电力载波技术在自动抄表中的应用

    11.4.4　电力载波技术在自动抄表中的应用

    电力线路是一种最为普遍的传输介质资源，在城市、农村；大厦、小区，处处可见。利用低压电力线路，传输抄表信息，是一种普遍可行、节省线路投资的好办法。早在20世纪90年代，欧洲一些国家就开始研究电力载波自动抄表技术，并且制定了LEC EN 50065标准。我国电力部门也于90年代中期提出将以计算机为基础的自动抄表系统取代传统的人工抄表。

    1）载波抄表技术的特点

    载波抄表技术普遍应用于电能表的远程抄收，其主要特点是：

    （1）优点

    ①电力线是所有住房和建筑物的基础设施，以其作为通信信道，可以大大节省铺设新的通信信道的投资；

    ②以电力线作为通信信道，几乎不需要维护或维护量极少；

    ③以电力线作为通信信道，组网灵活，扩容容易，易于规划和使用。

    （2）存在的困难和问题

    ①多种不同类型的电源线对信号所呈现的特性阻抗和衰减常数不一样：工厂、实验室电源线20m的衰减可达20dB；家庭电源线100m的衰减约为10dB；

    ②不同的用电负载有不同的特性，线路负载又在随时变化；

    ③电源线上除50Hz交流电外，还存在多种不同来源的电磁干扰，窄带和宽带的都有；可控硅、逆变器设备，工业设备的电火花、闪烙、电焊干扰最为严重。一般来说，电源线上40kHz以下的干扰最为严重。

    针对这些困难和问题，通常采用载波窄带通信（如FSK）和扩频通信。载波窄带通信是把采集的数据基带信号对固定的高频载波进行调制，形成一个窄带频谱来加以传输，载波窄带通信的芯片早期采用LM 1893，后来的典型电路采用ST 7536通信芯片；扩频通信可以形成一个宽带频谱，由于受干扰是局部的，大部分的频谱未受干扰，从而提高了传输的可靠性和抗干扰性。扩频通信的载波芯片，目前在我国抄表领域应用较多的是INTELLON-P 2000。

    2）载波抄表系统的频率

    为了避开线路干扰，在载波频率选择上，必须认真对待。国际上有欧洲标准CENE LEC EN 50065—1所使用的3～148.5kHz，美国FCC标准的100～450kHz频段，我国的行业标准DL/T 698—1999《低压电力用户集中抄表系统技术条件》推荐采用90kHz。

    传输速率也是一个重要的技术指标。通信速率与误码率是一对矛盾，速率越高，误码率就越高，通信成功率就越低。因此通信速率的设计至关重要。对于抄表系统而言，考虑到成本因素，不宜追求很高的传输速率，在性价比合适的前提下，通常速率应在2 400bit/s以下，对实际应用来讲，300～2 400bit/s都是可行的。如果太低（如300bit/s以下），仅用于抄表尚可，但如果系统要求具备较强的管理功能，如多费率数据、线损数据和频繁抄表等，就无法满足。另一方面，速率太低，多数情况下需要电能表端和集中器长时间处于发送状态，整体功耗就会很大。

    3）载波抄表系统结构

    载波抄表系统一般由三部分组成：配电变压器侧系统、变电站侧系统和抄表通信系统。其结构如图11.12所示。

    

    

    图11.12　载波抄表系统结构

    配电变压器侧系统，由脉冲式电能表、采集终端、低压线路、集中器和耦合设备组成。

    变压器侧系统，由高压线路、耦合设备和通信处理机组成。

    抄表通信系统，由光纤以太网和抄表计算机组成。

    在一个住宅小区里，通常安装了几十、几百个脉冲式电能表，根据楼层的分布，10～20个为一组，安装一个采集终端。各采集终端把它所采集的各电表数据以载波的形式发送到集中器，然后经10kV耦合设备传送给变压器侧的高压线路，通信处理机则通过耦合电路由高压输电线路中取得信号，经光纤以太网，送给供电计量部门的抄表计算机，抄表计算机可以记录、存储、打印出每户电能表的用电量及收费数额，实现远程抄表、自动计量的功能。

    电力载波通信是一项正在发展的新技术，它以电力网为信道，实现数据传递和数据交换。电力线连接家家户户，甚至每一个房间、每个用电设备。如能在电力线上实现可靠、安全的通信，对于实现对用电设备的监测和控制及在经济性、便利性等方面都具有其他通信方式不可比拟的优势，进而如能以电力网为信道，进入公用电话网和因特网等通信领域，则其应用前景将更加广阔。电力网电磁环境复杂，工作状态千变万化，电磁干扰比较严重，是发展中的重要研究课题。

    【例11.4】　电力载波抄表系统的工程实例。

    某电力载波抄表系统以某市供电局所辖的一个小区为对象，该小区共有4栋住宅，9个电能表柜，184块电能表。工程目标是实现以上所有电能表计量、计费的自动采集和统计以及就地采集该小区配电变压器低压侧的三相电流、三相电压、有功、无功等交流遥测量，通过DNP3.0规约为配电自动化抄表后台提供数据源。

    该工程以电力数字载波作为主要通信方式，主要通道由110kV变电站送出的10kV馈线（架空线）、10kV地埋电缆（变电站出线电缆、线路中立交桥处的电缆、从10kV架空线至小区380V变压器的电缆）和小区380V低压配电线组成。其中10kV架空线从变电站到小区长约800m，中间有若干个开关和分支。小区中10kV地埋电缆约100m，分接到小区4台380V变压器上。低压配电线通过地埋方式先接进小区各单元集中电能表柜，然后进入小区住户房间。

    该工程的电力载波抄表系统主要由4部分组成，即电力线路（载波通道）、配电自动化系统设备（采集终端、集中器、耦合器等）、变电站数据收集子站及变电站转发环节（CSE 100系列通信处理机）。系统结构如图11.13所示。

    

    

    图11.13　某工程电力载波抄表系统结构

    在小区配电变压器低压侧，通过低压配电线载波，将用户电能量由采集终端采集到集中器，与此同时，集中器就地采集变压器低压侧各个交流遥测数据，并将所有的电能量、遥测数据通过中压、电力载波方式传送到变电站收集子站。载波通信采用101简化规约，设计速率为2 400bit/s。变电站收集子站将载波数据通过RS 232串口转发到CSE 100数据接收端，CSE 100接收后通过现有的光纤通道将数据转发到配电中心的自动化抄表后台。低压载波采用相、地耦合方式，这里全部选用B相耦合。

    采集终端共有9个，分别安装在9个电能表柜中，每个采集终端采集该电能表柜所有电能表的电能量，脉冲电能表的数字信号通过信号线接入采集终端的脉冲信号输入端口。采集终端通过载波收发器将所有电能量的数字量耦合到B相低压电力线上。

    集中器将采集终端送来的信号，和电压互感器、电流互感器获得的变压器低压侧的遥测量，一起经耦合设备发送到10kV的中压线上。

    

    

    图11.14　远程抄表系统通信

    10kV母线同样采用B相传输，中压载波数字量通过耦合设备进入变电站内的数据收集子站，然后由RS-232串口传送到通信处理机CSE型转发单元。CSE将数据按一定的程序通过光纤通道转发到配电中心的抄表后台接口，从而实现由后台到采集终端的整个远程抄表通信。此通信通道被设计为全双工式。整个远程抄表系统通信网络如图11.14所示。