利用居民供电网络实现远程自动抄表的制作方法

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背景技术：
]目前较普遍的方法是通过用户操作采用插卡对水、电、气等仪表数据进行计量。该方法不足之处，除了需要较多的人力资源外，主要是不能在远程获知任意时刻用户的仪表数据，也不能获知在任何时段内小区的个体或整体关于仪表数据总量的变化信息。最后这一点，对于有关供给部门来说，可能更为重要。

关于抄表业务，目前看来有以下几种情况：

(1)在某些部门，如煤气公司，为了使操作人员无需进入用户室内抄表，在煤气表中安装微功耗高频发送、接收单元，这样操作人员在室外廊道中即可获取某一用户的仪表数据。

(2)有些公司研制用红外线发送、接收数据的方法解决居民区用户的远程电力抄表问题，它在普及应用上会存在以下问题：第一，在室外红外线传输的路径上不能有雨、雾、雪、沙尘暴、障碍物等，否则红外线将受阻或反射，必定会造成数据接收的差错(这里不适用于多次测量取平均值)。第二，红外线是直线传输，对于不同住宅楼，不同用户门栋均需要安装很多红外线转发、转接单元，才能将有关用户仪表信息送到居民区的中心控制站(主站)中。为了避免在传输路径上可能出现的周围建筑物意外反射波干扰，在安装的位置、高度方面均有特殊要求。但即便如此，也很难保证接收的可靠性(例如，有飞鸟在路径中飞过时，同样会影响接收的准确性)。可以说，不论是一般数据的传输，还是视频信号的传输，都比一般红外摄像的要求还要严格。当大量用户的仪表数据需要多次转接、转发时，也必须要考虑上述所存在的情况。

(3)有些单位或公司正在研究利用光纤网络实现大范围的远程电力抄表业务，方案是利用集中器和采集器(简称集采器)进行抄表。其下行为电力系统标准采集用户仪表数据，通过网线与光网络单元(ONU)相连，再由集中器接入光纤线路终端(OLT)，OLT上行到汇聚设备，上行有GPRS(通过利用GSM网络中未使用的时隙TDMA通道)、网线等，用于网络传输。集采器用户仪表的IP地址将由电力系统专业人员通过特殊的仪表手动配置设计到集采器中。

为了满足全业务接入网技术规范，集采器核心内层只能采用异步传输的帧结构模式(ATM)，再利用无源光网络技术(PON)，统称APON网络技术。它适用于点到多点的应用场合，从用户端仪表数据被集采器录入后，所有集采器接入光纤线路终端，由此上行到虚拟专用网(VPN)的中心站。该方案中，在APON内核的外层需包有两层或三层VPN的汇聚设备，这里必须涉及到数目相当庞大的ARP(地址解析协议下目标设备的IP地址)表和MAC(媒质访问控制协议下，通常烧录在网卡“NIC”里的硬件地址)表。而各层，各干路设备都要具备这种性能，以便进行标签交换。如果设计是两层VPN，则在较长距离时，这种纯二层链路是不太稳定的。为了解决上述问题，可采用设计三层VPN，这时由于所有接入层的汇聚设备都要支持三层的VPN，则要求这些汇聚设备具备更高的性能。这样，不仅进一步增加了设备的成本代价，而且随着汇聚层次的增加，风险也随着增大。总之，上述有关专线业务承载方案尚在规划、分析、试验中。

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技术实现要素：
]利用居民区的供电网络远程读取或存储用户的水、电、气等仪表的BCD码数据，实现火线抄表，操作人员无需进入各幢楼房就能读取和记录数据(该装置的组成框图如说明书附图图一所示)。

一、抄表装置中各部件功能说明

该装置由主站、用户站及用户地址盒(简称“地址盒”)三部分组成，主站和用户站的数据显示和地址数目均是四位十进制数码(可抄录9999个用户的仪表数据)，增加码位数目也不会影响其性能。

主站：当按下主站发送按钮发送相关指令信息，用户站接收到该指令信息后，进行解调、判断，并将相应地址码的仪表数据发送回主站，由主站显示或存储。该装置每启动一次，只能对一个指定的地址码用户进行读取或记录，若想启动一次，连续对多个用户地址码依次进行读取或记录，可另加硬件或软件来实现。

用户站：既可发送自身地址码相应的用户数据到主站，又可发送与其相连的地址盒中所对应地址码用户的数据到主站。(注：每个用户站可带动约50个地址盒)。

用户地址盒：它含有地址码信息，一个用户对应一个地址盒，当地址盒接收到用户站送入的已解调的主站指令信息后，进行判断，若与自身地址码等相关信息一致，则由时序控制电路启动用户站的发送系统，将相应用户仪表数据由用户站发送给主站。

用户站中的接收解码电路，输出发送电路，时钟形成电路以及电源等相关电路与地址盒共享。

主站和用户站的静态功耗均不超过1.8W，即月耗电量约为1.3个字。用户地址盒的静态功耗小于10mW，体积约为10cm*8cm*2.5cm。

以满负荷360KW的供电小区为参照对象，该装置输出到火线上的功率大于6W。

二、抄表装置的结构说明

1、主站装置的前面板上安排有4位十进制数的用户地址预置开关组、4位十进制数据的液晶显示器以及主站发送指令的启动按钮。

2、用户站中分别安排有4位十进制用户地址的预置开关组以及4位十进制用户数据码预置开关组(这里是为了便于测试和检验，在实际应用中，一个用户站，只需要分别预置一组4位十进制数码即可)。

3、地址盒中安排有唯一的4位十进制地址码数据，其外部一侧和用户仪表的BCD码数据线相连，另一侧与用户站的有关功能线相连。在其内部，它含有判断电路、时序控制电路以及能独立启动用户站发送单元工作的指令电路等。

4、用户仪表数据到地址盒之间的数据线长度并无限制，因数据线上是“0”或“1”的直流电平，故可以很方便地克服高频干扰。

5、地址盒到用户站的距离，原则上也无限制，因为它们之间的连线中，除了电源引线外，其余连线都属于基带范围内频率相当低的信号线，而且都是由低阻(跟随器)输出向高阻(CMOS器件)输入端送信号，基本无衰减，也不易被高频干扰。若距离很长时，为以防万一，也可用屏蔽线代替。

三、采用CDMA制式是实现火线抄表的合理选择

实现火线抄表与抄表的数量、设备静态功耗、抄表所要达到的距离、设备的成本、可靠性等因素均有关，下面将对信号传送制式进行说明：

1.采用CDMA方式，可实现接收和发送之间的指令应答。由于平时只有前置接收电路处于工作状态，故可以实现极低的静态功耗。

2.要实现火线抄表就要设置较低的主频，但在载波通讯中，为了便于解调，往往要求主频必须高于被传送的基带信号带宽数十倍以上，即便采用CDMA方式，在有线传送数码信息时也不例外。CDMA制式属于码分多址，当主频和基带信号带宽确定后，就能最大限度地实现多路数字信息的传送要求，而又不会增加主信道的带宽。

这里所讨论的火线抄表场合要求所选取的主频应远低于60Kc(理由在后文中有论述)，这一点对多用户抄表采用CDMA制式也是最适合的，其它传输制式是不可能做到的。当然由于主频很低，火线电压220V对收、发信号的干扰以及对设备破坏的危险性也将进一步增大，相应地在电路方面也会遇到一些需要克服的难点(后文也有说明)。

3.CDMA方式传送数码信息具有高可靠性

这是由CDMA方式中三种互相联系的电路结构保证的，它们分别是：

(a)收发电路中必须设立时钟：接收端利用锁相电路使自身时钟相位被锁定在发送端的时钟相位上，同时还要求所恢复的同步时钟的相位抖动和码宽之间的关系满足在一定的范围内，这是可靠接收数码信息和应答指令的必要条件。

(b)接收电路中必须设计好阈值电平，保证平时信道中的最大干扰电平不会超过该阈值电平，这是避免误码接收的重要条件.

(c)在CDMA通讯中，除了发送识别码、信息码、地址码外，还必须发送相关的自检码(也称校验码或纠错码)，以避免传输信道中出现特强干扰脉冲(幅值大于所设定的阈值电平)而引起的错码误收。当自检系统发现有误码，但误码又超出自身纠错的范围时，接收系统就会发出拒接指令，这就保证了在特强干扰脉冲出现时，系统也不会出现误收的危险。

早先在数字通信中，错码误收的概率在百万分之一左右，而CDMA方式的错码误收概率比上述数值还要低。而由于该方式的可靠性极高，故它的应用也越来越广泛。

上述情况说明：火线抄表采用CDMA方式是合适的。

四、主频选择远低于60Kc是实现低成本火线抄表的充分必要条件

火线供电网络属于平行双线输送电能结构，为了不出现驻波，且可看作是“短线”，其前提条件是：线长l应小于λ/8，这里λ是信号频率的波长，它是信号传输频率上限选择的依据。对于火线抄表而言，传输距离要求主频应选在60Kc以下，但是该频率的选择限制并不是实现低成本火线抄表的充分条件，仅是必要条件。

实际上当火线满负荷运行时，等效有载电阻极低，又因该电阻与火线上的分布电感L是串联关系，故当主频在60Kc时，相应感抗导致信号被衰减变得极为严重，这就迫使主频选择必须远低于上述值才能减弱因感抗而引起的不良后果。

为便于分析计算，现列出平行导体传输线的分布参数r、L和C的计算公式和等效电路图(见说明书附图图二)，式中r是传输信号频率因趋肤效应而引起的附加电阻，它是频率的函数，频率越低，数值越小。

下面将以360千瓦供电小区作为参照对象，并假定主频为30Kc，对该问题进行分析：

说明书附图图三所示的供电网络，为简便，图中的三相四线制供电网络只画出其中一相，并按四幢多层楼房对称分布，居民用电满负荷时，每相火线应提供120千瓦的功率，相应线电流约为550A。通常，根据直径粗细不同，供电网络分为一级、二级和三级干线电缆，一级干线铜芯横截面积为150mm²左右，能承受550A的电流；二级干线铜芯截面积为70mm²左右；三级干线铜芯截面积为35mm²左右。相应铜芯圆直径(2a)分别为14mm、9.5mm、和6.7mm。按通常情况考虑，火线“L”和O线“N”之间的距离d的数值分别为20cm、15cm和10cm。

为便于计算比较，现按照说明书附图图二所示的等效参数公式将一级、二级、三级干线各自的参数值分别列于表一中：

表一三种干线相关参数值

按照说明书附图图三可画出主频在30Kc时的感抗等效电路，如说明书附图图四所示。由于分布参数r、c以及直流铜线电阻R_O对信号传输引起的衰减相比L的感抗来说要小的多，故图四中仅列出分布参数L各路径线段的感抗等效电路。

在图四中假定小区为多层住宅共16个单元，D1、D2、D3、D4为各单元门栋端口，当满负荷时(以下讨论均以满负荷为前提)，每相线提供120KW的功率，折算到各单元门栋，每相线负荷为7.5KW，故D1、D2、D3、D4各端口处的等效负荷电阻R_L’≈6.5Ω，各线段的感抗值分别标注在该图相应的位置处。而主站和用户站的位置分别安置在图中G、H及D4端口处。下面讨论当主频为30Kc时，两者之间信号传输衰减的情况。这里要指出的是：图四中的一级干线长度原则上不受限制，因为从图中A、B端向50Hz的稳频电源E、F端方向看去，并无耗能设备，与外负荷相比可看作高感抗内阻，故在主站和用户站之间的信号传输路径中，一级干线在A、B处的分流无需考虑。

图四的等效电路属于线性网络结构，可按复阻抗的计算方法进行计算：当D4端口用户站发出的信号U_Id4传送到G、H端口U_OGH被主站接收时，经计算其衰减系数U_OGH/U_id4≈0.013，相当于信号被衰减了76倍。若系统能接收到的最小电平为0.3V，则在D4端口用户站的输出电压需要达到23V；而按照图四的等效电路，则D4端口电路的阻抗模值约为4.3Ω。这就要求用户站发送的功率应在120W的量级上，显然对众多用户站来说，对设备的体积、成本、功耗等方面考虑是绝对不可行的。

接下来讨论从主站发送信号到D4端口的衰减情况：在图四中主站发送信号抵达C、D端口处，并无明显衰减。因为该线路中的分布电感L₂₁、L₂₂完全可归入到主站输出电路中作为串联调谐电感的一部分，只要主站位置确定后，就可以利用相关监测设备调谐到主频上，这样L₂₁、L₂₂对信号的衰减就无太大的影响。主要的衰减将出现在从C、D端口到达D4端口这段路程上，经计算其衰减约为21倍，明显小于从用户站发送到主站的衰减，这是上述实地调谐导致的结果。

那么用户站能否像主站那样在安装时进行现场调谐呢？答案是：很难做到，而且也不现实。因为众多用户站在供电网络中的位置各不相同，信号传送路程的长短也有很大差异，且各用户站的位置在一定的范围内应允许根据安装需要而变动，不适合也不可能单独进行逐个调整，这一点与主站情况不能相比。

综上所述，为进一步减弱火线上的分布电感对抄表信号传输过程中的严重衰减，必须进一步降低主频，才能改善严重衰减的情况。下面讨论主频下降至10Kc时的衰减情况：

同样根据图四，按照10Kc时的有关分布电感参数，可画出如说明书附图图五所示的感抗等效电路，用同样的方法可计算出用户站从D4端口发送信号至主站G、H端口的衰减系数：U_OGH/U_ID4≈0.044，衰减约23倍；主站接收最小幅度仍按0.3V计算，用户站在D4端口的信号幅度应达6.8V以上。此时，D4端口的阻抗模值约为2.9Ω，即：所需发送到火线上的功率应在16W的量级上。从表面上看，该结果从电路技术方面考虑尚不存在难以克服的障碍，但是从总体信号传输状态考虑仍然行不通，因为前面的分析讨论都未涉及到另一关键技术问题，即：发送端的输出信号源不仅是一个具有接近理想的电阻性恒压源，而且在输出端又必须存在L、C串谐电路，这样一方面保证将自身的信号功率发送到火线上，同时又能避免火线上220V电压对自身设备的破坏作用。这里，信号源是电阻性外加串谐电路的恒压源，信号在居民供电网络中传送时，当主频为10Kc时，这种失谐仍然比较严重；通过最佳参数设计和模拟实验均可发现其失谐程度不在带宽范围内，这同样会使信源输出到火线上的功率大打折扣。所以，为保证主站能正常接收，用户站发出的功率必须远大于16瓦。由此，主频下降到10Kc仍然不可取。

最后，将讨论主频下降到2Kc时供电网络对信号的衰减情况(本抄表装置的主站和用户站采用的最高主频是1.9Kc)。参照图五的电路结构可画出主频是2Kc的等效电路，如说明书附图图六所示：当D4端口的用户站发出的信号U_id4传送到G、H端口被主站接收时，按复阻抗计算方法可得衰减系数U_OGH/U_id4≈0.134，相当于信号被衰减了7.46倍。按系统能接收到的最小电平为0.3V计算，在D4端口用户站输出电压需要达到2.24V，根据图六的等效电路，可计算出D4端口的阻抗模值约为1.61(Ω)，此时，发送功率需达到3.2瓦，这在电路技术和设备上来讲均是可行的；且按照2Kc的主频，信源输出电路在供电网络中的失谐仍在通带范围之内，这是由于L、C串谐电路中的电感L比网络中的分布电感大数个量级造成的，模拟试验也证实了这点，这就保证了主站和用户站之间可靠地发送和接收信号。

根据上述不同主频在供电网络中的衰减情况分析，可知：为获得低成本的火线抄表，作为关键参数的主频选择必须在2Kc或更低。

五、采用极低的主频必须在电路上解决的几个问题

1.火线作为传输信息的特殊介质是连接在设备的输入和输出端上，主频越低，火线电压越容易对设备中的元器件造成串扰和破坏，在电路上应绝对保证设备的安全和可靠。

2.被传送的数码信号的强度比火线上干扰信号的强度要小数百倍，且主频越低，对接收电路来说，交流干扰信号越不易被排除。故又引出以下几点相互制约的电路要求：(a)输入电路仍然要保证在该强干扰的信道中有较高的接收灵敏度，否则就要提高发送功率，而这又会引起整体设备的复杂化。(b)接收系统为了滤除信道中的强干扰信号，通常要有多级滤波和放大电路，这就涉及到必须保证接收解调电路的稳定性，而在电路结构方面应有特殊的设计。(c)接收电路属于前置电源供电系统，始终处于耗电的工作状态，要保证耗电在许可的范围之内，这与设备的整体静态功耗大小有直接关系，这就要求接收电路本身不易过于庞大和复杂化。(d)在强干扰信号存在的前提下，接收电路的前置电路到阀值电平控制电路之前，绝不允许出现交调干扰，否则无法实现可靠解调。

3.发送端口L、C串谐电路直接与火线相连，在主频很低时，L、C数值需要相应增大，但为了保证输出端电路的安全性，C的增大是受限的，只有尽可能地增大L，这样又容易使串谐电路的Q值增高，从而导致脉码波形拖尾比较严重，即：通常所说的码间干扰，它会产生接收重码的现象(信号“1；0”接收为“1；1”)。此时又不允许人为加大串谐电路自身的损耗，否则会严重降低输送到火线上的信号功率，这就需要采取适当的电路措施来解决。

4.发送端口的串谐L、C元件中，电容C在瞬时接入火线时，容抗接近为零(短路)，此时火线瞬时电压最大幅值可达300V以上，对输出电路将造成极大危害，必须采取有效电路措施予以解决。

5.火线上的等效负载电阻是随用电负荷变化而变化的，这就要求设备的输出电路能适应这种变化的负载。

上述问题只有通过相关电路解决后，才能真正实现CDMA方式下的火线抄表。

附图说明

图1是“火线抄表装置的组成框图”。

图2是“平行传输线及其等效电路图”。

图3是“居民小区供电网络示意图”。

图4是“火线网络在主频为30Kc时的感抗等效电路图”。

图5是“主频为10Kc时只考虑分布电感的等效电路图”。

图6是“主频为2Kc时只考虑分布电感的等效电路图”。

[解决的关键技术]从上面一系列说明可知：火线抄表主频fO的选取是最关键的技术参数，否则将无法实现低成本的火线自动抄表。本装置采用的主频是1.9Kc。

[装置的实施]该装置的实施有如下一些特点：

1.生产工艺简单：因主站和用户站的电路结构完全相同，而地址盒中的电路和主站、用户站中相应电路也基本相同，只需自制一套专门的调试设备即可(这在研制过程中已设计定型)，故工序简单，调试容易。

2.安装灵活方便：主站、用户站和地址盒对安装均无特殊要求(可允许在远离用户端的位置安装)，只要主站和用户站处于同一相火线上；地址盒将用户仪表的数据线引出即可。对于水、电、气的抄表业务均可用同样的装置实现，无须外加其它任何设备，故该装置在安装使用时是很灵活方便的。

3.抗干扰能力强：由于在电路输入、输出端已采用特定的电路防止火线上的强干扰，故该装置无须再进行整体屏蔽，只有时钟形成电路需要屏蔽，以防内部干扰，从而使整个系统具有较强的抗干扰能力。

4.高可靠性：一方面CDMA制式本身提供了高可靠性；另一方面又采用了适当的电路措施保证CDMA制式可靠地运行在火线抄表网络中。

5.低成本：装置中的所有元器件在国内电子商场均可买到。由于电子器件工作频率极低，对频率特性又无特殊要求，从而使得元器件成本降低；再加上工作时间极短，静态功耗也很低，无须购买散热片及通风器件，这进一步降低了生产成本。另外，一个用户站还可带动多个地址盒，这样每个单元门栋内同一楼层用户或上下楼层用户可共用一个用户站，这大大减少了用户站的数量，从而使生产成本进一步大幅度降低。

[装置的展望]

1.该装置从体积、重量上考虑还有很大缩小空间，如：现有的电子电路均用小规模集成器件组装，今后可采用中规模以上集成电路制作，以减小现有体积；电源系统目前采用的硅钢片铁芯变压器，以后考虑用电子变压器来代替会进一步减小其体积和重量。

2.关于用户仪表中BCD码数据线引出的问题：对于电表，目前已采用电子式十进制数码显示，这样只需生产厂家引出BCD码数据线即可。而对于水表和煤气表，由于它们本身的物理特性，故还须将其转换成BCD码数据线引出表外；其它如环境恶劣或不宜人工抄表的场合，只要有电源线均有望用此装置进行监测。

3.本装置成本生产低廉、简单，安装方便灵活，可靠性高，抗干扰性强，适合大范围推广应用。

注：抄表装置选择的最高主频可进一步降低到1Kc左右，发送到火线上的功率也可再增加1倍，这在电路技术上不存在任何困难。

附图说明

图1是“火线抄表装置的组成框图”，该装置由主站、用户站及用户地址盒(简称“地址盒”)三部分组成，主站和用户站的数据显示和地址数目均是四位十进制数码(可抄录9999个用户的仪表数据)，增加码位数目也不会影响其性能。

图2是“平行传输线及其等效电路”，式中r是传输信号频率因趋肤效应而引起的附加电阻，它是频率的函数，频率越低，数值越小；L是平行传输线每米长度的电感值，与外负载r是串联关系；C是平行传输线每米长度的电容值，与外负载r是并联关系。

图3是“居民小区供电网络示意图”，按照50Hz，360Kw的稳频供电电源供给4幢多层结构的居民楼房，并假定它们相对于主干线A、B两点为对称安置，各路径距离以图中标注为准，其中主站和用户站的距离半径是245米。

图4是“依照图3火线网络在30Kc时的感抗等效电路”，根据表一中有关参数值，并按照图4各干线路径尺寸，可计算出各线段电阻、电感和电容值。通过计算可知：分布参数r、c以及直流铜线电阻R₀对信号传输引起的衰减相比L的感抗来说要小的多，故图4中仅列出分布参数L各路径线段的感抗等效电路。

图5是“依照图4，当主频为10Kc时只考虑分布电感的等效电路图”，由于等效电路的位置、结构和图4相同，故只需将图4中各路段的感抗值jwL改换成主频为10Kc时的感抗值即可。

图6是“按照图5，当主频是2Kc时只考虑分布电感的等效电路图”，由于等效电路的位置结构和图5相同，故只需将图5中各路段的感抗值jwL改换成主频为2Kc时的感抗值即可。