智能电表采集系统全载模式和半载模式应用概述
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一、单相智能电表的型式和功能
根据国网公司颁布的智能电表标准:Q/GDW 354—2009 《智能电能表功能规范》
Q/GDW 355—2009 《单相智能电能表型式规范》
Q/GDW 365—2009 《智能电能表信息交换安全认证技术规范》
单相智能电表分为以下四种类型,通讯和费控方式上有所差别:
Ø 单相本地费控智能电表:通过CPU卡、射频卡等固态介质购电,并将预购电费充入智能电表中。电表内存储预购电费余额,电表内随时计算所用电费,并及时扣减预购电费,当预购电费余额小于或等于设定的报警金额时,电能表以显示屏常亮方式提醒用户;当透支金额低于设定的透支门限金额时,电能表内的负荷开关中断,停电;当用户再次购电,并电能表通过读卡,接收到有效的续交电费信息后,电能表内的负荷开关连通,恢复供电。
单相本地费控智能电表通过RS-485总线方式与采集设备进行通讯,实现远程抄表,本地(表内)控制停送电。
Ø 单相本地费控智能电表(载波):购电、电费存储、电费计算、电费扣减、报警提醒、欠费停电、续费恢复供电等方式都与单相本地费控智能电表相同。
单相本地费控智能电表(载波)通过载波方式与采集设备进行通讯,实现远程抄表,本地(表内)控制停送电。
Ø 单相远程费控智能电表:电能表内不存储电费、不计算电费、不显示与电费、电价相关信息,电费计算在远程售电系统中完成,预购电费余额存储在售电系统中,电能表接收远程售电系统下发的拉闸、允许合闸指令,以执行停电、恢复供电。
单相远程费控智能电表通过RS-485总线方式与采集设备进行通讯,实现远程抄表,远程控制停送电。
Ø 单相远程费控智能电表(载波):购电、电费存储、电费计算、电费扣减、欠费停电、续费恢复供电等方式都与单相远程费控智能电表相同。
单相远程费控智能电表(载波)通过载波方式与采集设备进行通讯,实现远程抄表,远程控制停送电。
二、载波通讯技术简述
电力线载波通讯——简单的说,就是将通讯信号经过某种方式(如FSK、PSK、扩频、OFDM)调制以后,加载到电力线上,通过电力线传输到远处。对于电力系统来讲,其最大优点是:电力线自成网络,无需再建通讯网,无运行费用。缺点是:低压载波点与点之间通讯距离短;通讯信号在电力线上传输的过程中很容易被干扰,导致产生误码、掉数据包、中断等,通讯成功率低。由于低压电网连接着众多的用电设备,每种用电设备都对电网有不同程度的噪声污染(谐波、脉冲等),特别是一些开关电源设备、非线性用电设备和大功率变频设备等,用电设备的接入和断开是随机性的,干扰随机产生。电力线路上的噪声干扰源包括脉冲噪声和等幅振荡波干扰,脉冲噪声具有瞬间、高能和覆盖频率范围广的特点,因而对于载波信号 传输的影响相当大,不仅会造成信号误码率高,使得接受装置无法正确接受;另外,它还有可能使接收设备内部产生自干扰,严重影响整个系统的工作。
目前低压载波无法做到实时通信成功率100%的地步,现在国网公司要求也只能是24小时抄收率96%,要想提高成功率有两个方法: 一是提高点对点的传输能力, 二是利用网络通信技术的原理,采用中继和路由的方法提高通信的实时性和可靠性,提高组网的能力。提高点对点能力能够扩大两个设备间的传输距离, 提高组网能力能使信息通过相邻设备进行转发传递, 达到全面覆盖。
国网公司《电力用户用电信息采集系统系列标准》,将窄带电力线载波确定为用户用电信息采集系统建设方案本地通讯方式。
三、居民智能电表采集系统的典型设计方案及应用环境
根据以上四种智能电表类型,根据国网公司《电力用户用电信息采集系统系列标准》,对于采用窄带电力线载波技术建设的用户用电信息采集系统建设方案中,设计了几种居民台区典型设计方案。1、全载模式
全载模式:载波集中器+单相本地或远程费控智能电表(载波)。集中器与载波型本地(远程)费控智能电表直接交换数据,集中器与系统主站的远程数传通信采用无线公网(GPRS/ CDMA),集中器与电能表组成本地载波通讯网络,抄表数据采用窄带电力线载波完成抄表收集。
因为集中器与载波表之间使用供电用的电力线进行直接通讯,安装非常方便,适用于用户分散,用户表计分散安装的供电环境,特别是农村分散居住的村落、乡镇、城区内没有进行线路改造表计集中安装的老居住区。以配变台区进行集中采集,不能跨越配变台区,能清晰管理配变和其下表计的关系。一般一台变压器下带200—300只表较合适。
全载模式下要求集中器带表数量不能太多,也不能太少,表多了集中器通讯负荷太大,管理不过来,表少了路由组网的节点就少,组网效果不好。
2、半载模式
半载模式:集中器+采集器+本地或远程费控智能电表集中器、采集器和电能表组成本地两级数据传输网络,采集器与电能表之间的抄表数据通信网络采用RS-485总线方式,集中器与采集器的本地数据通信网络采用窄带电力线载波方式。采集器采集多个电能表电能信息,集中器与多个采集器交换数据。
半载模式适用于城市和乡镇中的新建小区和表计集中安装的台区,一个表箱中有多只表计集中安装,采集器通过485总线将表计连接起来,485总线通讯速率快、数据采集准确、稳定,在采集器与集中器载波通讯不通畅的情况下,采集器任然可以抄表和存储数据,保证数据的准确、完整、不丢失。通过采集器后,集中器可以采集管理的表计增加很多,可以采集管理上千只表计,经济性很高。
四、全载模式和半载模式应用效果比较
1、全载模式的使用效果
全载模式下,集中器到电表,无通讯连接线,易于安装、管理、维护。载波通信成功率达不到100%,需要多次重复采集才能获取全部数据。如果使用本地费控载波表,由表计存费、算费、停送电,对采集间隔及时效性要求不高,对采集成功率的要求也不高,但必须配套方便的购售电条件和提高农民的自我操作能力(在农村和乡镇实现难度较大)方可使用,因此不提倡使用载波型本地费控智能电表。
如果使用远程费控载波表,由主站存费、算费、停送电,采集系统需要每天进行多次远程抄表,对主站到表计的通讯实时性要求很高,载波通讯本身就很不稳定,该停电的停不了,该送电的送不了,对供电企业和用电户都是很大的麻烦。但是,在实际应用中,如果一个载波通讯区域内,通讯节点比较多(200左右),节点间距离比较近(50米以内),通过路由管理和多级转发传递,可以形成一个通讯网络,覆盖每个通讯节点,实际采集成功率和稳定性都还比较高,有些甚至可以达到100%;农村、乡镇、老线路小区中,各种用电器和变频设备不多,使用率不高,脉冲和谐波干扰较少,线路相对比较干净,载波通讯的效果也要好很多,从实际使用效果看,大部分全载模式小区(表计数量在100至200只左右,电力线路比较干净)的抄表率和双向传输成功率都比较高,比较稳定。如果节点数不多或节点间距离远了,效果会明显降低,甚至会出现“孤岛”现象,有些表计怎么都抄不到表。
2、半载模式的使用效果
半载模式下,因为接入了采集器有效的避免数据由于载波通信信道的不稳定造成的不完整,每个采集器通过485总线采集同一表箱内的电能表实时数据和冻结数据数据,一秒钟一只表,速度很快,能够保证数据的同时性,抄收率100%(除了表计本身已坏)。该方式非常适合于新建小区、电梯公寓、已进行了表计集中改造的小区,这些小区的表计采用单元集中或多楼层集中。同时采集装置和计量装置分离,之间的RS-485接口形式规范统一,易于分专业管理和施工,对计量装置本身无特殊要求。城区内的小区和电梯公寓,规模大,居民户数多,每个变压器下带的用户数一般都有500至上千户,加之城区用户各种用电器很多,使用频繁,电力线路上的干扰大得多,表太多和干扰大,因此,不建议采用载波型本地或远程费控智能电表的全载模式,载波表的投资成本相对较高。
从实际使用效果看,半载模式增加了采集器,采集器与集中器采用载波通讯,采集器数量远少于表计数量,载波组网的节点数比较少;相邻的采集器几乎都要间隔单元或间隔多个楼层,采集器之间的距离较远;小区线路的干扰较大;以上因素造成半载模式的载波通讯成功率和稳定性比采用全载模式的台区要低一些。与全载波模式相比数据完整性和同时性能够保证,有利于线损分析。
在城区,购售电网络齐全,购电方式多,用电户的基本素质相对较高,自我操作能力强,适合采用本地费控智能电表,采用半载模式,设计采集方案,费控和停送电都由智能电表本地控制,不依赖载波通讯信道的通畅与否。