基于NB-IoT及電力載波三表合一集抄系統

王子敬， 舒 欽， 姚先威

(1.武漢市天然氣有限公司， 湖北 武漢 430033； 2.哈爾濱天源石化工程設計有限責任公司武漢分公司， 湖北 武漢 430023)

1 燃氣表、電表和水表的運行現狀

目前國內居民用戶均采用氣、電、水一戶一表分開計量的原則，各公司對自己的領域自行管理、自成系統。雖然在抄表方面遇到很多相同的問題，但由于行業管理的限制，無法形成資源共享。一般情況下，武漢市新建的住宅在32層以上，電表、水表有專用的強電井和水井，燃氣表則安裝在廚房。公共區域的抄表給工作人員帶來的麻煩較小，但燃氣的抄表工作必須入戶，由于居民的作息時間、出差等原因，工作人員經常多次上門卻無法完成抄收工作。

預付費模式的開展與使用，可以大大降低抄表收費的壓力，方便用戶。國家電網已實現大規模的智能電表改造及用電信息采集建設，電力自動抄表技術已相當成熟。但燃氣表、水表仍然延續著線上充值線下寫卡(將信息寫入卡中)的模式，用戶不得不去營業網點或自助機上寫卡。此次突如其來的疫情，武漢作為全國疫情最嚴重的區域，這種寫卡模式給用戶帶來了極大的不便，用戶在家中自我隔離，無法外出寫卡，短期內投訴量激增。為保障民生，燃氣公司投入大量人力物力幫助用戶寫卡，線上充值并直接使用已迫在眉睫。

2 三表合一存在的問題及創新

三表合一的概念已提出多年[1]，很多城燃企業也在跟進，但效果一般。拋開行業壁壘，究其原因主要有：燃氣表、電表、水表智能化采取的通信協議不一致，無法整合；現有網絡穿透能力或抗干擾能力等很難滿足需要；智能表具無法實現不間斷供電；實現工程量少，回報大，同時盡可能不影響用戶使用習慣的方式極少[2]。

隨著技術的不斷發展，NB-IoT技術的推出和低壓電力載波技術的全面成熟，使得解決上述難點成為可能。我公司聯合電力公司、水務公司采用NB-IoT和低壓電力載波技術相結合，構建一套實時雙向、通信速度快、效率極高、安全可靠、使用方便的自動抄表控制系統，保證數據傳輸的可靠性和實時性，同時解決智能表具長期供電的問題，從而使氣、電、水表緊密組網，成為統一的整體。具備深度覆蓋、海量連接、超低功耗和低成本等重要優勢，使得大規模運用成為可能，讓城市更加智能。

3 三表合一集抄系統的物理架構

① 物理架構

三表合一集抄系統的核心思想是最大可能地利用現有設備、不改造用戶家中布局、以最少的工程量實現所有功能。為此我們設計了由系統主站(各公司的接收系統)、集中器、采集器、I型轉換器、II型轉換器、用戶表(氣、電、水)的系統模型。系統主站與集中器之間可以根據具體情況選擇不同的通信信道(如GPRS);集中器和采集器、轉換器之間采用低壓電力載波(PLC)方式通信；新式電表內部含有電力載波的解析模塊，可通過電力載波直接與集中器通信，老式電表中未含電力載波的解析模塊，則通過增加采集器的方式與集中器進行通信。I型轉換器與用戶水表之間采用M-BUS總線方式通信，即可以提供電力保障又可以進行數據交換；II型轉換器與用戶燃氣表之間采用NB-IoT的微功率無線方式通信；老式電表采用RS485與采集器進行數據傳輸。燃氣表使用5號電池供電。一個系統主站可以管理多個集中器，一個集中器下轄多個轉換器或采集器。具體物理架構見圖1。

圖1 三表合一集抄系統的物理架構

② 系統的組成

系統主站：指通過遠程信道對集中器中的信息進行采集，并進行處理和管理的設備。通常采用各單位的計算機設備作為主站，該站采取主動方式對數據流進行控制，是在一定范圍內可以和不同地區的多個集中器進行數據交換，并集中處理的后臺系統。目前電力公司的系統主站是用電信息采集系統，需要增加燃氣表、水表的數據采集，并設計接口收集燃氣公司、供水公司的數據。

集中器：能主動收集新式電表、采集器、轉換器中燃氣表、電表、水表的數據信息，并進行處理儲存，同時能和主站或手持設備進行數據交換。

采集器：用于采集單個或多個用戶電表的計量數據信息，處理后通過信道將數據傳送到集中器或將集中器的命令傳達到電表。

轉換器：用于采集單個或多個用戶表(燃氣表、水表)的計量數據信息，并將它處理后通過信道傳送到集中器或將集中器的命令傳達到用戶表(燃氣表、水表)。

用戶表(燃氣表、水表、電表)：指具有計量、數據記錄、存儲、通信中繼以及通過信道與系統上一級進行數據交換的儀表。

③ 通信方式

M-BUS總線：M-BUS是一種由主機控制的分級通信系統，它由主機、從機和兩條連接電纜組成。從機之間不能直接交換信息，只能通過主機來轉發。M-BUS技術的傳輸介質為雙絞線，數據傳輸速率可達300～9 600 bit/s，最大傳輸距離為1 000 m左右。另外，M-BUS總線可實現采集終端向計量設備遠程供電，可解決三表合一水表無外供電的問題。

NB-IoT：NB-IoT構建于蜂窩網絡，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。

電力載波(PLC)：指利用工頻強電的電力線傳輸高頻弱電信號的通信技術。電力載波通信一般使用3～500 kHz或2～30 MHz的電力線頻譜資源，數據傳輸速率可達1 bit/s以上，在電力公司用電信息采集系統的通信技術中占比達70%以上。

RS485：RS485作為一種通信協議，一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機，可以解決信息內容的傳遞需求和一臺采集器對多臺電表的需要。

GPRS無線公網通信：指基于移動蜂窩網的通用分組無線通信技術，其覆蓋范圍非常大，通信速率可達100 kbit/s以上。

4 三表合一技術方案

基于以上物理架構，結合武漢市一般建筑房屋的具體結構形式，提出一種以適應用電信息采集系統基本架構為導向，覆蓋現場各種類型用電信息采集系統典型的三表合一技術方案，以便體現系統的各項技術特點，最終實現分散采集、集中管理、綜合監控。

三表合一技術方案的總體布線見圖2。圖2中，中間層未出畫。

圖2 三表合一技術方案的總體布線

三表合一的數據傳輸流程是：燃氣表通過NB-IoT無線通信模式與弱電井內的II型轉換器通信，II型轉換器通過電力載波與集中器通信；強電井中的老式電表與采集器通過RS485通信，采集器再通過電力載波與集中器通信，新式電表可直接通過電力載波與集中器通信；水表運用M-BUS協議模式與水井內的I型轉換器通信，I型轉換器通過電力載波與集中器通信。燃氣公司、水務公司可根據自己的需要，在小區入口段增加燃氣總表、水總表進行總量對比，監控和分析用戶用量，深挖用戶潛能，提供增值衍生服務，打擊偷氣偷水現象。當需要增加燃氣總表和水總表時，兩塊表具均通過電力載波與集中器通信。集中器采集的所有數據可通過GPRS等模式與系統主站通信，從而完成整個系統的數據接收和傳輸。

該技術方案的主要優勢：可以在不改變現有用戶使用習慣的基礎上，全程自動收集用戶數據，遠程操作，用戶無需參與；無論是新建還是已有用戶的改造，都不需要改動用戶家中的布局；工程施工難度小，只包含增加設備和設備之間的線路連接，再無其他工程；有外供電的保障，不再局限于表具內的鋰電池，減少了各單位的維護成本；數據傳輸的可靠性大大增加。

5 三表合一的效益分析

電力公司具有得天獨厚的優勢以及強大的軟件平臺，燃氣表、電表、水表的數據先傳到電力公司的系統中，再分發至供氣、水務公司。在如今信息化社會中，數據在任何行業尤其重要，通過大數據分析，深挖用戶的潛力極具意義。

① 打擊偷盜氣、電、水的行為。偷盜氣、電、水的行為屢禁不止，也是任何一家企業最為頭疼的事情。以往必須入戶檢查才能發現的問題，如今通過用氣、用水、用電數據的分析，可以直觀了解哪家用戶有偷盜行為，精確定位。

② 數據分析，提供高端服務。以往都是用戶端出現故障報修后維修，有了大數據的幫助，企業可以主動提供維修、訂制針對性服務，提升用戶的滿意度。

③ 安全效益。現在老人越來越多，子女因各種原因無法時常回家。通過氣、電、水的數據分析可以及時判斷哪個用戶存在漏氣等不安全狀態，及時上門排除，安全效益明顯。

④ 熟悉用戶習慣，深挖用戶潛能。氣、電、水新用戶的增量勢必越來越少，老用戶才是各企業利潤增長的主要來源。各企業可以根據氣、電、水數據的分析，量身定制一些服務或產品，增加收入來源。比如對于燃氣用量較大的用戶，推銷燃氣干衣機、供暖爐等用氣設備并贈送燃氣等措施，讓用戶產生依賴，形成習慣。

⑤ 開展延伸服務的重要支撐。隨著一系列燃氣價格的改革，燃氣企業的氣改壓力越來越大，開展延伸服務，從賣氣到賣服務已成為每家燃氣企業必須經歷的過程，如何順利轉型為綜合能源供應商就必須深知用戶習慣，智能化的實現成為開展這些服務的重要支撐。

6 結語

市場上氣、電、水三表合一集抄系統方案很多，但實際成型的很少。NB-IoT技術使戶內燃氣表可以與外界實時通信；低壓載波技術使得現有電力線傳遞信息成為可能。三表合一系統的實現說明基于NB-IoT及低壓電力載波技術的三表集抄系統可行有效。