利用其他领域成果推动自动抄表进步
1引言 自动抄表技术(AutomaticMeterReading)是将数据自动收集、传输和处置运用于电能供用与经管系统中的一项新技术。它从基本上克服了传统的人工抄表模式的弊端,给电能经管的现代化带来了新的希看。今朝,美国等蓬勃国家已把自动抄表技术普遍用于配电经管。我国对自动抄表技术的研究起步较晚,可是成长速度很快。随着电力市场经管改造的不竭深进、对自动抄表技术的研究势必成为热门与标的目的。 2自动抄表技术的成长布景 采用传统抄表方式人工挨家挨户抄取电能表数据,不成避免地存在以下问题:统计数据不准确,没法真实反映用户用电情况;操作难以规范化,造成不明损失增加;数据收集不实时,没法实时反映系统状态,不能对用户行为进行有用监控;且花费人工多,成本高,效率低。显然,上述弊端使得人工抄表经管模式不能顺应电力体系体例的改造,也直接阻碍了诸如分时电价运营、预支电费等进步前辈经管模式的推行。自动抄表技术就是在技术与经管两方面急待前进、改造的迫切需求下逐渐成长起来的。 3自动抄表系统的组成 典型的自动抄表系统主要由前端收集子系统、通讯子系统和中心处置子系统等三部门组成。 3.1前端收集子系统 依照收集数据方式的分歧,自动抄表系统可以被年夜致划分为当地和远程两种。当地抄表系统所使用的电度表一般加装红外转换装配,把电量转换为红外旌旗灯号,抄表时操作人员到现场使用便携抄表微机在红外可视的距离内非接触地读取数据。 电子式电度表或加装了光电转换器的机电脉冲式电度表组成远程收集系统的最前端。它们把用户的用电量以电脉冲的形式传递给上了一级数据收集装配。今朝现实运用的远程自动抄表系统年夜多采用两级式数据聚集结构,即由安装于小区单元的收集器收集十几到几十个电度表的读数,而安装在配电变压器下的集中器则负责定期从收集器读取数据。 3.2通讯子系统 通讯子系统是把数据传送到控制中心的信通。为了顺应分歧的情况条件和成本要求,通讯子系统的组成有多种方案。依照通讯介质的分歧通讯子系统主要有:光纤传输、无线传输、电话线传输和低压电力线载波传输等四种。 纤通讯具有频带宽、传输速度高、传输距离远和抗干扰性强等特点,适合上层通讯网的要求。但因其安装结构受限制且成本高,故很少在自动抄表系统中使用。 无线通讯适用于用户涣散且范围广的情况。综合斟酌成本和靠得住性等问题,一般接纳装设小型无线电台,在200MHZ~400MHZ频率范围内的某个频点上以散射通讯方式进行无线通讯。其特点是传输频带较宽,通讯容量较年夜(可与几千块电度表通讯),通讯距离远(几十千米,并可经由过程中继站延长);主要错误谬误是需申请频点使用权,且若是频点选择不合理,相邻信道会相互干扰。 租用电话线通讯是哄骗现成的电话网络,只需在数据的发出和接收端划分加装调制解调器(MODEM)。该方式的数据传输率较高且靠得住性好,一次性投资小;不足是线路接通时间较长(凡是需几秒甚至几十秒),当集中器数已较多时,集中器到控制中心的通讯效率将较着下降。另外,若租用电话线路多,其租用费也很可观,是以不适合年夜容量系统。 低压电力载波通讯是自动抄表技术的研究热门。它哄骗低压电力线作为系统前真个数据传输通道。其基来源根基理是:在发送数据时,先将数据调制到一高频载波上,再经功率放年夜后耦合到电力线上。此高频旌旗灯号经电力线路传输到接收方,接收机经由过程耦合电路将高频旌旗灯号分手出来,滤往干扰旌旗灯号后放年夜,再经解调电路还原成二进制数字旌旗灯号。电子载波直接哄骗配电线网络,免往了租用线路或占用频段等问题,下降了抄表成本,而且有益于运营经管,成长前景十分广漠。可是,今朝若何抑制电力线上的干扰,提高通讯靠得住性仍是亟待解决的问题。 依照线路毗连结构的分歧,通讯系统可分为星型和总线型两种类型。星型通讯系统是以中心处置工作站为中心点,以发散的形式划分经由过程通讯信道与集中器毗连,形成一对多的毗连构架。信道通讯数据量较年夜,要求有一定的传输速度和带宽。一般光纤、无线和电话线通讯都采用该毗连方式。总线型通讯系统是为克服星型毗连的不足而采用的。它以一条串行总线毗连各涣散的收集器或电度表,实现各节点的互连;特点是信道上节点较多,传输速度不高,传输距离短,是以一般用于底层(收集器、集中器层)电能数据的收集。低压电力线载波和RS~485总线网是常见的总线型结构。 除上述之外,在某些局部区域或小范围通讯场所,点对点的通讯方式也被使用,即特定的两点间使用专线通讯。如红外抄表微机就是一例。另外一个例子是20mA电流环,它采用以20mA电流为逻辑“1”、零电流为逻辑“0”的制式通讯;由于使用了光电耦合技术,可以实现电气隔离,提高了系统的防雷击、防静电击穿能力,可是因其布线成本高,所以运用十分有限。 3.3中心处置子系统 中心处置子系统主要由中心处置工作站和响应的软件组成,是整个自动抄表系统的最上层,所有用户的用电信息经由过程信道都聚集到这里,经管人员再哄骗软件对数据进行汇总和分析,以便做出响应的决议计划。若是硬件允许,还可直接向下级集中器或电度表发出指令,从而对用户的用电行为实施控制。由于抄表获得的数据量很年夜;是以要求中心工作站的硬件必需有一定的运算和存储能力;而在软件上首先要求操作系统应稳定靠得住;其次,抄表软件必需具有处置海量数据的能力。典型的抄表软件具有以下功能:(1)远程设定抄表集中器和收集器内的参数;(2)抄收整个系统中所有电度表的数据;(3)使中央控制站可远程地对用户电度表进行断电和送电控制;(4)运行数据库,生成用电量日报、月报表,进行电费结算;(5)使系统可进行查询经管,对异经常使用电户给予告警提醒,以配合检查。 4自动抄表技术的成长现状 传感器、自动化仪表和集成电路技术的前进,使得不管是机电脉冲式仍是全电子式电度表已能够较好地知足现今自动抄表技术的需要。对于机电脉冲式电度表,只需在表内安装光电转换模块和响应的接口,即可实现反映用电量的电旌旗灯号输出。这类模块和接口具有成本低廉、小巧且易于拆装等特点,是以列今朝仍在年夜量使用的感应系电度表的改装是可行且易于实现的。对于全电子式电度表,可直接读取其电脉冲输出。有的新型全电子式电度表自己安装有多种接口;适用于模拟、数字等各类通讯模式。从此相当一段时间内,自动抄表系统的终端收集装配将以上述两种仪表为主。 再则,聚集数据的收集器和集中器等装配,可经由过程单片机、存储器和接口电路等利便地实现,而且已有了较成熟的产物。是以,数据收集其实不组成自动抄表技术中的难点。 事实上,通讯子系统是自动抄表技术中的关头,也占据了投资的相当年夜部门。数据通讯方式的拔取要综合斟酌如地舆情况特点、用户用电行为、技术水平、经管体系体例和投资成本等身分。很多情况下,某种方式最终被选用其实不暗示经济利益和技术要求的最年夜知足,而只是权衡了各方面条件后的折衷。这就给研究留下了空间。据参考文献,前述的几种通讯方式在现实系统中均有运用。国内外对于分歧通讯方式的偏重有所分歧。在西方蓬勃国家,对于自动抄表技术的研究起步较早且比力深进;且它们的电力系统包括配电网络也相当规范、完整。所以,低压电力载波技术获得了相对普遍的、成功的运用。而在我国,受技术水平所限,则较多使用电话线通讯。近来,随着对扩频技术研究的深进,低压电力线载波中干扰年夜的问题正逐渐获得解决。是以,低压电力线教波在自动抄表技术中的运用有逐渐推行的趋向。 由于电力部力现实运用的需求和自动抄表技术自身完善的需要,近两年在该领域形成了以下一些研究热门和前进趋向。 5.1扩频技术与无线扩频通讯 扩频技术最早被用在军事通讯领域,近年来成长迅速。简单地讲,扩频技术就是把发送的信息转换为数字旌旗灯号,然后由扩频码发生器发生的扩频码序列音调制数字旌旗灯号,以展宽旌旗灯号的频谱;接收端经由过程相关接收,并用与发射端不异的扩频码序列往解扩;最后经信息解调,恢复出原始所传输的信息。扩频的本质是一种对旌旗灯号的调制方式,可配合多种通讯方式使用。它将干扰旌旗灯号的频谱展宽,使其变得频谱很宽而功率谱密度很低。在接收端经窄带滤波后,遍及很宽带宽的干扰旌旗灯号的年夜部门被滤除,所残留部门的能量已很低,而有用旌旗灯号被压缩还原成窄带旌旗灯号,顺遂经由过程滤波器,从而增年夜了信噪比。 另外,由于依据相关原理进行接收,发、受双方必需使用完全不异的扩频码序列,而且扩频通讯在负信嗓比情况下仍能正常工作,是以具有较强的平安保密性。扩频技术种类较多,主要包括直接序列扩大频谱(简称“直扩”)、跳频、跳时、线性调频等。直扩技术因其简单并易于实现,故运用最为普遍。 将扩频技术运用于无线通讯即为无线扩频通讯。其距离一般在几十千米,最年夜的优点在于使无线通讯的抗干扰能力较着增强。被扩频旌旗灯号的输出信噪比与输进信噪比的比值正比于扩频旌旗灯号的射频带责与信息带宽的比值。无线扩频通讯现实上是一种点对点的通讯,相互通讯的两点必需有工作在不异频率的发射/接收电台和合适增益要求且极化标的目的不异的天线。两电台间必需可视,即设有山脉或高峻建筑物阻隔,否则会影响通讯效果。 一种典型的运用无线扩频技术的自动抄表系统的通讯进程是:收集器经由过程电力线载波把数据传至集中器,再由设置在集中器四周的扩频电台招数据发送给中央处置站的接收电台。现实运用中,接收电台一般安装在车辆上,收集数据时只需开车在小范围内行驶一遍,即可将集中器中的用户用电数据收集起来。这样就避免了因地形或障碍酿成的通讯阻隔。 5.2低压电力线载波通讯 电力线载波通讯,是将信息调制为高频旌旗灯号(通常是50kHz~500kHz)叠加在电力线路上进行通讯的技术。其优势在于电力线属电力部门完全控制的通讯信道,没必要另外展设通讯信道,也可不用或少用公用通讯信道;电力线是所有住房和建筑物的根蒂根基举措措施,以电力线作为通讯信道,可年夜年夜节省展设通讯信道的投资;几近不需要维护或维护量极小;且以电力线为通讯信道,可以灵活地实现“即插即用”。 今朝,国内10kV以上品级的高压电力线载波技术已较成熟,但低压电力网络上的载波通讯还未能到达使人满意的水平。这在一定水平上制约了自动表技术在我国的现实运用。国外虽然有较为成熟的低压电力线载波技术,但将使用该技术进行通讯的自动抄表系统直接用于我国,效果却不如人意。其缘由在于,我国对低压电器电磁兼容性的控制远没有西方蓬勃国家严酷,且对低压电力网上存在的电磁污染的治理也很不得力,造成低压电力网上干扰年夜,成效严重影响着载波通讯的质量。另外,用户负载千变万化造成网络传输特征复杂且为时变,很难以准确的数学模子加以表征。是以,强干扰是低压电力线载波技术必需跨截止的障碍。显然,从规范用户负载特征、提高电磁兼容水平等方面来解决此类问题,在短时间内难以实现。可行的前途,多是寻觅抗干能力强的载波方式,以增强通讯装备的电磁兼容能力。 值得一提的是:由于扩频技术具有优良的抗噪特征,是以将扩频编码方式用于低压电力线载波通讯成为自动抄表领域中又一个研究热门。使用了扩频技术的低压电力线载波通讯可以在很年夜水平上解决上文所提出的问题,且没必要支出高昂的价格。同时,官还避免了无线扩频通讯所面临的诸如受地形限制等弊端。 5.3复合通讯方案 在自动抄表技术运用到的所有通讯模式中,各类方案都存在着分歧水平的缺陷,尤其是我国今朝的低压电力网络问题更多,亦即任何一种采用单一技术的通讯方案均很难完全知足客户的多重要求。即使在很年夜水平上到达了要求。但须支出的价格却难以承受。为解决这类矛盾,复合通讯方案被提出。所谓复台通讯方案,即是在自动抄表的分歧通讯阶段采用分歧的通讯方式,组成实现电能自动抄表用复合通讯网络。对于数据传输量不太年夜。传输距离较近的底层数据收集阶段(电度表到收集器,收集器到集中器)可以使用如红外、低压电力线载波甚至点对点的20mA电流环等技术;而对于由集中器到中央处置站段,则可采用电缆、电话线或无线通讯等。选择什么样的方式相互配合,需凭据现实情况统筹斟酌。夹杂使用的备种通讯方式之间要有很好的相容性,不能相互干扰,这其中触及到运筹学.最优计划等方面的研究与设计。 5.4自动抄表进程中的通讯平安 通讯技术运用的迅速普及,已使得通讯平安不容轻忽。自动抄表系统由于触及到电力经济运营,它联系关系着电力用户与电力部门两者的经济利益,是以自动抄表全进程中的通讯平安也显得尤其重要。今朝,对于这方面的研究还很少。即使是咱动化水平很高的自动抄表系统,也还不能完全杜尽窃电等犯警行为的发生,而自动抄表系统中的通讯子系统,更是容易被侵害的环节。应当注重到,当前国内投进使用的自动抄表系统年夜多采用的是租用电话线或网络专线进行通讯,其网络平安性较着要比无线扩频、光缆通讯塞,较容易被侵进进犯。一旦恶意的进犯发生,轻则造成所传输的耗用电能的数据被审改或丢失,重则还可能致使整个自动抄表系统的解体,其经济损失将不成估量。而今朝现实运行的自动抄表系统中较少斟酌平安身分,这将给系统的稳定靠得住运营埋下隐患。关于通讯平安方面(尤其是计较机网络通讯平安)已有很多好的理论与技术,迫切需要进行的工作是把这些技术移植到自动抄表系统中来,以设计出合适自动抄表系统现实的、平安有用的通讯网络解决方案。 5.4.1计较机网络平安概述 所谓网络平安是指:哄骗网络经管控制和技术措施,保证在一个网络情况里,信息数据的秘密性、完整性和可以使用性遭到庇护,它包括网络系统平安和网络信息平安两个方面。随着网络技术的迅猛成长,计较机网络平安性问题的重要水平迅速提升中。一般来说,网络平安隐患主要来自以下四个方面:黑客、病毒、正当人员的失误和网络系统自身的懦弱性。其中,前两种最容易发生,酿成的风险严重且不容易防范。据美国联邦查询拜访局统计,美国近期每一年因信息和网络平安问题所酿成的损失高达飞亿美元。1996年美国金融时报曾报道,平均每20秒就发生一起进侵因特网计较机的事务。 信息技术的前进在给人们生活带来庞大便当的同时,也造就了一批招用进步前辈进犯手段的黑客。综合起来,黑客进行进犯的方式主要有:口令猜想;地址欺骗;TCP盗用;窃听;营业否决;对城名和根蒂根基举措措施的破坏;哄骗Web破坏数据库;“社会工程”(这类进犯方式主要是经由过程一些日常社会交往获取有用信息,从而哄骗这些信息进行进犯。如经由过程窃听他人的谈话、经由过程收集被进犯对象的烧毁文件等获取一些完整或不完整的有益于进犯的信息);病毒携带。 与进犯方式相对应,计较机网络平安防范技术有以下几种:密码技术;身份验证技术;会见控制技术;防火墙技术;平安内核技术;网络反病毒技术;信息泄目防治技术;网络平安破绽扫描技术;进侵检测技术等。密码技术是最基本的平安措施,其原理是哄骗加密算法对数据进行加密。所谓密码现实上是含有一个参数的k的变换,即C=Ek(m),其中m是信息,也叫明文;C是密文,Ek是含有k的变换;参数k称做密钥。今朝加密技术主要有两年夜类:一类是基于对称密钥加密的算法,也称私钥算法;另外一类是基于非对称容钥的加容算法,也称公钥算法,例如椭圆曲线法、D-H算法及RSA算法等。 5.4.2计较机网络平安与自动抄表系统 计较机网络所具有的笼盖面广、传输速度高和传输靠得住性强等特点,使它成为可用于自动抄表系统的一个很好前言。虽然今朝投进使用的自动抄表系统中较少采用这类前言进行通讯,可是可以预见,若何合理有用地的运作计较机网络来实现自动抄表数据的传输,势必成为该领域的又一个前进趋向。 有计较机网络的介进,网络平安问题就不成避免。相比之下,哄骗计较机网络通讯较之自动抄表技术中所采用的其他通讯方式更容易遭到进犯。计较机网络自己的缺陷、破绽组成内因;而对于计较机网络的进犯的易于实施性成为外因。凡是黑客对某个特定网络发动进犯,所需要的除一定的技术外,仅仅是一台廉价计较机和与该网络的物理毗连。另外一个值得关注的问题是:一旦自动抄表系统采用了计较机网络通讯(出格是像Internet这样年夜型的开放式网络),它将面临上述各类危险身分的挑战。而且,其实不是所有的平安措施和技术都能用于提高抄表系统的平安性,由于自动抄表系统有其自身的特点。 自动抄表系统的通讯是日散布在较广范围内的收集器、集中器与中心处置站间交换数据的进程。其网络结构一般属于集线器式(多点经由过程集线器毗连到服务器)。通讯中既要保证所抄得数据的平安靠得住传输,又必需确保中心工作站不会遭到采自传输网络的意外进犯。数据可采用密码技术进行庇护。凡是,密钥只在小型的散布式网络中运用,或网络是中央集线器款式的。支持公钥的密码机制可运行在年夜型的散布式网络系统中。对中心工作站的庇护人可综合运用防火墙、控制会见权限和使用平安内核等技术。防人墙和平安内核技术更多地触及计较机软件方面的研究,其关头是选用适合于自动抄表系统通讯网络结构特点的软体,和采用自身平安性靠得住、平安破绽少的操作系统作为运行平台。对于控制会见权限,则需要研究制定合理、高效的平安策略保证正当用户能充实灵活边行使其权限有用避免非法用户的会见及正当用户的非法操作;同时,确保系统通讯的、快速、便捷、畅达。 固然,为自动抄表系统构建专门的计较机通讯网络可以较着增强平安性,下降系统蒙受进犯的可能,但这要支出高昂的价格,同时会限制本系统与其他系统的通讯,削弱计较机网络在灵活性方面的优势,是以其实不是一种积极的方式。鉴于此,今朝应当研究的是若何将现有的网络平安技术很好地融合到自动抄表系统中,以解决网络开放性要求和系统平安性之间矛盾。 5.5其他成长趋向 将拓扑学理论用于自动抄表通讯网络的计划,可以优化网络的拓扑结构,提高网络传输的效率和稳定性。可是,鉴于自动抄表系统通讯网络结构的复杂性,这方面的研究还有相当长的路要走。 在抄表软件方面,运用新的基于数据库的编程观念及新生,可以提高系统分析、处置、经管软件的运行效能,更好地为自动抄表系统服务。 除此之外还有很多研究标的目的,受篇幅所限不再赘述。总而言之,把其他相关领域的技术功效合理地移植劲自嘲抄表系统中来,极可能会促使自动抄表技术尽快完善其实不断前进。