負載的變化而改變。國外雖然有較為成熟的低壓電力線載波技術，但如果將其直接用于我國效果卻不如人意，原因在于：我國對低壓電器電磁兼容性的控制遠沒有西方發(fā)達國家嚴格，且對低壓電力網(wǎng)上電磁污染的治理也很不得力，存在很大干擾，使其載波通信的質(zhì)量受到嚴重影響；另外，用戶負荷千變?nèi)f化造成網(wǎng)絡傳輸參數(shù)復雜且為時變，很難以準確的數(shù)學模型加以表征。因此，如何抑制干擾，提高通信的可靠性是利用低壓電力線載波通信技術時首先必須考慮的問題，同時，努力提高通信設備的穩(wěn)定性和適應不同線路的能力也非常重要。
1．3 解決方案
對于電力載波自動抄表系統(tǒng)中存在的問題，顯然短期內(nèi)很難從規(guī)范用戶負荷特性、提高電磁兼容水平等方面來解決此類問題，可行的出路只能是尋找抗干擾能力強的載波方式以增加通信設備的電磁兼容能力。通過對各種低壓電網(wǎng)進行測試獲得大量數(shù)據(jù)，并設計專用軟件來分析數(shù)據(jù)，我們研究出了表征我國低壓電網(wǎng)通信的數(shù)學模型并取得專有技術，在此基礎上制造出了獨有的電力噪聲發(fā)生設備和電力載波生產(chǎn)線。
為了幫助電網(wǎng)公司實現(xiàn)預收電費、反竊電等先進管理模式，采用獨有的電力噪聲發(fā)生設備和電力載波生產(chǎn)線，同時在AMRS基礎上增加了電力載波預付費和多費率計量系統(tǒng)，我們研發(fā)成功了電力載波分時預付費系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可通過電力線通信實現(xiàn)預收電費、遠程切斷電力供應／恢復電力供應、實時抄讀用戶用電狀況等功能，又可避免IC卡預付費電表讀寫窗口易受外界攻擊的缺點。
2 電力載波遠程分時預付費系統(tǒng)
目前，電力載波遠程分時預付費系統(tǒng)已安裝近百萬戶，不必使用任何中繼手段，即使電網(wǎng)被電磁污染到居民家用電器不能可靠工作的程度時該系統(tǒng)仍能實時通信，其實時抄表成功率平均可達99．80％，數(shù)據(jù)正確率平均可達99．99％。
2．1 系統(tǒng)組成
電力載波遠程分時預付費系統(tǒng)主要由用電管理中心、集中器、電力載波預付費電表及通信信道組成。系統(tǒng)的通信采用分布式體系結構，這種體系結構分上下兩層：用電管理中心與集中器之間為上層，上層數(shù)據(jù)的采集采用星型結構，即一個用電管理中心對多個集中器；集中器與電力載波預付費電表之間為底層，底層數(shù)據(jù)的采集采用電力線，它具有安裝便利、可靠性高、安全性好、可維護性強的優(yōu)點。電力載波遠程分時預付費系統(tǒng)的組成見圖1。
由于電話網(wǎng)在城鎮(zhèn)的迅速普及，利用現(xiàn)有的電話網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信是一個經(jīng)濟有效的方案。利用電話網(wǎng)通信只需在數(shù)據(jù)集中器和管理中心主機各加裝調(diào)制解調(diào)器(Modem)即可，其通信速率可達2．4、9．6kbps甚至56kbps。主機對集中器的呼叫可通過撥號由交換機自動完成，大慶電力公司遠程預付費系統(tǒng)中辦公樓內(nèi)用電管理中心與變電站處集中器之間的通信就是采用此方式，通信質(zhì)量滿足實用要求。
2．2 系統(tǒng)主要功能
(1)多費率。電能表按峰、平、谷及總電能分別計量、存儲，上傳和顯示當前及上月總電能、峰電能、平電能、谷電能，上次余額，本次余額，本次追加金額，開關狀態(tài)和竊電狀態(tài)等數(shù)據(jù)。
(2)預付費即先購電后用電。用戶購電后，供電部門可通過用電管理系統(tǒng)將購電量通過電力載波實時下載到用戶的電表中去，用戶電表自動與電表內(nèi)的剩余電量累加。用戶超過購電量用電，供電部門可通過用電計算機管理系統(tǒng)遠距離控制切斷對該用戶的供電，重新交費購電后可恢復供電。用戶足不出戶，用電話、手機、信用卡等付費購電，通過身份確認及相應命令即可實現(xiàn)隨時自動接通或斷開電力供應。同樣，供電公司安坐辦公室也可實現(xiàn)對用戶的電力控制。
(3)抄表。系統(tǒng)具備遠方抄表功能及現(xiàn)場自動抄表功能，可抄讀當前總電能、峰電能、平電能、谷電能，上月總電能、峰電能、平電能、谷電能，上次余額，本次余額，本次追加金額，開關狀態(tài)和竊電狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并可抄讀臺區(qū)總表的電能。
(4)反竊電。系統(tǒng)具有防竊電、故障自診斷、提示竊電及記錄竊電功能，具備異常用電的分析功能，通過對當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、購電數(shù)據(jù)和用電數(shù)據(jù)等進行比較，過濾和分析異常用電，防范竊取電力。
(5)電能管理。系統(tǒng)具有防止非授權人操作和進入的措施，對已授權的操作員進行分級密碼管理，整個遠程分時預付費系統(tǒng)的操作權限分5級管理。
系統(tǒng)可實時凍結總表、分表電能，進行準確的線損分析。還具有強大的查詢和報表功能，能綜合查詢系統(tǒng)的用戶信息，并按規(guī)定格式的輸出報表。
2．3 主臺軟件功能
主臺軟件是遠程自動抄表系統(tǒng)的中心管理平臺，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)召讀、費用結算、用戶查詢、切斷電力供應／恢復電力供應等功能。該系統(tǒng)軟件采用客戶／服務器結構體系、模塊化設計方法和Windows用戶界面，因此，系統(tǒng)操作簡便且易于擴展。用戶通過管理平臺可以建立抄表的信息檔案，通過電話線(或光纖)與遠方集中器連接可實現(xiàn)遠程自動抄表、遠程設置及校時，通過與掌上電腦相連可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的下裝與上報，通過管(1)抄表功能。能夠?qū)崟r抄錄各用戶的電表并自動保存抄錄數(shù)據(jù)和抄表時間；能夠按指定日期自動抄錄各用戶電表的表示數(shù)；能夠保存各用戶電表的表示數(shù)和抄表時間。
(2)設置功能。能夠遠方對集中器設置自動抄表日及校時；能夠下載遠方集中器所抄錄的用戶信息。
(3)系統(tǒng)操作指令。①抄指定表，抄某一塊電能表的表示數(shù)；②抄表常數(shù)，抄某一塊電能表的脈沖常數(shù)(脈沖常數(shù)是指每單位用電量所計的脈沖數(shù))；③全抄實時表示數(shù)，集中器最近一次自動抄錄的電表的表示數(shù)；④全抄零點表示數(shù)，每月自動抄表日的零點用戶電表的表示數(shù)；⑤巡檢電表，檢測所有電能表的相序、是否使用中繼器、電表常數(shù)、表地址下載后是否已抄表、集中器最近一次自動抄表是否成功等信息；⑥檢測集中器參數(shù)，集中器參數(shù)含有集中器編號、當前日期與時間、集中器所存儲的儀表數(shù)量、集中器的設置鎖定日期、分時功能起動日期、當前時段指針、5個時段的時間、主臺和抄表機的抄表和設置日期、操作員工號、集中器運行狀態(tài)(指上午、下午、全天集中器自動抄表等)、版本號等；⑦全抄上月零點數(shù)，前一月自動抄表日的零點所有表(電能表、水表、煤氣表)的表示數(shù)；⑧設置時鐘，將當前的準確時間設置到集中器，即對集中器進行校時；⑨設置時段，集中器每天可以分成5時段進行抄表工作，5個時段的起始時間可自行設定，將理平臺可以查詢、分析和打印抄表數(shù)據(jù)，并且可以與客戶MIS系統(tǒng)接口完全實現(xiàn)自動抄表收費的全過程。軟件界面5個時段的起始時間設置到集中器中后，到規(guī)定的時間段時，集中器會自動抄表并存貯抄表數(shù)據(jù)；⑩設置分時起動日，集中器進行分時抄表工作的開始時間，在分時啟動日之前，集中器每天只在零點進行抄表，在分時啟動日之后，集中器將開始分時抄表；⑾設置編號鎖定日，設置集中器編號以及設置鎖定日(鎖定日指在此日之前集中器可以換行設置命令，在此日之后集中器禁止換行設置命令)；⑿設置自動抄表日，設置集中器凍結歷史數(shù)據(jù)的時間，在自動抄表日的零點，集中器自動抄表并凍結數(shù)據(jù)；⒀設置集中器工作方式，集中器的工作方式分為天抄表方式、不抄表方式、上午抄表方式、下午抄表方式幾種；⒁單表下載，將指定表的通信地址碼等信息下載至集中器中；⒂表址下載，將集中器所要抄讀表計的通信地址碼等信息下載到集中器中。
(4)與抄表機接口。它是主臺系統(tǒng)與手持抄表機進行數(shù)據(jù)交換的程序模塊，其功能是將需要抄表的用戶表信息下裝到抄表機中，待抄表機抄表后再將抄表數(shù)據(jù)上報到主臺數(shù)據(jù)庫中進行數(shù)據(jù)管理。
(5)用戶費用結算和查詢。該系統(tǒng)為客戶提供了自動抄表的完整解決方案，包括遠程抄表、遠程通斷、費用結算、費用統(tǒng)計、開票和費用查詢等功能。該系統(tǒng)還可與任何數(shù)據(jù)庫接口，其本身帶有標準的Access數(shù)據(jù)庫接口，還可以根據(jù)用戶的需要，將所需數(shù)據(jù)存貯到使用單位的MIS系統(tǒng)中。
(6)系統(tǒng)巡測。隨時能巡測并掌握所有用戶采集模塊與集中器間的通信狀態(tài)以及表的異常情況，能夠記錄抄錄電能表的時間，并能巡測電能表運行狀態(tài)，實時反映該系統(tǒng)的運行狀況。
(7)維護功能。系統(tǒng)能夠記錄抄錄各用戶電表的表示數(shù)時間；連續(xù)48 h抄錄用戶表不成功將報警；系統(tǒng)能夠自動判別各用戶所在的相線即自動識別相序；系統(tǒng)通信信道出現(xiàn)故障時能夠報警，提示處理等。
2．4 集中器
集中器是實現(xiàn)遠程集中抄表的必備設備，它能集中抄讀所在臺區(qū)的電表數(shù)據(jù)并進行儲存，同時能和主站進行數(shù)據(jù)交換，通常采用三相供電。
集中器的主要功能：①多種接口，設有RS232和RJ45接 口，RS232接口與手持抄表器或計算機直接交數(shù)據(jù)，RJ45接 口可通過電話網(wǎng)與后臺系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，也可考慮增設485接口以便與其他電力設備交換數(shù)據(jù)；②設置參數(shù)，可由后臺系統(tǒng)或掌上電腦進行設置，包括數(shù)據(jù)庫表號、時鐘、時段、凍結抄表時間、自動周期抄表日、中繼參數(shù)以及啟動抄讀、停止抄讀狀態(tài)參數(shù)等；③抄讀數(shù)據(jù)，集中器在抄表時段內(nèi)集中抄讀臺區(qū)電表數(shù)據(jù)；④存儲數(shù)據(jù)，集中器將抄讀的數(shù)據(jù)存儲起來，最多可以存儲31次數(shù)據(jù)；⑤中繼功能，集中器能夠依據(jù)學習結果自動啟用中繼，實現(xiàn)中繼抄表；⑥凍結功能，集中器能夠依據(jù)后臺設置對臺區(qū)電表進行凍結抄表；⑦遠程監(jiān)控，支持后臺系統(tǒng)遠程實時監(jiān)控電表，對電表情況進行分析；⑧自診斷功能，可自動進行系統(tǒng)檢測，發(fā)現(xiàn)異常即進行記錄和報警；⑨智能化，具備記憶與感知電網(wǎng)結構的智能，對抄讀結果自行分析與自我學習，一旦某只電表直接抄讀不成功，能夠通過學習結果迅速選擇合適的中繼電表實現(xiàn)中繼抄讀，且隨著學習過程的進行會越來越好用；⑩掉電保護，集中器數(shù)據(jù)的停電保存期為30年；⑩容量，一般的集中器可容納1 000只電表，根據(jù)實際應用要求管理不同數(shù)量的電表。
2．5 電能表
電力載波預付費電能表是一種采用了大規(guī)模集成電路、專用載波模塊、高性能CPU和RTC時鐘芯片，可按峰、谷、平時段累計計量交流有功電能和需量，并實現(xiàn)了遠程預付費的新型高性能電能表，其原理框圖見圖3。計量組件實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)采集和竊電檢測，電力線載波模塊實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)傳送和控制；主控單元實現(xiàn)預付電費不同時段的自動計算和扣除；控制電路根據(jù)電費余額自動實現(xiàn)通斷，限定用電的最大負荷，實行超負荷自動斷電。
上層通信方案展望
上層通信系統(tǒng)是以安裝在供電公司管理中心的系統(tǒng)工作站為中心點，通過通信信道與分散于各臺變的集中器連接所形成的1對N連接形式的系統(tǒng)。在這種方式下，信道的通信數(shù)據(jù)量較大，要求有一定的傳輸速率和帶寬。目前，信道以電話線路為主，隨著電網(wǎng)公司信道的發(fā)展，光纖、無線和GSM／GPRS將被大量應用到遠程預付費系統(tǒng)中。
3．1 光纖通信
光纖通信具有很多優(yōu)點，如頻帶寬、傳輸速率高、傳輸距離遠以及高抗干擾性等，非常適合上層通信網(wǎng)的要求，且光纖本身的特性特別適合于星型連接。在中國一些發(fā)達省份，電網(wǎng)公司的光纖線路已鋪設到了配電變壓器處，遠程預付費系統(tǒng)可借用它實現(xiàn)上層通信。
3．2無線通信網(wǎng)
在集中器范圍廣、布局分散的情況下利用無線電波進行無線數(shù)據(jù)通信是一種較好的選擇。其特點是傳輸頻帶較寬、通信容量較大(可達幾千臺)、通信距離長(一般幾十千米，還可通過中繼站延伸到更遠)。在進行通信時，管理中心主機控制無線電臺發(fā)出呼叫命令，各集中器收到命令后進行地址對比，如正確則發(fā)出應答信號，完成數(shù)據(jù)鏈路的建立，然后進行數(shù)通信。使用這種通信方式，安裝調(diào)試方便，主要缺點是需申請頻點使用權，如果頻率點選擇不合理，相鄰兩個信道會產(chǎn)生相互干擾。遠程預付費系統(tǒng)可利用已有的電力負荷管理的無線信道實現(xiàn)上層通信。
3．3 基于移動無線網(wǎng)絡的抄表系統(tǒng)
移動通信發(fā)展方向?qū)⑹荂DMA，信道富余的GSM／GPRS將被用于AMRS。
目前，蜂窩移動無線網(wǎng)(GSM)覆蓋面幾乎遍及全國，因此，構建這種抄表系統(tǒng)時完全可以利用現(xiàn)成的GSM無線網(wǎng)絡而不必重新建設新的基站。基于移動無線網(wǎng)絡的抄表系統(tǒng)必須在管理中心和采集器中加裝無線通信模塊，由于這種無線通信模塊(其實就是無鍵盤、無顯示屏的手機)結構簡單、控制容易，用電管理中心與各個采集器都裝有這種無線通信模塊，它們之間的通信是通過撥號或以短消息SMS的模式接入GSM網(wǎng)來進行傳數(shù)據(jù)、下達命令。
4 結束語
該系統(tǒng)不僅具有用電預付費的功能，同時還能按不同的用電時間收費，既解決了用電收費難的問 題又可以鼓勵用戶在用電低峰期間用電以調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷，既可充分利用資源，又方便了用戶，是一種理想的高性價比的產(chǎn)品。
