居民小区远程分析的论文

居民小区远程分析的论文

  摘要:该文通过对目前国内远程抄表系统进行分析,提出直接利用低压电力线构成与低压电网系统结构相对应的用户电能表终端+配变集中器组网的远程抄表系统。

  关键词:远程抄表居民小区低压扩频载波

  长期以来,供电企业电能数据的抄算都是基于电能表的手工作业方式,即每月定期派人到各用户那里抄录电能表的用电数据作为电费计算和收缴的依据。随着电力负荷的急剧增长,一户一表和直供到户等营销举措的不断深入,用电企业纷纷将家属宿舍的用电管理业务交还供电企业,致使供电企业的电量抄录的工作量急剧膨胀。白银供电公司在城网农网改造结束后,仅市区居民直供用户将达到9万户,就地分散的手工抄表根本无法适应用电管理的需要。因此,远程抄表系统的技术研究和产品开发势在必行。

  1、远程自动抄表系统的现状及其特点

  我国研究和开发的集中远抄系统都是单台配变下的小区集中远抄系统,其典型的组网拓扑大致如下:

  用户电能表+单元子区数据采集器+配变集中器+营业站抄算主机

  一般情况下,一个家属楼单元有14~18块低压电能表,单元子区数据采集器负责采集其下属的电能表电量数据,配变集中器则负责收集配电变压器下面的所有单元子区采集器的数据。从数据传输的角度看,其组网方式有:两级纯专线组网方式、两级混合组网方式、两级载波组网方式。

  从组网拓扑的角度讲,只要在用户电能表、单元子区采集器、配变集中器采用专用信道通信,远程自动抄表系统的缆线工程量就非常大,有线专用信道的维护也有一定困难。鉴于这种情况,各科研单位和厂商都在努力做到取消单元子区采集器,实现用户电能表与配变集中器的直接低压电力线载波通信,这样就大大减少了缆线工程量,而且数据远程传输的组网拓扑与低压配电网保持一致,有利于系统的运行维护和用户数量的模数化扩展。这种拓扑要求一个用户终端,不但要实现电能计量,还要实现数据信息的编码、解码、载波收发等功能。可以构成完全基于低压电力线信道的载波电能表+配变集中器+营业站主机的组网拓扑。实践证明:目前市场上已经开发出来的窄带调制的低压载波表和配变集中器很难保证电量或控制数据的可靠传输。主要原因是低压电力线载波信道的特性随机性、时变性很大,非常地不稳定。因此,低压电力线载波技术是直接通过电力线组网的远程抄表系统进一步推广应用的瓶颈。

  本文就是致力于开发拥有自主知识产权的扩频载波用户终端,如果一旦开发成功,抄算系统就可以使用简单明了的用户终端+配变单元+营业站抄算主站的组网拓扑,并将成为国内主流的抄算系统网络拓扑。

  2、试点居民小区远程抄表系统方案

  在为试点居民小区远程抄表系统做的总体技术方案设计时,本文遵循三条基本原则:

  (1)在试点小区的配电变压器和小区住户之间不敷设任何专用有线信道,数据的上行或下行传送必须使用现成的低压电力线作为数据媒介。

  (2)只在配电变压器和住户地点对应安装数据的收发装置,建立起各用户电能表终端与配变集中器的直接数据链路,中间不安装任何硬件上的中继或第二级集中转发装置。

  (3)用户电能表终端除了记录电量外,它还应该执行就地保护和远方监控功能。

  2.1系统组成结构

  系统由营业站用电管理主机、配电变压器集中器、接在配电变压器低压电力线上的多个用户电能表终端(接于A相的A1~Ap终端、接于B相的B1~Bm终端、接于C相的C1~Cn终端)和通信信道组成。配电变压器集中器和用户电能表终端分别与配电变压器、用户一一对应并就地分布式安装。用电管理信息只能在系统的上下级之间传输。其中用电管理主机到配电变压器集中器的信息传输媒介采用扩频无线信道或公共电话网(第一级信道),配电变压器集中器到用户电能表终端的信息传输媒介利用低压电力线载波信道(第二级信道),详见图1。显然,整个系统与配电变压器下面的电压电力网一样呈树形分布结构,可随用户发展和负荷增长任意扩展。

  本系统的任务在于实现低压用户电量数据的远程传输和抄算,对低压电力用户的负荷和用电进行远程监控。

  由于使用了分布式安装结构,在系统建设上与集中抄表箱用电系统相比,无须庞大繁琐的缆线工程,施工难度将会大幅下降。系统的扩展将随用户或配变数量的递增而模数化扩展,就象增加一个用户增加一块电能表那样简单。因此,系统扩展极具伸缩性,不会象集中式系统那样新建时资源闲置,用户发展时容量又不够。应该说,这个系统比较符合营业用电管理系统发展的主流方向。

  2.2网络通信协议的选择与研究

  在计算机网络中,信道共享技术已经比较成熟。一般可分为两类,即受控接入和随机接入。

  随机接入共享信道的特点是所有用户都可以根据自己的意愿随机地发送信息。实际上就是争用接入,征用胜利者才能获得总线,从而发送自己的信息。典型的随机接入是载体侦听多重访问/冲突检测(CSMA/CD)网络,其为总线型结构,如图2所示。后文重点介绍的基于CEbus的扩频载波线性扫频信号(Chirp)由于具有自相关性,所以适用于CSMA网络。结合电力线的传输特性,综合比较各种网络,在本文所要开发的远抄系统中选用CSMA协议应该是比较合适的。CSMA协议网络的缺点,如时延不确定、重载时效率下降,对数据传输量较小的远程抄表系统来讲,并不是值得考虑的问题。

  2.3用户电能表终端的总体设计

  用户电能表终端由AC/DC开关电源模块、电量传感器模块、故障保护模块、计量模块、负荷控制模块、LED显示模块、MCU系统模块、低压扩频载波通信模块构成,图3是用户电能表终端硬件电路框图。

  多输出开关电源负责为用户电能表终端供电,它输出DC+5V0.5A和DC±15V0.5A电源各一组,其交流输入的设计范围为AC220V±20%。为了降低电源模块的体积,采用TOP2XX脉宽调制功率开关为核心器件,构成单端反激式电路。

  故障保护模块负责监视低压用户的负荷电器的运行情况,当发生短路、过流、漏电或电网电压超标时,向MCU系统模块发出信号请求执行断电控制程序。

  计量模块负责把用户的用电功率转化为频率正比于功率大小的脉冲串,提供给MCU系统模块进行电量计算。即使用户实施了窃电行为,它仍然可以输出正确的电量计算脉冲串,并向MCU系统发出窃电信号。

  负荷控制模块是一个受MCU系统输出的TTL电平控制的大功率交流无触点开关,能够过零关断或开启6kW的负荷功率。

  MCU系统由AT89C528位单片机、X5045看门狗芯片和DS1302时钟日历芯片构成。它是用户电能表终端的计算监控中心,主要负责对电量脉冲串进行计算或处理,执行就地或远方的负荷控制程序,与低压扩频载波通信模块进行数据交换并控制其收发信。

  显示模块由一个8位LED及其动态扫描控制芯片构成,主要完成电量数据的旧的查询显示,便于用户了解自己的电量或电费情况。

  低压扩频载波模块主要由SSCP200低压电力线扩频载波网络控制器、前置功放和电力线耦合电路构成,负责对MCU系统送来的数据进行线性扫频调制,放大后耦合到电力线上,对通过电力线送来的载波信号进行扫频解调后送给MCU系统。这种数据通信采用了收发分时控制的半双工通信。该模块与配变集中器的设计通信距离为1000m。在信道特性最恶劣的情况下,也要保证不小于600m。

  2.4配电变压器集中器的总体设计

  配变集中器主要由三个分相耦合的低压扩频通信模块、三个按相配置的电能表模块、MCU单片机系统、3个双口RAM和一个工控机系统及电话线调制解调器构成。图4是配变集中器的硬件电路框图。

  低压扩频载波通信模块分相配置,是为了杜绝跨相耦合载波信号,电能表和MCU电路按相配置是为了使集中器能够并行处理各相的用户终端数据,增加数据传输和处理速度。以上电路基本上与用户终端类似,只是不具备故障保护、窃电侦测和负荷控制电路而已。

  在配变集中器内设置电能表模块便于对每一相的总电量进行计量和统计分析,以作为用电管理部门考核线损和平衡3相负荷的依据。

  工控机完成与每一相的MCU系统交换数据,并通过Modem和公用电话网与营业站抄算主机交换数据信号。上行和下行数据要经过工控机的处理,并在不需要数据通信的时候储存在工控机的磁盘中。鉴于数据处理量不是很大,选用486工控机就能满足要求。

  2.5营业站抄算主站的总体设计

  营业站抄算主机主要由PC机、电话线Modem及其软件构成。主要负责营业站到配电变压器集中器之间的数据指令的调制发送、解调接受及综合分析处理。另外,电话线Modem还可以将营业站用电管理主机与电费托收银行联机。

  PC微机主要完成用户用电数据的采集,送电能表参数、用电信息、欠费警告及断电控制,不安全和违章用电监视报警,用户用电管理及查询,报表输出等功能。

  其中,用电采集程序可以进行定时统抄、不定时统抄及单用户随时查抄;用电量可按地址统计,也可按相位统计,以便合理地调整配电变压器A、B、C三相负载的配置,使供电系统的性能发挥得更好;在电费结算时,可通过分时计费,合理定价,使负载基本恒定;电表参数、用电信息可送到用户终端,从而非常方便地修改电能表参数,显示用户的用电量及结算电费;欠费警告及断电控制功能可督促用户按时交费;不安全和违章用电监视报警功能可使用电监察人员迅速准确地维护用电秩序;日报表、月报表、年报表的形成和输出方便而快捷。

  3、结论与展望

  3.1研究结论

  我们在几种不同的环境下对用户电能表终端和配变集中器进行了测试,取得了比较满意的结果。依照CEBus标准编制的程序,在传输过程中,没有发现误码的存在。不同的测试环境下,干扰强度与信道输入阻抗的波动范围是影响扩频载波可靠通信距离的两个主要因素,数据通信成功的平均帧延迟时间与平均通信距离的关系较大。

  户表采集器的性能指标如下:

  ·载波通信距离:架空网或电缆电网均可达1000m;

  ·抄表成功率:可达99.7%;

  ·抄表正确率:100%;

  ·读数准确度:计数精度达到小数点后两位,用户电能表读数与标准电能表的误差不大于1个字(即0.5kWh);

  ·时钟误差:每天小于+1s;

  ·用户电能表功耗:待机时≤200mW,发送数据时≤700mW,发送时间≤25ms,接收灵敏度≤2mW;

  ·采用工业级芯片,环境温度:-20~+85℃;

  ·工作电压:AC165~260V;

  ·掉电保护:电源断电情况下,数据可保存10年;

  3.2总结与展望

  电能直供到户是供电企业最重要的营销举措,这使得电能营销部门的电能抄算业务量成倍增长。采用新的远程抄表技术来改善用电管理和电能营销的装备水平、优化电能市场服务的技术手段是供电企业最紧迫的需求。

  我国的低压电能供应都是以配电变压器为一个台区单元,在配电变压器和用户之间不使用任何独立的中继通信设备或专用信道,直接利用低压电力线构成与低压电网系统结构相对应的用户电能表终端+配变集中器+营业站电能抄算主机组网的远程抄表系统,我们认为这符合低压远抄系统的主流发展方向,因而具有推广应用前景。

  具有低压扩频载波数据远传功能的用户电能表终端和配变集中器是构成本文所提出的远程抄表方案的核心装置。最终的技术目的的实现必须建立在成功地开发用户电表终端和配变集中器的基础之上,还要做营业站抄算主机的软件编制和数据库编制。显然本文所做的工作还离这一目标有相当长的一段距离。本文只是对用户电能表终端及其扩频载波通信模块作了实用化开发设计和样机试制,并且通过样机的现场测试。配变集中器、软件只作了一个方案性的设计。

  本文所取得的另一个成果就是,把用户电能表终端设计成一个智能化的综合性终端,除了完成电能的记录和计量外,它还具有用户现场防窃电、防误接线、故障保护、远方停送电、远方修改电能表参数和负荷控制功能,这些技术手段对提高供电企业的用电管理水平无疑具有积极的意义。

  参考文献

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  [2]徐平平,邱玉春.电力集中抄表中的通信技术.电力系统通信,1999(4).

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  [5]邱玉春.利用电力线组网的监控网络协议选择.现代通信,2000(1).

  [6]邱玉春,徐平平.低压电力线载波通信特性分析.电力系统通信,1998:6(48).

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