智能電能表的通信端口設置研究

張保增,陳新春,張敬偉,王 哲

(許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

智能電能表的通信端口設置研究

張保增,陳新春,張敬偉,王 哲

(許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

針對電能表運行中RS-485通信端口作用有限的問題，追溯了電能表各通信端口要求的歷史來源和各通信端口的功能；研究了電能表的通信端口，特別是紅外通信的特點；探討了使用紅外通信端口實現RS-485端口所有功能的可行性。紅外端口為空間開放端口，多對紅外端口同時通信時容易產生干涉；而RS-485端口為有線通信，則不存在干涉問題。針對多個紅外通信通道同時通信容易互相干涉，且紅外信號太強無法通信的特點，提出在2個紅外通信端口間增加衰減介質的方法，使得2個紅外端口之間信號衰減到能夠正常通信的強度，且散射光衰減到可以忽略的程度。同時，研究了紅外端口通信速率慢對校表效率的影響及防止非法校表的操作。研究結果表明，在大多數場合下，RS-485通道其實并不是必要的，去除載波電能表RS-485通道可以有效降低成本和功耗，同時保持載波電能表的功能。

智能電網； 電能表； 紅外信號； 自動抄表； 載波； 通信

0 引言

由于國家建設智能電網的要求，智能電能表在電能表市場中所占的比重越來越大，每年市場都需要約上億只智能電能表。針對智能電能表的任何微小改進都將會對供電公司產生較大的影響。

國家電網公司的統一招標使得國內智能電能表的型號大大減少。目前，國家電網公司采購的單相智能電能表都采用國家電網公司標準《Q/GDW1354-2013 智能電能表功能規范》[1]；對其通信端口的要求引用國家標準《GB/T 17215.301-2007 多功能電能表特殊要求》[2]，對多功能電能表的通信信道要求為“至少具有一個紅外接口，一個RS-485接口”，“通信物理層必須獨立，一種通信信道的損壞不得影響另一信道的運行”。本文針對各端口，特別是RS-485端口的存在必要性進行了探討。

1 電能表各端口通信簡述

1.1 紅外通信口

在智能電能表通信端口中，紅外通信端口可以實現近距離無線通信。紅外通信是一種半雙工異步通信方式，具有成本低廉、簡單易用和結構緊湊的特點，因此在小型移動設備中獲得了廣泛的應用。《DL/T 645-2007多功能電能表通信協議》[3]標準規定了接觸式紅外通信方式和調制式紅外通信方式。目前，國家電網明確表明電能表需要具有調制式紅外通信端口，以實現手持掌機遠距離抄表。為了達到較遠的通信距離，紅外口通過38 kHz方波調制信號，實現掌機與電能表至少3 m之內的通信，使抄表過程方便快捷。但由于紅外信號容易發散，掌機發出的紅外光會照在一個圓錐面內；如果兩個電能表相距較近，會發生干擾的情況。

1.2 RS-485通信口

國家電網公司的智能電能表要求[1]:“RS-485接口必須和電能表內部電路實行電氣隔離，并有失效保護電路。RS-485接口通信速率可設置，標準速率為 1 200 bit/s、2 400 bit/s、4 800 bit/s、9 600 bit/s，缺省值為2 400 bit/s”。為了保證RS-485通信的安全性，電能表電路需要為RS-485單獨提供電源，并在RS-485電路與電能表其他電路之間使用光耦器件實現隔離。近年來，為了解決現場RS-485極性容易接錯的問題，國家電網公司要求智能電能表采用無極性的RS-485通信接口。目前，針對RS-485的無極性設計主要有曼徹斯特編碼調制法、人工修正法、自動修正法[4-5]。

1.3 載波通信口

隨著遠程抄表技術的發展，目前以載波抄表為主流的遠程抄表得到了越來越廣泛的應用。載波通信通過電力線傳送載波信號，無需再鋪設線路，即可實現遠程電能表數據的采集。

應用最多的兩種遠程抄表方案是“集中器+載波表”和“集中器+采集器+RS-485表”方案。其中“集中器+載波表”方案在市場上越來越主流，載波通信口在遠程通信中不可或缺。在“集中器+載波表”抄表方案中，RS-485通信端口在電能表正常使用中不起作用，只是在生產和檢驗中有一定的作用。本文考慮去除RS-485通信端口，以簡化電能表。

2 紅外通信端口介紹

2.1 紅外通信原理

DL/T 645-2007標準規定了多功能電能表的通信端口有調制型紅外光口，而DL/T 645-1997標準中并無紅外通信口的要求。DL/T 645-2007標準是參考國家標準《GB/T 19897.1-2005 自動抄表系統低層通信協議第1部分:直接本地數據交換》[6]的開放式紅外通信方式加入的。而此標準就是從IEC 62056-21標準翻譯過來的。在IEC 62056-21中并沒有開放式光學端口，在翻譯的過程中，加入了開放式光學端口的定義，以便通過手持設備采集數據。DL/T645-2007在加入紅外通信通道時保留了RS-485通信通道。

2.2 紅外通信特點

標準規定，當紅外線波長為900 ～ 1 000 nm、數據傳輸的光路周圍環境光強度小于5 000 lex時，有效通信距離大于3 m。國家電網公司電能表標準要求電能表上紅外通信為調制型紅外，調制頻率為(38±1)kHz。調制前和調制后的電信號波形如圖1所示。

圖1 紅外光電信號波形示意圖

對于發送端，當無紅外脈沖發射時，發送的是二進制數據1；當有紅外脈沖發射時，發送的是二進制數0。而對于接收端，沒有接收到紅外光即認為是1，接收到則認為是0[7]。

發送端將基帶二進制信號調制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發射管發射紅外信號。接收端將接收到的光脈轉換成電信號，再經過放大、濾波等處理后送至解調電路進行解調，將其還原為二進制數字信號后輸出。通過調制，接收端可以針對調制頻率進行接收，以濾除環境干擾，實現較遠距離通信。DL/T 645標準未針對調制波的占空比進行定義。紅外通信的光輻射半角為15°。考慮到半徑為3 m、錐角為15°的球面積為1.9 m2，即在1.9 m2范圍內的紅外接收裝置都可以接收到紅外信號，這就意味著在較大的范圍內都可以接收到光信號，簡單的遠紅外通信難以實現多個相鄰電能表的同時通信。

文獻[8]發明了點對點紅外通信裝置，將激光瞄準和紅外聚集技術引入電力紅外通信，從而使掌機抄表不再受其他相鄰電能表的影響。但該方法僅能同時進行一對掌機和電能表的抄讀，無法實現多對掌機和電能表的同時通信。

2.3 紅外通信分析

在紅外通信實現多路同時通信的過程中，主要存在兩個問題：一個是多個紅外設備之間的信號串擾問題，另一個是兩個紅外設備(電能表與抄控器)之間的可靠通信問題。事實上，當紅外抄控器距離電能表過近(即紅外信號過強)時，電能表同樣不能正確接收數據。因此，采用紅外抄控器直接接觸電能表以防止紅外光外泄的方式不可行。

為了實現電能表與紅外抄控器之間紅外信號不外泄，同時使電能表與紅外抄控器之間可靠通信，采用在紅外抄控器與電能表之間加入衰減介質的方式進行通信。該方法使紅外抄控器正對電能表的紅外發射接收頭，通過衰減介質實現紅外信號的衰減，使紅外抄控器與電能表之間可靠通信。衰減介質選用普通的A4打印紙(亞太森博紙業生產，80 g/m2)。通信空間結構如圖2所示。

圖2 通信空間結構圖

Fig.2 Structure of the communication space

2.3.1 通信成功率分析

分別采用0～36層紙張，在紅外抄控器與電能表之間，使用紅外抄控器抄讀電能表數據；采用適配符讀取地址數據，幀抄讀電能表的地址，波特率為1 200 bit/s，偶校驗由8位數據位、1位起始位、1位結束位構成。紅外抄控器每秒抄讀1次，共抄讀200次，抄讀成功率如表1所示。

表1 抄讀成功率試驗結果

2.3.2 通信干擾分析

由于紅外二極管的發射光聚焦在15°的錐形內，所以在側面發射的功率很小。同時，由于紙張較薄，每張紙厚度約為100 μm，則20張厚度為2 mm；側面方向上的光透過的衰減距離較長，從側面泄漏出來的紅外光較少，不會對相鄰的電能表紅外通信造成影響。

電能表選用國家電網公司標準單相電能表[9]。把2塊電能表放置在被測電能表的兩邊，3塊電能表并排緊挨布置，3塊紅外抄控器紅外通信端口分別對準3塊電能表。電能表與相應紅外抄控器之間隔20層紙，觀察3對紅外抄控器與相應電能表是否同時進行通信、互不干擾。紅外二極管各錐角方向上的光功率密度如圖3所示。

圖3 紅外二極管各方向的光功率密度示意圖

3對電能表與紅外抄控器同時、分別抄讀電能表地址，每秒抄讀1次，抄讀200次。3對紅外抄控器與電能表之間的通信成功率均為100%。試驗證明，3對電能表與紅外抄控器之間能夠同時通信，相互之間沒有干擾。

3 紅外通信替代RS-485通信的分析

由于電能表電流采樣電路和電壓采樣電路元器件不可避免地存在一定誤差，所以需要對計量的結果進行修正，以獲得較高的精確度。目前，電能表的校表方案已經從硬件校表向軟件校表轉變[10-11]。即由原來的調整采樣分壓電阻的校表方法，向依靠軟件補償的方法轉變。由于軟件校表方便、快捷、便于自動操作，所以現在的智能電能表生產幾乎都采用軟件校表的方法。

軟件校表的校正過程中，需要與電能表進行通信交互。為了提高生產效率，在一個校表臺體上需同時對多個電能表進行校表和檢定工作，并對多塊電能表同時通信，這就要求每塊電能表之間通信互不干擾。目前，一般在生產的校表過程中，都采用RS-485通道與電能表通信。事實上，對于載波電能表，只有在生產和檢驗中使用了RS-485通信口。既然已經解決了多個紅外通道同時通信的問題，下面對使用紅外通信是否能完全替代RS-485通信進行討論。

3.1 通信口設計對比

考慮到電能表使用中的人身安全，RS-485要實現與市電的隔離，同時電能表中一般使用分流器進行電流采樣。電能表中的地為熱地，所以電能表中的RS-485需要單獨一路電源，還要實現電能計量與RS-485電路的隔離。這些要求增加了設計的復雜性，而紅外通信沒有這些要求。

3.2 校表用時對比

目前國家電網的電能表紅外參數表明，紅外通信速率最高僅能達到2 400 bit/s，一般采用1 200 bit/s；而RS-485通信可以達到9 600 bit/s，一般采用2 400 bit/s。這意味著采用紅外通道校表比采用RS-485通道校表需要更長的時間。但由于校表過程并不完全是通信過程，在電能表生產和檢驗過程中耗時最長的是電能表走字及電量比對的過程，通信所用時間占比很小，所以生產和檢驗過程中采用紅外通道校表并不會明顯增加生產檢驗時間。

3.3 校表安全性對比

當電能表在現場安裝完成后，由于對安裝端子位置進行了鉛封，所以用戶無法在不破壞鉛封的情況下接觸到RS-485通信口。但是用戶可以很方便地接觸到紅外通信口，這有可能帶來出廠后用戶對電能表非法校表的隱患。在實際使用中，可以采用特殊帶密碼的指令或者按鍵組合進行電能表校表，使用戶不能通過紅外通道進行校表，從而保障了電能表的計量安全。

4 結束語

“集中器+載波表”的抄表方式在實際使用中，智能電能表的RS-485通信口并非必要。去除RS-485通信通道，可以減少一路給RS-485供電的獨立電源、對串口通信進行隔離的電路和RS-485轉換電路，簡化了電能表的設計。目前在國家電網招標中，載波電能表完全可以去除對RS-485通信信道的要求，從而有效降低電能表的成本和功耗，實現電能和資源的節約。

[1] 國家電網公司.Q/GDW 1354—2013智能電能表功能規范[S].2013.

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 17215.301-2007 多功能電能表 特殊要求[S].2007.

[3] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T 645-2007多功能電能表通信協議[S].2007.

[4] 胡鵬飛,袁玉湘,于坤山,等.無極性RS-485芯片的關鍵技術研究與智能電網中的應用[J].智能電網,2013,1(2)：47-51.

[5] 彭良清，洪占勇.RS422/RS485網絡的無極性接線設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2002(6):5-7.

[6] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 19897.1-2005 自動抄表系統低層通信協議 第1部分:直接本地數據交換[S].2005.

[7] 張俊才.嵌入式信息家電平臺中的紅外通信研究與實現[D].昆明：昆明理工大學,2007.

[8] 杜艷,王者龍,楊杰,等.點對點紅外通信裝置的設計[J].電測與儀表,2015,52(7):97-100.

[9] 國家電網公司.Q/GDW 1355—2013單相智能電能表型式規范[S].2013.

[10]王舒憬,陸雅敏,葉申銳.電子式多功能電能表軟件校表系統的設計[J].微計算機信息,2009，25(7):90-91.

[11]秦華旺,戴躍偉,左兵城,等.電能表檢驗裝置中電能值的補償方法[J].微計算機信息,2008,24(7):228-229.

Research on the Configuration of Communication Port for Smart Electric Energy Meter

ZHANG Baozeng,CHEN Xinchun,ZHANG Jingwei,WANG Zhe

(XJ Group Corporation,Xuchang 461000,China)

Since RS-485 communication port plays a minor role in operation of electric energy meter,the original requirements and functions requested for each communication port of the meter is retrieved,the features of communication port,especially the infrared communication are researched,and the feasibility of using infrared communication port to implement all the functions of RS-485 ports is investigated.Infrared port is space open port,multiple pairs of infrared communication ports may interfere to each other when they communicate simultaneously;while RS-485 communication port is wired communication,the problem doesn’t exist.In order to solve the problem that several infrared communication ports interfere to each other when they communicate at the same time,and they can’t communicate when the signal intensity is too strong,the method of inserting attenuating media between two infrared communication ports is put forward.In this way,the infrared light is attenuated to the magnitude that two infrared communication ports can communicate each other,while the diffused light is attenuated to be ignored.In addition,the influence to checking meter process because of slower infrared communicate rate,and how to avoid illegal checking meter are researched.The results show that in most cases,RS-485 communication port is not necessary in fact;removing RS-485 communication port from carrier line of the meter can reduce costs and energy consumption without decreasing its functions.

Smart gird； Electric energy meter; Infrared signal; Automatic meter reading； Carrier； Communication

張保增(1979—)，男，碩士，工程師，主要從事電子設備設計、制造技術的研究。E-mail：zhangbaozeng@163.com。

TH702;TP216.4

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201702017

修改稿收到日期：2016-10-21