（1.广州供电局有限公司计量中心；2.威胜信息技术股份有限公司）
摘要：国家发展改革委和国家能源局提出和推动了“多表集抄”采集应用工作，依托电力集抄的经验和技术，利用电力采集终端的广泛覆盖性，在现有采集平台实现电、水、气、热等公共事业数据一体化远程抄收，从而提高政府公共服务水平，减少公共事业基础设施的重复投资、降低公共事业的综合运营成本，建设节约型社会。本文基于多表集抄系统特点，描述了移动式多表集抄系统仿真测试装置制作原理及功能应用。移动式多表集抄系统仿真测试装置是通过微缩多表集抄实际应用场景而研制的电力新型仿真装置。此装置除用于试验测试外，还可以用于电力系统技术人员的培训等方面。
关键词：多表集抄；计量自动化平台；仿真；测试
ABSTRACT：The national development and Reform Commission and the State Energy Bureau have put forward and promoted the work of "multi meter collection" collection and application，relying on the experience and technology of the power collection copying，using the extensive coverage of the power collection terminal，and realizing the remote copying of public utility data，such as electricity，water，gas and heat on the existing collection platform，so as to improve the government's public. Service level，reduce repeated investment in public utilities infrastructure，reduce the comprehensive operation cost of public utilities，and build a conservation minded society.Based on the characteristics of multi meter set copy system，this paper describes the production principle and function application of the mobile multi meter set copy system simulation test device. The mobile multi meter reading system simulation test device is a new type of power simulation device developed by the application of micro multi meter reading system. This device can not only be used in the test，but also be used in the training of power system technicians.
KEY WORDS：multi table set copy；measurement automation platform；simulation；testing
前言
移动式多表集抄系统仿真测试装置能模拟电、水、气表走字，同时对电、水、气表数据进行采集、处理和储存，并上传至广州局计量自动化平台，计量自动化平台可对各类仪表进行数据管理与分析，对多表集抄系统进行管控。仿真装置将现实应用的多表集抄系统进行微缩，通过仿真装置可以直观的了解多表集抄的安装和应用场景，可以深层次了解整个多表集抄的通信架构，可以用于测试仪表的通信性能，可以用于测试仪表的协议兼容性，同时可用于多表集抄推广、安装指导的培训。
1.多表集抄系统概述
多表集抄系统是指电表、水表、天然气、热量表的数据集中在电表采集系统中反映。多表集抄系统依托智能电能表和计量自动化平台覆盖广泛的采集终端和通信资源，将智能水表、智能燃气表融为一体，进行集中抄表。仪表数据通过电力通信通道传输到管理平台，建立起一套电、水、气收费缴费、信息发布、查询平台，实现跨行业用能信息资源共享。
2.多表集抄系统的研究现状
近年来，国家高度重视公共服务“多表集抄”推广工作，国家发改委、能源局、工信部相继出台“互联网 智慧能源”、“互联网 政务服务”等指导意见，将“多表集抄”纳入“互联网”行动战略予以推动。
目前在北京、上海、广州、深圳等一些大城市，一些房地产开发商就一开始率先实施电、水、气多表集抄或者多表预付费系统试点及应用，以减少与公共事业部门的结算问题。但考虑到电力、自来水、燃气、供热等公共事业公司之间存在差异，各地水、气仪表企业性质多元、发展水平参差不齐，除电网企业外其他多为地方企业，主体分散，需统筹协调；其次水、气仪表通信标准不统一，机械计量仍占很大比例，这些在一定程度上增加了多表集抄的实施难度。
3.研究意义
多表集抄系统是未来能源管控不可或缺的一部分，是智慧城市的重要部分，它的重要性不言而喻。
多表集抄还处于刚刚起步阶段，大家对它的了解还不完善；另外多表集抄系统的建设存在一定的难度，从实施到管理涉及的事业单位、设备单位复杂；现场建设多表集抄时，多表采集方案选择困难。
移动式多表集抄系统仿真测试装置微缩现场各类应用场景，可用于开展系统不同通讯模式的仿真测试、可同时也可用于多表集抄系统建设与调试的实物培训，为多表集抄系统的建设推广打下基础。
4.主要内容
4.1 多表集抄系统仿真装置方案
图1 多表集抄系统仿真测试装置实物图
移动式多表集抄系统仿真测试装置由计量自动化平台、前置机、集中器、通信接口转换器、采集器、用户表（电、水、气表）构成。采用四层设备和三层通信架构模型，通过通信接口转换进行各类仪表通信方式的接入和通信规约的转换，完成电、水、气多表的集中采集。
仿真测试装置设备使用模块化技术，模块可进行拔插和更换，可直接用于各种通信模块测试，同时通信接口转换器的接口和模块也可以进行拔插，可用于不同协议水、气表进行协议测试和无线抄表测试。
移动式多表集抄系统仿真测试装置方案设计
1）以现有南网集抄系统为基础设计：利用南网已经建设完整的低压集中抄表系统，在不更改现有集抄系统中表计、集中器、采集器、通信链路的基础上，仅增加通信接口转换器采集水、气表，对原有的电力采集系统不会有任何影响。
2）以用户仪表实际情况设计：以水、气表的实际情况出发，利用M-Bus和LoRa无线进行水、气表采集，适用现场多种通信方式的接入。
3）多种通信组合模式：支持宽、窄带载波与集中器通信，并支持下行有线、无线方式与水、气表通信，各种通信方式互相兼容，满足所有多表集抄现场要求。
4）系统模块化设计：计量自动化系统软件采用模块化的设计，多表集抄作为单独的模块展现，各功能板块互不影响；采集器、集中器、通信接口转换器都采用模块化，可随意拔插更换，通信方式可随时更换。
5）兼容性好：通信接口转换器预设含三十多种协议库，具备协议自识别功能，可以兼容多种水、气表。
4.2 多表集抄系统产品
计量自动化平台：是指通过远程信道对集中器中的信息进行采集、处理和管理的设备，通常采用计算机设备作为计量自动化系统载体。该系统采用主动方式对数据流进行控制，在一定范围内可以和不同地区的多个集中器进行数据交互，并集中采集处理的后台系统。目前计量自动化平台需要增加水、气表的数据采集，并设计通信端口与水、气公司的档案以及核算系统进行对接。
集中器：集中器是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能。能主动收集各网络中电、水、气表或采集设备的数据，并进行处理储存，同时能和计量自动化系统、通信接口转换以及手持维护终端等进行数据交互的设备。
通信接口转换器：实现与用户表（水、气表）进行通信，完成相关用户表相关数据的采集，并将它处理后传送到集中器或将集中器的命令转发到用户表。
通信接口转换器是新一代管理型转换器，其能同时对电、水、气表数据进行采集、处理和储存，上行通信可选用RS-485总线、电力线载波和微功率无线三种方式，下行通信信道可选用RS-485总线、M-Bus总线和微功率无线三种方式。
通信接口转换器采用了高性能的单片机平台、实时uCOSII嵌入式操作系统，是应用于加强用电管理的产品。转换器具备对电、水、气表远方抄表、远程升级、防窃监测及主动上报等功能。具有功能强大、使用简单、运行稳定、维护方便、可靠性高、存储容量大、开放性好、性价比高的特点，能够满足在电、水、气集抄系统中远程抄表等方面的应用需求，是电、水、气集抄系统的最佳配套产品之一。
智能电表：智能电表是智能电网的智能终端，它已经不是传统意义上的电能表，智能电表除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，为了适应智能电网和新能源的使用它还具有双向多种费率计量功能、用户端控制功能、多种数据传输模式的双向数据通信功能、防窃电功能等智能化的功能，智能电表代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向。
远传水表：远传水表是普通机械水表加上电子采集发讯模块而组成，电子模块完成信号采集、数据处理、存储并将数据通过通信线路上传给中继器、或手持式抄表器。表体采用一体设计，它可以实时的将用户用水量记录并保存，或者直接读取当前累计数，每块水表都有唯一的代码，当智能水表接收到抄表指令后可即时将水表数据上传给管理系统。
远传燃气表：远传燃气表是一种智能流量计量仪表，适用于天然气、液化气等可燃气质的流量累计计量，通过短距无线通信方式，实现数据远传。具有自动计费、防窃用、状态监测、阀门控制、预付费等功能。
4.3 装置通信技术
4.3.1 通信架构
1）主站系统与集中器之间运行2G/3G/4G等无线公网或以太网等通信技术。
2）集中器与通信接口转换器、采集器、载波表之间运用电力线载和微功率无线及RS-485通信技术。
3）通信接口转换器与水、气表之间运用M-Bus和Lora无线以及RS-485通信技术。
4）采集器与电表之间运用RS-485通信技术。
5）转换器与维护终端之间运用红外通信技术。
4.3.2 通信技术
4G通信技术：第四代移动电话行动通信标准，指的是第四代移动通信技术。
4G是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载，比目前的家用宽带ADSL（4兆）快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。
电力线载波通信技术：电力线载波（PLC，即 Power Line Carrier）是电力系统特有的通信方式，电力线载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。目前应用较多的是低压电力线载波技术，而目前较为普遍的是窄带电力线载波和宽带电力线载波，其优势各不相同，具体优势如下：
窄带电力线载波优势：
1）抗衰减能力强，信号传输距离远
2）通信稳定，可靠性强。
宽带电力线载波优势：
1）通信速率快，最高可大10Mbps。
2）实时通信能力强，满足远传实时功能。
3）频带宽，避开绝大部分电力线干扰。
RS-485通信技术：RS-485是一种采用差分电压信号线进行信号传输的通信技术，是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准，该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号。RS-485的信号传输速率在1Mbps以下，最大覆盖距离为1200米，其优点是：
1）通信速率高，采用差分信号进行数据传输。
2）抗干扰能力强，通信稳定。
M-Bus通信技术：M-Bus是一种由主机控制的分级通信系统，由主机、从机和两条连接电缆组成。从机之间不能直接交换信息，只能通过主机来转发。M-Bus通信传输速率可达到300-9600bps，最大传输距离为1000米左右，其优点是：
1）布线简单，只有两条通信线，总线无极限，对布线方式无特殊要求，可并联也可串联。
2）可通过通信线路实现采集终端向计量设备远程供电，适合水、气表这类本身无电源供电的表计。
3）通信稳定，抗干扰能力强。
LoRa无线通信技术：LoRa 是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等。其优势是：
1）大大的改善了接收灵敏度，降低了功耗。
2）基于该技术的模块支持多信道多数据速率的并行处理，系统容量大。
3）节点多、低成本的特性。
红外通信技术：红外是红外线的简称，它是一种电磁波，可以实现数据的无线传输。外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度；IrDA已经是一套标准，IR收/发的组件也是标准化产品。
4.4 装置协议架构
图2 移动式多表集抄系统仿真装置协议架构图
1）计量自动化系统与集中器之间运用计量自动化系统上行通信协议，并扩展为支持多表集抄的上行协议。
2）集中器与采集器、载波表之间，采集器与电表之间运用标准DL/T645-2007协议。
3）集中器与通信接口转换器之间运用的是扩展支持多表集抄的DL/T645-2007协议。
4）通信接口转换器与水、气表之间运用CJ/T188-2004协议或者是仪表厂家定制协议
5）转换器与维护终端之间运用IrDA标准数据协议。
4.4.1 协议定义
计量自动化终端上行通信协议：规定了计量自动化系统主站和终端之间进行数据传输的帧格式、数据编码及传输规则。适用于点对点、点对共线及一点对多点的通信方式，适用于主站对终端执行主从问答方式以及终端主动上报方式的通信。
DL/T 645-2007协议：DL/T 645-2007多功能电能表通信规约，标准规定了多功能电能表与手持单元（HHU）或其他数据终端设备之间的物理连接、通信链路及应用技术规范。用于本地系统中多功能电能表与手持单元（HHU）或其他数据终端设备进行点对点的或一主多从的数据交换方式。
CJ/T188-2004协议：本标准规定了户用计量仪表（以下简称仪表），包括水表、燃气表、热量表等仪表数据传输的基本原则、接口形式及物理性能、数据链路、数据标识及数据安全性和数据表达格式的要求。本标准适用于仪表主站与从站间，一主一从或一主多从数据交换的集中抄表系统。
IrDA协议：是能共同使用的低成本红外数据互连标准，支持点对点的工作模式
4.4.2 协议说明
（1）多表集抄在原电力采集系统中加入了水、气表采集，相当于加入了水、气表采集协议，因此从自动化采集系统到集中器都会对原有通信协议进行扩展来兼容各类仪表采集。
（2）水、气行业对水、气表未进行统一管理，仪表也未完全按照标准的CJ/T188-2004协议做，导致有相当多的仪表协议不能直接兼容到多表集抄系统，需要对通信接口转换器进行协议扩展。
4.5 仿真原理
4.5.1电表走字原理
仿真装置电路原理图
供电电路给采集器、集中器、通信接口转换器、灯带、风机以及可外接插座的设备进行供电，电表在线路最前段，所有电量通过电表后再进行供电，电表通过计量这些设备的用电情况，并走字。
4.5.2 水、气表走字原理
通过风机同时对水、气表进行鼓风，使水、气表指针转动，达到走字目的。4.5.3 采集原理
在计量自动化主站进行电、水、气表的档案设置，设置抄表任务，通过无线公网及以太网等下发任务到集中器，集中器通过电力线载波与通信接口转换器进行通信，通信接口转换器通过M-Bus和Lora无线与智能水、气、表进行采集，采集后原路返回数据到计量自动化主站。
4.6 测试功能
4.6.1 通信测试
移动式多表集抄系统仿真测试装置全部采用模块化、智能化，可直观看到整个系统的通信网络状态，主站的每一次采集测试，各模块都会闪烁对应的指示灯，任何一个通信设备的异常都会反映到通信指示灯异常上；通信设备的测试只需依据模块指示灯来判断。
4.6.2 通信测试流程
从主站下发采集命令，此时集中器的上行4G模块灯会闪烁，在接受到采集指令后，会通过载波发送抄表命令，此时集中器载波模块灯会有明显的收发灯指示，抄表命令会到达通信接口转换器，通信接口转换器的上行灯和载波灯会同时闪，根据下发采集表的属性，转换器会选择不同的通信方式去抄表，如是有线水表则下行灯和M-Bus灯会闪，如是无线气表则下行灯和LoRa模块灯会闪，在接收到抄表数据后，转换器会有收发灯闪烁和上行灯闪烁，此时采集到的信息会传到集中器，集中器的载波灯会有明显的收到信息后闪烁，然后再将信息上报到主站。
4.6.3 协议测试：
通信接口转换器默认出厂兼容三十多个水、气表厂协议，而且可以无限增加兼容协议库，确定一个水、气表是不是可以直接接入现场的多表系统，可拿现场对应的水、气表接入到装置中进行采集测试。测试结果可区分水、气表协议的一致性。
4.6.4 协议测试流程
在主站录入被测试水、气表档案，主站再对测试仪表进行采集下发，观察通信接口转换器的采集情况，如果采集不成功，需进行2-3次采集下发，因为通信接口转换器协议自识别的时间比载波的超时时间会长，如最终采集成功，说明该仪表现场可直接接入多表集抄系统，如果采集失败，需找到对应仪表厂家提供相关仪表协议，对通信接口转换器进行协议扩展。
同样的方式可以利用维护终端与通信接口转换器进行简单的抄表测试，来测试协议是否兼容。
4.7 装置特点
1）仿真装置直观反馈了多表集抄的安装布线方式，体现出M-bus总线方式采集，便于布线的特点。
2）Lora无线的采集方式，体现无线水、气表无需布线，避开部分地区布线难的问题。
3）仿真装置将原有电力采集系统和水、气表采集分开，中间增加通信接口转换器，可直接对比原有电力采集系统与多表集抄系统的差异。
4）通信接口转换器上行通信采用载波的方式，现场安装位置的选择性更多。
5）仿真装置可同时兼容有线、无线仪表，对于现场多表集抄建设的选择性更多
6）通信接口转换器的协议可扩充，原有的水、气表无需更换。
7）仿真装置采用模块化、智能化，可用于多表集抄系统的通信测试
8）仿真装置将现场多种多表集抄场景微缩，可用于多表集抄系统的培训与安装指导。
5.结束语
电、水、气、是人们日常生活不可少的公共服务产品。多表集抄采集建设工程借助电力集抄的经验和技术，通过拓展计量自动化系统应用领域，推动供电、供水、燃气多表集抄采集，目的在于打造新型用能服务模式、全面支撑智慧城市建设，减少抄表工作量和硬件重复建设，建设节约型社会。因此，研究开发一种新型的多表集抄仿真测试装置有着重要的意义。
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基金项目：
广州供电局计量中心职业创新项目“移动式多表集抄系统仿真测试装置”（080036KK52180001）
论文作者:郭斌1,刘珮琪1,何圣川1,姜文2
论文发表刊物:《河南电力》2018年9期
论文发表时间:2018/10/22
标签：通信论文; 集中器论文; 系统论文; 载波论文; 测试论文; 协议论文; 装置论文; 《河南电力》2018年9期论文;