水、熱、氣、電四表合一數據采集系統的研究與應用

徐 晴，劉 建，田正其，祝宇楠，王 蕾，吳麗云

(1.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，南京 210019；2.國家電網公司電能計量重點實驗室，南京 210019；3.杭州炬華科技股份有限公司，杭州 311121)

水、熱、氣、電四表合一數據采集系統的研究與應用

徐 晴1,2，劉 建1,2，田正其1,2，祝宇楠1,2，王 蕾3，吳麗云3

(1.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，南京 210019；2.國家電網公司電能計量重點實驗室，南京 210019；3.杭州炬華科技股份有限公司，杭州 311121)

目前居民在用的水表、熱表、氣表、和電表四種表計雖然在抄表付費流程上相似，但由于分屬不同部門管理，無法形成資源共享，既浪費工作量又給居民帶來不便；文章論述了四表合一的技術構架，提出了從主站，通信信道，現場設備3個方面對現有系統進行升級的方法；首先，介紹了協議轉換器的主要設計原理和用電信息采集設備—集中器的上下行通訊協議的改進方法，并且擴展協議轉換器多種下行通訊方式以匹配市場上水表、熱表、氣表通訊方式多樣化的現狀，在用電信息采集系統平臺上增加協議轉換器及升級現有集中器程序，通過現場簡單布線快速經濟的實現四表合一數據采集；按此方案布局的四表合一采集試點，項目建設簡潔、迅速，抄表運行穩定，一次性采集成功率在95%以上。

四表合一；協議轉換器；LoRa微功率無線；M-BUS

0 引言

目前國內各地居民水、熱、氣、電的使用推行一戶一表的政策，但這四表分屬不同行業管理，各自運營，在能源貿易結算時產生各種處理方式。尤其氣表、熱表，一般安裝在室內，不確定因數較多使抄表員工作難度增大，效率降低。

近幾年，國家電網大力推進智能用電信息采集系統的建設[1-2]，全國大部分地區智能電網覆蓋率基本達到90%以上。本文描述的水、熱、氣、電四表數據采集系統就是基于用電信息采集系統平臺，通過協議轉換器這個“翻譯官”，打破水、熱、氣、電間“語言不通，各自處理”的壁壘，采集四表相應數據，統一上傳至集中器，將原有的人工抄表升級為遠程自動抄表。利用“互聯網+”和大數據技術實現四表合一后，使人們享受到了一站式服務帶來的便捷，減少了公共事業基礎設施的重復投資，降低了公共事業的綜合運營成本，構建節約型社會。

1 四表合一數據采集系統組成

本系統從物理上根據部署位置分為主站，通信信道，現場設備三部分[3-4]。

主站：主站一般由數據庫服務器，接口服務器，防火墻等網絡設備組成；

通信信道：通信信道分上行通信和下行通信兩部分，對于集中器來說上行通信指系統主站與集中器之間的遠程通信信道，主要包括光纖、GPRS/CDMA的2G、4G等無線通訊；下行通信是指集中器與協議轉換器或智能電表之間的通信，主要包括電力線載波，RS485，微功率無線等通訊方式；對于協議轉換器來說上行通訊與集中器的下行通信一致，而下行通信因采集內容增加了水、熱、氣表，所以除了RS485、微功率無線(LoRa)、電力線載波外還包含了M-BUS通信。

現場設備：現場設備是指安裝在現場的計量裝置及采集裝置，主要由采集裝置集中器、協議轉換器，計量裝置水表、熱表、燃氣表、電表等組成。

四表合一的采集系統是建立在用電信息采集系統的基礎之上，因此需要保留現有用電信息采集系統的整個框架，在這個基礎之上，花盡可能小的代價建立四表合一采集系統。因此本文考慮在電力采集器這一層增加協議轉換器，解決對、氣、熱表的采集，增加協議轉換器后，整個采集系統的網絡拓撲如圖1所示。

圖1 四表合一采集系統網絡拓撲圖

2 四表合一數據采集系統關鍵技術分析

2.1 通訊協議擴展技術

目前電力采集系統已經相當規范，主站與集中器、專變終端之間采用“Q/GDW1376.1-2013 電力用戶用電信息采集系統通信協議 第1部分：主站與采集終端通信協議”[5]進行協議通信；集中器與本地通信模塊(PLC、微功能無線)之間采用“Q/GDW1376.2-2013 電力用戶用電信息采集系統通信協議 第2部分：集中器本地通信模塊接口協議”[6]進行通信；集中器、采集器、專變終端與電能表采用“DLT 645多功能電能表通信協議及其備案文件”進行通信。而目前的水、氣、熱表的通信協議極不規范，主要有以下幾種協議：

①CJT 188-2004 戶用計量儀表數據傳輸技術條件；

②在電能表DLT 645-1997協議上自定義；

③各燃氣公司、水務公司、表廠等自定義的通信協議。

針對這個問題，本文給出的解決方案是，在通信協議轉換器上行及以上的部分，采用統一的通信協議：DL/T 645多功能電能表通信協議[7]，這樣可以保證整個采集系統的穩定性，在通信協議轉換器這一層實現協議的轉化，即翻譯。本方案分別對上行各個協議做了擴充，使集中器能識別水、熱、氣、電四表返回數據，對數據分別判斷和存儲，實現四表合一采集系統協議的完整性。擴充內容主要為幀格式的定義和數據項的擴充，幀格式的定義在原來645規約的格式中增加儀表類型及儀表地址，可以根據返回的儀表類型解析對應的數據內容，具體如表1～2所示。

表1 645規約幀格式定義

當擴充了協議轉換器中的645通訊協議后，為了識別增加的內容，集中器在原來上行通訊“QGDW1376.1-2013 電力用戶用電信息采集系統通信協議 第1部分：主站與采集終端通信協議”的基礎上同樣需擴展部分條款，滿足對水、熱氣表增加數據的識別。重要參數如檔案參數配置F10，擴展內容如表3～4所示。

表3 擴展參數F10

通信協議類型：當表計為水、氣、熱表時，填寫32。

通信地址：填寫水氣熱表地址的A0～A5。

有功電能示值整數位及小數位個數：填寫水氣熱表地址的A6。

表4 通信地址格式定義

用戶大類號及用戶小類號：填寫水氣熱表的儀表類型。

一類數據F188格式定義：F188數據具有復用功能，根據儀表類型區分，抄讀水氣表(10H～19H，30H～49H)與抄讀熱表(20H～29H)的上行報文數據單元格式相同但是內容不同，熱表數據格式一致，數據內容解析時能根據儀表類型解析。實時數據與日、月凍結數據類似，凍結數據會增加時標。實時數據具體格式如表5～8所示。

表5 水、氣表實時數據格式定義

表6 熱表實時數據格式定義

2.2 低功耗、遠距離無線組網方案設計技術

水、熱、氣、電四表中只有電表是在運行過程中有交流電源供電，其余三表計量過程中靠電池供電，為了保證表計工作時間，表計設計時均采用低功耗設計，故水、熱、氣表常見有線通訊方式為M-BUS通信，而考慮到部分表計需要入戶安裝有線，通訊方式安裝復雜，通訊線路受干擾因素更多，故很多廠家傾向于采用無線方式通訊。

表7 狀態字ST定義

表8 單位代號單位代號

2.2.1 M-BUS優化電路設計技術

M-BUS通訊方式在水、熱、氣表中普遍存在，它是一種半雙工通信總線,通信時采用主從方式[8-10]。M-BUS 總線上傳輸的數據位定義如下：①由主站向從站傳輸的信號采用電壓值的變化來表示, 即主站向從站發送的數據碼流是一種電壓脈沖序列, 用+36 V表示邏輯1，用+24 V表示邏輯0。在穩態時,線路將保持邏輯1狀態。②從站向主站傳輸的信號采用電流值的變化來表示, 即由從站向主站發送的數據碼流是一種電流脈沖序列, 通常用1.5 mA的電流值表示邏輯1,當傳輸0時,由從站控制使電流值增加11～20 mA。

表9 每路M-Bus主節點發送信號規格要求

表10 每路M-Bus主節點接收信號規格要求

M-BUS電路要求如下。

(1)電源方案。

電源方案，采用開關電源設計，輸出兩路電源。由于M-BUS回路負載不確定，功耗可能較大，采用開關電源反饋回路作為M-BUS電源輸出，保證輸出電壓的穩定。M-BUS主電路中要輸出24 V和36 V兩個電源。有兩種方案，一種是開關電源輸出24 V，再由升壓電路升壓到36 V;另外一種方案是開關電源輸出36 V，再由降壓電路降到24 V。考慮輸出電壓的穩定性，一般選擇降壓方案。如圖2所示。

圖2 電源系統框圖

(2)帶載能力。

本系統的36 V電源設計的帶載能力是300 mA,按照每路M-Bus主節點信號接收規格要求，當未通訊的時候每個從電路的電流輸出最大為1.5 mA，所以按照電源的最大負載能力300 mA計算，一路M-BUS主電路最多可以帶200塊負載，考慮通訊時刻，只有一個從電路在通訊，因此回路中電流最多會增加20 mA，所以一路M-BUS的理論最大帶載能力為186塊負載。如已知某公司生產的水表靜態電流只有0.6 mA，理論上一個轉換器一路M-BUS電路能帶該公司水表的數量為400塊以上。

(3)發送回路。

M-BUS的發送回路有個特點是半雙工通訊，為了提高利用率，采用如圖13所示的電路設計。在這個設計中，有兩路M-BUS輸出，但是只有一路串口用于通訊，這一路串口可以完成兩路M-BUS的通訊，M-BUS1和M-BUS2之間的切換則是通過不同的MOS管來切換的MOS U13完成的是信號36V和24V的調制，U14和U15則是決定把調制好的信號切換到哪一路M-BUS輸出端。因為在任意時刻都只有一塊表用于通訊，所以每一路放置一個MOS管的方式可以實現所有的表都可以完成通訊。這樣僅僅增加很少的器件就能夠使利用率成倍的提高,而對電源的帶載能力要求就低了很多。

圖3 發送回路原理圖

(4)接收回路。

M-BUS接收回路是一種電流脈沖序列，一般是通過電阻把電流信號轉換為電壓信號采樣，采樣電阻取12歐姆。實際上負載越多，靜態電流就越大，采樣的電壓就越高。如果不采取措施，對于后面的轉換電路是非常不利的，這樣也會增加后端信號采集的成本。根據接收回路電流變化的特點，設計了如圖4所示電路。

圖4 接收回路原理圖

雖然C47只是一個簡單的貼片瓷片電容，但是可以把接收回路里面沒用的直流分量濾除，只通過有用的交流分量。不管接多少負載，有信號返回的時候的交流分量是固定不變的，通常介于11～20 mA之間。濾除了直流分量后的交流分量電壓信號經過運放兩級放大，可以得到非常好的方波信號，這樣再通過光耦耦合，可以把M-BUS總線上的信息傳達給處理器。放大電路如圖5所示。

圖5 信號放大電路原理圖

M-BUS通信接線示意圖如圖6所示。

圖6 M-BUS總線結構示意圖

2.2.2 LoRa無線通訊方式技術分析

本文描述的下行無線通訊方式采用LoRa無線通訊方式[11]。LoRa是基于線性調頻擴頻技術通信，這種技術實現了低功耗和遠距離通信的最完美的結合，而線性調頻擴頻具有極強的抗干擾性點，非常適合在電池供電設備的現場通訊。

(1) LoRa與常用表計無線通訊方式比較。

隨著表計智能化、自動化的發展，使用無線進行集中抄表產品大量出現，無線技術主要有OOK、FSK、GFSK、LoRa。見表11。

表11 3種無線技術參數比對

(a)GFSK與LoRa接收靈敏度對比(接收靈敏度越高傳輸距離越遠)[11]

在發射功率固定的情況下，要增加傳輸距離，必須要有高的接收靈敏度。GFSK接收靈敏度可到-120 dBm，LoRa接收靈敏度可到-140 dBm(每小6 dBm通信距離可增加一倍)，見圖7。

圖7 GFSK與LoRa接收靈敏度對比圖

(b)GFSK與LoRa帶寬對比(圖8，帶寬越寬抗干擾能力越強)

圖8 GFSK與LoRa帶寬對比圖

(2)本系統中LoRa使用參數。

工作頻率：470 MHz；

發射功率：50 mW(17 dBm)；

連續發射時間：小于1秒；

該技術參數完全滿足國家標準《微功率(短距離)無線電設備的技術要求》，發射功率和我們使用的手機WIFI差不多，但一天發射的總時間加起來都不會超過10秒。

3 四表合一數據采集系統的應用

本系統的實施與現場環境密不可分，因水、熱、氣表規約不統一，通訊方式及結構多樣化，四表組合隨機，需在全國各地展開全面的試點運行。對于已安裝用電信息采集系統的試點，勘察現場條件后給出合理的采集方案，對于未安裝用電信息采集系統的試點如新建小區，可以通過現場可布線及容量決定采集方案。本文描述一個未安裝用電信息采集系統的試點運行方案。

項目規模：100個II型集中器，100個協議轉換器，400只智能水表，400只燃氣表，400只電能表；

系統方案：采用遠傳智能水表，通過有線M-BUS與協議轉換器進行連接，采用遠傳燃氣表通過微功率無線與協議轉換器進行連接；協議轉換器與集中器采用RS485連接；

系統物理架構圖如圖9所示。

圖9 試點采集系統物理架構圖

系統通訊方式：集中器通過GPRS和系統主站連接；電表、協議轉換器通過RS485總線和集中器連接；水表通過M-BUS總線和協議轉換器連接；氣表通過微功率無線(LoRa)和協議轉換器連接。

該系統目前已在現場實際運用，項目建設簡潔、迅速，抄表運行穩定，一次性采集成功率在95%以上。

4 結論

本文主要描述四表合一數據采集系統的組成，技術分析及現場應用情況。基于原來廣泛的用電信息采集系統平臺，增加協議轉換器及下行通訊方式的選擇搭建四表合一采集系統是一個快速，有效的建立方式，本系統的推廣需要由水，熱，氣，電各個職能部門聯合推動，目前已在全國范圍內開展多地試點項目，從小范圍采集，兩表，三表采集開始，相信在不久的將來會在全國推廣四表合一采集項目。

[1] 國家電網公司.電力用戶用電信息采集系統功能規范：Q/GDW 1373-2013 [S]. 北京：中國電力出版社，2013.

[2] 國家電網公司.智能電能表功能規范：Q/GDW1354-2013 [S].北京：中國電力出版社，2013.

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[5] 國家電網公司.電力用戶用電信息采集系統通信協議：第1部分 主站與采集終端通信協議：Q/GDW1376.1-2013[S].北京：中國電力出版社，2013.

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[11] LoRa Technology for customers[EB/OL].[2015-12-30].http://www.semtech.com.

Research and Application on Data Acquisition System about Water, Heat, Gas, and Electricity Meters in One

Xu Qing1,2，Liu Jian1,2，Tian Zhengqi1,2，Zhu Yunan1,2, Wang Lei3，Wu Liyun3

(1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 210019, China; 2.State Grid Key Laboratory of Electric Energy Metering, Nanjing 210019, China； 3.Hangzhou Sunrise Technology Co.Ltd., Hangzhou 311121, China)

At present, water, heat, gas, and electricity four meters belong to different departments for management. Although similar in meter reading and payment processing, they cannot share the same resources, which is a waste of workloads and inconvenient for users. This paper discusses the technique framework of “four meters in one”, proposed a method of modifying the current system from three aspects, i.e., the master station, the communication channel, and the devices. This paper introduced the main design principle of protocol converter and the improvements of the communication protocols of centralized meter reading terminal, and extending downward communication ways on protocol converter to match the present situation of diversification of communication about water meter, heat meter, gas meter in the market. With the popularity of the smart grid, increase protocol converters and upgrading existing centralized concentrator program on this good platform for the data acquisition, through the simple wiring after the implementation of rapid economic four meters data collection. Using this proposed method, the demonstration projects shows that, it is easy and fast to build, meter reading runs well, and the one-time acquisition success rate is above 95%.

four meters in one； protocol converters； LoRa micropower wireless； M-BUS

2016-11-02；

2016-11-24。

徐 晴(1973-)，女，研究員級高工，主要從事電力計量檢測技術方向研究。

1671-4598(2017)03-02017-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.059

TM933

A