无线抄表的发展
随着科技的发展,老百姓对无线生活环境提出了更高的要求,无线抄表系统是中国目前最为领先的无线抄表,它将是中国智能抄表未来的发展方向。
无线抄表解决了长久困扰三表的抄表难的问题,在用户家外面轻松抄取其三表数据,操作电脑就可以抄取一个城市的三表数据变成了一件轻松的事情。该系统避免了长距离布线和复杂的线路干扰,可以快速抄写并实时上传表上的数据,且数据传输可靠。
针对传统的手工抄表方式费时、费力,以及准确性和及时性都得不到保障的缺点,,构建了一种无线抄表系统。结果表明,此无线抄表系统能够准确、可靠地完成数据的采集、处理以及传输等功能,完全满足要求。
随着无线通信技术的发展,无线抄表系统将是未来智能抄表系统发展的必然趋势。
随着电力企业的日益发展,科学技术已不断的渗透到我们工作的每一个环节,提高了我们的工作效率,增加了公司的效益水平。集中抄表工程的实施,优化了电力系统的营销流程,节省了劳动力、提高了工作效率,降低了低压线损率,实现了经济效益的最大化。
人工智能化无线集中抄表系统是采用微功率短距离无线通信技术,一般使用数字信号单片射频收发芯片、单片机技术等平台而设计的。加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块,一般射频芯片采用FSK调制方式,工作于ISM频段,通信模块一般包含特定的数据传输协议和自定的加密协议(奇偶校验、SIM卡校验等等),用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解,只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能,因其功率小,开发简单快速而应用广泛,数据传输速度快、流量都较小,适合搭建小型网络。在工业,民用领域使用较广。在我国,尤其在抄表行业应用广泛。
1系统结构
1.1系统总体结构
人工智能化抄表系统的总体结构如图1所示。
人工智能化无线集中抄表系统设计为四级网络,它由管理中心计算机、抄表器/中继站、采集器、基表组成。
1.2系统功能
1.2.1抄表终端(采集器)
将电表的脉冲输出线连接到抄表终端(采集器)的采集端,采集器会自动检测电表发出的脉冲信号并计量和存储电表的电量,每个采集器最多可以连接16个脉冲电表。每个电表的地址码互不相同,同样,每个采集器也有一个自己的地址码。
采集器上连接有一块无线数传通讯模块,用于接收和发送数据。平时采集器处于休眠状态,当收到指令时,采集器被唤醒并执行相应的操作。抄表终端(采集器)初始化须进行有关参数的设定,如:电表的基数、常数、地址码、采集器地址、系统时间等。抄表终端(采集器)内置时钟。
抄表终端(采集器)具备16路通断电控制输出(可选),通过控制磁保持继电器,以实现对欠费用户的停送电控制。
抄表终端(采集器)预留485通讯接口,以实现与485电表之间的通讯。
1.2.2掌上无线抄表器(PDA)和中继站
无线抄表器主要用于抄表终端(采集器)的参数设置和抄取电表的数据信息,必要时对欠费用户实行停送电控制。参数设置包括:采集器编号、表号、电表初值、脉冲常数、系统时间、冻结时间等。
抄录电表的数据信息可以按不同的方式进行:第一,自动抄表。自动抄表又分两种:即“按区域抄表”和“按采集器编号列表抄表”。按区域抄表可以直接选择采集器所在的区域(一般为一个配变台区)进行抄取,可以把整个区域下的电表数据都一次性抄录下来(即:一键抄表);按“采集器编号列表抄表”同样是直接选择采集器编号,然后抄取,每次只能抄取到一个采集器下的所有电表信息。第二,选择抄表,是直接输入采集器编号或电表的表号挨个进行抄取,一般用于漏抄情况;第三,手工录入,如果出现某个表的数据无法抄取,可以直接输入表号并填写电表上的电量。最后把抄表器中抄取到的数据上传给数据中心进行处理。
无线抄表PDA具备现场查询功能。
中继站用于接收、传递管理中心和采集器发来的信息。
1.2.3抄表系统后台软件:
抄表系统后台软件对收集上来的电表数据进行分析处理,主要实现以下功能:
电费管理功能:电费结算、电量汇总、线损计算。
电表管理功能:开户、销户、换表。
查询功能:电量查询(按月、按年、按电表、按单位)等。
打印功能:各种表格打印(公布榜、台帐、各种查询、报警 等)。
异常数据分析报警功能:零用户汇总、异常用电户(即:用电量波动大)分析报警。
与供电公司MIS管理系统数据交换功能:收集上来的电表数据可以上传给供电公司MIS管理系统进行集中处理。
2系统硬件设计和选型原则
2.1无线收、发单元的电性能应满足DL/T 533的要求。采用微功率(短距离)无线电设备应符合电信主管部门的规定。主要技术指标的实现:
发射功率:50mW
接收灵敏度:-118dbm
接收电流:≤20mA
发射电流:≤40mA
空旷距离:≥300m
供电方式:3.6v-5v(由采集器电源部份供电)
频率:免费频段(433-480MHZ)
工作温度:-20--80度
工作湿度:10%-90%无冷凝
抄表通道:16或4通道两种
2.2选型原则
系统硬件设计开发的技术要求、试验方法以及检验和使用验收规则执行国家行业标准:DL/T 698-1999《低压电力用户集中抄表系统技术条件》。
3.人工智能化抄表系统在技术上技术特点:
3.1与有线网络抄表系统相比,该系统无需布线,施工简单,组网成本低,对使用者要求不高,适合供电企业大范围推广。
3.2与电力线载波抄表系统相比,他克服了电力线载波抄表系统通讯速度慢、不稳定、成本高、容易瘫痪等缺陷。
3.3采用了最新的无线通讯技术。无线通讯模块采用了挪威Chipcon公司的CH1020短距离无线通讯芯片,Chipcon 公司是一家集设计、生产、销售高性能标准射频集成电路一体的国际领先半导体公司,该公司所设计的产品,主要应用于各种无线方案中,以满足客户对低成本、低功耗、高集成度及高灵活性的迫切要求。
3.4与蓝牙无线产品相比,该产品具有成本更低、功耗更低、协议更简单、软件开发更简易等特点。
3.5与mis系统的对接,解决了基层供电所电量数据上传的问题。供电所数据上传借用了供电公司已经建成的局域网,无须二次投资、重复建网。
3.6可以为各类供配电生产管理系统提供最基本的数据,为生产决策提供依据。
4.人工智能化无线集中抄表系统的可扩展性
“人工智能化无线集中抄表系统”可在原系统不做任何改动的情况下,升级为远程无线集中抄表系统,在供电公司内部建立一个远程控制的数据采集、处理中心。办法很简单,即在每个抄表台区内增加一个远程抄表中继站就解决问题。
通过GPRS 无线局域网专网与中继站通讯,中继站通过微功率无线通讯技术抄录抄表终端(采集器)内的实时数据,再经GPRS 无线局域网传回供电公司数据处理中心,完成全县范围内的实时电量的自动抄取。这是一种不需要人员到达现场就能完成抄读用户电量的远程智能化管理系统。(该系统框图见第一章)
远程无线抄表中继站和现场抄表终端(采集器)内部内置时钟,通过设置全公司统一的抄表时间和电量冻结时间,GPRS远程无线集中抄表系统即能为为供电公司提供同一时间的电量数据。
远程无线集中抄表系统具备现场抄表终端和中继站故障自检功能。
自动抄表(AutomaticMeterReading-AMR)是指利用微电子和计算机网络、传感等技术自动读取和处理表计数据,将城市居民的用水、电、气信息加以综合处理的系统。自动抄表技术使各水、电、气公司及物业管理部门从根本上解决了入户抄表收费给用户和抄表人员带来的麻烦,避免了许多不必要的纠纷。准确而便捷的收费系统,不但能提高管理部门的工作效率,也适应现代用户对用水、用电、用气缴费的需求。
根据建设部的要求和设计标准,具备水、电、煤气三表远程自动计量系统是智能化小区的必备条件之一。但是在具体的实施操作过程中因为市场上的产品五花八门,品种繁多而且互不兼容。由于没有统一的标准平台可供使用,因此各个厂商的产品必须是成套安装,这样就使集成商只能根据所选的产品进行针对性的工程方案设计,一旦设计定型所选用的产品很难更改,如果要更改必须进行重新设计、施工,这样导致了集成变成了几套系统的堆砌而无法实现其中某些设备、线路以及软件的整合。因此这个行业到现在为止一直是一个举步维艰的行业,总的来看,这个行业还不是一个成熟的行业,对于开发商来说这无疑是最需要斟酌。
一.远程无线抄表系统概述
现在最常见的远程自动抄表系统是采用分线制集中抄表方式,即由采集器定时顺序采集来自多路分线连接的水、电、气表信号并进行数据处理、存储,各采集器之间采用总线制连接,最后连接至计算机。其典型特点是各户表通过分户线连接至采集器位置。系统一般分为四层次结构;现场采集器、服务器(区域管理器)、通信控制器、管理器中心,部分产品还会附带一个掌抄器。系统结构如下图所示:
1.现场采集仪器:完成对现场表具输出数据的采集,一般一个采集器可以对多个基表进行采集。但是目前支持一个采集器对几种不同种类的基表同时进行采集的产品不是很多。
2.服务器(区域管理器):以多机通信方式采集数据采集器中的表数据,然后进行处理、存储,并通过通信总线与总控制室的系统管理中心的计算机相连。一个服务器可以连接几十个数据采集器(视系统通信方式定)。
3.通信控制器:连接服务器与管理中心的计算机对信号进行协议转换。
4.管理中心:管理中心由多媒体计算机和系统管理软件组成。安装在物业管理中心处。
系统管理软件一般有如下功能:
Ø查询管理网络中任一用户的表数和各月用量及应缴的费用。
Ø查询某一栋楼当月各表的数码及总费用。
Ø修改各户各表底数和修改户主的姓名。
Ø查询上月费率,输入本月费率。
Ø报表打印,按月、按季打印出某单元、某用户的用量及费用。
Ø打印各用户月用量及应缴费用的通知单。
Ø在已经创建的数据库文件上增加新用户的各表数据。
系统管理软件可以根据用户的需要进行编制,以满足不同用户的需要。
可以借助internet技术,将管理中心的计算机与电力、水、煤气或其他代收费部门的网络相连接实现网上抄收,上网用户可以在线查询自己的费用情况,方便实用,并可扩展到电子商务,实现网上付费。不过目前要实现到这一地步还需要一个比较长期的发展过程。
二.现状
远程抄表系统的发展已有十多年了,但实际应用状况却差强人意,许多已安装自动抄表系统的楼盘由于计量不准确最后不得不又返回到人工抄表的老路上来,虽然产生这种现象的因素是多方面的,但仔细分析,根据现在表具的生产原理出现这种情况是必然的。
1.前端表具先天不足
目前市面上所使用的抄表系统种类虽然繁多,但基本结构及原理都大同小异。就目前广泛使用的脉冲发信表(水表、气表)基本上采用干簧管或霍耳元件传感器,工作原理简单,即在原机械表的转动齿轮或指针上放置磁铁,将传感器固定在其附近某一位置,齿轮或指针转动带动磁铁转动,当磁铁靠近又离开传感器时,输出一个周期的脉冲信号。采集设备通过累计脉冲表发出的脉冲信号进行累计和换算,转换出用户的用水、用电、用气量。通过这种方式实现远传的系统,其可靠性取决于脉冲发信表发信、脉冲信号传输以及系统计量的可靠性。现实证明,这些环节的可靠性是无法保证的,使用中常会存在着以下弊端:
1)从理论上讲,远传表输出的脉冲数与齿轮或指针的转动次数成一一对应关系,然而现场条件却难以达到理想状态,由于表盘的抖动和传输过程的电磁干扰等因素,易引起脉冲丢失或多计脉冲。因此在使用一段时间后,脉冲计数方式的抄表数据与表具现场读数值不一致,系统需要不断的修正,易引起管理部门与用户的纠纷。
2)表具传感器的的安装也是一个重要的因素,目前一些水表生产厂家从传感器厂家购入传感器后自行安装,由于水表中指针为金属指针由于安装不慎,水表安装运行后甚至会出现指针给磁铁吸到磁铁上的问题导致了现场的读数和脉冲抄表的计数出现很大的出入。
3)由于传感器是覆盖在表盘上安装的,安装了传感器后甚至直接影响了现场读表。所以厂家在安装传感器的时候安装的角度也是该考虑的。
2.脉冲信号传输
1)脉冲表发出的脉冲信号,需通过信号线传输至采集器,如果传输距离过长,或者因连线质量不好、屏蔽作用不强信号失真,则不可避免造成系统计数错误。
3.系统计量
1)由于脉冲计数的累加性特点,系统采集器上的记忆脉冲的电子存储元件数据易受干扰,影响数据精确。
2)远程抄表系统是通过不间断地累计对应脉冲表远程发来的脉冲来进行计量的,这就首先要求系统初始值设置必须正确,即人工抄读每只远传表的表盘实际读数后,将表的实际值准确无误地输入到数据采集器,目前所使用的抄表设备一般有两种设置方式:一种是通过掌机将现场读数先输入掌机中,然后通过掌机将数据通过红外接口输入采集器。这种设置由于不是实时计数,对于运行中的系统当用户用量比较大时不可避免的存在误差。另外一种是直接在管理计算机端通过软件实现,进行基数设置时需要使用对讲机进行实时设置。这样设置不存在误差。
3)在实际使用过程中还必须要求电源及线路状态始终完好,不允许停电,如果采集器掉电或出现其他严重故障则会使该采集器上的所有户表数据丢失,集中抄表的风险无法有效分散。现在的抄表系统一般都自带蓄电池。但实际运用中蓄电池持续的时间往往都不是很理想,一旦停电必须对抄表的基数进行重新设置。所以抄表系统的供电一定要保证,一旦这些必要条件不具备,系统计数便不可避免地与机械表的读数出现误差。
基于以上原因,可以清楚地看到目前采用累计脉冲的方式进行计量的抄表方式,显然是不能成为今后主流发展的趋势。目前的抄表系统前期的技术问题是根源,是由于其产品设计上的先天不足,用它直接作为计量收费的依据,必然招致无穷无尽的麻烦。
三.前景展望
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,就必须改变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将代表了今后抄表系统发展的一个方向。智能型直读表具是在传统的表具内加装直接读表的电子模块,其可行性和适用性都是原有脉冲表及分线型抄表系统不可比拟的,主要有以下功能特点:
1)无源总线制直读表直接感应表具的窗口值,即直接“读取”窗口值,不需要脉冲转换、累计、换算,没有累计误差。解决了目前以累计脉冲方式工作的系统易受干扰而导致读数和系统累计计量值不一致的问题。
2)系统在抄表时不需设置表底数、表常数等参数,无需存储数据,真正实现了“读表”计量。
3)直读表具内的电子模块与表具内的计读器等装置没有机械接触,不影响计量精度。直接传送数字信号而非脉冲信号,抗干扰性好。不仅不受机械振动影响,同时也不受电磁干扰的影响,所以在复杂的使用环境下能稳定、准确、可靠地实现计量。
4)表具内没有电源,直读装置在抄表瞬间加电工作。表具的电子部分平时不工作,读表瞬间由采集器或手持终端通过网络布线供电。由于内部不设电源避免了传统方式由于供电不稳定或故障引起的计量误差及大量的维护工作。使得整机故障率和功耗大大降低,使用寿命更长。
综上特点,直读远传表将成为未来的主流表具,但是不管采用何种方式,表具必须具备直接输出数据的功能,系统采用总线制结构将成为主流。
四.结束语
在国家相关政策的推动下,民用计量表智能化已是大势所趋。随着行业技术标准的不断成熟规范、管理水平的不断提高。国家对抄表设备监管力度、市场引导等不断加强。将抄表系统及相关配套产品纳入重点计量器具范围,建立市场准入制度也将是必然。相信在不久的将来远程抄表系统将会得到不断的完善和成熟,抄表系统的春天也将会来临。
资料
从2010年1月,国家电网公司以“1号文件”的形式,公布了今后10年智能电网的建设规划将分三个阶段推进坚强智能电网的建设,到温 家宝总理在今年两会的《政府工作报告》中明确提出了加强智能电网建设的报告,国家电网公司在国家大力发展智能电网信息化建设的大背景下,近年来在推进电力用户用电信息智能化、网络化方面的投资力度空前,并相继推出了《国家电网公司“十一五”电力营销发展规划》、《电能信息采集与管理系统典型方案》、《“SG186”工程营销业务应用标准化设计》等一系列指导文件,并于2010年初正式发布《国家电网公司企业标准 Q/GDW xxx-2009》,第一次在较大范围内规范了电力用户用电信息采集系统的设计、生产及验收,这也将在很大程度上解决集抄行业缺少统一标准这一长期以来制约发展的瓶颈问题。
据悉,国家电网于近日启动了第二批智能电网试点项目。自去年第一批智能电网项目试点到此次试点完成,总投资约4万亿元(2020年之前)的中国智能电网,将步入规划建设阶段。这对智能电网物联网产业链上的企业来说,无疑是极大的利好。上海桑锐电子科技有限公司作为专业的物联网微功率解决方案提供者,也在这大好的政策背景下适时推出了具有自主产权的SR201003自组网技术无线抄表系统(国网标准型),系统除完全符合国家电网公司Q/GDW - 2009企业标准外,更是全面引入SRWF-SunRayNet自组网先进技术到新一代低压电力集抄系统实际运用中。
无线抄表系统的构建:主要是无线网络的构建,整个系统分为三个部分:数据采集部分,无线组网部分和数据管理部分。
1、数据采集部分:
数据分为命令数据和采集到的读数,在整个系统中数据的传输都是以数据包的形式往外传,命令包的传输方向与读数数据包的传输方向相反。
数据采集是指读取电表的数据,通过一定的传输方式把数据传输到数据管理端。数据采集器通过RS485总线与本层楼的各个电表连接,每个采集器装有一个无线数传模块,其采集到的数据通过无线数传模块往外发送。其示意图如图1所示:
2、无线组网部分
专有名词解释:
上位机、下位机:是根据命令数据包的传输方向决定的,例如:A发命令给B,B接收到命令后就回传数据给A,则A为B的上位机,而B为A的下位机。
无线组网又分为两个部分的无线网络:楼内部网络和基站网络。整个网络采用树型结构的组网形式。
无线网络采用地址关联、树型结构的组网方式。每个无线装置都有唯一的本机地址和唯一的上位机地址。每个数据包都带有地址,其地址决定着数据的传输方向,是往上传还是往下传。当往下传时接收端接收到的数据包里的地址与上位机地址相同,当往上传时数据包里的地址就跟本机地址相同。当接收到数据包要转发时,则对数据包进行重新打包发送出去,便于下一接收者辨认。
2. 1 楼内部网络:
楼内部网络是指一栋楼里面每层的采集器之间的无线组网,每个采集器都有其唯一的地址,作为与上下级通信的身份证明以及便于故障的定位和排除,是组成网络的缆绳。
每层楼的采集器通过无线传输装置直接把数据发给本栋楼基站,最后由基站发送出去。如果采集器与基站不能够直接通信的,就采用中继转发。网络遵行链路越短越好的原则。其数据传输如图1所示。
2. 2 基站网络:
基站网络是指楼宇与楼宇之间的无线网络。每栋楼的顶部都装有一个基站,用于传输本栋楼采集到的数据和转发其它楼宇的数据。每个基站都有其唯一的地址,并且知道其上位机地址。上位机是唯一的,而下位机可以为多数。网络遵行链路越短越好的,能够直接到达的不采用中继。
2.3 手持机
手持机是连接小区与管理部门的桥梁,手持机以无线的形式从小区总站下载数据并保存,然后利用有线把数据转存到管理部分PC机里,管理部分还可以利用手持机在总站处发出抄表、阀控等指令,通过总站把指令传给基站网络直至下达到每个计量表,使得计量表作出相应的操作。
手持机的另一个用途就是设定系统中的所有无线装置的地址。具体设定的方法在下文会介绍。
2.4 地址的设定
每个无线装置都有两个地址,一个是本机地址,一个是上位机地址,这两个地址都可以任意的设定,设定好后可以永久的保存,也可以修改。
地址设定方法:首先启动相应地址设定功能(本机地址设定和上位机地址设定),然后通过手持机或者其它的无线装置发送地址设定命令和要设定的相应地址。
3、数据管理部分
抄表员只需要到每个小区的总站处把数据下载手持机上,然后利用手抄机通过有线把数据下载到PC机上,PC机通过数据库对采集到的数据进行有效管理。管理数据库利用我们公司自己设计的三表数据采集及管理系统。
三、 无线抄表模块
无线抄表模块选用由我们公司自主开发的无线远程数传模块ZF-02,(模块具有自动避让功能,当监测到有模块在发送数据时,它自己就不发送,直到监测无其它模块发送数据才启动发送功能发送要发送的数据,避免了干扰现象。)无线模块是连接在采集器和基站上的,用于采集电表的读量并存储等待发送,模块大部分时间处于睡眠状态,但每阁一段时间自动醒来,检测外界是否有唤醒信号(主要用于采集器抄取数据),如果检测到唤醒信号,它将被唤醒并等待下一指令,执行相关操作。如果没有唤醒信号,则又进入睡眠状态。这样一来,无线模块的功耗就非常低,如果采用电池供电,可以达到1~3年。
技术参数:
发射功率:10mW
接收灵敏度:-112dbm
接收电流:≤17mA
发射电流:≤35mA
空旷距离:300m—500m
供电方式:3.3v-5v
频率:免费频段(433-480MHZ)
工作温度:-40-80度
工作湿度:20%-80%无冷凝
四、 通信协议
在系统中,无线模块与计量表之间的通信协议和数据格式是按照《中华人民共和国城镇建设行业标准(CJ/188—2004)——户用计量仪表数据传输技术条件》来通信和定义的。
五、 无线抄表系统后台软件以及特点:
对收集上来的电表数据进行分析处理。
电费管理功能:电费结算、电量汇总、线损计算。
电表管理功能:开户、销户、换表。
查询功能:电量查询(按月、按年、按电表、按单位)等。
打印功能:各种表格打印(公布榜、台帐、各种查询、报警等)。
异常数据分析报警功能:零用户汇总、异常用电户(即:用电量波动大)分析报警。