模块化低压电表AMR系统方案及实现.docx

模块化低压电表AMR系统方案及实现苏州银河龙芯科技有限公司 王瑞毅 张学茂中国城市供电网及农村供电网改造后，实行了一户一表，抄表到户，居民计量用表数量 成倍增加，尤其是在实行分时电价的城市，工作量在此基础上又增加了几倍以上若继续采 用传统人工挨家挨户抄取电能表数据，不仅耗费人工多、成本高、效率低，而且人为差错多， 不仅不能适应电力体制改革的要求，也直接阻碍了诸如分时电价运营、预付电费等先进管理 模式的推行随着技术与管理的进步，我国逐渐发展了集成电路（Integrated Circuit, IC）卡式预付费系 统和自动抄表系统（Automatic Meter Reading System，AMRS）其中IC卡式预付费系统的IC 卡从早期的电钥匙（E2PROM卡）、逻辑加密卡发展至今日的CPU卡；自动抄表系统的信 道模式也从RS485总线、电力线载波（Power Line Carrier， PLC）发展到短距无线（ZigBee、 IEEE802.15.4标准）、HFC有线电视网络、IP网络（小区宽带或家用ADSL）、无线局域网 （GPRS、曾出现过SMS即短信抄表）等先进的通信信道从应用情况看，这两种系统单独应用还存在不少缺点，仅使用IC卡式预付费电表除已 解决了的抗攻击、可靠性、采购价高等问题外，仍存在难以适应电价变动的要求、窃电严重、 不能实时反映用户用电情况，无法计算损耗、数据采集不及时、无法实时反映电力负荷状况、 不能对用户行为进行有效监控等问题。

仅使用电力载波自动抄表系统，电力线上的干扰非常 大（特别是在用户线路上，如用户家用电器及开关电源等产生的高次谐波、各种用电设备通 断时产生的瞬时脉冲干扰、各种大功率开关器件的开关产生的宽频谱驻波干扰等等），再加 上不同地方的线路特性可能完全不同（所使用线路的种类及线路上的负载情况都会对高频信 号在电力线上的传输特性产生很大的影响，即使是同一段电力线路，其传输特性也会随电力 负载的变化而改变）因此，使用两种方式的组合将能更好地满足供电部门的需要预付费 系统解决了收费问题，自动抄表系统解决了数据自动采集、传输和处理及电能供与用管理， 两者的结合给电能管理的现代化带来了新的希望笔者在预付费电表系统技术方面已有多篇论述，本文重点论述自动抄表系统中的模块化 AMR系统方案一、 多信道AMR系统及AMR系统模块化的必要性在中国实际实施电能表的 AMR 系统时，我们会发现有许多的困难： 电力载波使用电力局自有的网络，有电表的地方就有电力线，电力载波早在二十年前就 成功应用于电力调度，且国外（如意大利）前些年已有大面成功应用的事例但在各地的应 用中，三年前各电力公司安装的电力载波AMR系统，大多数已无法使用，近年安装的电力 载波AMR系统，虽水平大有提高，仍有不少问题，在不少台区仍无法保证正常抄收，究其 原因，主要为干扰太大及时变、电力网络等效阻抗和网络结构时变两大因素，现行的电力载 波技术已采用了扩频、跳频、多频道、多种调制方式综合的，几乎和军用电子对抗技术相当 的各种技术手段，仍无法保证简短信息在电力网上可靠、不受地点限制、实时的传输。

RS485 总线通讯技术成本低、通讯可靠，但其布线、维护困难和通讯速度慢及防破坏防 雷击能力差，因此不易大面积使用无线局域网（GPRS、SMS）为网络的AMR系统，有组网快、几乎不受地点限制、通 讯速度快、通讯可靠等优点，但其通讯模块昂贵、运营成本高、不是供电局自有网络而无法 应用居民电表的抄收HFC有线电视网络为网络的AMR系统，有网络条件极好、通讯速度快、通讯可靠高、 通讯模块便宜、运营成本低等优点，但其仅能用于有双向 HFC 有线电视网络的地区、需另 加有线电视机盒至电表箱同轴电缆、运营费用需与有线电视网络公司谈判、网络不是供电局 自有网络而无法自行维护与组网等不足IP网络（小区宽带或家用ADSL）是一类理想的AMR系统用网络，但其普及至每家每 户每块电表，尚需时日即使网络到了每块电表，目前仍有IP地址远远不够（到普及IPV6 时可以解决）、网络接口价格贵等问题，我们只好等待将来的发展短距无线（ZigBee、IEEE802.15.4标准）是近年来发展迅速的一种AMR系统用网络， 其有组网快、通讯速度快、通讯可靠、通讯模块价格较低等优点，但其有受发射功率、频点 的限制（国家无管委有规定），无法实现长距离通讯，可用频率段高（2GHz以上），无绕射 能力，电波透墙较为困难（受发射功率限制）、网络维护成本高等不足。

综上所述，目前无法找到一种满足电力部门所有用户集抄要求、通讯可靠、通讯模块制 造成本低、网络运营成本低且维护方便的网络来实施AMR,各种网络有不同的优缺点，将 其组合运用，能扬长避短，达到较优的效果从而，多信道（网络）AMR系统则成了必然 事实上，近年来各地安装的AMR系统，基本上都是多信道（网络）AMR系统，只不过没 有明确提出这个说法而已从网络学原理我们知道：多信道（网络）通讯必须分层处理，各层之间的接口和协议应 标准化，TCP/IP协议则是一个典型的例子在多信道（网络）AMR系统实施中，也应分层 处理，各层之间的接口和协议也应实现标准化，对此概念和要求， IEC 62056－53已有完整 和全面的描述但在国内AMR系统实施现状中，完全按IEC 62056-53标准去做是有很大困 难的，但我们建议在新装的AMR系统中，依据现实技术状态实施上述概念依据上述概念，在国内新装AMR系统上使用多信道通讯时，可选用常用的标准接口作 为通讯层界面，并使各通讯部件模块化和接口标准化这样构成的AMR系统灵活性高、研 发成本低、通讯部件模块易于批产、更方便组成实用可靠并适合当时当地网络条件的 AMR 系统。

适应上述设想，使各通讯部件模块化已成为必要二、AMR系统中与低压电表相连的基本模块国内现行的集抄电表（例如载波电表）绝大多数情况是：表内MCU在处理电表的各种 功能的同时处理集抄事务，即非分层化和模块化概念，表面上这种方案降低了电表成本，但 由此带来的电表可靠性下降、设计失误增大（同一个8Bit MCU内要处理更多的中断和功能）、 EMC 性能下降（通讯模块与电参数处理硬件一体），为解决这些问题的代价将远高于添加 一个小MCU （目前仅需4〜6元）我们认为：随着MCU价格的下降，使用模块化的方案 将更优为使多种信道（网络）的通讯模块均能方便地与电表模块相接，应该选择一至二种最常 用的接口使其标准化，通讯规约也应选择最常用的我们认为：RS485前，光耦之后的三个信号点，即经光隔离的、TTL电平的UART接 收、UART发送、收/发控制信号是一组标准接口，其非常方便联接各种信道通讯模块；通讯 模式采用串行异步半双工，通讯规约采用 DL/T 645-1997，这是国内应用最为广泛的一组电 表通讯接口再加上5V电源和地，共5根线，我们选其作为表内通讯标准接口我们可将 RS485 的电路、载波通讯电路、短距无线通讯电路、 HFC 通讯电路、 GPRS 通讯电路、IP通讯电路（含各自除5V之外的电源、自动联网、增益控制、转发等功能实现， 当然可能自带MCU）设计成“透明”（即只要是某波特率范围内的异步、半双工串行信号即 可发至收端还原成原波形，与通讯规约、转发、联网等网络因素无关）通讯部件，与电表接 口符合上述要求，并在软硬件上独立存在，则在实际AMR系统组网时，只需在表内配不同 的通讯模块，即可实现某层通讯使用不同通讯信道。

遵循上述原则，电表设计与通讯设计分 开，有利于专业分工、各自发挥技术优势、有利于产品系列化、有利于产品提高批量、降低 成本和整体技术的提升但国内有己安装使用的、数量巨大的带RS485接口的电表，这部份电表若撤装回表厂 进行表内通讯模块添加，非常不便；另外，每表配一个表内通讯模块，其成本也会较高，因 此我们建议再以 RS485 总线作为另一种通讯层标准按口，暂称为表外组通讯标准接口我 们可同上原理设计另一系列载波通讯、短距无线通讯、HFC通讯、GPRS通讯、IP通讯“透 明”通讯部件，其与电表接口符合RS485要求，用于表外联接一只至N只电表（同一表箱内）） 实现组网通讯三、多信道 AMR 系统的组网与集中器上一部份实际上己描述了多信道AMR系统的底层网络的构成，在实际工程中，我们可 以将要实现集抄的区域按实际情况划分成若干小块，每个小块选用不同的通讯信道，每个小 块可设置一个集中器（该集中器为另一通讯层的交界面），多个集中器可选用另一种或几种 通讯信道联至区域主站同样道理，集中器应该是模块化的，其接口应该也是标准的，上端与下端的通讯也应该 用可替换的、 “透明”的通讯模块来实现区域主站至电力公司集抄服务器，我们则建议使用电力局光纤网、电力局局域网、 GPRS 无线局域网等大众网络来实现。

一个典型的多信道AMR系统如下图所示：,485总线网络载波通讯网络供戸集中器GPRS无线局域网有线网络rpv供电局主站Internet模块化低压电表AMR系统方案示意图四、多信道AMR系统实施电表参数设置应考虑的问题当选用一些先进的网络手段来实现AMR时，由于通讯质量的大幅度提高，电力部门对 使用 AMR 系统来实现一些面广的重要参数设置成了必然（例如设置时段费率与校时），此 时，设置命令的安全问题提到了重要的日程考虑到DL/T645规约应用的广泛性和DL/T645 规约设置命令的不安全性，我们提供下述对策：使用DL/T645规约修改参数指令时，取消明文密钥核对，改为明文数据加MAC的安全 模式电表中设有广播较时密钥（各表相同）和通讯密钥（应为离散后的通讯密钥），在与 指定的电表发布写命令时，主站（或手持机）应使用指定的方法（密钥分散方法另定）完成 由基础通讯密钥至该表通讯密钥的分散，使用分散后的密钥完成下述通讯MAC的验算通 信时，主站（手持机）先用读随机数命令读取电表的4Byte随机数，取写命令数据帧全部值 （去除密钥权限、密钥部份）为MAC计算的DATA再计算出该帧数据的MAC值，最后 将4Byte MAC填入数据帧中原密码权限、密码相应位置，形成发送帧发送；电表核对MAC 不正确，视为错误不予接受参数修改。

使用 DL/T645 规约广播较时时，主机呼唤群表，方法为：主机发送的数据帧尾部带 4Byte 明文随机数，收端群表用广播较时密钥对收到的随机数加密来产生解密密钥，其余过程与上 相同；但广播较时值与本表时钟误差大于（IMin + 30S * N天）时，不接受广播较时，式中 N为上次较表至本次较表的间隔天数，N=0时禁止修改本方法的加密算法可用3DES或SF33。