基于自動控制的計量技術(shù)的創(chuàng)新研究

趙克鑫

【摘要】近來，隨著時擴(kuò)頻技術(shù)研究的深入，低壓電力線載波中干擾大的問題逐步得到解決，因此，低壓電力線載波通信方式在電能計量自動抄表技術(shù)中的應(yīng)用有逐步推廣的趨勢。本文研究了基于自動控制的計量技術(shù)的創(chuàng)新。

【關(guān)鍵詞】自動控制 計量技術(shù) 創(chuàng)新研究

一、電能計量自動抄表系統(tǒng)的構(gòu)成和特點

（一）中心處理子系統(tǒng)

如果硬件允許，還可直接向下級集中器或電能表發(fā)出指令，從而對用戶的用電行為實施控制，如停、送電遠(yuǎn)程操作。中心處理子系統(tǒng)主要由中心處理工作站以及相應(yīng)的軟件構(gòu)成，是整個電能計量自動抄表系統(tǒng)的最上層，所有用戶的用電信息通過信道匯集到這里，管理人員利用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，作出相應(yīng)的決策。

（二）通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)是把數(shù)據(jù)傳送到控制中心的信道。為了適應(yīng)不同的環(huán)境條件以及成本要求，通信子系統(tǒng)的構(gòu)成有多種方案。按照通信介質(zhì)的不同，通信子系統(tǒng)主要有光纖傳輸、無線傳輸、電話線傳輸和低壓電力線載波傳輸?shù)人姆N。租用電話線通信是利用電話網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)的發(fā)出和接收端分別加裝調(diào)制解調(diào)器。該方法的數(shù)據(jù)傳輸率較高且可靠性好，投資少；不足之處是線路通信時間較長（通常需幾秒甚至幾十秒）。無線通信適用于用戶分散且范圍廣的場合，在某個頻點上以散射通信方式進(jìn)行無線通信。其優(yōu)點是傳輸頻帶較寬，通信容量較大（可與幾千個電能表通信），通信距離遠(yuǎn)（幾十千米，也可通過中繼站延伸）。目前，GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)為無線抄表系統(tǒng)的實施提供了高效、便捷、可靠的數(shù)據(jù)通道。主要缺點是需申請頻點使用權(quán)，且如果頻點選擇不合理，相鄰信道會相互干擾。光纖通信具有頻帶寬、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)以及抗干擾性強(qiáng)等特點，適合上層通信網(wǎng)的要求。但因其安裝結(jié)構(gòu)受限制且成本高，故很少在自動抄表系統(tǒng)中使用。低壓電力線載波通信利用低壓電力線作為系統(tǒng)前端的數(shù)據(jù)傳輸信道。其基本原理是：在發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)調(diào)制到高頻載波上，經(jīng)功率放大后耦合到電力線上。此高頻信號經(jīng)電力線路傳輸?shù)浇邮辗剑邮諜C(jī)通過耦合電路將高頻信號分離，濾去干擾信號后放大，再經(jīng)解調(diào)電路還原成二進(jìn)制數(shù)字信號。電力線載波直接利用配電網(wǎng)絡(luò)，免去了租用線路或占用頻段等問題，降低了抄表成本，有利于運營管理，發(fā)展前景十分廣闊。但是，如何抑制電力線上的干擾，提高通信可靠性仍是亟待解決的問題。

（三）前端采集子系統(tǒng)

按照采集數(shù)據(jù)的方式不同，電能計量自動抄表系統(tǒng)可分為本地自動抄表系統(tǒng)和遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)兩種。本地自動抄表系統(tǒng)的電能表一般加裝紅外轉(zhuǎn)換裝置，把電量轉(zhuǎn)換為紅外信號，抄表時操作人員到現(xiàn)場使用便攜式抄表微型計算機(jī)，非接觸性地讀取數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)由電子式電能表或加裝了光電轉(zhuǎn)換器的機(jī)電脈沖式電能表構(gòu)成系統(tǒng)的最前端，它們把用戶的用電量以電脈沖的形式傳遞給上一級數(shù)據(jù)采集裝置。目前實際應(yīng)用的遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)大多采用兩級式數(shù)據(jù)匯集結(jié)構(gòu)，即由安裝于用戶生活小區(qū)單元的采集器收集十幾到幾十個電能表的讀數(shù)，而安裝在配電變壓器下的集中器則負(fù)責(zé)定期從采集器讀取數(shù)據(jù)。

二、電能計量自動抄表技術(shù)的現(xiàn)狀

（一）通信信道

通信子系統(tǒng)是電能計量自動抄表技術(shù)中的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)通信方式的選取要綜合考慮地理環(huán)境特點、用戶用電行為、技術(shù)水平、管理體制和投資成本等因素。國內(nèi)外對于不同通信方式各有側(cè)重，在西方發(fā)達(dá)國家，對于電能計量自動抄表技術(shù)的研究起步較早，電力系統(tǒng)包括配電網(wǎng)絡(luò)較規(guī)范、完備，所以低壓電力線載波技術(shù)被廣泛應(yīng)用；在我國，受條件所限，較多使用電話線通信。

（二）采集器和集中器

采集器和集中器是匯聚電能表電量數(shù)據(jù)的裝置，由單片機(jī)、存儲器和接口電路等構(gòu)成，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了較成熟的產(chǎn)品。

（三）電能表

傳感器、自動化儀表以及集成電路技術(shù)的發(fā)展，使得無論是機(jī)電脈沖式還是電子式電能表己能夠較好地滿足當(dāng)今電能計量自動抄表技術(shù)的需要。預(yù)計今后相當(dāng)一段時間內(nèi)，電能計量自動抄表系統(tǒng)的終端采集裝置將以機(jī)電脈沖式電能表和電子式電能表兩種儀表為主。

三、電能計量自動抄表技術(shù)的熱點和發(fā)展趨勢

（一）電力線載波通信

電力線載波通信，是將信息調(diào)制為高頻信號（一般為50～500kHz）并疊加在電力線路上進(jìn)行通信的技術(shù)。其優(yōu)勢是利用電力線作為通信信道，不必另外鋪設(shè)通信信道，大大節(jié)省投資，維護(hù)工作量少，可靈活實現(xiàn)“即插即用”。目前，國內(nèi)10kV以上電壓等級的高壓電力線載波技術(shù)己經(jīng)較成熟，但低壓電力網(wǎng)絡(luò)上的載波通信還未能達(dá)到令人滿意的水平，這在一定程度上制約了電能計量自動抄表技術(shù)在我國的實際應(yīng)用。

（二）無線擴(kuò)頻通信

擴(kuò)頻技術(shù)是一種無線通信方式，把發(fā)送的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號，以擴(kuò)展信號的頻譜，通過相關(guān)接收，用相同的頻碼序列解擴(kuò)，最后經(jīng)信息解調(diào)，恢復(fù)出原始信息。

（三）復(fù)合通信

在數(shù)據(jù)傳輸量不太大、傳輸距離較近的底層數(shù)據(jù)采集階段（電能表到采集器，采集器到集中器），可以采用如紅外、低壓電力線載波甚至點對點的通信方式；而在集中器到中央處理站段，則可采用電纜、電話線或無線通信等。選擇什么樣的復(fù)合方式，需根據(jù)實際情況統(tǒng)籌考慮。混合使用的各種通信方式之間要有很好的相容性，不能相互干擾，這其中涉及到運籌學(xué)、最優(yōu)規(guī)劃等方面的研究與設(shè)計。

（四）自動抄表的安全性

自動抄表的安全性主要包括自動抄表過程的安全性和中心處理子系統(tǒng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全性。電能計量自動抄表系統(tǒng)的抄表過程是分散的采集器、集中器與中心處理站間交換數(shù)據(jù)的過程。通信中既要保證所抄數(shù)據(jù)的安全、可靠傳輸，又必須確保中心處理子系統(tǒng)不會受到來自傳輸網(wǎng)絡(luò)的意外攻擊。中心處理子系統(tǒng)的安全性主要是指其包含的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全性，而主要的安全隱患來自以下4個方面：黑客、病毒、合法人員的失誤和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自身的脆弱性。保護(hù)及防范的措施是綜合運用密碼技術(shù)、身份驗證技術(shù)、訪問控制技術(shù)、防火墻技術(shù)、安全內(nèi)核技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)反病毒技術(shù)、信息泄漏防治技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全漏洞掃描技術(shù)和入侵檢測技術(shù)等。