摘要：闸述了实行远程载波预付费系统的必要性及解决方案，对该系统的组成、主要功能、主台软件功能、集中器、电力载波预付费电能表进行了较为详细地介绍，并对今后上层通信方案的发展进行了展望。
关键词： 自动抄表；电力线载波；远程；预付费；多费率
1 实行电力载波远程分时预付费的必要性
中国城市供电网及农村供电网改造后，实行了一户一表，抄表到户，居民计量用表计数量成倍增加，尤其是在实行分时电价的城市，工作量在此基础上又增加了4倍以上。若继续采用传统人工挨家挨户抄取电能表数据，不仅耗费人工多、成本高、效率低，而且人为差错多，不但不能适应电力体制改革的要求，还直接阻碍了诸如分时电价运营、预支电费等先进管理模式的推行。随着技术与管理的进步，我国逐渐发展了集成电路(Integrate Circuit，IC)卡式预付费系统和自动抄表系统(Automatic Meter ReadingSystem，AMRS)。但从应用情况看，这两种系统还存在不少缺点，急待开发新的先进的系统以满足电力系统的需求。
1．1 1C卡式预付费
近几年来，为减轻人工抄表工作量并实行电费提前收缴，我国各地陆续装用了一些IC卡预付费电表，它们在使用中发生了一些技术质量、管理及法律等方面的问题。
IC卡式电能表在技术质量上存在的主要问题：①抗干扰能力脆弱，质量问题突出，特别是其开放的读写窗口易受外界攻击；②被攻击造成控制系统失效后难以取证认定，极易发生用电纠纷。③预购电量快用完前发生断电现象有违电力法规的规定；④价格高、寿命短、综合效益差且使用风险大；⑤窃电严重，有些用户私拉乱接长期不充值；⑥难以适应电价变动的要求，在电价调整时可能影响社会稳定。
IC卡式电能表在电能管理上也存在问题，使其难以满足电力营销管理改革的需要：①不能实时反映用户用电情况，无法计算损耗；②统计数据不准确，无法真实反映用户用电情况；③操作难以规范化，造成不明损失增加；④数据采集不及时，无法实时反映电力负荷状况，不能对用户行为进行有效监控。
1．2 电力载波自动抄表系统
自动抄表系统是将数据自动采集、传输和处理应用于电能供与用管理系统中的一项新技术。它从根本上克服了传统的人工抄表模式的弊端，给电能管理的现代化带来了新的希望。
寻求简单可靠的自动抄表方法，是仪表通信领域的重要研究内容。在通信媒体中，最受关注的还是电力线载波(PowerLine Carrier，PLC)通信，这是由于PLC线路遍布各地，从发电厂到各个居民家庭无所不至，不需重新布线，可以节省大量的人力物力。电力线载波通信是指将信息调制为高频信号后叠加在电力线路上进行通信的技术，在同一变压器区域下，一个集中器采集若干个采集器或电能表的数据，构成一个基于电力线的通信网。
利用低压电力线作为AMRS的底层数据通道，不仅运行成本低，而且非常经济，其优势在于：①电力线是属电力部门完全控制的通信信道，不必另外铺设通信信道；②电力线是所有住房和建筑物的基础设施，以电力线作为通信信道可大大节省铺设通信信道的投资；③几乎不需要维护或维护量极小；④以电力线为通信信道可以灵活地实现即插即用。
但是，利用低压电力线作为传输信道还存在许多技术难点：首先，电力线上的干扰非常大，特别是在用户线路上，如用户家用电器及开关电源等产生的高次谐波、各种用电设备通断时产生的瞬时脉冲干扰、各种大功率开关器件的开关产生的宽频谱驻波干扰等等；其次，不同地方的线路特性可能完全不同，所使用线路的种类及线路上的负载情况都会对高频信号在电力线上的传输特性产生很大的影响，即使是同一段电力线路，其传输特性也会随电力负载的变化而改变。国外虽然有较为成熟的低压电力线载波技术，但如果将其直接用于我国效果却不如人意，原因在于：我国对低压电器电磁兼容性的控制远没有西方发达国家严格，且对低压电力网上电磁污染的治理也很不得力，存在很大干扰，使其载波通信的质量受到严重影响；另外，用户负荷千变万化造成网络传输参数复杂且为时变，很难以准确的数学模型加以表征。因此，如何抑制干扰，提高通信的可靠性是利用低压电力线载波通信技术时首先必须考虑的问题，同时，努力提高通信设备的稳定性和适应不同线路的能力也非常重要。
1．3 解决方案
对于电力载波自动抄表系统中存在的问题，显然短期内很难从规范用户负荷特性、提高电磁兼容水平等方面来解决此类问题，可行的出路只能是寻找抗干扰能力强的载波方式以增加通信设备的电磁兼容能力。通过对各种低压电网进行测试获得大量数据，并设计专用软件来分析数据，我们研究出了表征我国低压电网通信的数学模型并取得专有技术，在此基础上制造出了独有的电力噪声发生设备和电力载波生产线。
为了帮助电网公司实现预收电费、反窃电等先进管理模式，采用独有的电力噪声发生设备和电力载波生产线，同时在AMRS基础上增加了电力载波预付费和多费率计量系统，我们研发成功了电力载波分时预付费系统。该系统既可通过电力线通信实现预收电费、远程切断电力供应／恢复电力供应、实时抄读用户用电状况等功能，又可避免IC卡预付费电表读写窗口易受外界攻击的缺点。
2 电力载波远程分时预付费系统
目前，电力载波远程分时预付费系统已安装近百万户，不必使用任何中继手段，即使电网被电磁污染到居民家用电器不能可靠工作的程度时该系统仍能实时通信，其实时抄表成功率平均可达99．80％，数据正确率平均可达99．99％。
2．1 系统组成
电力载波远程分时预付费系统主要由用电管理中心、集中器、电力载波预付费电表及通信信道组成。系统的通信采用分布式体系结构，这种体系结构分上下两层：用电管理中心与集中器之间为上层，上层数据的采集采用星型结构，即一个用电管理中心对多个集中器；集中器与电力载波预付费电表之间为底层，底层数据的采集采用电力线，它具有安装便利、可靠性高、安全性好、可维护性强的优点。电力载波远程分时预付费系统的组成见图1。
由于电话网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行数据通信是一个经济有效的方案。利用电话网通信只需在数据集中器和管理中心主机各加装调制解调器(Modem)即可，其通信速率可达2．4、9．6kbps甚至56kbps。主机对集中器的呼叫可通过拨号由交换机自动完成，大庆电力公司远程预付费系统中办公楼内用电管理中心与变电站处集中器之间的通信就是采用此方式，通信质量满足实用要求。
2．2 系统主要功能
(1)多费率。电能表按峰、平、谷及总电能分别计量、存储，上传和显示当前及上月总电能、峰电能、平电能、谷电能，上次余额，本次余额，本次追加金额，开关状态和窃电状态等数据。
(2)预付费即先购电后用电。用户购电后，供电部门可通过用电管理系统将购电量通过电力载波实时下载到用户的电表中去，用户电表自动与电表内的剩余电量累加。用户超过购电量用电，供电部门可通过用电计算机管理系统远距离控制切断对该用户的供电，重新交费购电后可恢复供电。用户足不出户，用电话、手机、信用卡等付费购电，通过身份确认及相应命令即可实现随时自动接通或断开电力供应。同样，供电公司安坐办公室也可实现对用户的电力控制。
(3)抄表。系统具备远方抄表功能及现场自动抄表功能，可抄读当前总电能、峰电能、平电能、谷电能，上月总电能、峰电能、平电能、谷电能，上次余额，本次余额，本次追加金额，开关状态和窃电状态等数据，并可抄读台区总表的电能。
(4)反窃电。系统具有防窃电、故障自诊断、提示窃电及记录窃电功能，具备异常用电的分析功能，通过对当前数据和历史数据、购电数据和用电数据等进行比较，过滤和分析异常用电，防范窃取电力。
(5)电能管理。系统具有防止非授权人操作和进入的措施，对已授权的操作员进行分级密码管理，整个远程分时预付费系统的操作权限分5级管理。
系统可实时冻结总表、分表电能，进行准确的线损分析。还具有强大的查询和报表功能，能综合查询系统的用户信息，并按规定格式的输出报表。
2．3 主台软件功能
主台软件是远程自动抄表系统的中心管理平台，主要实现数据管理、数据召读、费用结算、用户查询、切断电力供应／恢复电力供应等功能。该系统软件采用客户／服务器结构体系、模块化设计方法和Windows用户界面，因此，系统操作简便且易于扩展。用户通过管理平台可以建立抄表的信息档案，通过电话线(或光纤)与远方集中器连接可实现远程自动抄表、远程设置及校时，通过与掌上电脑相连可实现数据的下装与上报，通过管(1)抄表功能。能够实时抄录各用户的电表并自动保存抄录数据和抄表时间；能够按指定日期自动抄录各用户电表的表示数；能够保存各用户电表的表示数和抄表时间。
(2)设置功能。能够远方对集中器设置自动抄表日及校时；能够下载远方集中器所抄录的用户信息。
(3)系统操作指令。①抄指定表，抄某一块电能表的表示数；②抄表常数，抄某一块电能表的脉冲常数(脉冲常数是指每单位用电量所计的脉冲数)；③全抄实时表示数，集中器最近一次自动抄录的电表的表示数；④全抄零点表示数，每月自动抄表日的零点用户电表的表示数；⑤巡检电表，检测所有电能表的相序、是否使用中继器、电表常数、表地址下载后是否已抄表、集中器最近一次自动抄表是否成功等信息；⑥检测集中器参数，集中器参数含有集中器编号、当前日期与时间、集中器所存储的仪表数量、集中器的设置锁定日期、分时功能起动日期、当前时段指针、5个时段的时间、主台和抄表机的抄表和设置日期、操作员工号、集中器运行状态(指上午、下午、全天集中器自动抄表等)、版本号等；⑦全抄上月零点数，前一月自动抄表日的零点所有表(电能表、水表、煤气表)的表示数；⑧设置时钟，将当前的准确时间设置到集中器，即对集中器进行校时；⑨设置时段，集中器每天可以分成5时段进行抄表工作，5个时段的起始时间可自行设定，将理平台可以查询、分析和打印抄表数据，并且可以与客户MIS系统接口完全实现自动抄表收费的全过程。软件界面5个时段的起始时间设置到集中器中后，到规定的时间段时，集中器会自动抄表并存贮抄表数据；⑩设置分时起动日，集中器进行分时抄表工作的开始时间，在分时启动日之前，集中器每天只在零点进行抄表，在分时启动日之后，集中器将开始分时抄表；⑾设置编号锁定日，设置集中器编号以及设置锁定日(锁定日指在此日之前集中器可以换行设置命令，在此日之后集中器禁止换行设置命令)；⑿设置自动抄表日，设置集中器冻结历史数据的时间，在自动抄表日的零点，集中器自动抄表并冻结数据；⒀设置集中器工作方式，集中器的工作方式分为天抄表方式、不抄表方式、上午抄表方式、下午抄表方式几种；⒁单表下载，将指定表的通信地址码等信息下载至集中器中；⒂表址下载，将集中器所要抄读表计的通信地址码等信息下载到集中器中。
(4)与抄表机接口。它是主台系统与手持抄表机进行数据交换的程序模块，其功能是将需要抄表的用户表信息下装到抄表机中，待抄表机抄表后再将抄表数据上报到主台数据库中进行数据管理。
(5)用户费用结算和查询。该系统为客户提供了自动抄表的完整解决方案，包括远程抄表、远程通断、费用结算、费用统计、开票和费用查询等功能。该系统还可与任何数据库接口，其本身带有标准的Access数据库接口，还可以根据用户的需要，将所需数据存贮到使用单位的MIS系统中。
(6)系统巡测。随时能巡测并掌握所有用户采集模块与集中器间的通信状态以及表的异常情况，能够记录抄录电能表的时间，并能巡测电能表运行状态，实时反映该系统的运行状况。
(7)维护功能。系统能够记录抄录各用户电表的表示数时间；连续48 h抄录用户表不成功将报警；系统能够自动判别各用户所在的相线即自动识别相序；系统通信信道出现故障时能够报警，提示处理等。
2．4 集中器
集中器是实现远程集中抄表的必备设备，它能集中抄读所在台区的电表数据并进行储存，同时能和主站进行数据交换，通常采用三相供电。
集中器的主要功能：①多种接口，设有RS232和RJ45接 口，RS232接口与手持抄表器或计算机直接交数据，RJ45接 口可通过电话网与后台系统交换数据，也可考虑增设485接口以便与其他电力设备交换数据；②设置参数，可由后台系统或掌上电脑进行设置，包括数据库表号、时钟、时段、冻结抄表时间、自动周期抄表日、中继参数以及启动抄读、停止抄读状态参数等；③抄读数据，集中器在抄表时段内集中抄读台区电表数据；④存储数据，集中器将抄读的数据存储起来，最多可以存储31次数据；⑤中继功能，集中器能够依据学习结果自动启用中继，实现中继抄表；⑥冻结功能，集中器能够依据后台设置对台区电表进行冻结抄表；⑦远程监控，支持后台系统远程实时监控电表，对电表情况进行分析；⑧自诊断功能，可自动进行系统检测，发现异常即进行记录和报警；⑨智能化，具备记忆与感知电网结构的智能，对抄读结果自行分析与自我学习，一旦某只电表直接抄读不成功，能够通过学习结果迅速选择合适的中继电表实现中继抄读，且随着学习过程的进行会越来越好用；⑩掉电保护，集中器数据的停电保存期为30年；⑩容量，一般的集中器可容纳1 000只电表，根据实际应用要求管理不同数量的电表。
2．5 电能表
电力载波预付费电能表是一种采用了大规模集成电路、专用载波模块、高性能CPU和RTC时钟芯片，可按峰、谷、平时段累计计量交流有功电能和需量，并实现了远程预付费的新型高性能电能表，其原理框图见图3。计量组件实现电能数据采集和窃电检测，电力线载波模块实现电能数据传送和控制；主控单元实现预付电费不同时段的自动计算和扣除；控制电路根据电费余额自动实现通断，限定用电的最大负荷，实行超负荷自动断电。
上层通信方案展望
上层通信系统是以安装在供电公司管理中心的系统工作站为中心点，通过通信信道与分散于各台变的集中器连接所形成的1对N连接形式的系统。在这种方式下，信道的通信数据量较大，要求有一定的传输速率和带宽。目前，信道以电话线路为主，随着电网公司信道的发展，光纤、无线和GSM／GPRS将被大量应用到远程预付费系统中。
3．1 光纤通信
光纤通信具有很多优点，如频带宽、传输速率高、传输距离远以及高抗干扰性等，非常适合上层通信网的要求，且光纤本身的特性特别适合于星型连接。在中国一些发达省份，电网公司的光纤线路已铺设到了配电变压器处，远程预付费系统可借用它实现上层通信。
3．2无线通信网
在集中器范围广、布局分散的情况下利用无线电波进行无线数据通信是一种较好的选择。其特点是传输频带较宽、通信容量较大(可达几千台)、通信距离长(一般几十千米，还可通过中继站延伸到更远)。在进行通信时，管理中心主机控制无线电台发出呼叫命令，各集中器收到命令后进行地址对比，如正确则发出应答信号，完成数据链路的建立，然后进行数通信。使用这种通信方式，安装调试方便，主要缺点是需申请频点使用权，如果频率点选择不合理，相邻两个信道会产生相互干扰。远程预付费系统可利用已有的电力负荷管理的无线信道实现上层通信。
3．3 基于移动无线网络的抄表系统
移动通信发展方向将是CDMA，信道富余的GSM／GPRS将被用于AMRS。
目前，蜂窝移动无线网(GSM)覆盖面几乎遍及全国，因此，构建这种抄表系统时完全可以利用现成的GSM无线网络而不必重新建设新的基站。基于移动无线网络的抄表系统必须在管理中心和采集器中加装无线通信模块，由于这种无线通信模块(其实就是无键盘、无显示屏的手机)结构简单、控制容易，用电管理中心与各个采集器都装有这种无线通信模块，它们之间的通信是通过拨号或以短消息SMS的模式接入GSM网来进行传数据、下达命令。
4 结束语
该系统不仅具有用电预付费的功能，同时还能按不同的用电时间收费，既解决了用电收费难的问 题又可以鼓励用户在用电低峰期间用电以调节电网负荷，既可充分利用资源，又方便了用户，是一种理想的高性价比的产品。
