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自动抄表系统的原理及其应用
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一、自动抄表系统的构成
自动抄表系统主要由电能表、采集器、集中器、数据传输通道、主站系统构成，通过网络还可以和供电局的营业收费系统相连实现抄表收费一体化。如图1所示。
电能表--电能表有脉冲电能表和机械电能表两种，脉冲电能表可输出标准脉冲信号到采集器，而机械电能表需将用户的用电量通过光或磁的方法转换为标准脉冲信号。
采集器(或称为采集模块)--采集器分为单表采集器和多表采集器两种，单表采集器只能采集、存储1块电表的数据，多表采集器可同时采集、存储8、12、16、24、32或64块电表的数据，采集器除完成电表的电量数据采集工作以外，还要根据系统的要求完成与集中器之间的数据通信，将需要传送的电量数据送到集中器中。
集中器--集中器的主要任务有两个，一是完成与采集器的数据通信工作，向采集器下达电量数据冻结命令，定时循环接收采集器的电量数据，或根据系统要求接收某个电表或某组电表的数据。另外的任务就是根据系统要求完成与主站的通信，将用户用电数据等主站需要的信息传送到主站数据库中。
通信信道--上行通道：指的是集中器与主站之间的通信线路，可以采用电话、无线、专线等通信介质；下行通道：指的是集中器与采集器之间的通信线路，主要有485总线、电力线载波两种通信方式。
主站系统--定时或随时抄收居民或商户电表的电能量数据，对集中器设置通信参数及操作参数，与供电局用电营业网联网后，可以进行电费计算、票据打印、统计报表、电费实收等功能。
二、485总线方式自动抄表系统
485总线方式的抄表系统主要由电能表、采集器、集中器、数据信道机以及主台计算机组成。其中采集器负责将若干个电表的用电数据集中进行处理、计算及打包向上发送。若干个采集器通过双绞线与集中器相连，组成一个485网络。集中/转发器负责与主台计算机和采集器进行通信，它与主台计算机之间的通信可选电话线、无线电、专线电缆等多种方式。
1、单485总线抄表系统：
系统由主站、信道、集中器、采集器和电能表构成。主信道(上行)一般采用公用电话网(PSTN)，集中器与采集器之间(下行)采用屏蔽双绞线，通信方式为485总线，采集器和电能表之间用一般导线连接，用于脉冲采集。
该系统适用于城市居民小区和较密集的商住楼，且电能表已安装在集中式表箱中。每个单元安装一台采集器，可采集集中表箱内的所有电能表脉冲。对于小区内部的小商业用户和单位，可以敷设脉冲线到就近楼层单元的采集器，若距离超过100m，应单独安装一台采集器。大约30～50个采集器需配置一个集中器，但485网线长度应不超过1200m。
（1）单485总线抄表系统优点：
①技术简单、成熟，易于实现；对全电子式电能表，无需改造；总线传输速率高，可靠性高。②通过采用相应的信道编码技术，网线的合理配置，可使抄收率和数据可用率达到两个100%。③由于采用多块表集中抄收的方式降低了每户成本，同时也降低了整个系统造价。
单485总线抄表系统缺点：
①施工布线工作量大，网线易受人为破坏。②线路损坏后，故障点不易查找。③易受雷击和过电压的影响。
单485总线抄表系统的适用范围：
该系统适用城市居民小区和较密集的商住楼，且电能表已安装在集中式表箱中。
（2）双485总线抄表系统：
系统由主站、信道、集中器、采集器、485模块和电能表构成。主信道(上行)一般采用公用电话网(PSTN)，集中器与采集器之间(下行)采用屏蔽双绞线(485总线)，采集器和电能表之间也采用屏蔽双绞线(485总线)，用于采集电能表数据。
该产品适用于城市较分散的商业用户和居民用户，每个电能表需安装内置式485模块，该模块将电能表的脉冲转换为数据，然后通过485接口传送到采集器。电能表之间的485总线长度不能超过1200m。
该系统由于采用了双485总线结构，故数据传输速率高，可靠性高，又因为电能表采用内置式485转换模块，脉冲传输更为可靠。缺点仍然是施工布线工作量大，网线易受人为破坏。
三、载波抄表系统
1、低压电力线的基本传输特性及通信技术：
简单的说，影响电力线载波传输质量主要有两个因素：一个是电力网络的阻抗特性及其衰减，另一个是噪声的干扰。第一个因素制约着信号的传输距离，第二个因素决定着数据传输的质量。
低压电力网的噪声干扰主要由配电变压器和用户装置产生。噪声基本来源为：通用交、直流两用电机，带有可控硅的调光装置，电视接收机等。这些设备产生的背景噪声包括：随机噪声、平滑频谱噪声以及工频谐波噪声等。
以上可以看出，载波传输系统所处的环境是很恶劣的，所以应采取某些措施消除噪声，特别是脉冲噪声对数据传输的影响。
到目前为止，国内厂家生产的载波采集模块大部分是基于FSK调制技术的，部分厂家使用的是扩频技术。
相对于采用扩频技术的模块而言，基于FSK调制的采集模块的优点是成本较低，实现比较容易，但其缺点也比较明显，即抗噪声干扰和抗谐波能力相对较差。
对于采用扩频技术的采集模块，由于采用具有宽带传输特征的扩频通信技术，使得系统在抗干扰能力方面有了较大幅度的改进，使得抄表系统的可靠性得到了一定程度的提高。
实践证明，为适应不同电网结构、不同居民区、以及不同时间剧烈变化的负荷的实际要求，不论是FSK调制，还是扩频调制的电力线载波系统，都必需针对具体情况，通过接力或加大功率(在允许的范围内)等措施延长传播距离和提高传输可靠性，以实现全天候可靠的电表数据抄收。
2、单表载波模块的载波抄表系统：
单表载波模块的载波抄表系统指每块表内均安装一块载波采集模块，每个采集模块完成电量的数据采集计算，并通过低压电力线与设在变压器副边侧的集中/转发器进行通信。
系统由主站、信道、载波集中器、载波电能表构成。
主信道(上行)一般采用公用电话网(PSTN)，集中器与载波电能表之间(下行)采用低压电力线载波。该载波电能表是由电能表加载波模块组成。其主要优点：充分利用电力线资源，无需重新布线，技术先进，是抄表技术的发展方向。
（1）主要缺点：
①高频载波信号只能在一个台区内传输，无法跨台区传送信号，必需借助其它通信手段将电表数据从集中器送到电表抄收中心或营业中心。②由于低压电力线本身的介质、结构和负荷的影响，载波信号易受干扰，全天候的电能表可靠抄收比较困难，必需通过中继或其它技术手段加以解决。③由于单表模块尺寸和成本的限制，使得在软件和硬件上，很难进一步提高模块的可靠性和稳定性，这也在一定程度上，影响了系统的性能。
3、“多表一个采集器”的载波抄表方式：
“多表一个采集器”的载波抄表方式类似于485总线的抄表方式，多块电能表共用1个采集器。唯一不同的是采集终端(模块)与集中器之间的通信不是采用485双绞线，而是通过低压电力线实现载波通信。
四、其它特殊自动抄表系统
1、超窄带(UNB)载波抄表系统(跨台区单表载波)：
该系统适合于城乡分散的居民用户和工业用户抄表，特别适用于对农村配变电能表的跨台区的抄收。
该系统的技术特点：超窄带技术的传输带宽只有0.001Hz，传输功率只需0.3mW，载波单元可直接安装在电能表内，每个载波单元通过编程 分配一个不同的频率，多个载波单元(目前可接2880个)与位于变电所的接收器同时进行通信，通信传输距离长，可达200km。由于使用极低的频率(5～9.5Hz)进行信号传输，因此信号穿透力强，可通过变压器、线路和电容器，不需附加任何增益设备，不受其他设备的干扰，也不干扰其他设备的正常运行。但由于采用超窄带调制技术，数据传输速率较低，传输一个数据位需要33min，传送一个完整的电量数据需要16h，实时性差。对于抄表系统而言，如果我们能够忍受系统的延迟性(一个完整的数据包传送需要十几个小时以上)，那么出于超窄带传输系统的极高传输可靠性以及极强的穿透力，完全可以认为此系统是一可使用的实用抄表系统，对此应当引起我们的重视。
2、红外抄表系统：
系统由主站、红外掌上机、采集器和电能表构成，采集器完成对革一表箱中的所有电表的电量采集，不设集中器，也不需要通信线路，抄表时由工作人员到现场，用掌上机抄收采集器中存储的电能表数据，然后返回主站，将掌上机中已抄的电能表数据通过RS232口，传送到主站计算机。该系统由于省去了集中器和485布线，故工程造价大大降低，缺点是需人到现场，自动化程度有所降低。适合于城市或农村的电能表已集中的居民抄表。
3、配变抄表系统：
系统由主站、信道、抄表终端和配变总表构成。该系统主要实现对配电变压器总表电能量的抄收。抄表终端可以直接采集电能表的脉冲信号，也可抄收多功能电能表的数据，并通过通信线路和设备将所抄数据传送到主站中。信道一般采用公用电话网(PSTN)，也可采用其他通信信道，如无线电、光纤、载波等。
4、工频抄表系统
工频抄表系统类似于超窄带抄表系统，不过它使用的是通过工频过零点进行调制的载波通信技术，相比超窄带抄表系统而言，易受谐波于干扰的影响，且需要较大的注入功率，但传输速率比超窄带抄表系统高。
自动抄表系统主要由电能表、采集器、集中器、数据传输通道、主站系统构成，通过网络还可以和供电局的营业收费系统相连实现抄表收费一体化。如图1所示。
电能表--电能表有脉冲电能表和机械电能表两种，脉冲电能表可输出标准脉冲信号到采集器，而机械电能表需将用户的用电量通过光或磁的方法转换为标准脉冲信号。
采集器(或称为采集模块)--采集器分为单表采集器和多表采集器两种，单表采集器只能采集、存储1块电表的数据，多表采集器可同时采集、存储8、12、16、24、32或64块电表的数据，采集器除完成电表的电量数据采集工作以外，还要根据系统的要求完成与集中器之间的数据通信，将需要传送的电量数据送到集中器中。
集中器--集中器的主要任务有两个，一是完成与采集器的数据通信工作，向采集器下达电量数据冻结命令，定时循环接收采集器的电量数据，或根据系统要求接收某个电表或某组电表的数据。另外的任务就是根据系统要求完成与主站的通信，将用户用电数据等主站需要的信息传送到主站数据库中。
通信信道--上行通道：指的是集中器与主站之间的通信线路，可以采用电话、无线、专线等通信介质；下行通道：指的是集中器与采集器之间的通信线路，主要有485总线、电力线载波两种通信方式。
主站系统--定时或随时抄收居民或商户电表的电能量数据，对集中器设置通信参数及操作参数，与供电局用电营业网联网后，可以进行电费计算、票据打印、统计报表、电费实收等功能。
二、485总线方式自动抄表系统
485总线方式的抄表系统主要由电能表、采集器、集中器、数据信道机以及主台计算机组成。其中采集器负责将若干个电表的用电数据集中进行处理、计算及打包向上发送。若干个采集器通过双绞线与集中器相连，组成一个485网络。集中/转发器负责与主台计算机和采集器进行通信，它与主台计算机之间的通信可选电话线、无线电、专线电缆等多种方式。
1、单485总线抄表系统：
系统由主站、信道、集中器、采集器和电能表构成。主信道(上行)一般采用公用电话网(PSTN)，集中器与采集器之间(下行)采用屏蔽双绞线，通信方式为485总线，采集器和电能表之间用一般导线连接，用于脉冲采集。
该系统适用于城市居民小区和较密集的商住楼，且电能表已安装在集中式表箱中。每个单元安装一台采集器，可采集集中表箱内的所有电能表脉冲。对于小区内部的小商业用户和单位，可以敷设脉冲线到就近楼层单元的采集器，若距离超过100m，应单独安装一台采集器。大约30～50个采集器需配置一个集中器，但485网线长度应不超过1200m。
（1）单485总线抄表系统优点：
①技术简单、成熟，易于实现；对全电子式电能表，无需改造；总线传输速率高，可靠性高。②通过采用相应的信道编码技术，网线的合理配置，可使抄收率和数据可用率达到两个100%。③由于采用多块表集中抄收的方式降低了每户成本，同时也降低了整个系统造价。
单485总线抄表系统缺点：
①施工布线工作量大，网线易受人为破坏。②线路损坏后，故障点不易查找。③易受雷击和过电压的影响。
单485总线抄表系统的适用范围：
该系统适用城市居民小区和较密集的商住楼，且电能表已安装在集中式表箱中。
（2）双485总线抄表系统：
系统由主站、信道、集中器、采集器、485模块和电能表构成。主信道(上行)一般采用公用电话网(PSTN)，集中器与采集器之间(下行)采用屏蔽双绞线(485总线)，采集器和电能表之间也采用屏蔽双绞线(485总线)，用于采集电能表数据。
该产品适用于城市较分散的商业用户和居民用户，每个电能表需安装内置式485模块，该模块将电能表的脉冲转换为数据，然后通过485接口传送到采集器。电能表之间的485总线长度不能超过1200m。
该系统由于采用了双485总线结构，故数据传输速率高，可靠性高，又因为电能表采用内置式485转换模块，脉冲传输更为可靠。缺点仍然是施工布线工作量大，网线易受人为破坏。
三、载波抄表系统
1、低压电力线的基本传输特性及通信技术：
简单的说，影响电力线载波传输质量主要有两个因素：一个是电力网络的阻抗特性及其衰减，另一个是噪声的干扰。第一个因素制约着信号的传输距离，第二个因素决定着数据传输的质量。
低压电力网的噪声干扰主要由配电变压器和用户装置产生。噪声基本来源为：通用交、直流两用电机，带有可控硅的调光装置，电视接收机等。这些设备产生的背景噪声包括：随机噪声、平滑频谱噪声以及工频谐波噪声等。
以上可以看出，载波传输系统所处的环境是很恶劣的，所以应采取某些措施消除噪声，特别是脉冲噪声对数据传输的影响。
到目前为止，国内厂家生产的载波采集模块大部分是基于FSK调制技术的，部分厂家使用的是扩频技术。
相对于采用扩频技术的模块而言，基于FSK调制的采集模块的优点是成本较低，实现比较容易，但其缺点也比较明显，即抗噪声干扰和抗谐波能力相对较差。
对于采用扩频技术的采集模块，由于采用具有宽带传输特征的扩频通信技术，使得系统在抗干扰能力方面有了较大幅度的改进，使得抄表系统的可靠性得到了一定程度的提高。
实践证明，为适应不同电网结构、不同居民区、以及不同时间剧烈变化的负荷的实际要求，不论是FSK调制，还是扩频调制的电力线载波系统，都必需针对具体情况，通过接力或加大功率(在允许的范围内)等措施延长传播距离和提高传输可靠性，以实现全天候可靠的电表数据抄收。
2、单表载波模块的载波抄表系统：
单表载波模块的载波抄表系统指每块表内均安装一块载波采集模块，每个采集模块完成电量的数据采集计算，并通过低压电力线与设在变压器副边侧的集中/转发器进行通信。
系统由主站、信道、载波集中器、载波电能表构成。
主信道(上行)一般采用公用电话网(PSTN)，集中器与载波电能表之间(下行)采用低压电力线载波。该载波电能表是由电能表加载波模块组成。其主要优点：充分利用电力线资源，无需重新布线，技术先进，是抄表技术的发展方向。
（1）主要缺点：
①高频载波信号只能在一个台区内传输，无法跨台区传送信号，必需借助其它通信手段将电表数据从集中器送到电表抄收中心或营业中心。②由于低压电力线本身的介质、结构和负荷的影响，载波信号易受干扰，全天候的电能表可靠抄收比较困难，必需通过中继或其它技术手段加以解决。③由于单表模块尺寸和成本的限制，使得在软件和硬件上，很难进一步提高模块的可靠性和稳定性，这也在一定程度上，影响了系统的性能。
3、“多表一个采集器”的载波抄表方式：
“多表一个采集器”的载波抄表方式类似于485总线的抄表方式，多块电能表共用1个采集器。唯一不同的是采集终端(模块)与集中器之间的通信不是采用485双绞线，而是通过低压电力线实现载波通信。
四、其它特殊自动抄表系统
1、超窄带(UNB)载波抄表系统(跨台区单表载波)：
该系统适合于城乡分散的居民用户和工业用户抄表，特别适用于对农村配变电能表的跨台区的抄收。
该系统的技术特点：超窄带技术的传输带宽只有0.001Hz，传输功率只需0.3mW，载波单元可直接安装在电能表内，每个载波单元通过编程 分配一个不同的频率，多个载波单元(目前可接2880个)与位于变电所的接收器同时进行通信，通信传输距离长，可达200km。由于使用极低的频率(5～9.5Hz)进行信号传输，因此信号穿透力强，可通过变压器、线路和电容器，不需附加任何增益设备，不受其他设备的干扰，也不干扰其他设备的正常运行。但由于采用超窄带调制技术，数据传输速率较低，传输一个数据位需要33min，传送一个完整的电量数据需要16h，实时性差。对于抄表系统而言，如果我们能够忍受系统的延迟性(一个完整的数据包传送需要十几个小时以上)，那么出于超窄带传输系统的极高传输可靠性以及极强的穿透力，完全可以认为此系统是一可使用的实用抄表系统，对此应当引起我们的重视。
2、红外抄表系统：
系统由主站、红外掌上机、采集器和电能表构成，采集器完成对革一表箱中的所有电表的电量采集，不设集中器，也不需要通信线路，抄表时由工作人员到现场，用掌上机抄收采集器中存储的电能表数据，然后返回主站，将掌上机中已抄的电能表数据通过RS232口，传送到主站计算机。该系统由于省去了集中器和485布线，故工程造价大大降低，缺点是需人到现场，自动化程度有所降低。适合于城市或农村的电能表已集中的居民抄表。
3、配变抄表系统：
系统由主站、信道、抄表终端和配变总表构成。该系统主要实现对配电变压器总表电能量的抄收。抄表终端可以直接采集电能表的脉冲信号，也可抄收多功能电能表的数据，并通过通信线路和设备将所抄数据传送到主站中。信道一般采用公用电话网(PSTN)，也可采用其他通信信道，如无线电、光纤、载波等。
4、工频抄表系统
工频抄表系统类似于超窄带抄表系统，不过它使用的是通过工频过零点进行调制的载波通信技术，相比超窄带抄表系统而言，易受谐波于干扰的影响，且需要较大的注入功率，但传输速率比超窄带抄表系统高。
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