基于微功率无线通信技术的多表集抄研究与应用

本文研究基于国网北京市电力公司用电信息采集系统, 利用微功率无线通信技术, 实现电、水、气、热计量的“四表集抄”应用, 搭建北京地区公共事业服务支撑平台, 探索建立与其他公用事业机构代收代缴服务合作模式。最终梳理形成一套适用于北京地区的公用事业数据采集通信技术标准, 一套切实可行的运行维护流程, 建成一套公用事业计量数据采集系统。

采集系统物理结构由采集主站层、远程通信信道层、采集设备层、本地通信信道层、智能电能表、家庭能源计量低功耗网络和水、气、热等表计组成。

采集系统主站对用户的计量信息进行收集、处理, 必要时可进行实时监控, 并与用户进行智能双向的信息交互等。

信息采集终端是对各信息采集点实现用电信息采集的中间设备, 简称采集终端。按应用场所分为专变采集终端、集中抄表终端 (包括集中器、采集器) 等类型。采集设备实现了型式规范、标准统一, 在北京地区居民用户用电信息采集系统中, 主要采用I型集中器终端, 电能表端的数据有微功率无线模块和II型采集器两种型式, 采集系统主站通过通信信道和采集终端, 实现对智能电能表计量数据的采集、数据管理或控制命令的执行等功能。

为基于国网北京市电力公司已经建成的用电信息采集系统, 在不改变系统结构的基础上, 借助智能电能表数据采集建立的微功率无线本地通信网络, 通过在水、气、热等表计中加装微功率无线通信模块, 智能电能表无线通信节点自动感知周边表计, 使其他表计与智能电能表之间形成一点对多点的星形网络结构, 从而实现其他表计与智能电能表的数据交互, 完成多表的联合通信。系统应用架构如图1所示。

通过对电、水、气、热等表计应用情况的分析, 发现制约“多表集抄”应用推广的主要因素是实施成本高、表计功耗要求限制和工程实施难度大。电力微功率无线网络的无线节点均有电源供应, 而其余水、气、热表计因其使用环境所限, 只能采用电池供电, 且电池无法经常更换, 有线采集方案的工程施工改造很难进行, 且成本高昂, 因此有效降低通信功耗和实施复杂度成为“多表集抄”应用实现的难点。

“多表集抄”涉及四种表计, 其中除电能表有统一的通信协议及各种规范之外, 其他三表的通信没有严格规范, 实际情况是基本上各个表计厂家均有自己的私有协议, 导致四表项目实施中出现项目进度拖延, 同时各水、气、热公司需要花费大量时间精力来处理各厂家表计之间的通信, 带来额外的成本。同时, 在各抄表方案中, 传统的有线“多表集抄”方案, 在实施过程中存在施工成本高、施工困难、维护复杂等因素, 导致实施有线多表集抄成本大增, 使水、气、热等公司无法接受。有线多表集抄方案存在一些缺陷会导致成本增高:

(1) 线路易遭破坏:线路易遭鼠虫损坏。

(2) 施工成本高:施工过程中布线、钻孔等工作耗费大量人力物力。

(3) 施工条件受限:电、水、气、热分别安装在电表井、水表井、户内, 铺线时涉及业主私人属地、物业公共环境, 施工时需多方协调。

(4) 维护复杂:线路故障时, 查询、维修和更换新线复杂。

多种因素影响, 有线多表集抄成本高昂, 急需新思路、新方案来完成“多表集抄”。

目前北京地区已经基本完成智能电能表全覆盖, “多表集抄”以电能表为核心, 其他表计通过电能表连入电力公司集抄系统, 均需要通过微功率无线完成, 不同的通信方式需要增加接口转换器, 以北京某小区四表工程方案为例, 非无线的成本如表1所示。

改造费用户均165.6元, 按表计本身160元计算, 总价为325.6元。按微功率无线水表每只280元计算, 后期改造只需空中升级水表, 成本大约为每只2元。总计282元左右。故从成本上来说, 微功率无线表计采集方案相较于有线表计采集方案每户可节约成本43.6元。

(1) 降功耗措施

水、气、热表使用电池供电, 为保证电池续航能力和减低能耗, 计量单元和通信单元电路采用优化设计, 所有元器件均采用优质低功耗器件。

通信单元有三种模式工作:

模式1休眠状态:功耗电流在3μA以下。

模式2接收状态:功耗电流在6.3m A以下。

模式3发射状态:功耗电流在90m A以下。

水、气、热表计不参与组网, 作为末端节点附着在电力集抄的MESH网络上, 和电力采集设备采用点对点通信方式。

电能表模块和其他3种表计通信采用唤醒通信模式, 先唤醒后通信, 唤醒通信时序如图2所示, 三表平时一直处于休眠侦听模式, 最大限度地节省自身电量消耗, 提高其他三表的电池使用寿命。

水、气、热表模块工作类似于心跳模式, 每2s (可设置, 以秒单位设置) 侦听一次空中信号, 为了可靠唤醒水、气、热表模块, 唤醒帧发送的数据要持续超过2s, 同时为了兼顾水、气、热表模块的2次休眠, 在唤醒帧中间要带有必要的信息参数, 短地址、发送序号等。具体的结构如图3所示。

前导码:1010码, 用于射频检测使用。

分隔符:0x0c, 用于分割前导和数据。

序号:发送数据的时间序号, 倒序排列。

短地址:水、气、热表模块的7字节地址经过计算后得出的通信短地址, 广播地址0X9999, 如果经过计算短地址和广播地址重合, 自动规避为0x999A。短地址计算方式为crc16。

校验码:序号和短地址的累加和。

从序号开始到校验码结束, 传输也采用白化处理, 白化算法和互联互通一致。

(2) 功耗计算

按二、2. (1) 中的技术方案计算电池容量消耗统计 (以水表为例) :

以电池容量4900m Ah、放电率0.5计算, 电池容量消耗包括通信单元和计量单元两部分, 通信频率以每天10次计, 则电池消耗计算公式为:

使用年限=电池容量×放电率/ (每月待机功耗+每月通信功耗+每月抄表导致的相互影响功耗+每月传感器采样消耗的功耗) /12

水表计量方式分为脉冲式和光电直读式两种方式, 依据上述公式分别进行电池使用寿命计算:

(1) 脉冲式

(2) 光电直读式

根据以上计算结果, 电池的使用寿命完全满足水表最低6年的轮换周期, 在保证正常计量和实现数据集抄的前提下, 轮换周期内无需更换电池。

在表计的安装工程中, 会进行安装环境勘察、现场安装和现场调试三个过程, 相比传统有线抄表方式, 微功率无线抄表方案在每个环节的工作量最小, 复杂程度最低。

安装环境勘察中, 传统的有线抄表需考虑线路布局, 线路安装之后是否存在易损的可能性, 特别是在城郊和农村水表布局分散的地方, 当电表箱与水表箱位置距离较远时, 布线的复杂性会导致工作量急剧增大, 而微功率无线就不存在此类问题, 即使水表箱与最近的电表箱距离很远, 增加两个低成本中继器即可解决。

微功率无线表计采集方案的最大便捷性体现在现场安装中, 在小区环境中, 水、热表井和电表井是分开的, 燃气表一般安装在户内, 此时, 如果采用有线集抄方案, 通过M-BUS、485线将水、热、气表连接电表, 在安装引线时需进行墙壁开孔、走线等, 需与物业和业主协调, 并且工作量大, 实施复杂。而微功率无线集抄方案则不涉及此类问题, 只需将表计安装好就行, 简单省事。

现场调试时, 很多时候并不是安装好之后就通信正常, 排查故障时, 有线方式涉及的线路排查工作复杂, 线路一旦出现问题, 换线也异常麻烦。采用无线方式, 通信中的故障排除使用手持掌机就可以进行调试解决。

以“多表集抄”应用为基础的公共事业数据服务平台的建立, 整合电、水、气、热的共通业务和数据, 实现电、水、气、热用户的统一账号管理、公用事业费用代收代缴、用户票据、数据传递;分清缴费交易、对账明细、到账账户。同时在整合各类资源消耗数据的基础上, 实现了综合资源分析, 为政府的规划与决策提供依据。

“多表集抄”应用有效实现了社会资源整合, 减少电、水、气、热企业的信息平台重复建设, 降低企业经营成本, 减少社会生产成本, 有效提高生产效率, 符合政府建设资源节约型社会的号召。“多表集抄”应用实现多表联合服务, 可提升企业的服务水平, 增强企业服务响应速度, 同时有效整合各类能源的消耗数据, 有效支撑社会资源合理分配和高效利用, 提升社会节能水平。对于广大居民用户, “多表集抄”应用系统的建设完成, 可降低个人能源的使用成本, 提升人们的生活品质。

基于微功率无线通信技术的“多表集抄”应用, 在理论上验证可行后, 国网北京市电力公司积极与水、气、热等公共事业单位开展合作, 通过试点应用证明上述技术方案的运行效果优异, 诸多优势使“多表集抄”在未来具有广阔的应用前景。而基于微功率无线通信技术的“多表集抄”应用, 在成本、安装便捷性、通信安全性等方面都具有明显优势, 可实现与现有用电信息采集系统无缝接入, 在“多表集抄”的众多解决方案中有强大竞争力, 相信可以得到更大范围的推广应用。