自动抄表与防窃电(后续优化).doc

自动抄表与防窃电1概述22自动抄表系统的发展及现状介绍22.1自动抄表系统的发展历程22.2自动抄表系统现状介绍32.2.1自动抄表系统实现的必要性32.2.2自动抄表系统的应用介绍33自动抄表系统解决方案43.1自动抄表系统架构介绍43.1.1架构图43.1.2各部分设备的功能介绍53.2各种自动抄表系统的对比分析53.3低压载波抄表系统分析73.3.1载波抄表的概念73.3.2载波的技术特点73.3.3主流载波厂家的技术对比介绍113.4自动抄表系统项目实验121 概述 本文主要阐述自动抄表系统的现状及自动抄表系统的优越性。并通过对国内主流的自动抄表模式进行了深入研究和实验后，为自动抄表系统提出可行的解决方案。本文所包含的内容有：自动抄表系统的发展及现状的介绍、自动抄表系统的技术可行性分析、自动抄表系统项目实践分析。目前国家电网在自动抄表的应用上，低压侧主要是以电力线载波通讯为主，根据目前国内的自动抄表系统的应用情况， 本文所讨论之内容及实验项目将是以低压载波通讯为主。 另外以上所提供之实验数据都为经过作者在导师的指导下进行实验验证，同时感谢方案实验过程中为作者提供支持的各位同仁。2 自动抄表系统的发展及现状介绍2.1 自动抄表系统的发展历程自动抄表是当今世界电力系统发展变革的最新动向，并认为是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。以欧美等发达国家为代表，上至欧盟委员会、美国能源部，下至各种类型的电力企业与组织，纷纷投入相当的精力，力图尽早取得突破。中国、日本、韩国、加拿大、澳大利亚等国家也开始注意到电网的这一新的发展动向，正在积极推进。国网公司提出的实现电力用户用电信息采集系统建设“全覆盖、全采集、全预付费”的总体目标，规范统一用电信息采集系统及主站、采集终端、通信单元的功能配置、型式结构、性能指标、通信协议、安全认证、检验方法、建设及运行管理等等，是我国的智能电网建设走出的第一步，也是最关键的基础。2.2 自动抄表系统现状介绍2.2.1 自动抄表系统实现的必要性随着供电企业对抄表要求的提高和通信技术的发展，自动抄表系统越来越受到供电企业的重视，自动抄表系统的实现，主要基于以下几个原因：（1）人工抄表工作量急增；（2）抄表工作难度增大；（3）人工抄表存在着漏抄、错抄、估抄、不抄等问题（4）部分用户窃电现象越来越严重。（5）线损管理缺乏准确、实时的数据。2.2.2 自动抄表系统的应用介绍国家电网公司2010年第一批开始招载波表以来，截止到2012年国家电网第二次招标，国家电网公司共计招载波电表总量为：73,540,233 只电表。从全国各个地区的集抄主站系统统计情况来看，目前上线电表总量大概在3000多万只左右。在将近的两年的时间中，国网公司在其所包含的所有省份大批量大规模的应用的自动抄表系统。其目的就是建设科学高效的智能电网，解决我们上面所提出的问题。自动抄表系统的优越性在国家电网实践的过程中得到了充分的验证。 国家电网在全面的大批量的上线的过程中，也存在的一系列的问题，例如：现场技术应用的可行性、系统的稳定性、运行维护的工作等方面的工作并非让人十分理想。整体的抄收效果和预期的日冻结抄表成功率97%的效果还有一定的差距。本文将通过技术的可行性分析及现场的项目应用情况提出可行的解决方案。3 自动抄表系统解决方案3.1 自动抄表系统架构介绍3.1.1 架构图自动抄表系统是一个涉及多方合作，多种技术方案，多种通讯方式，多层次的一个庞大的系统。架构图如下：3.1.2 各部分设备的功能介绍1、 电能表电能表作为计量设备，主要具备如下功能：计量、通讯（包括：载波、485、红外等）2、 采集器采集器作为采集设备，负责将电表的数据通过485采集上来，然后转换成载波信号向上行传输。一般的，一个采集器都会挂接10来个电能表，上限值一般为32块电表，由485芯片的驱动能力决定。3、 集中器集中器作为一个台区的管理采集设备，主要有如下功能：1） 采集功能集中器根据需要对所管理的电能表，进行自动、定时、集中抄录。2） 数据存储管理功能集中器具有存储管理数据功能，例如：存储31天日冻结数据、12个月的月冻结数据，以及各种实时数据、事件记录等。3） GPRS/CDMA/光纤通讯功能集中器具可通过GPRS/CDMA/光纤通讯与上行主站进行通讯，将所存储数据、事件等传输至主站。4、 主站设备主站系统主要功能：系统数据采集、数据管理、综合应用、运行维护管理、系统接口等功能。3.2 各种自动抄表系统的对比分析自动抄表系统一般有这几种：RS485抄表、无线电抄表、全载波抄表、半载波抄表。这几种自动抄表系统各有特色，各有优缺点，在自动抄表系统的发展过程中都曾较为大批量的应用过。以下是各个系统的对比说明：系统类型抄表流程优点缺点RS485自动抄表系统模型：集中器485电表1）传输稳定，通讯可靠2）传输数据量较大，表成本低3）传输距离1.2KM1）需布线，现场安装复杂，需投资2）受节点限制，专用双绞线无线抄表模型：集中器-无线电表1)不用布线,安装简单2)传输距离能在1.8km的圆内1)成本较RS485高2)传输数据量小3)传输可靠性相对RS485方案低4)表成本高全载波抄表模型：集中器-载波电表1）无需布线,利用现电力线通讯2）表成本适缺点: 易受外界干扰,影响抄收,一次抄收成功率低 半载波抄表模型：集中器-载波采集器485电表1）无需远距离布线,利用现电力线通讯2）电表成本低1）易受外界干扰,影响抄收,一次抄收成功率低。2）载波节点少，通讯不稳定3）较全载波系统故障点多。经以上比对，我们看到各个系统的优缺点。自动抄表系统经过十几年的努力和发展，各个方面的技术都在提升和发展。目前性价比最高的应该是国网公司大面积应用的低压全载波抄表系统。下面我们将对低压全载波自动抄表系统进行技术分析和论证。3.3 低压载波抄表系统分析3.3.1 载波抄表的概念电力载波通讯PLC(英文:Power line communication)是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。3.3.2 载波的技术特点低压电力线载波技术的应用受到载波频率、发射幅值、谐波污染等指标的限制，使系统当中节点之间的通信距离大大缩短。为使电力线载波自动抄表系统更加稳定更具时效性，载波人长期以来都在从载波的点对点通讯能力及载波系统的组网入手，改善和提升。下面从载波的通讯原理和组网方式介绍其系统特性。3.3.2.1 电力线载波通讯原理1、 载波技术相关名词介绍谐波干扰：2、 主流载波调试方式介绍3、 主流载波厂家的中心频点介绍4、 影响载波通讯距离的因素5、 业内技术突破3.3.2.2 电力线载波组网方式介绍电力线载波通信技术的优势是众所周知的，它是一个现成的、覆盖范围最广的通信信道，在花费最少的情况下就可以组成智能通信网络。但电力线上的高衰减、高噪声、时变性大的特点又是低压电力线载波通信技术的巨大技术障碍。另外，低压电力线载波技术的应用又受到载波频率、发射幅值、谐波污染等指标的限制，使系统当中节点之间的通信距离大大缩短，因此，在低压电力线载波通讯技术当中引入了中继的概念。中继的使用增强了节点抗衰减能力，提高了系统的通讯效率，但同时也使中继的选择成为一个新的技术难点，也就是组网技术的技术难点。有些专家也提出了这样的一个观点：要解决目前的通讯状态，必须在物理层下工夫。但解决物理层性能是一个技术含量较大的难题，而且物理层性能的提高也是有限度的。实际上，以往三代产品的研发都是围绕着中继这一概念展开的。第一代产品：人工观察网络拓扑关系，并进行人工中继设置，通讯效果差；第二代产品：引入学习机制，使集中器具有历史抄收路径的记忆与优化功能，通讯不稳定；第三代产品：采用网络自适应技术，动态选择中继路由，用动态的路由去适应动态的电网，可在任何天气、复杂台区实现24小时保证通讯的实时性。不难看出，前两代产品的中继选择在本质上是固定的，第三代产品是根据通讯时的网络状态动态组网，中继是实时变化的，集中器的通讯机制有了概念性的转变，在通讯效果上也有了质的飞跃。第一代产品已经基本上退出了市场，目前市场上应用当中的产品都是属于第二代产品，国内比较有代表性的第二代产品有两三家，使用效果大致相同。第三代产品只有深圳瑞斯康微电子有限公司有了市场上运行的成熟产品，研发当中的有10家左右。大部专家把目前电力线通讯不稳定的因素归咎于中国电网质量差，高噪声，高衰减，时变大等等。其实，这些特点只是中国电网的一种状态，并不是通讯不好的客观原因。还有人认为，目前的载波芯片从物理层满足不了严酷的电网。一款性能优越的通信芯片至关重要，它是一切通信的基础。但物理层的点对点的通信能力是有限的，而低压电力网又是动态的极其复杂的，仅靠改善物理层通信性能不足以解决通讯的实时性问题。在几年前，市场上就存在了大量的载波通信芯片，有扩频的，也有窄带网络协议的，这些芯片就目前的技术来讲已经达到了相当的水平。其实目前存在的通讯效果不理想，完全是实现思路上的问题，并不在于电网的状态和物理层性能上，具体讲就是集中器的通讯机制没有做好。目前市场上运行不理想的电力线载波通讯系统，在通讯机制上主要有两种，一种是基于扩频技术历史路径优化的第二代产品，称之为集中器“学习”机制。另外一种虽然采用了带网络协议的载波芯片，但在通讯机制上还是延续了固定路由中继的思路，严格来讲这种产品只是具备了第三代产品的物理层基础，还不能算做真正的第三代产品，这种产品称之为“自组网”机制。1. 集中器的自学习机制1）自学习机制是通过模糊算法以及最后的穷举遍历，记忆多条中继路径并根据成功概率对其优化。这种方案看似很合理，但是低压电网的负载、干扰、衰减的剧烈动态变化具有很强的随机性，即使是优化过的历史中继路径也不能适应这种变化。2 ）这种模糊算法以及最后的穷举遍历的计算过程会占用大量的时间资源，随着中继级数的加长，单片机的计算量呈几何级数增加，这就限制了这种学习机制只能支持最多3级中继。这在复杂台区是远远不够的（比较好的台区一般在3-4级中继，复杂的台区要达到6-7级中继），这时就会用增加集中器的方法来解决现场问题。2. 基于网络协议的载波芯片的“自组网”机制1） 网络芯片基于网络协议的“自组网”机制，是以网络协议的冲突检测（CSMA）为基础，以检测载波信号的信噪比Q值和成功次数为依据，进行子网的组建。在丢失节点高于设定值时对子网进行拆分与优化。这种机制感觉上是一种非常合理的算法。通讯的效果比没有网络协议系统的效果有了很大的提高。但是，电网时变性同样会造成Q值检测的随机性，这种组网同样是不稳定的。现场运行的系统通讯的不稳定证明这一事实。2） 新增的故障节点的替换，会使网络重新组网，相邻台区的串绕同样是增加组网时间和组网不合理的一个致命因素。2.3 在子网当中固定了路由转发节点。我们知道，基于网络协议的芯片采用窄带通信技术，只有这样才能提高通信速率，实现网络协议。窄带的缺点就是抗干扰能力较弱，如果固定路由转发节点势必会增加数据包被破坏的几率，当路由级数增多时，这种几率会被放大，通信的可靠性会降低，这是通讯不稳定的主要原因。3. 静态组网特点静态组网是基于穷举遍历、模糊算法等技术进行组网学习并多条路径优化组合，是依赖于网络拓扑结构的主从式组网方式。有以下几个特点： 基于网络拓扑结构，依赖于历史数据 主从工作方式 通讯模块是非智能节点，由集中器来控制工作方式 系统通讯实时性差，通讯时间不稳定，通讯时间长静态组网只是利用了物理层芯片的性能，在组网机制上没能进一步提高系统效果，甚至降低了抄表的稳定性。4. 第三代产品的自适应动态组网技术前面讨论过目前市场上运行的系统，无论是自学习的还是“自组网”的都存在致命的弱点，也是通讯不稳定的主要因素。第三代系统完全摒弃了学习和组网模式，根据实时的电网状态动态选择最佳的通信路径，称之为智能中继动态组网。不需要借助历史数据，不固定子网范围，而是根据通讯时的电网状态“随机应变”，下行数据包路径不一定是上行数据包的路径。大量的试验中发现，下行路径可能是2级，但上行路径可能是4级，如果人为的固定了子网的路由节点，势必给通讯造成了巨大障碍，通讯不可能稳定。4.1 动态组网基于CSMA（载波侦听多路访问）技术，采用洪泛算法，不依赖于网络拓扑结构的一种分布式组网方式。在源节点发出指令的瞬间才开始真正的组网，不依赖于历史数据，在载波侦听多路访问技术基础上，有效冲突避让，实现有序的路由中继，全网设备协调互动，以最快的速度找到目标节点。4.2 洪泛算法洪泛算法不要求维护网络的拓扑结构和相关的路由计算，仅要求接收到信息的节点以广播方式无差错转发数据包。源节点希望发送数据给目标节点，源节点首先通过网络将数据副本传送给它的每个相邻节点，每个邻居节点再将数据传送给各自的除发送数据来的节点之外的其他邻居节点，如此继续下去，直到数据传送到目标节点或者数据设定的生存期限。3.3.3 主流载波厂家的技术对比介绍项 目青岛东软电脑技术公司（SSC16）北京福星晓程科技公司（PL2101B）基于Lonworks协议芯片节点通信性能调制方式BFSKBPSKBPSK窄带双载波频率载波频率270kHz120kHzC