四表合一数据集中采集典型技术方案分析.doc

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四表合一数据集中采集典型技术方案

四表合一数据集中采集（以下简称“四表合一”）技术方案的设计和选择须依托现有用电信息采集系统的典型技术方案，充分利用其采集终端和信道资源。本方案以调研业界通信技术为基础，以适应用电信息采集系统基本架构为导向，提出了覆盖现场各种类型用电信息采集系统技术路线和水气热表现状的四表合一典型技术方案。
一、 四表合一通信技术分析
通信技术是实现四表合一的重要基础，它决定了系统的工作原理，也影响着系统的运行效率和可靠性。目前业界四表合一采用的通信技术主要为M-BUS总线、RS-485、微功率无线、无线公网、电力线载波等。以下对比分析了各种通信技术的优势和劣势。
1.1 M-BUS总线
M-BUS是一种由主机控制的分级通信系统，它由主机、从机和两条连接电缆组成。从机之间不能直接交换信息，只能通过主机来转发。M-BUS技术的传输介质为双绞线，数据传输速率可达300~9600bps，最大传输距离为1000米左右。另外，M-BUS总线可实现采集终端向计量设备远程供电，可解决四表合一水、气、热表无法自取能的问题。M-BUS总线的优缺点如下表1所示：

表1 M-BUS总线通信优缺点对比表
优点
缺点
（1）布线简单，只有两条通信线，总线无极性，对布线方式无特殊要求，可并联也可串联；
（2）总线供电，可通过通信线路给表计供电，特别适合水、气、热表这类本身无电源供应的表计；
（3）通信稳定，抗干扰能力强，只要双绞线不出现故障，一般都可保证通信成功率。
（1）和无线通信技术相比，M-BUS需要布线，而入户布线可能会破坏居民现有的家居设施，从而引发纠纷；
（2）长时间现场运行后可能会出现双绞线接头氧化，而更换双绞线接口较为繁琐。
1.2 RS-485
RS-485是一种采用两条差分电压信号线进行信号传输的通信技术。它由主机、从机和连接电缆组成，传输介质为双绞线，数据传输速率在1Mbps以下，最大覆盖距离1200米。由于RS-485通信线不具备供电能力，因此在四表合一应用时还需要配合两条电源线使用。RS-485的优缺点如下表2所示：
表2 RS-485通信优缺点对比表
优点
缺点
（1）通信速率高，可满足四表合一大数据量的承载需求；
（2）采用差分信号进行数据传输，抗干扰能力强；
（3）通信稳定，只要双绞线不出现故障，一般都可保证通信成功率。
（1）和无线通信技术相比，RS-485需要布线，而入户布线可能会破坏居民现有的家居设施，从而引发纠纷；
（2）无法给水、气、热表直接供电，须配备外接电源或后备电源，导致其设备费用明显高于M-BUS。
1.3 微功率无线
微功率无线通信技术是指发射功率不超过50mW，覆盖范围数百米，采用470MHz~510MHz频段，具备自组网功能的无线通信技术。微功率无线通信技术组网简单，通信速率可达10kbps。微功率无线的优缺点如下表3所示：

表3 微功率无线通信优缺点对比表
优点
缺点
（1）无需布线，现场工程施工方便；
（2）无需向电信运营商缴纳通信费用；
（3）组网灵活，数据传输速率较高。
（1）在台区范围较大或电磁屏蔽环境，通信效果较差；
（2）无法给水、气、热表供电，须配备外接电源或后备电源。
1.4无线公网
无线公网是指基于移动蜂窝网的通用分组无线通信技术，其覆盖范围非常大，通信速率可达100kbps以上。无线公网的优缺点如下表4所示：
表4 无线公网通信优缺点对比表
优点
缺点
（1）无需敷设通信链路，使用方便快捷；
（2）不受距离限制，在移动网络覆盖范围内均可有效使用；
（3）通信速率较高，可满足四表合一大数据量承载需求。
（1）设备费用及运行费用较高；
（2）通信稳定性受制于电信运营商，在移动蜂窝网未覆盖地区无法使用；
（3）无法给水、气、热表供电，须配备外接电源。
1.5电力线载波
电力线载波是指利用工频强电的电力线传输高频弱电信号的通信技术。电力线载波通信一般使用（3～500）kHz或（2～30）MHz的电力线频谱资源，数据传输速率可达1kbps以上，在公司用电信息采集系统的通信技术中占比达70%以上。电力线载波通信的优缺点如下表5所示：
表5电力线载波通信优缺点对比表
优点
缺点
（1）依托电力线，无需敷设通信链路，节省一定成本；
（2）可引入电力台区管理模式。
（1）将电力线引至燃气表，可能会带来消防安全隐患；
（2）自身需要配备外接电源；
（3）通信性能受电网噪声干扰。
二、 用电信息采集系统架构分析
四表合一技术方案设计应以不影响用电信息采集系统功能应用，充分共享现有用电信息采集系统设备和信道资源为原则。如下图1所示，用电信息采集系统由主站层、远程通信层、采集终端层、本地通信层、电能表层组成。主站通过无线公网、230MHz无线专网、光纤专网等远程通信技术和采集终端交互；采集终端通过窄带电力线载波、宽带电力线载波、微功率无线、RS-485等本地通信技术和电能表通信。在实际应用中，虽然用电信息采集系统架构各不相同，但是架构的复杂性主要体现在本地信道层面：

图1 用电信息采集系统架构图
（1）I型集中器和II型集中器共存。I型集中器下行采用载波或微功率无线，II型集中器下行使用RS-485。
（2）全载波（无线）和半载波（无线）共存。全载波（无线）方案中，I型集中器下行使用载波或微功率无线和电能表通信；半载波（无线）方案中，I型集中器下行使用载波或微功率无线和采集器通信，采集器通过RS-485和电能表通信。
（3）I型采集器和II型采集器共存。I型采集器下行具有三路RS-485通信接口，II型采集器下行具有一路RS-485通信接口。
为适应用电信息采集系统本地信道的复杂性，同时满足四表合一的多样化需求，四表合一应部署于采集终端层以下。同时，为了契合四表合一的集约化设计原则，四表合一应在采集终端层及以上实现完全融合，复用用电信息采集系统的采集终端、远程信道及主站。
三、 四表合一典型技术方案设计
如上所述，用电信息采集系统的架构差异性较大，因此基于不同用电信息采集系统架构的四表合一改造方案也截然不同。为保证技术方案的科学性、合理性、全面性，以最低的成本和改造量实现四表合一数据采集应用，提出了三种四表合一典型技术方案。
3.1升级无线模块
此方案适用于两种场景。场景一为微功率无线电能表+微功率无线水气热表，此场景要求电能表和水气热表之间的距离较近；场景二为RS-485电能表+无线水气热表+I型无线采集器的场景，此场景要求I型采集器和水气热表之间的距离较近。
改造前用电信息采集系统架构如下图2所示，I型集中器通过微功率无线直接和电能表通信，或通过微功率无线和I型采集器通信，采集器通过RS-485和电能表通信。

图2 I型集中器（全无线+半无线）采集方式示意图
改造过程主要是对电能表（或I型采集器）的微功率无线模块进行软件升级，实现对水气热表的采集，I型集中器通过微功率无线和电能表（或I型采集器）通信。改造后四表合一系统架构如下图3所示。由于微功率无线水气热表仅通过电池供电且电池容量有限，若I型集中器直接和水气热表组建网状网络会消耗较高的能量，制约水气热表的使用寿命，因此应采用电能表（或I型采集器）内置通信模块作为网关，和周围无线水气热表形成星型网络的方案。此方案可实现对水气热表的数据转发功能，但水气热表无法实现实时在线通讯，只能采用唤醒的方式来延长使用寿命。

图3 I型集中器（全无线+半无线）四表合一示意图
3.2更换双模模块
此方案适用于两种场景。场景一为载波电能表+无线水气热表，此场景要求电能表和水气热表之间的距离较近；场景二为RS-485电能表+无线水气热表+I型载波采集器的场景。此场景要求I型采集器和水气热表之间的距离较近。
改造前用电信息采集系统架构如下图4所示，I型集中器通过电力线载波直接和电能表通信，或通过电力线载波和I型采集器通信，采集器通过RS-485和电能表通信。

图4 I型集中器（全载波或半载波）采集方式示意图
针对上述两种场景，可以将电能表（I型采集器）模块更换为微功率+载波的双模通信模块方式，使电能表（I型采集器）上行通过电力线载波和I型集中器通信，下行通过微功率无线和水气热表通信，上、下行信道独立运行。改造后四表合一系统架构如下图5所示。

图5 I型集中器（全载波或半载波）四表合一示意图
3.3增加通信接口转换器
此方案适用于电能表（RS-485）+水气热表（M-BUS或微功率无线）场景。此场景中电能表和水气热表的相对位置距离较远。
改造前用电信息系统架构如下图6所示。第一种是I型集中器通过载波或微功率无线和采集器通信，采集器通过RS-485和电能表通信；第二种是II型集中器通过RS-485和电能表通信。
图6 I型集中器（半载波、半无线）及II型集中器采集方式示意图
改造后四表合一采集系统架构如下图7所示，原有用电信息采集系统架构不变，同时新装或换装通信接口转换器。通信接口转换器型式外观和I型采集器相同，但弱电端子定义略有差异，具有上下行各一路RS-485及下行两路M-BUS。通信接口转换器下行可通过微功率无线或M-BUS和水气热表通信，上行通过微功率无线、电力线载波或RS-485和采集器通信。

图7 I型集中器（半载波、半无线）及II型集中器四表合一示意图
四、 四表合一技术方案配置表
如上所述，典型设计方案分三类，分别为方案一：升级无线模块；方案二：更换双模模块；方案三：增加通信接口转换器。基于典型设计方案，同时兼顾现场差异化的电水气热表相对位置和水气热表安装位置，形成了下述四表合一技术方案配置表。
表6 四表合一技术方案配置表
序号
电表通信方式
电表采集模式
水气热表通信方式
电水气热表相对位置
水气热表
安装位置
技术方案
具体改造方式
1
微功率无线
二段式（I型集中器+电表）
微功率无线
较近
户内
方案一
1.组建无线星型网
2.需加配外置天线
2
户外
方案一
1.组建无线星型网
2.可采用内置天线
3
较远
户内
方案三
1.组建无线网状网
2.需加配外置天线
4
户外
方案三
1.组建无线网状网
2.可采用内置天线
5
电力线载波
二段式（I型集中器+电表）
微功率无线
较近
户内
方案二
1.组建无线星型网
2.需加配外置天线
6
户外
方案二
1.组建无线星型网
2.可采用内置天线
7
较远
户内
方案三
1.组建无线网状网
2.需加配外置天线
8
户外
方案三
1.组建无线网状网
2.可采用内置天线
9
RS-485
二段式（II型集中器+电表）
微功率无线
/
户内
方案三
1.组建无线网状网
2.需加配外置天线
10
户外
方案三
1.组建无线网状网
2.可采用内置天线
11
三段式（I型集中器+II型采集器+电表）
/
户内
方案三
1.组建无线网状网
2.需加配外置天线
12
户外
方案三
1.组建无线网状网
2.可采用内置天线
13
三段式（I型集中器+I型无线采集器+电表）
较近
户内
方案一
1.组建无线星型网
2.需加配外置天线
14
户外
方案一
1.组建无线星型网
2.可采用内置天线
15
较远
户内
方案三
1.组建无线网状网
2.需加配外置天线
16
户外
方案三
1.组建无线网状网
2.可采用内置天线
17
三段式（I型集中器+I型载波采集器+电表）
较近
户内
方案二
1.组建无线星型网
2.需加配外置天线
18
户外
方案二
1.组建无线星型网
2.可采用内置天线
19
较远
户内
方案三
1.组建无线网状网
2.需加配外置天线
20
户外
方案三
1.组建无线网状网
2.可采用内置天线
21
微功率无线
二段式（I型集中器+电表）
M-BUS
/
户内
方案三
在户内安装M-BUS集线器
22
户外
方案三
在户外安装M-BUS集线器
23
电力线载波
二段式（I型集中器+电表）
M-BUS
/
户内
方案三
在户内安装M-BUS集线器
24
户外
方案三
在户外安装M-BUS集线器
25
RS-485
二段式（II型集中器+电表）
M-BUS
/
户内
方案三
在户内安装M-BUS集线器
26
户外
方案三
在户外安装M-BUS集线器
27
三段式（I型集中器+II型采集器+电表）
/
户内
方案三
在户内安装M-BUS集线器
28
户外
方案三
在户外安装M-BUS集线器
29
三段式（I型集中器+I型采集器+电表）
/
户内
方案三
在户内安装M-BUS集线器
30
户外
方案三
在户外安装M-BUS集线器

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