当前中低压用电管理自动抄表、控制技术发展的误区

1、当前中低压用电管理自动抄表、控制技术发展的误区杨振敏 1 夏忠民2（1.山东大学，济南 250100 2.烟台供电公司，烟台 264001）摘要：本文针对当前在电力系统自动抄表自动控制领域，各地盲目采纳GPRS等技术所带来的潜在危机进行了全面的分析，指出电力载波中低压用电综合管理自动化技术是唯一可行的选择，希望本文观点的提出能有助于引起大家高度的重视，避免重大经济损失。关键词：用电综合管理自动化技术 GPRS 载波陷阱、黑洞 各种通信方式比较前言我国的电力事业正在快速发展，电力系统的现代化建设取得了巨大成就，高压电网自动化、智能化技术的普及明显提高了供电的质量并带来了良好的社会效益和经济效益。

2、实践证明，没有现代化的管理技术平台做支持就难以实施强有力的管理手段，没有有效的手段就不可能进一步提高管理水平，没有现代化的管理水平就不可能持续不断的提高电力系统的社会效益和经济效益。配网是最终用户所在的电网，是电力营销的前沿市场，它的主体是中低压电网。中低压电网数量众多、用户繁杂、分布面广，用电管理是主要环节，其管理水平与效益密切相关。因此，实现用电管理的现代化、自动化，提高用电管理水平是电力系统的当务之急。但是由于配电系统结构的复杂性和强干扰等原因的影响，长期以来作为电力系统主要组成部分配网的自动化建设却始终没有质的突破。近年来，面对着这样一个巨大市场和强烈需求的诱惑，各种与用电管理相关的产

3、品纷纷登场。在商业宣传的鼓惑下各种单功能、多功能、成熟、不成熟的技术产品纷纷涌向市场，许多情况下不但对用电管理水平的提高没有明显的促进反而造成了很大的经济损失。目前，一方面因电力系统的需求使用电管理自动化市场很活跃，另一方面因相关设备的功能、技术达不到要求而问题难以解决，与此同时人们的观点、看法、认识也各不相同，实施的方案、方法五花八门，市场处于无序状态。中低压用电管理自动化路在何方？中低压用电管理自动化的关键技术是什么？中低压用电管理自动化设备市场有序之纲是什么？怎样才能促使中低压用电管理自动化技术建康发展？这些问题已到了非解决不可的时候了，应该引起相关部门高度重视和认真研究。一 综合自动化

4、是唯一的出路用电管理是一个综合性的大课题，它包括电量管理、电费管理、负荷管理、线损管理、设备管理和服务等多项内容。对于这样一个含盖多学科、多领域、多种技术的特大系统要实现自动化、现代化单靠单功能设备是不可能实现的。例如：分时计价电度表只能减小负荷的峰谷差解决不了负荷的调度管理问题；预付费电度表只简化了电费收缴解决不了抄表和负荷管理问题；还有远程抄表、多功能电度表等都是这类产品设备。更值得指出的是这些设备都是孤立的，在运行过程中很难进行实时监护、监控其运行、故障、损坏等状况很难掌握，安全性极差，经常因此造成很大的经济损失和社会纠纷；例如预付费表经常会被破坏和被窃电已被实践证明；分时计价表（峰谷表

5、）的时段受限，调整不便还需定期对时等问题都限制了管理水平的提高。单一功能的设备并不能满足用电管理的需求，为此近几年多功能电子表迅速普及，但是多功能表仍是孤立的单表由于缺乏实时监控，尽管功能多、数据全但缺乏实时性照例发挥不了多大作用，事实证明，它并没有对用电管理水平的提高有明显的促进作用。更值得指出的是，多功能表的造价较高这直接限制了它的推广应用，尤其不宜居民用户采用。多年的经验和教训告诉我们，全面提高用电管理水平的唯一办法是实现中低压用电管理综合自动化。随着科技进步，特别是计算机技术的发展和普及，中低压电网的用电管理实现综合自动化的基本条件已经具备。例如：给多功能电子表配上远距离通信功能就是一

6、个完整远动系统的RTU，它就可成为SCADA系统的一单元。因此，在中低压电网上建设SCADA系统已不再是一件可望而不可及的事情，具备了SCADA功能实现用电管理综合自动化也就不难了。以上分析表明，单项自动化解决不了用电管理问题，用电管理的唯一出路是综合自动化，综合自动化的基础是在中低压电网上实现SCADA系统功能，在目前的技术经济条件下实现SCADA功能的关键是通信。二 那种通信方式最适宜科学技术高度发达的今天，通信技术已达到了相当高的水平，各种有线的、无线的、固定的、移动的都有广泛的应用，照理选配通信设备并不难，但是中低压电网的特殊性使通信设备的选配成为一个难题。1 中低压电网是最终用户电网

7、，它规模虽小但结构复杂、用户繁多、分布无序、距离不远但也不很近，因此简单的近程通信设备不适用，远程通信设备也不适宜。2 中低压电网上的用户具有一定的随机性，它们经常变换地点和增减数量，因此固定通信方式不适宜。3 中低压电网容量小、产值低、用户多、投资承受能力弱，价格高的设备不适宜。4 SCADA系统是一套工业远程监控系统，系统的通信必须是实时的、可靠的、安全的，因此必须配备自己专用的通信系统而不允许采用公用通信网。鉴于以上原因，目前市场上流行的通信设备基本都不适宜。从九十年代中期开始世界上兴起了远程抄表系统的研究热，面对中低压电网的特点和应用形式，人们自然选择了电力线载波通信方式，遗憾的是至今

8、尚未取得成功。为了应合市场的需求，许多地方改用了485接口布线或MBUS布线方式。实践证明这也不是成功的选择，它不但安装布线受限、施工麻烦而且可靠性不高极易受到雷击、浪涌、火花等干扰与破坏。近几年，为了适应大用户抄表和数据上传的迫切需求又兴起了GPRS通信方式，这更是一个令人担忧的问题，其原因如下：1 违背了基本原则一般情况下远程监控系统是不允许把公用通信网做为自己的通信平台的，否则将带来以下问题。(1) 实时性，GPRS缺乏快速实时反应能力，一个没有实时传送数据能力的远程监控系统是没有实用价值的。(2) 安全性，公用网里设备中的数据最容易受到攻击和破坏的，极不安全。(3) 可靠性，公用网不是

9、自己的专用通信网，自己没有主动权，当网络有故障或维护维修时系统会瘫患。2 高昂的运行费用GPRS除了每月需缴纳月租费外还需缴纳信息流量费，目前的标准是1.53分钱1K字节。对于一个县级电业局一般都拥有35千台变压器，每年租金需3050万元。实时远程监控系统的信息流一般情况下是不间歇的，按照960字节秒最低速率算则每秒钟需缴纳3分钱，对于几千户规模的县局每年需付成百上千万元的信息费。如果要减少或省掉信息费，那只有减少使用率，例如：每月只抄一次或几次表其它时间都闲置。投入上千万，每年缴纳几十万的租金，仅仅实现大用户的自动抄表，效益上仅省掉了20个抄表工，这系统还有什么价值呢？3 覆盖与死角问题GP

10、RS是移动数字网，同移动电话一样覆盖不全，许多地方特别是边远地区、落后地区、山区等无法使用。由于移动采用的频段属亚微波段，电波的绕射能力不强，因此即便在城区也经常会碰到死角。4 没有自主控制权GPRS是移动公司的通信网，电力公司没有自主权，完全处于任人摆布的被动地位，这样的系统只能为权宜之计。总之，利用GPRS做为10KV电网远程监控系统或大用户远程抄表系统是一个错误的选择，盲目的上GPRS必将造成重复投资在经济上造成极大的浪费。以上分析可见，在中低压电网上现成的通信系统均不适宜使用，那么中低压电网到底应采用那种通信方式？选定了通信方式后应改造通信设备还是改造电网？既然现有的通信方式都不宜直接

11、应用，都需要改造，那么，当然应选择一种最适合中低压电网结构和运行特点的方式，根据我们多年结合国内外配网自动化技术发展的经验和教训，论证分析不同通信方式的优劣性能（可行性、成本、安全性），最终确定研究的出路还应是电力线载波通信方式。三 关于电力线载波低压电力线载波从八十年代中期就有人开始研究，九十年代中期因远程抄表的迫切需求而风靡世界，本世纪初开始衰败至今已基本被抛弃。中压电力线载波虽有人试过但未能成功，仍是空白。只所以造成这种局面是人们对这两级电网的特点并没有做深入的研究，凭借简单的实验室结果盲目的走向市场，造成巨大的经济损失和极坏的社会影响。多年来在低压电力线载波通信的研究中人们把主要精力放

12、在了抗干扰能力上。为了提高抗干扰能力人们先后采用过扩频、中继专发、超窄带、工频过零失真等方法均未达到理想的效果，其原因如下：1 超窄带、工频过零失真传送虽然可靠性较高但因速率太低（每秒几波特至几十波特）不能满足远程监控的需求，更何况工频过零法需要发送的功率很大，设备造价太高。2 多年来人们对扩频电力线载波给于很大的希望，但由于对扩频技术特别是对电力线的载波特性没有做深入的研究，凭想当然而盲目上马，碰壁失败在所难免。扩频通信技术一般有四个应用领域：(1) 提高抗干扰能力。(2) 测距、测速。(3) 保密通信。(4) 多址通信。 显然电力线载波扩频传输的目的是为了提高抗干扰能力，企图利用较高的抗干

13、扰能力来达到电力线载波的可靠传输。但是，在电力线载波上加扩频技术是不会取得预期效果的，因为根据香农定理： （其中是通信效率、B是带宽、P是信号、N是噪声）展宽信号带宽和提高信号噪声比都是提高通信效率的有效方法，因此，在电力线载波上加扩频存在一定的局限性。(1) 电力线载波的频段为40KHZ500KHZ，远程监控要求的数据传送速率一般不低于600波特，因此，扩频倍数受到一定的限制。目前的扩频芯片最高只能做到63倍。(2) 电力线上存在很强的高斯噪声，象大功率的变频电机产生的高频谐波峰峰值可达100200伏，在这样强的高斯噪声环境下系统接收的噪声强度与接收带宽成正比。显然在电力线载波上扩频的同时噪

14、声电平也同比增长即信噪比也同比降低，因此电力线载波实行扩频传输与窄带电力线载波相比效果改善并不明显。 (3) 中低压电网是最终用户电网，网上用户众多、结构复杂、负荷性质各异、随机性很强，对电力线载波来说是一个极不稳定的系统，造成这一状态的主要原因是载波阻抗匹配问题。欲想使载波稳定、可靠传输必需保障系统的稳定和阻抗的匹配。对高频载波而言中低压电网上经常会出现低阻抗点，例如：10KV电网会遇到架空明线接地缆、架空明线T接、交叉、拐弯等都会造成低阻抗点使载波传输因阻抗失配而大幅衰落；在低压电网上挂有大量的象彩电、计算机等用开关式直流稳压电源的用电器，它们对高频载波呈现几欧至几十欧的阻抗，同样因阻抗失

15、配而导致载波传输大幅衰落，特别是遇到微机室、网巴等这类用电器相对集中的场所它们近似接到一个节点上，其载波阻抗呈并连状态，可能低到近似短路。扩频没有解决阻抗匹配问题，扩频传输过程中信号P并没有因扩频而增大，带宽B扩了K倍的同时噪声N也增长了K倍即信噪比降了K倍，整体看没有多大效果。对高频载波而言，电网上存在许多低阻抗点，有的低到近似短路，每个低阻抗点是一个载波陷井，它们严重的破坏了载波的正常传输，特别是遇到近似短路的低阻抗点时载波信号会被完全陷掉，形成一个载波“黑洞”。更严重的是这些载波陷井出现的时间、地点、分布状况完全是随机的无任何规律可循，所以利用扩频加中继转发的方法同样不能实现长期稳定、可

16、靠的通信。总之，对载波来说，中低压电网是一个随机性很强的不稳定系统。因此，在中低压电力线载波通信的研究中除了载波设备本身还必须研究低压电网载波特性的整治方法。四 解决方法影响中低压电力线载波传输的主要因素是阻抗失配和杂波干扰，这两大问题均来自电网本身，解决方法的选择必须同电网实质情况相称。低阻抗载波陷井是由电网线路结构和并联在用电器输入端的电容所致，其中线路结构以地缆、线路交叉的影响最为严重，但它们不会形成近似短路型的载波“黑洞”。“黑洞”效应主要是由分散补偿电容和使用开关直流稳压电源的用电器造成的。根据这一实际情况解决载波陷井有以下几种方法可选择：1 降低载波频率法将载波频律降到音频波段则载

17、波波长大大超过线路的长度，线路失去了长线特性，线路结构的影响也就很微弱了，同时频率降低值小电容的阻抗大了载波陷井浅了，影响也就小了。但是，降低频率带来以下问题：(1) 信号耦合困难，信号耦合是电力线载波关键之一，它要求既要把信号的功率全部送到电力线上又要保证50HZ电力波窜不到载波设备里来。音频频段同50HZ隔离比较难，所以电力线载波频段一般定在40KHZ以上。(2) 频带太窄，为了隔离50HZ电力波必须采用窄带耦合，在音频段用窄带传送数据波特率一般在几十至几百波特，不能满足远程监控的要求。(3) 没有完全消除低阻抗点，10KV线路上经常挂有分散补偿电容，它们的值一般都在几千至十几千乏；另如网

18、巴一类计算机大量集中的地方线间电容可达几微法，这么大的电容对音频段的阻抗也是很小的，同样形成载波陷井。 2 阻波法电力线载波最常用、最有效的方法是阻波法，即在低阻抗点与线路间加装阻波器，利用阻波器的固有阻抗消除低阻抗点。但是在中低压电网上许多情况下装阻波器特别是装传统的阻波器是很难的，例如在10KV线路交叉处就特别困难。 3 转发中继法在通信过程中由于阻抗失配和线路损耗使信号衰减，当信号小到影响正常传递时利用转发法进行接力中继传送也是常用的有效方法，但它必须建立在稳定系统上。中低压电网对电力线载波来说是一个随机不稳定系统，因此，单靠中继措施达不到目的。众所周知，中低压电网上存在很强的杂波，解决

19、杂波干扰有两种方法，一是提高通信设备的抗干扰能力，二是消除杂波。提高抗干扰能力的最有效方法是扩频和滤波，但是由于电力线载波频段扩频系数受限，杂波干扰太强，扩频的效果不明显；同样滤波法必需采用窄带超窄带滤波，因传输速率太低而达不到需求。因此，在研究中低压电力线载波传输时必需考虑杂波消除问题。消除杂波的方法同谐波治理一样需对杂波源进行滤波，但低压电网的杂波源出现的时间、位置、强度都是随机的很难针对解决，因此必须对低压电网的载波特性进行全面治理。 根据以上分析对比我们认为在低压电网上采用阻波加滤波法较为适宜，以此设计的“阻抗适配滤波器”已获国家专利。它象是在电网和用户之间建了一道隔离墙，具有以下两个

20、功能：1 用户对电网呈现的载波阻抗近似等于阻波器的阻抗，与用户的用电状态和用电器性质无关，因此加装“阻抗适配滤波器”后低压电网的载波阻抗成为稳定不变的，再不受用户载波阻抗的影响，载波陷井特别是载波“黑洞”被彻底消除，信号传输的幅度基本得到保证。2 滤波器是低通滤波其截止频率一般为几千赫兹，因此用户产生的高频谐波大部分被滤除，同样电网上高频谐波（包括载波）大部分也被滤除，这样电网上保证相对干净最起么同频干扰大大削弱了。中压线路上除了杆上的分散补偿电容能形成载波“黑洞”外其它情况只能造成阻抗失配不能形成载波“黑洞”，所以在中压系统中如有杆上补偿电容则需在电容上加载波阻波器，其它可通过转发中继措施解

21、决。采用上述方法我们设计制造了“中低压用电管理综合自动化系统”，首次把低压电力线载波、中压电力线载波、宽带网结合为一体，构成一套以电力线载波为主体的实时、可靠的远程监控系统，实现了中低压用电管理自动化。几年来经多个试验点，近三万户的试验证明系统是成功的。五 当前令人焦虑的现状中低压用电管理自动化历来都是电力系统最关心的课题之一，随着科技进步和现代化的进程其迫切性更加强烈，相应之下用电管理自动化设备市场更加活跃。遗憾的是，时至今日世界上还没有一套能真正实现综合自动化管理的系统设备，于是许多人产生了浮燥情绪，其表现如下：1 在没有认真研究低压电网载波特性的情况下，凭想当然研制了电力线载波远程抄表系

22、统并随意投放市场结果失败，但不接受教训，又在没有认真研究扩频通信真正含意的情况下凭想当然研制了扩频电力线载波又随意投放市场结果仍是失败。更有甚者仍不接受教训，又凭想当然搞了扩频自动中继转发系统其结果还是失败。每一次宣传的都是完美的高科技产品，但都经不起实践的考验，它不但造成了很大的经济损失而且造成了极坏的社会影响，使得低压电力线载波技术一蹶不振，在付出高昂的代价后逐步退出市场。 2 在低压电力线载波发展之路不知去向的今天，嘈杂之声鹊起，或云搞出了低压电网的阻抗拓扑模型，或云搞出了低压电网的噪声模型，都声称经过了实践检验，但至今未见大范围推广应用。其实通过前面分析可见低压电网的阻抗变化、杂波干扰

23、都是随机的，象载波陷井、载波“黑洞”的随机产生使系统很难建模分析，这些说法的可信度值的怀疑。 3 当电力线载波技术在低压远程抄表系统应用中受到挫折后人们把注意力又投向了485接口布线和MBUS布线方式，但几年的实践证明它们同样存在许多问题不适宜在低压电网远程抄表系统中应用。 4 鉴于以上情况许多电力公司对低压系统失去了信心，放弃或半放弃低压远程抄表的研究和试用，而把自动化的发展重点移向了中压电网。中压电网同低压电网一样同样没有与之配套的合适设备可选择。在迫切需求的驱动下，在商业宣传的鼓惑下许多公司选择了GPRS通信方式做中压电网远程监控的通信支撑。由前面分析可见，GPRS存在许多隐患和后遗症，很可能又是一个