电能计量与远程抄表应用研究期刊发表论文
电能计量与远程抄表应用研究
摘要：介绍了目前售电管理的几种方式，分析了传统的手工抄表、预付费系统和远程抄表系统等方式的优缺点和发展方向。介绍了远程抄表系统的结构和特点，从电能计量装置、采集器、集中器、数据中心和各种通信方式阐述了远程抄表技术的发展和应用现状。分析了传统机械式电能表、脉冲式电表、红外接口电能表和485接口的电子式电表等电能计量装置的特点和相对应的采集器的数据采集模式，重点介绍了DL/T645电能表通信规约、电力线载波远抄、GPRS/CDMA网络远抄等方式，研究了数据中心的建立及与银行的合作模式。指出远程抄表系统的发展方向。关键词：电能计量；远程抄表；电能表通信；电力线载波。0.引言
智能电网概念的提出，对电力建设有很大的推动和指导作用。远程抄表是作为电网智能化的基石，它可以实时收集终端用户的电量信息，监控其工作状态，实现有序用电、自动抄表和用电监控，同时为电网企业线损率管理、用电分析、负荷预测、电价评估和营销决策提供有力的技术支持。
同时，随着科学技术的发展，特别是电力电子技术，电子技术，信息技术和无线网络技术的发展和成熟，电力行业也逐步体会到科技进步带来的便利。在抄表行业中，也经历了几个时代的发展，传统的手工抄表发展到预付费系统和远程自动抄表系统，今后必将朝着信息化抄表和管理一体化的新的抄表方式方向发展[1-6]。
目前，比较多的抄表方式主要有三种：
（1）人工抄表模式。这是一种挨家挨户的抄表方式，工作量大，对居民用户的影响大，出错率高，因此而容易引起纠纷。相对有些改进的手持红外抄表器，利用红外数据传输用手持仪器对电表进行抄表，虽然减少了出错率也可以在离电表几米远的地方抄表而节省了时间，但是仍需要一家一户进行，没有发生根本性的进步。
（2）预付费系统模式。这是一种“先交费后用电”的电力营销模式。工作过程为：用户持电卡到供电部门去买电，供电部门收费后利用后台软件将相应的电量数据写入到用户的电卡内。用户拿着电卡在自己的预付费式电表上刷卡取电。电表实时比对剩余电量，如卡内电量使用完则给用户停电[7]。
预付费系统由于先交费后用电，彻底解决了收电费难的问题，为电力部门带来了便利，是一种新颖的营销模式。但是，正是这种先交费后用电的模式在法律上并没有得到保证和许可，往往存在很多争议。技术上，预付费采集的信息量有限，而且只有在买电和充电的时候进行少量的数据交换，无法做到数据的大量采集，更无法做到实时采集，要做到信息化管理就无从谈起。
（3）远程抄表模式。远程抄表系统也称集抄系统，又称自动抄表系统，是指利用现代电子技术、
信息技术等实现电表、水表、燃气表、暖气表等表计仪器的自动化远程抄送和处理的系统。
远程抄表系统不但是技术的进步、生产力的提高的表现，也是实现信息化发展和管理的一种营销模式，具有重要意义。随着科学技术特别是电子技术的发展数字化社会建设的进行，抄表也同样发生了革命性的进步，出现了载波电表远抄系统、短消息远抄系统和无线网络远抄系统等功能强大而成本较低的信息化抄表系统。
1.远程抄表总体结构
如图1所示，远程抄表系统的组成部件有：电能计量装置，采集器，集中器，网络和数据中心。
远程抄表的基本方式为：每个电表或者每个电表箱安装一个采集器，通过一定的数据接口和通信协议，从电表上采集电能量等数据，一个区域内（比如一个小区或者一个台区）所有的采集器采集到的数据集中到集中器，然后通过一定的网络将数据传送到数据中心。
电能计量装置采集器通信协议集中器网络数据中心电能计量装置采集器
图1远程抄表系统总体结构图
Fig.1StructureofRemoteMeterReadingSystem
具体的远程抄表的结构多种多样，主要决定因素是通信信道的选择，包括采集器和集中器之间的底层通信以及集中器和数据中心的网络选择。目前应用较多的有：（1）电力线载波远抄系统、（2）短消息模式远抄系统、（3）GPRS/CDMA无线网络数据传输系统、（4）基于Zigbee等短程无线网络和Internet技术的远程抄表系统、（5）利用电脑的串口通过485总线读表。还有其它多种方式。
2.电能计量装置和采集器
2.1电能计量装置
目前来说，电能计量装置大概可以分为几种：（1）传统机械式电表。这种电表已很少在新安装项目中使用，但是仍然有一定数量的保有量。机械式电表是通过电场产生磁场，对转盘产生一个力矩而计量电能的，它是通过机械转轮来计量电量。这种电表计数直观，但是数据是视觉上的而非电子式，与其它电子仪器无法直接通信。
（2）脉冲式电表。这种电表分为电能测量部件和脉冲部件。电能测量部件是感应式的，测量到的电量的数据和机械式类同，数据接口则是采用脉冲的方式输出。当电表有电流流过，相应的元件转动，触发脉冲输出。对脉冲进行计数即可采集到电量等数据。
（3）红外接口的电能表。这种电表是电子式电表，测量到的数据保存到非易失性存储器中，通过红外调制信号输出。用手持仪器或者其它对应的红外数传仪器可以与这种电表进行通信，读取数据并可以设置参数。
（4）485通信接口电子式电表。这是种新型的工业级的电表，电压和电流通过表内的互感器降压，小信号经过处理后送到模数转换部分，经过采样保持和模数转换，把模拟量转换为数字量，再经过表内的微型处理器计算和处理，算出有功无功等电量数据，并保存到非易失性存储器中。这种表功能强大，数据量丰富，可以实现复费率，可记录波峰波谷。数据接口采用工业级的485接口，稳定可靠，通信数据量大而方便，通用性强。2.2相对应的采集器
针对以上几种电表以及他们不同的数据接口，采集器的方式也不尽相同。
（1）对于机械式电表电量的采集主要有三种传感器，光感元件、霍尔元件和干簧管。机械式电表上有一个转盘，有电量流过则会转动，而转盘的转速是和功率成正比的。比如有的电表标示1600R/kWh，表示每走一度电电表要转1600转。电表的转盘上有一个黑点，每次转动都会经过电表表面。因此，要采集机械式电表数据量，可以使用光感元件。在电表转盘表面处安装一个传感器，传感器的一侧发射一定频率的光线，一般为不可见的红外线，另一侧则为接收部分。由于转盘是易于反光的铝盘，对光线有反射，而黑点处则不会反光，根据这个特点自动计量电表转盘的转数。也有的是在电表转盘上安装一个小型的磁性元件，在表外安装一个霍尔元件或者干簧管，当磁性元件经过霍尔元件或者干簧管时触发一次，这样就可以记下电表的转数。这种采集器虽然技术比较成熟，但是转盘的黑点和反光部分比较难以区别，容易造成计数错误而读错数据。并且要有专门的处理器或者计数器对转数进行计量，系统消耗较大。对于不同厂家的电表，其电量常数不一样，即每用一度电，转盘的转数是不一样的。这就要求针对不同的电表也要有不同的专门采集器来采集数据。
（2）脉冲式电表，其接口输出的是一种脉冲。脉冲数据类似于机械式电表的转盘。例如电表上标示着6000imp/kWh，表示接口每输出6000个脉冲就走了一度电。由于脉冲接口的电压不是普通的5V级别的电子系统电压，而且为了减少各个仪器之间的干扰，需要有一个光电耦合隔离。采集器中需要安装一个光电耦合隔离器，防止电磁干扰。同样，这种采集器也需要专门的计数器或者微处理器进行计量脉冲数，要求附加器件多。脉冲式电表的电量常数也不同，也需要针对不同厂家的电表而对采集器做相应的调整。
（3）红外接口的电表，多用于手持抄表器，在远程自动集抄系统中应用不多。可使用红外通信元件直接读取电表内存储的电量数据。
（4）485接口的电表是全电子式的电表，数据通用性强。485电表已经形成了成熟的电子式电能表通信规约，应用范围广。对485电表进行数据采集很简单，只要增加一个485接口即可，而采集器和电表之间的数据接线也只需要一根双绞线。2.3DL/T645电能表通信规约
485接口的电表通信较简单，采用485转换芯片与单片机的串行口连接，用一个I/O口选择接收或发送即可。485接口电表的通信规约为DL/T645电能表通信规约。该电能表通信部颁规约有1997版和201*版，目前大部分用1997版，而新产品启用201*版。
0D0D1D2D3D4D5D6D7P1起始位8位数据偶校停验位止位说明代码帧起始符68HA0A1地址域A2A3A4A5帧起始符68H控制码C数据长度域L数据域DATA校验码CS结束符16H
图2电表通信字节格式和帧格式
Fig.2Frameincommunicationofpowermeter
该规约的字节格式为：每字节含8位二进制码，传输时加上一个起始位（0）、一个偶校验位和一个停止位(1)共11位。D0是字节的最低有效位，D7是字节的最高有效位。初始速率采用1200bpd，先传低位，后传高位。读取电表数据还有固定的帧格式，以68H开头。比如，读取电表点总电量的指令为：
68DF0123455DDF68010243C35D16HDF0123455DDF为电能表地址。在新出的部颁规约DL/T645-201*中，初始通信速率采用2400bpd，数据标识由1997版的2个字节变为4个字节，并且标识码也不同。
以上的读表指令在201*版规约中则应该为：68DF0123455DDF680104333333332616H
DF0123455DDF为电能表地址。
图中相关的术语和细节请参阅参考文献[8]和[9]，这里不再赘述。
3.集中器和数据中心
集中器的方式决定于采用的通信方式，包括与采集器之间的通信和与数据中心的通信。由于集中器收集的是一个小区或者一个台区的电量数据，距离较近，所以大多采用485总线与采集器通信，而与数据中心的距离较大且数据通信为更高层次的通信，因此采用电话线上网或者专用网线等Internet技术或者GPRS/CDMA等高级无线网络。
数据量的增加和采集系统的智能化发展都要求数据中心不仅仅局限于数据的收集和统计，而要具备数据共享、数据分析、数据挖掘能力及与诸如银行数据网等其它数据相衔接的功能[10]。数据中心可以与自助缴费系统联网，用电客户可以在自主缴费终端上自行操作缴纳电费。用户也可通过签约银行的网上银行和手机银行等新型系统来实现方便快捷的缴费。客户也可通过网络等途径查看自己的用电状况。
4.几种有代表性的远抄系统
4.1电力线载波远程抄表系统
电力线电力线载波数据接口网络电表采集器集中器数据中心
图3电力线载波远抄系统Fig.3StructureofPowerLineCarrier
如图3所示，电力线载波集抄系统主要组成部分有：电能表、采集终端和后台管理系统[11,12]。采集终端具备与电表的通信功能和载波调制解调功能。采集器将从电表采集到的数据经过编码，调制后加载到电力线上，数据信号通过调制的高频信号沿电力线传输，像广播一样发送数据。集中器是一个台区的总站，收集整个台区的所有信号，经过解调后恢复为数字信号，经过一定的网络传给后台管理系统。这种方式主要以一个小区或者一个台区为集合，统一集合数据后传输给后台。目前，随着
技术的进步，已经实现了垮台区数据传输。4.2GPRS/CDMA无线远程抄表系统
无线网络DTU（DataTerminalUnit数据终端单元）功能强大，采用GPRS、CDMA等公共无线网络实现网络的建立和数据的传输。这样的系统以GPRS系统为最具代表性。无线GPRS电力远程抄表系统具备如下特点：不需要为多表集抄专门布线，前期投资少、见效快，后期升级、维护成本低；无论在多远的地方，只要可以上网就可以完成对集抄的控制和管理；基本硬件平台扩展潜力巨大，可以方便的扩展到水、燃气等设备的集抄。
串行总线232/485GPRS天线微处GPRS无线网络理器模块TCP/IPInternet数据协议SIM卡GPRS网络中心DTU
图4GPRS远抄系统结构图
Fig.4StructureofGPRSDTU
GPRS电力集抄系统利用中国移动现有的GPRS/GSM网络，电表和后台系统的所有交换信息通过中国移动的数据通信网关，远程抄表系统数据中心申请固定IP地址，在移动的数据通信网关和数据中心之间申请VPN，所有电表经过无线智能集中器通过GPRS网络连至数据中心，实现电表数据和数据中心系统的实时在线连接。居民用户的用电数据由复费率电表通过485传到无线智能集中器，集中器通过RS232口将数据传至GPRS终端并通过GPRS网络传送至数据中心的电量管理系统。
5.总结
远程抄表系统要达到可靠、准确运行的要求，必须解决其计量的准确性和可靠性的问题，而要真正解决准确性及可靠性问题，就需要改变传统的机械式转轮电表和以脉冲信号累计为计量方式的抄表方式。近年来市场上推出了无源总线制的智能型直读表抄表系统，这种直读式抄表系统对脉冲式电表有了一定的改进。485总线作为工业级的串行总线，以其稳定可靠的工作性能和通用性而得到越来越广泛的应用。485接口的电能表也正在大量地被采用，将是今后电表的发展方向[13]。
对于数据传输，可以借助Internet技术，将数据中心的计算机与供电部门的数据中心相互联网，实现数据共享和信息化管理[14]。而用户也可以通过网络直接查看自己的用电记录和状态。另外，可以与银行的网上银行相结合，实现网络支付等新型支付方式与售电管理的紧密结合，不断给用户和供电部门带来便利。
远程抄表系统不单单应用于电能量的采集，同样用于水表、暖气表、燃气表。今后的发展方向必将是各种测量仪表的数据格式趋向于统一而共用一个远程抄表系统。实现一个智能化的家居环境。参考文献
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PowerMeasurementandApplicationofRemoteMeterReading
Abstract:Traditionalmanualmeterreading,pre-paidsystemandremotemeterreadingsystemarethreeformsofcurrentpowersalemanagementsystem.Thispaperanalyzestheiradvantagesanddisadvantagesanddevelopment.Thestructureandcharacteristicsofremotemeterreadingsystemareintroduced,fromthepowermeasurementdevice,collector,concentrator,datacentersandcommunicationaredescribedaswellasthedevelopmentandapplicationofremotemeterreadingtechnology.Characteristicsoftraditionalmechanicalpowermeter,pulsepowermeter,infraredbasedpowermeterand485basedpowermeterandthecorrespondingcollectorofdatacollectionarepresented.TheDL/T645powermetercommunicationprotocol,PowerLineCarrierremotemeterreadingsystemandGPRS/CDMAnetworkremotemeterreadingsystemarestudiedemphatically.Thedatacenterbuildingandpatternsofcooperationwithbanksarediscussed.Thedevelopmentdirectionoftheremotemeterreadingsystemisindicated.
Keywords:Powermeasurement;Remotemeterreading;Powermetercommunication;PowerLineCarrier.
扩展阅读：电能计量自动抄表技术发展论文
浅谈电能计量自动抄表技术的发展
【摘要】随着国家电价的改革，供电部门为迅速出帐，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、分时电量和负荷曲线等，自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。本文就电能计量自动抄表技术的发展进行初步探讨。【关键词】电能计量;自动抄表;技术;发展0.引言
对于一个供电企业来说，抄表是生产的一部分，因此抄表自动化也是生产自动化的一部分，它不仅仅为营业收费提供电量数据，还可为电网建设、漏耗计量等提供准确可靠的依据，而一个供电企业的信息化如果没有抄表自动化，就不是真正意义上的信息化了。随着国家电价的改革，供电部门为迅速出帐，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、分时电量和负荷曲线等，自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。本文就电能计量自动抄表技术的发展进行初步探讨。1.电能计量抄表技术的发展历程1.1抄表机抄表
抄表员将抄表数据输入抄表机，再经接口与管理中心计算机连接，将抄表数据传入电脑，最后由相应的软件对抄表数据进行处理。这种方式不仅解决了在电脑上重复输入抄表数据的问题，而且抄表机本身具有在抄表现场自动检查、判别抄表结果，异常数据自动提醒，已抄、未抄情况自动统计等功能，从而大大提高了抄表收费的工作
效率，因此这种方式被大多数电力企业采用。但是，随着人民生活水平的提高、住宅商品化的发展，居民住宅的质量和档次越来越高，住户对住宅环境、物业管理水平的要求也日益提高。对供电部门和用户来说，这种方式存在的弊病越来越突出，其原因主要有以下几点：（1）入户难。由于居民生活水平的提高、家庭财产价值越来越高、越来越重视隐私权等原因，用户不希望被人打扰；同时入户抄表只能在早、晚居民休息时间，抄表人员实际可利用抄表时间较短，因而使抄表率、收费率无法达到公司要求；（2）现行抄表收费结算方式不合理。由于入户抄表困难，一些抄表人员干脆只抄收总表，而分表则让用户自己抄，不足部分由用户分摊，产生用户在交费上的不配合行为，致使费用拖欠现象严重；数据采集不及时，无法实时反映系统状况，不能为相关的应用系统提供准确及时可靠的数据。
1.2抄表半自动化
随着城市的发展和扩大，以及“一户一表，独立计费”工程的开展，用户数量急剧上升，抄表收费问题更为突出。在技术与管理两方面急待进步、改革的迫切需求下，自动抄表技术迅速发展起来，公司为用户安装了远程抄表，抄表人员用便携式抄收器将各自独立工作的数据采集器的数据采集后，再携带到机房传输给管理中心计算机。这种方式不仅解决了人工抄表入户难的问题，而且一次可抄上百户甚至上千户电表，抄表速度和准确率比以前提高了很多，抄表员人数大量减少，并以其服务便捷，能避免纠纷问题而受到广大
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