无线抄表系统在电力管理中的应用探讨

摘要：针对厂区电力管理系统中抄表工作存在的种种问题，讨论了一种基于ZigBee协议的无线网络远程抄表系统，并经过实验证明了该系统的可行性与准确性。随着此系统的应用，不仅可以提高电力管理部门的灵活性与时效性，而且实现了电能的信息化管理。

关键词：无线抄表；ZigBee；智能电网；电力管理信息系统

作者简介：王爱民（1971-），男，天津人，凌云工业股份有限公司上海分公司，工程师；刘俊强（1970-），男，河北邯郸人，凌云工业股份有限公司上海分公司，工程师。（上海 200000）

中图分类号：F274 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0215-02

随着计算机技术的飞速发展，通信技术的不断提高，计算机在电力行业各个领域得到了广泛的应用，并越来越普及。在我国，几乎每个地区的电力部门都已实现了用电收费管理自动化。并且随着现代企业管理改善和效率提升等需求的发展，需要对大型设备和设施的运行状况进行准确实时的监控，制定和执行准确的维修和巡检计划，实时采集设备、设施的能耗数据，确保设备安全，控制和降低维修成本等，这样就使得传统人工抄表方式存在的问题就更加突出，抄表困难也成为各电力部门管理上的主要问题。

一、现存缺陷

引发以上问题的原因主要可归结为以下几点：

1.巡查时间长

随着厂区规模的增大，厂区内配电设备的增多，抄表人员进行一次巡查抄表的时间也在增加。

2.人工数据存在误差

传统的人工抄表不仅效率低，易出差错，且人为抄表不可能在同一时间读取所有电能表的读数，无法进行电能的精确计算。

3.电量考核滞后

由于采用人工抄表，抄表数据实时性差，使得企业各部门电量考核滞后，给能源管理带来负面问题。

4.各管理部门负担较重

抄表率低、周期长、统计速度慢等严重影响了这些部门的经济效益。

5.管理费用开支过高

随着配电设备越来越多，所需的手动抄表的管理人员和操作人员也要相应增多，这势必会严重制约着企业的发展。

二、解决方案

基于上述种种原因，并适应智能电网[1]和当前的电网电力管理信息系统（MIS）[2]建设的迫切要求，集抄系统无疑是电力管理信息化的一个重要部分，而且其先天的优势也得到很多人的认可。但是理想和现实存在一定差距，目前的集抄系统绝大多数属于有线的集抄方案，该方案的应用不容乐观，甚至很多企业电力管理部门将其视为一块“心病”，92%以上的抄表成功率对于现实而言意义也不大，抄表人员还要为没有成功得到读表数据的电能表进行人工抄表。此外，有线的抄表系统投资成本巨大，加上硬件设施，一个中小规模的厂区也要十万元以上，且施工周期长，需要和很多部门例如市政、自来水、煤气、电信等协调，至少需要1至2个月的工期，同时由于线缆是埋入地下，让故障修复变得不可控制，维护压力巨大。当然其他还有些方案，例如自带采集功能的载波电表等方案，但是都因为成本、技术和实施问题未得到很好的推广。很多企业的电力管理部门要求抄表工作不仅仅是抄回表码，还要关注电能表的现场情况，例如是否有偷电现象、电能表烧毁、电能表损坏等。

近年来，随着无线通信技术的发展，抄表行业出现了基于GSM、GPRS等收费使用频段，以及基于红外、蓝牙、ZigBee技术等免使用频段的无线抄表方式。前一种基于GSM、GPRS等收费使用频段的方式稳定性较好，但需要按实际使用流量收费，且工作频段高峰期拥挤，实时性较差，而后一种基于红外、蓝牙、ZigBee技术等免使用频段的方式费用低，实时性好。本文采用一种基于ZigBee的无线抄表系统方案，可以实现企业抄表系统的远程智能化管理。

三、系统构成

一般来讲，无线抄表系统[3]的构建主要是无线网络的构建，无线抄表系统分为三个部分：数据采集部分、无线组网部分和数据管理部分，可由电表集抄中心、智能电表、无线传感器网络、公网等构成，形成多层分布式结构。本文所使用的无线抄表系统总体结构如图1所示。

厂房每层楼的电表经RS-485总线与本层的采集器相连，采集的电表数据经过采集器收集后由本厂房的路由设备将其汇总并发出，不同厂房之间的路由设备经过无线网络协议组成一种网状厂区无线网络。对于厂区这种实际工业环境，由于地形、干扰等种种因素的影响，不能实时保证网络中每条通道的可行性，采用这种网状无线网络，当某条通道出现暂时性问题时，通过其他路径仍可以达到目的地，从而保证了数据传输的可靠性。网络中的所有电表数据经过集中器的整理，通过GPRS公网发送给集抄中心。集抄中心接收到数据后进行电表数据的记录以及费用的核算。

厂区网状无线网络协议采用免费频段的ZigBee协议。ZigBee[4]协议是一种可靠的无线传输网络协议，与GSM和CDMA类似。ZigBee的无线传输模块的作用类似于移动网络的基站，通讯距离适中，而且可以根据实际的需要无限扩展网络规模。和GSM与GPRS两种常用的网络协议相比，其不同之处是此种网络出现最初的目的是解决工业生产自动化中控制数据的传输问题，从实际出发具有使用方便、传输可靠、价格低廉等显著特点。其自2001年出现以来得到工业界的广泛关注，并得到迅速发展。时至今日，ZigBee协议已成为一种世界认可的标准网络连接协议，其优势也在不断扩展。

1.低功耗

由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其他无线设备望尘莫及的。

2.成本低

ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

3.时延短

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

4.网络容量大

一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。

5.可靠

采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

6.安全

ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

因此采用ZigBee协议作为本无线抄表系统网络协议，在厂区分散环境下，可以在较小的投入下得到更好的效果。并且采用以上无线抄表系统不仅符合智能电网和当前的电网电力管理信息系统（MIS）的建设的要求，而且可以大幅度提高工作效率，降低管理核算部门的管理难度，更有助于企业的长期稳定发展。

四、应用效果

为确保本系统的可行性与准确性，随机抽取本企业一个厂区中不同分布的五台电能表进行统计实验，并与经抄表人员人工抄表的数据进行对比。对比数据如表1所示。

由上表所示，使用本文所述的无线抄表系统，抄表准确率可达到99.99%。同时由于采用了无线抄表系统，满足了企业的实时性需求，实时掌握企业各部门的电能消耗，使得电量考核数据更加精确，验证了本系统可行性与准确性。

五、结束语

随着无线通信网络技术的迅速、蓬勃发展，基于无线网络的能源管理系统也将逐渐成为企业能源管理系统升级的可靠选择。借助无线网络，不仅可以很好地解决有线通信方式在布线难度、成本核算、维护和升级周期等方面存在的问题，而且基于网络的管理系统灵活性高，前景十分广泛。

本文通过对一种基于ZigBee协议的无线抄表系统的探讨与实验，对厂区的部分电表数据实现了数据的实时读取，可以真实反映厂区的能源负荷情况，并提高电能表读取的准确性。同时解决了企业电力管理部门在抄表工作上现存的种种问题，节省了人力物力，极大提高了各管理部门人员分配的灵活性及办事效率，提高了企业用电核算的准确性，推进了我国智能电网和当前电网电力管理信息系统的建设步伐。

参考文献：

[1]罗明志.智能电网综述[J].中国电力教育，2010，（16）：239-242.

[2]孟凡辉，郑丹，丁立鑫，等.电力企业计量装置管理信息系统的研究[J].黑龙江电力，2011，（4）：277-279.

[3]宋国青，叶进，屈国旺，等.基于工作流的ZigBee 无线抄表系统设计与实现[J].自动化与仪表，2010，25（4）：22-25.

[4]李文仲，段朝玉，ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：189-371.