浅析智能电能表及采集终端的远程控制技术

浅析智能电能表及采集终端的远程控制技术密级：（请注明密级及保密期限）摘要近年来，在不断深入落实改革开放政策的同时，很大程度上促进了我国社会经济的发展，逐渐提高的生活用电、商业用电以及工业用电需求，使对电力企业的电能质量和服务质量要求更加严苛。针对这一问题，相关人员不断研究，逐渐产生了智能电能表及采集终端。智能电能表在传统电表的基础上进行优化设计，其主要功能是自动抄录，并通过采集终端和GPRS技术,对智能电能表进行信息采集和远程控制，从而有效的控制电量，同时促进运行能耗大幅度降低。但是，要想完全实现智能电能表的自主抄录和远程控制就必须确保采集终端的上线率达标，所以如何提高智能电能表远程终端控制的上线率已成为自动化、智能化电能管理需要突破的新课题。在此次研究中，本文通过大量的数据收集和反复论证提出改造方案并成功实践，开展对智能电能表及采集终端的远程控制技术深入分析。 关键词：智能电能表采集终端数据采集远程控制上线率目录TOC\o"1-3"\h\u86061前言 前言1.1本文研究背景在经济飞速发展的今天,开展对电力输送和使用的监控以及对产生电能的网络进行研究分析是很有必要的。首先，智能电能表就是此项研究的一部分，其智能性主要体现在远程预测、远程控制。而且拥有通讯功能的智能电表不但能够对用户电量的使用情况进行统计，还可以将统计的结果进行上传，其功能、效率以及自动化性能都非常高。其次，智能电网的整个系统构成，都离不开远程管理。因此采集终端在智能电网中不管是地位还是作用都非常重要。采集终端不但可以将表计连接在一起构成一个台区，还可以对台区内所有用户的使用数据收集，并且在终端运行中通过MIS系统对收集数据进行分析，从而根据终端的反馈进行问题的及时处理。1.2国内外研究现状目前，智能电能表有着完整的数据统计和上传机制，可以即时将统计的数据上传至数据网络，通过与终端的连接传输，电力公司的数据网可以对这些数据进行运算，这种模式的建立给电网的发展带来的促进作用十分明显。此外，更多软件功能的开发和完善使得其可以直接对用户的用电数据进行统计，用户可以根据此数据进行计划用电，合理规避电力浪费的现象。甚至可以根据需求进行软件功能的定制，这一功能点也方便了电力公司对用户供电情况的及时反应。1.3研究目的和意义以智能电能表为核心铺设的智能电网具有双向计费的功能，这表示着智能电网能将电力生产设备与用户连接起来，达成“即发即用”目标。本文将通过分析智能电能表及采集终端的远程控制技术，达到确保其予以合理利用的目的。从而强化对智能电能表的远程控制，提高终端上线率，提高智能电能表的远程在线率，有效的改善用户的用电环境和用电效率，做到智能用电，科学用电的意义。2智能电能表的功能和特点2.1智能电能表的功能2.1.1分时计量功能智能电能表是一种功能相对丰富的电表，其主要功能包括以下几点：一对正向有功电能进行计量，二是对反向有功电能进行计量，三是计量四象限的无功电能。这些功能不仅可以对各个时段所产生的电能使用进行统计，还可以存储不同类型的电量，比如：谷电量、尖电量、峰电量、平电量和总电量。而且智能电能表不但可以存储年度的用电总量，还明确规定了数据存储的时间。它的一大亮点是具有双向的计量功能。这种功能既连接了分布式发电又可以收集到不同的客户需求，因此该功能做到了科学的进行电能利用和分配[1]。2.1.2费用控制功能智能电能表对于计费的控制有两种办法。第一种是本地控制方式，另外一种是通过远程进行控制。本地控制的实现是依靠CPU卡，CPU卡插入电表内，可以进行电费充值，并对用户使用的电量进行统计，出现余额不足现象时电表会发出声音或光亮进行提醒。而远程控制进行计费的模式，主要技术在于载波，这种模式下的电表不进行用户用电的统计，只作为远程系统信号的接收器，对系统的指令进行验证和操作，以保证信息的安全[2]。当前包头地区所采用的载波模块为东软和鼎信两种模块，并根据不同的载波模块搭配不同载波的终端使用。2.1.3测量和监测功能智能电能表的监测功能除了可以实现对电压、电流的测量，还能够对失压、停流和停电等状况进行监测，尽可能的保证电能使用的便捷性和安全性[3]。2.1.4永久记录时间智能电能表的内部置放有一块专门用于存储的芯片，它存在的主要功能在于对电量、电流以及其他相关的指标展开监测[3]。当检测进行清零工作时，芯片会永久的将数据保存，也会保存运行中出现的电力故障、编程频次和时间点等信息。2.1.5费率和时段在智能电能表中拥有两套可以相互进行转换的费率时段表。还具备日历功能和时钟功能，完全满足一天之内进行八个时段分别编程，其中最小的间隔可以做到15分钟。2.1.6报警功能智能电能表的数据统计功能会准确把握电量是否充足，余额不足会发出报警来提醒用户进行购买。电表如果出现故障，液晶屏会提示出错误的编码。2.1.7冻结功能智能电能表的冻结功能涵盖以下几个方面：定时冻结、瞬时冻结、日冻结以及按约定实施冻结[3]。定时冻结即用户设定好需要冻结的时间，到节点电表实施冻结；瞬时冻结的意思是出现异常状况时将节点时间和电量进行冻结；日冻结指的是每天24：00时进行当天电量情况的冻结；约定冻结则比较特殊，是为了满足电力公司的工作需要，当电力公司有特殊要求的时候，即可以使用约定冻结。2.1.8非法用电检测功能除以上功能，智能电能表还具有窃电检测功能。该功能主要通过监测表箱开启状况、是否有线路改动以及有无其他软件接入，来进行窃电的判定。还能够将自身统计的数据与电力公司的数据进行对比，来杜绝窃电的发生。2.2智能电能表的特点2.2.1功能丰富多样智能电能表所拥有的功能非常丰富，其中包括对电量的精准计量、用电情况的即时监控以及自控等等，这些功能保证了电表的控制效果和结果可靠性。智能电能表的优点包括：智能、低功耗、工频广、高精度以及过载能力强。其智能性主要体现在远程预测、远程控制以及功能的人性化，完全可以做到进行远程供电的连接和断开，能够对统计数据进行分析，以防止偷电情况的发生，不仅如此还可以自动催缴费用和完成预交扣费[4]。这些功能都是传统电表无法实现的。2.2.2较高的准确度普通电表因属于机械设备，因此时间久会产生一定的磨损，智能电能表刚好避开这一缺陷，因为其核心技术在于电子元器件的应用，这种技术保证了在电表应用过程中的准确性，其精准度的等级范围在0.2-2之间。2.2.3起动电流小智能电能表的灵敏度较高，计量工作的启动可以在0.1%Ib环境下完成。范围在220/380V、（1-80）A的智能电能表一般被广泛应用在人们的日常生活过程中，启动智能电能表，只需要1.1W就可以。在电流方面智能电能表没有提出较高的要求，就算是待机状态下的空调和电视，智能电能表也可以确保计量正常进行。这就要求人们养成良好的习惯，不要将电器设备长期处于插电状态，否则，你的电费将会慢慢的流失。2.2.4信息交互功能较好RS232和RS485是智能电能表的两个接口，同步应用用电信息采集系统和智能电能表，不仅可以很好的汇总用电信息，也可以在其他设备的指导下，完成送电和停电工序。并以通信接口为媒介，智能电能表可以分担通信网关和数据。将光电通信应用到本地通信系统中，将GPRS应用到上行通信当中，确保信息交互效果达到良好状态。这就需要供电企业对管理系统的具体要求做出充分考虑，实时监控用户的日常用电情况，更加明确的认识供电设备的运行情况，从而促进电力人员日常工作量的大幅度降低[4]。2.2.5较强的过载能力传统的感应电表在工作的时候需要用到助线圈，具有4倍的过载，但是智能电能表的过载量比传统感应电表高2-6倍。2.2.6便于安装应用在安装应用方面，传统感应式电能表提出了较高的要求，不恰当的进行悬挂就会影响计量工作效果和准确度。而静止计量是智能电能表的运行原则，其具有多样化的功能，安装便捷，使用方便，为大批量装表工程提供保障。2.2.7便于缴费传统模式的缴费实行一卡通方式，对于用电的具体情况，人们了解的不够详细。而智能电能表的监控是实时性的，在没有充足电费余额的情况下，电力企业和智能电表会发出提醒信息。若是因为个人原因导致缴费不及时，智能电能表则可以以用电部门和用户的协议为依据，自动的将电源切断。待成功缴费之后，就会重新通电，以此可以将滞纳金问题有效规避[5]。在网络的高速发展的今天，缴费方式灵活多样，用户可以利用网络通过微信等生活缴费功能进行24小时缴费，并可以达到实时到账，快速恢复用电，减少因欠缴电费而带来的不便，这不仅使人们日常缴费便利程度得到提升，同时也可以杜绝不必要的电费支出产生。3远程数据采集系统的建立3.1采集终端概述及技术指标终端集配变监测、计量、485抄表功能于一体，在参照国内外的先进技术标准的基础上，根据Q/GDW374.2-2009《电力用户用电信息采集系统技术规范：集中抄表终端技术规范》、Q/GDW375.2-2009《电力用户用电信息采集系统型式规范：集中器型式规范》、Q/GDW376.1-2009《电力用户用电信息采集系统通信协议：主站与采集终端通信协议》、Q/GDW376.2-2009《电力用户用电信息采集系统通信协议：集中器本地通信模块接口协议》的要求，并依据内蒙地区特点，依照内蒙电网《Q/NMDW-YX-002-2012电能量信息采集与监控终端技术规范》及《Q/NMDW-YX-001-2012电能量信息采集与监控平台系统数据传输规约》的要求，结合电力用户的实际需求而开发设计的新一代集中抄表终端。根据功能和用途可分为专变终端、公变终端、大客户终端及变电站终端，在日常载波集抄工作中，使用最为广泛的终端类型即专变终端和公变终端。3.2智能电能表的数据传输IAIBICIAIBICUAUBUC电流采样电压采样高精度计量芯片高性能微控制器电源电源管理LCD显示器红外接口存储器按键输入脉冲输出485接口开盖信号预付费外置通信模块接口掌上电脑红外遥控器后备电源电池停电抄表电池载波模块和微功率无线模块即插即用，在GPRS无线模块正确嵌入电能表中后，电能表正常上电，即可设置GPRS无线模块的相关通信参数：1）设置或查询主站通信通讯地址，2）设置或查询短信中心号码，3）设置或查询APN，4）设置或查询终端地址，5）设置或查询市区县码，6）查询基表时间，7）设置或查询心跳周期。GPRS无线模块、SIM卡及天线安装并进行参数配置后即可通过外置通信模块完成通讯。图3-1智能电能表的数据传输3.3远程终端的数据采集终端抄表功能体现为两种方式：1）终端定时抄读电能表的正反向有功电量、四象限无功电量、电压、电流、有功及无功功率等；2）主站通过中继命令即时召测电能表数据[7]。专变终端通过RS485通讯接口可以采集八块智能电能表数据，按设定的终端抄表日期或定时采集时间间隔采集电能表数据，包括有/无功电能示值、有/无功最大需量及发生时间、功率、电压、电流、电能表参数、电能表状态等信息[8]。可选配内置交流采样，可采集三相电压、电流、有功功率、无功功率等数据，同时计算相应的电量。USB/485/红外/232本地维护显示接口（160USB/485/红外/232本地维护显示接口（160×160）ARM9SDRAMFLASH电源及保护载波通讯交流采样接口外部信号采集CT短开路检测停电检测及唤醒AD检测等功能电池充放电管理GPRS/CDMA/PSTN/无线电台UART1/网口/短距离无线功能指示灯实时时钟PX8025T电池/温度补偿图3-2远程终端数据采集4基于GPRS的远程数据采集及监控系统的特点4.1较强的实时性GPRS的主要特点就是实时在线，且没有延时情况存在于系统内，不需要轮巡，就可以对多个数据采集点的数据进行接收处理，以此可以使系统对数据传输采集实时性需求得到满足。4.2较低的建设成本由于采用GPRS的无线公网平台,只需安装好设备就可以，建设成本较低。4.3较广的覆盖范围GPRS具有较广的覆盖范围，只要是在无线GSM/GPRS网络的覆盖范围内，均可以控制和管理集抄。同时还可以无限制进行扩容，不限制接入地点，以此可以使跨地区、乡镇以及山区的接入需求得到满足。4.4较大的系统传输容量实时连接需要保持在每一个现场仪表数据采集点和数据中心之间。因为有很多的现场仪表数据采集点，所以突发性数据传输需求可以由系统予以满足，同时传输突发性数据需求也可以由GPRS技术予以满足[9]。4.5较高的数据传送速率任意一个现场仪表数据采集点，其每次传输的数据量均不超过10kbps。从理论层面来讲，GPRS网络每秒可以传送71.2kbit，现阶段GPRS实际数据传输速率大约为40kbps，由此可见，本系统数据传输速率需求可以得到满足。5智能电能表采集终端的远程控制5.1GPRS移动数据传输网络在远程控制职能下使用电表采集终端的时候采用GPRS网络，可以解码职能电表采集到的数据，并转换其数据格式，使其可以满足公共网络数据传输要求，然后以公共网络数据传输为载体，向供电公司传送信息。远程控制职能的电表采集终端，GPRS的应用效果非常理想，同时GPRS系统具有设备安装方便和成本低等特点，可以将无线IP提供给用户用于连接，使人们的日常用电质量得到提升[10]。5.2电能表数据采集点GPRS透明数据传输终端连接现场仪表的方式为现场485总线模式或者RS232接口。数据处理和协议封装工序需要由GPRS透明数据传输终端内置嵌入式处理器完成，并向GSM网络发送已经处理和协议封装后的数据，由GPRS网络向数据中心传送，以此可以在线连接数据中心系统和现场仪表数据[11]。结合GPRS传输的硬件技术想要将智能电能表通过终端召回数据还需要软件的系统维护，这就需要在现场安装电能表和终端后通过营销MIS系统进行档案的建立，营销系统新建低压居民档案后，使每一用户拥有独立户号，在此基础上再在采控系统中新装终端并新增采集点。完成采控系统低压居民档案建立与参数维护，通过下发低压中小客户集抄参数，下发低压表实时数据配置与低压表冻结数据配置的大、小类号。同时设定定时任务、预付费任务。执行成功的表计便可以通过包头供电局费控信息图表，查询费控执行情况、低压抄表情况、智能表应用情况。如图5-1图5-1包头供电局费控信息图表连接电量采集终端和电表的时候可以直接进行，不仅可以使单个电表的计量需求得到满足，同时可以使同一台区多个电表的计量要求得到满足，可见其具有十分广泛的应用范围和使用环境。以GPRS为媒介，智能电能表可以传输采集到的信息，并且采集终端还可以将相关指令传达给供电公司，以此控制合理控制用电，促进日常用电过程中的安全隐患逐渐减少，避免浪费情况产生[12]。5.3采集主站对智能表的远程控制在用户小区内设置智能电能表的数据采集点，同时连接GPRS。在包头地区为保证召测数据的稳定一个台区终端下可以建立1000个左右的采集点，现场表计安装调试完成，用户开户后，系统会默认生成一条购电记录，即用户开户成功后透传抄读电表数据中的购电次数为1，本地开户时，新卡开卡后称为开户卡，购电次数为1.用户购电后，将开户、充值任务信息均写在卡上，用户变为购电卡，购电次数从2开始记录。并可以通过MIS系统对采集点用户的上线情况进行查看和调试，保证每一位用户在线，已达到远程控制的目的。5.3.1远程开户在采控系统中，选中营业站，查询开户情况，对开户失败的用户，点击下发，手动下发开户命令；对于状态一直失败的用户，需到现场确认表计开户情况。现场液晶显示户号屏有数据则表示开户成功如020120356988，开户不成功的表计，户号屏显示000000000000。远程开户的表计，可现场插用户卡，本地开户，营业站，新卡开卡，将用户卡插到表计上，现场开户，查看液晶屏，是否户号上表，失败需记录错误代码。5.3.2本地开户远程开户失败用户，在营销MIS系统中，对购电卡进行开卡操作，用户回去将卡插在费控表中查看有无户号，若户号一屏出现的户号与卡上户号一致，则表示开卡成功。若不一致应去营业厅重新开卡。5.3.3充值开户成功的用户就可以实现远程充值，通过透传抄读电表数据查看购电次数是否大于0：（1）若大于0说明载波信道通且已开户，手动点击下发充值命令即可，若仍不成功查看终端在线状态或多次下发即可实现远程充值。（2）若等于0说明未开户或开户不成功，需先开户再进行充值。（3）若透传抄数据为空，需先进行本地开户再充值。预付费任务下发完成后，可透传抄读电表数据，查看电能表预付费信息。若预付费任务执行成功，可通过透传抄读数据查看电费是否真正到表，其他任务是否执行成功等；若预付费任务执行失败，可以通过透传抄读数据分析失败原因。如图5-2所示图5-2透传抄读电表数据6提高智能电能表远程终端控制的上线率6.1调查研究现代新型小区都设有地下安防和信通维护通道，计量设备和变压器大多都安装在这些地方，由于地下室GPRS信号弱，使得电能量采集终端长期处于掉线或信号不稳定的状态，从而导致数据上传失败，以至于无法正常抄回台区表所带居民表及动力表的数据。为了提高终端上线率，本次研究选择的7个区域的不同小区进行实测，其分别是青山供电分局、东河供电分局、石拐供电分局、昆区供电分局、白云供电分局、高新供电分局、新都市供电分局。具体情况见表6-1。变压器放大器类型位置安装说明测试结果青山供电分局载波转GPRS装置信号放大器配电室内安装1套信号放大器电话可以接通，信号弱；终端可以上线并下发参数成功，但召测不稳定东河供电分局移动信号放大器配电室门附近信号从室外引入地下二层，配电室内安装4套信号放大器无信号，电话无法接头，终端虽上线，但下发参数失败，召测失败石拐供电分局配电室内信号从良好处引入地下二层，分别给每块终端安装信号放大器电话在室外可以打通，在室内配电室却无法接通，终端上线下发参数成功，数据抄收稳定昆区供电分局配电室离放大器最近的地方电话可以接通，信号弱；终端上线并下发参数成功，召测不稳定白云供电分局出口位置，位于两套放大器中间1个配电室安装2套信号放大器电话拨打失败；终端可以上线，下发参数超时，召测失败高新供电分局载波转GPRS装置信号放大器配电室内安装1套信号放大器电话拨打失败，无信号；终端不上线新都市供电分局配电室角落表6-1信号放大器的安装和测试6.2影响终端上线率的主要因素6.2.1营销MIS系统参数当营销MIS系统新装电能采集终端或电能表时，电能采控系统未进行建档，参数设置错误，采控系统未同步，未更改电表地址、重新立户或走拆装是未能与采控系统同步，召测时钟错误，参数设置不成功或未下发等原因，造成系统参数录入不准确，从而引起电能采集终端或电能表数据招测为0，进而影响抄表的成功率。如表6-2所示。分局汇总已执行费控功能费控表总数12910913378713343410920132887568515345511568执行远程费控成功数12823113146213145510089131487327612572499215已执行费控功能的费控开通率99.1398.2698.5292.3991.4396.8281.9397.59控电能表走票数10416441306172625已开通8816132281062570成功率84.6298.1778.0591.830.0085.71100.0091.20费控表运行总数14669916135915322313423147287728515349582066当前开通百分比88.0182.9187.0881.3590.2297.9399.9787.89运行资产查询数23605512192162表6-2智能费控电能表开通情况统计6.2.2SIM卡问题根据国家要求，移动、联通等运营商对SIM进行不定期审查，使部分SIM卡无法使用，造成终端大批量的掉线，导致SIM卡引起的终端上线率低，这是终端上线率低的又一主要因素。6.3远程管理终端存在的其他问题6.3.1线路接触不良破损情况出现在终端电源线处，或者是没有紧密连接终端电源线，进而就会出现接触不良的情况。之所以会出现这些情况，主要是因为在连接终端和互感器的时候，二次回路的接头被损坏或者已经被严重氧化[13]。6.3.2通讯电缆破损电缆破损问题一般会出现在长期应用通信电缆之后，同时因为相关操作人员没有认真负责的进行工作，进而导致接线错误等问题时有发生，同时加固处理的时候需要使用到螺钉，若是没有拧紧螺钉，并且相关值班人员在完工之后没有对连接紧密与否进行仔细检查，也会导致接线接触不良的情况出现[14]。6.3.3远程管理终端信号强度较差一般情况下，一些信号较差的区域或者是地下室是安装终端的主要地方，此类安装环境下，仅有较弱的无线信号才可以被接收到，特别是配电房等密封环境中，很难接收到无线信号，因此就会导致很多远程管理终端的信号，在现场都不够强这一问题，以此导致通信需求无法得到完全满足[15]。6.3.4终端内部短路因为安装地点或者是电压的湿度较大，所以会导致短路故障发生在终端内部。6.3.5终端天线损坏或未紧固在天线安装的过程中，作业人员对无线头和底座的牢固程度没有详细检查，在没有遮挡物的地方安装天线，会受到恶劣的雨雪天气影响，长此以往就会出现天线折断的情况。6.4改造方案6.4.1营销MIS系统的维护由表6-2可知，MIS系统参数录入的准确与否直接影响终端上线率，因此，信息参数录入不准确是终端上线率低的主要因素。为解决参数问题，必须明确电能表及终端在营销MIS系统的档案信息，规范端口号、波特率及规约。6.4.2SIM卡的规范及使用针对SIM卡的问题，首先，寻找与终端卡槽、功能性相匹配的的SIM卡，根据实地考察，我们所选用的是与普通SIM卡外观相同的物联网，物联卡使用的是专用号段，13位号码。并设有专人专项管理，确保物联卡的使用率。为进一步保证终端的上线率，在物联卡插卡上线成功后，我们还对终端的4G参数设置，设置主站IP、端口及APN。以保障采控系统SIM卡的登录IP与运营商提供的IP相吻合，在一系列防范措施的到位的前提下，终端上线率大幅度提高。6.4.3放大器的合理应用载波转GPRS装置信号放大器由主机、从机以及转接模块3部分组成。将实验合格的放大器与地下室的采集终端连接，转接模块替换电能量采集终端上原有远程通信模块（GPRS模块），将电能量采集终端需要上报至主站的数据传输至从机；从机从电能量采集终端侧取电并与转接模块连接，主机安装在与从机同一台区、同一相位、信号较好的位置，主机、从机之间通过电力线载波进行数据传输[16]。原电能量采集终端的远程通信模块安装在主机对应插座上，整套设备接通后，主机、从机之间进行载波数据交互，当电能量采集终端与主机进行连线和数据交互时，串口转接模块和远程通信模块的收、发指示灯及NET灯闪烁，电能量采集终端连接上线，之后在电能量信息采控系统中核查该终端的上线情况[16]。设备连接正常，信息传输无误后固定安装设备。解决了采集终端长期掉线或数据不稳定的问题。6.5改造效果依据上述分析和试验得出：（1）终端的在线率大幅度提升并提高了采控系统的抄表成功率，人工抄表转变为系统抄表，不仅提高了工作效率还可以帮助维护人员及时掌握线损情况，利用召回数据合理控制电费。（2）对各分局小区电能量采集终端加装了载波转GPRS装置信号放大器后，经过连续监测，各测试小区采集终端上线率全部达标。并且在恶略天气情况下对信号放大器进行监测，结果为未受天气变化影响，电能量采集终端全部在线。（3）符合低压集抄成功率的要求。并且更加及时准确的掌握用户用电情况，积极主动的解决用电质量问题，避免人工抄表可能出现的差错，提升品牌形象和用电体验。结论与建议综上所述，在实际应用的时候，有很多问题存在于现阶段终端的远程管理当中，因此会严重影响终端的上线率，为了达到智能电能表远程控制稳定可靠的目标，充分利用智能电能表及终端的优势，有效提高用电可靠性与科学性，从而优化电网，科学用电。解决终端上线率低的问题是重中之重，此次研究，通过现场实验和合理改造后，使远程管理终端基本处于理想状态，保证了终端的上线率及数据召测的有效性，提高了线损数据的真实性，减少了大量的人工投入，并确保用电需求尽可能得到满足。在今后的工作中，我们会继续监测终端数据，制定巩固措施，建立现场施工作业标准化流程，降低采控系统档案差错率，规范采控系统维护标准，保证上线率并提高终端召测的成功率，争取将每一次的深入研究转化为实际生产力。致谢光阴似箭，岁月如梭。转眼间在农大的学习生活即将画上句点。学习期间在老师、父母以及工作单位的支持下，顺利完成并收获