無線抄表系統在電力管理中的應用探討

摘要：針對廠區電力管理系統中抄表工作存在的種種問題，討論了一種基于ZigBee協議的無線網絡遠程抄表系統，并經過實驗證明了該系統的可行性與準確性。隨著此系統的應用，不僅可以提高電力管理部門的靈活性與時效性，而且實現了電能的信息化管理。

關鍵詞：無線抄表；ZigBee；智能電網；電力管理信息系統

作者簡介：王愛民（1971-），男，天津人，凌云工業股份有限公司上海分公司，工程師；劉俊強（1970-），男，河北邯鄲人，凌云工業股份有限公司上海分公司，工程師。（上海 200000）

中圖分類號：F274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0215-02

隨著計算機技術的飛速發展，通信技術的不斷提高，計算機在電力行業各個領域得到了廣泛的應用，并越來越普及。在我國，幾乎每個地區的電力部門都已實現了用電收費管理自動化。并且隨著現代企業管理改善和效率提升等需求的發展，需要對大型設備和設施的運行狀況進行準確實時的監控，制定和執行準確的維修和巡檢計劃，實時采集設備、設施的能耗數據，確保設備安全，控制和降低維修成本等，這樣就使得傳統人工抄表方式存在的問題就更加突出，抄表困難也成為各電力部門管理上的主要問題。

一、現存缺陷

引發以上問題的原因主要可歸結為以下幾點：

1.巡查時間長

隨著廠區規模的增大，廠區內配電設備的增多，抄表人員進行一次巡查抄表的時間也在增加。

2.人工數據存在誤差

傳統的人工抄表不僅效率低，易出差錯，且人為抄表不可能在同一時間讀取所有電能表的讀數，無法進行電能的精確計算。

3.電量考核滯后

由于采用人工抄表，抄表數據實時性差，使得企業各部門電量考核滯后，給能源管理帶來負面問題。

4.各管理部門負擔較重

抄表率低、周期長、統計速度慢等嚴重影響了這些部門的經濟效益。

5.管理費用開支過高

隨著配電設備越來越多，所需的手動抄表的管理人員和操作人員也要相應增多，這勢必會嚴重制約著企業的發展。

二、解決方案

基于上述種種原因，并適應智能電網[1]和當前的電網電力管理信息系統（MIS）[2]建設的迫切要求，集抄系統無疑是電力管理信息化的一個重要部分，而且其先天的優勢也得到很多人的認可。但是理想和現實存在一定差距，目前的集抄系統絕大多數屬于有線的集抄方案，該方案的應用不容樂觀，甚至很多企業電力管理部門將其視為一塊“心病”，92%以上的抄表成功率對于現實而言意義也不大，抄表人員還要為沒有成功得到讀表數據的電能表進行人工抄表。此外，有線的抄表系統投資成本巨大，加上硬件設施，一個中小規模的廠區也要十萬元以上，且施工周期長，需要和很多部門例如市政、自來水、煤氣、電信等協調，至少需要1至2個月的工期，同時由于線纜是埋入地下，讓故障修復變得不可控制，維護壓力巨大。當然其他還有些方案，例如自帶采集功能的載波電表等方案，但是都因為成本、技術和實施問題未得到很好的推廣。很多企業的電力管理部門要求抄表工作不僅僅是抄回表碼，還要關注電能表的現場情況，例如是否有偷電現象、電能表燒毀、電能表損壞等。

近年來，隨著無線通信技術的發展，抄表行業出現了基于GSM、GPRS等收費使用頻段，以及基于紅外、藍牙、ZigBee技術等免使用頻段的無線抄表方式。前一種基于GSM、GPRS等收費使用頻段的方式穩定性較好，但需要按實際使用流量收費，且工作頻段高峰期擁擠，實時性較差，而后一種基于紅外、藍牙、ZigBee技術等免使用頻段的方式費用低，實時性好。本文采用一種基于ZigBee的無線抄表系統方案，可以實現企業抄表系統的遠程智能化管理。

三、系統構成

一般來講，無線抄表系統[3]的構建主要是無線網絡的構建，無線抄表系統分為三個部分：數據采集部分、無線組網部分和數據管理部分，可由電表集抄中心、智能電表、無線傳感器網絡、公網等構成，形成多層分布式結構。本文所使用的無線抄表系統總體結構如圖1所示。

廠房每層樓的電表經RS-485總線與本層的采集器相連，采集的電表數據經過采集器收集后由本廠房的路由設備將其匯總并發出，不同廠房之間的路由設備經過無線網絡協議組成一種網狀廠區無線網絡。對于廠區這種實際工業環境，由于地形、干擾等種種因素的影響，不能實時保證網絡中每條通道的可行性，采用這種網狀無線網絡，當某條通道出現暫時性問題時，通過其他路徑仍可以達到目的地，從而保證了數據傳輸的可靠性。網絡中的所有電表數據經過集中器的整理，通過GPRS公網發送給集抄中心。集抄中心接收到數據后進行電表數據的記錄以及費用的核算。

廠區網狀無線網絡協議采用免費頻段的ZigBee協議。ZigBee[4]協議是一種可靠的無線傳輸網絡協議，與GSM和CDMA類似。ZigBee的無線傳輸模塊的作用類似于移動網絡的基站，通訊距離適中，而且可以根據實際的需要無限擴展網絡規模。和GSM與GPRS兩種常用的網絡協議相比，其不同之處是此種網絡出現最初的目的是解決工業生產自動化中控制數據的傳輸問題，從實際出發具有使用方便、傳輸可靠、價格低廉等顯著特點。其自2001年出現以來得到工業界的廣泛關注，并得到迅速發展。時至今日，ZigBee協議已成為一種世界認可的標準網絡連接協議，其優勢也在不斷擴展。

1.低功耗

由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其他無線設備望塵莫及的。

2.成本低

ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

3.時延短

通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業控制場合等）應用。

4.網絡容量大

一個星型結構的Zigbee網絡最多可以容納254個從設備和1個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡，而且網絡組成靈活。

5.可靠

采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

6.安全

ZigBee提供了基于循環冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

因此采用ZigBee協議作為本無線抄表系統網絡協議，在廠區分散環境下，可以在較小的投入下得到更好的效果。并且采用以上無線抄表系統不僅符合智能電網和當前的電網電力管理信息系統（MIS）的建設的要求，而且可以大幅度提高工作效率，降低管理核算部門的管理難度，更有助于企業的長期穩定發展。

四、應用效果

為確保本系統的可行性與準確性，隨機抽取本企業一個廠區中不同分布的五臺電能表進行統計實驗，并與經抄表人員人工抄表的數據進行對比。對比數據如表1所示。

由上表所示，使用本文所述的無線抄表系統，抄表準確率可達到99.99%。同時由于采用了無線抄表系統，滿足了企業的實時性需求，實時掌握企業各部門的電能消耗，使得電量考核數據更加精確，驗證了本系統可行性與準確性。

五、結束語

隨著無線通信網絡技術的迅速、蓬勃發展，基于無線網絡的能源管理系統也將逐漸成為企業能源管理系統升級的可靠選擇。借助無線網絡，不僅可以很好地解決有線通信方式在布線難度、成本核算、維護和升級周期等方面存在的問題，而且基于網絡的管理系統靈活性高，前景十分廣泛。

本文通過對一種基于ZigBee協議的無線抄表系統的探討與實驗，對廠區的部分電表數據實現了數據的實時讀取，可以真實反映廠區的能源負荷情況，并提高電能表讀取的準確性。同時解決了企業電力管理部門在抄表工作上現存的種種問題，節省了人力物力，極大提高了各管理部門人員分配的靈活性及辦事效率，提高了企業用電核算的準確性，推進了我國智能電網和當前電網電力管理信息系統的建設步伐。

參考文獻：

[1]羅明志.智能電網綜述[J].中國電力教育，2010，（16）：239-242.

[2]孟凡輝，鄭丹，丁立鑫，等.電力企業計量裝置管理信息系統的研究[J].黑龍江電力，2011，（4）：277-279.

[3]宋國青，葉進，屈國旺，等.基于工作流的ZigBee 無線抄表系統設計與實現[J].自動化與儀表，2010，25（4）：22-25.

[4]李文仲，段朝玉，ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：189-371.

（責任編輯：劉輝）