低压载波集中抄表现状及国家标准制定工作介绍
一、 低压载波集中抄表现状
低压（AC380V）载波通信在国内的应用，主要在两个方面：能量计量集中抄表系统与电力线上网。
自从我国国民经济从计划经济向市场经济转轨以来，我国的能量计量营业管理*，一直在寻求模式的转换。但长期受制于计量数据采集技术装备的落后局面，久久得不到解决！在上个世纪九十年代，预付费系统确实红了好一阵子，光电能表预付费系统，北京、天津两地，就各有200－300万台终端投入实际运行。投入资金达数十亿元！但最终因为不能实时统计线损；预收费用利息问题也遭受国家物价部门质疑；与其他的一些原因；现在都在寻找出路！
现在的能量计量数据采集系统，主要矛盾在于计量仪表出口数据采集，也就是数据采集系统的下段信道！由于用户终端的市场容量极其巨大，这个下段信道的研究引起了很多商家的兴趣！归纳起来主要有以下三种模式：有线信道、无线信道、低压载波信道。
有线信道的最大优势在于通信质量比较好。它的最大问题：对于遍及千家万户的能量计量数据采集系统，它的工程实施意味着要重建一个与低压电网同样规模的网络系统，它的造价绝对是一个天文数字；还要考虑这样一个系统的工程实施、日常维护！这是难以想象的！
无线通信技术最近发展很快，用于能量计量数据采集，也不存在技术障碍；制约这个系统大面积推广的主要因素是成本、价格与频率资源问题！
低压载波信道是目前国内推广面最大的系统。根据中国电力科学研究院配用电自动化系统设备检测实验室统计，电能表能量计量数据采集系统送检产品的通信方式：84％是低压电力线载波通信；14％是双绞线有线通信；2％是无线通信。
据笔者初步统计，低压载波集抄系统每年终端投入运行约数百万台，电力部门每年投入资金超过十亿元！
但就现场运行效果而言，这个系统远没有达到实用化水平。早在2004年年初，深圳的平面媒体就发表了《深圳市远程抄表系统使用状况堪忧》一文。我们调研的现场运行的低压载波集抄系统，由于抄收状态不稳定，大多采用了系统循环抄收方式，在低压电网低谷时段，通信环境比较好的时候，完成数据采集。完全丧失了通信的实时性指标！
关于通信的实时性要求问题，业内是有争论的！
有人认为：原来的人工走抄，数据采集的实时性更差！这里必须要搞清楚一个根本问题：我们建立电能计量数据采集系统的目的，绝对不是单纯为了替代人工走抄！低压载波集抄系统的建设主要目的应该是应对市场经济环境下，电力营业管理*改革的需要；我们更多的考虑是电能营业管理增值服务的需求；特别是为今后可能出现的新的营业管理制度，提供数据采集手段！如分时计价、季节电价、区域电价、阶梯式电价，以及国外已经实施的奖罚电价、……等一系列价格政策服务！一个很简单的道理：没有这种增值服务，无法实现低压载波集抄系统的投资回收！在这个问题上，行业主管部门与基层电力部门的认识，存在较大的差距。
目前这种循环抄收、拾遗补缺的抄收方式，还有一个致命的问题，就是未来的困惑！由于系统抄收状态与电网负载状态休戚相关！在今天的负载状态下，电网低谷时段可以实现数据采集，一旦电网有新户报装或负载增加，将导致系统低谷时段也不能实现全抄，那时候怎麽办？
根据我们的调查，即使在电网的低谷时段，很多系统都不能完成100％的数据采集。这大大影响了用户使用低压载波信道的信心。通信可靠性已经成了低压电网载波通信技术的技术“瓶颈”！
仔细分析这种通信不稳定的根本原因就是低压电网载波通信环境极端恶劣！它可以从信道衰减与干扰两个方面进行讨论。
根据重庆大学电信工程学院几位老师对低压电网的现场实测，低压电网载波信道最大衰减可达120－130db（参阅【电子技术应用】杂志1998年第一期）！假如单纯依靠物理层通信实现数据采集，载波通信芯片或模块的物理层通信能力至少要超过130db！但目前国内外各种载波通信芯片或模块都不可能达到这个指标！（见图5）即使采用扩频调制技术，芯片或模块的物理层通信能力，也只能达到80－90db！
根据实测，一台彩电的投入，可以影响低压电网载波信道末端衰减增加20db！虽然用户负载同时性系数可以降低瞬间信道衰减变化的幅度，但负载的随机性还是会严重影响信道的衰减幅度！导致电网末端衰减瞬间波动高达数十分贝！
现在城市电网配电变压器出口大多采用低压电缆，而这条电缆上的衰减，往往就可以达到60db以上！加上低压电网的功率因数补偿电容的影响，在低压电网不采取任何一次回路隔离阻波技术措施条件下，这对载波通信芯片或模块的物理层通信能力，就是一个严峻的考验！
更严重的电网劣质电器造成的随机干扰，我们测到的四管日光灯最大干扰可以达到120dbμv，干扰频率在90khz左右游动。其他如劣质手机充电器、节能灯、变频空调……等，干扰发射也十分严重！而且是全频段干扰！（见图4）它们将降低接收信噪比，导致通信失败！
面对这样的恶劣的通信环境，波动范围又这样大，一般的加大发射信号幅度、提高接收灵敏度、改变调制方式、自动增益控制、多载波发射、跳频通信技术、分组传送……等技术措施，对于信道的剧烈波动的高衰减与广谱强干扰根本无能为力！由于能量计量数据采集系统通信的实时性要求不是很高，大家也不约而同地想到了中继通信手段！
最早出现的是专用中继器与穷举遍历的表中继技术。前者需要增加设备投入；后者的穷举遍历通信时间太长；现在基本已经从市场出局！只有少量厂家还在采用一些特殊功能的专用中继器！
由于载波电能表自身就具有接收与发射信号能力，已经具备中继器的硬件能力。几年前，已经有一些企业开始采用载波电能表作中继器，实现人选表中继技术。也就是通过人工调查低压电网的网络拓扑结构，根据负载与抄收状况，人工指定载波电能表中继通信的中继路径。这种方法的最大弊病在于人工调查，费时费力，而且由于电网的负载波动与网络拓扑结构的动态变化，这里的动态变化包括新户报装、线路改造、气候变化、元器件老化等，都会造成系统网络拓扑结构与抄收状况产生剧烈变化，人工指定的中继路径不能适应这种变化，将导致系统瘫痪！
最近还有人提出了监听中继的方法。所谓监听中继，就是通过载波电能表在抄收过程中，监听系统通信情况，上报集中器，由集中器选择中继路径。这种方法存在理论上的严重缺陷，现在还没有设计成型。
现在用得比较多的是所谓神经元系统，包括美国echelon公司、以色列itrar公司、深科技、昊元…等都采用了类似的方法。它的设计思想就是通过硬件手段，比较不同载波电能表的接收信噪比或信号幅度，确定电能表的距离集中器的相对位置。这种方法的理论缺陷就在于：不同时间采集的数据也没有可比性；不同相、不同分支电能表的信道数据没有可比性！另外，神经元系统由于原理缺陷，不可能对系统实现分支，而低压电网的系统分支是极端复杂的，它对精确选择中继节点，提高通信效率，非常重要。由于上述原因，神经元系统中继节点选择，具有很大的不确定性。
由于在纯粹的低压载波信道解决问题，难度很大，所以有部分企业就采取了混合信道构建系统。这里的所谓混合系统，就是从电能表输出采用脉冲输出或者485数据输出，经过采集器采集多块电能表输出数据，再用低压载波信道进行数据传输，到集中器。由于一台采集器可以采集多块电能表的脉冲或数据，而一台采集器集中数据输出只要用一个载波通信模块，从而可以降低载波信道的成本；而且又压缩了载波信道传输距离，降低了信道要求。从载波信道的效果看，可以改善抄收成功率。但这种方式也存在两个问题：其一，如果电能表输出的是计量脉冲，从计量标准鉴定角度，采集器输出计量数据还应该通过综合计量鉴定，否则，根据计量法，采集数据不能作为收费依据；其二，电能表输出脉冲或数据都需要单独拉线，这里又涉及工程实施、装修破坏、重新建网的问题！只有电能表集中安装的场合，比较适用。
从本质分析，从电能表载波信道的直接通信，到通过电能表进行中继通信，我们已经实现了从纯粹物理层通信到网络层通信的跨越！但这种跨越还处于低级阶段，需要人工网络摸查、人工指定中继路径。这里最大的障碍就是低压电网的网络拓扑结构！对于我们这麽大的一个国家，低压电网的建设跨越了上百年的历史时空，它的多样性与复杂性是勿庸置疑的！尤其是老城区与农村电网，低压电网建设完全无章可循，要进行系统拓扑结构的人工摸查、手动输入，是难以想象、不可思议的！但这个问题又是实现低压电网载波通信实用化、网络层通信智能化，不可回避、必须直面的课题！
因为面对低压载波信道，高衰减、强干扰、波动范围大的复杂的通信环境；现在又不能期望一次回路采取隔离阻波等技术措施；国内外载波通信芯片与模块的物理层通信能力不能满足现场使用要求；通过网络拓扑分析，采用表中继技术，几乎成了我们唯一的选择！我们把这种技术命名为拓扑中继技术。也就是所谓Topo-relay技术。
Topo-relay系统的最大优势在于：通过先验网络拓扑分析，准确选择实时可靠抄收的中继节点；从而最有效地利用载波通信芯片或模块的物理层通信能力；以几何级数提高接收信噪比；既提高了整个系统抵御电网衰减的能力，又增强了系统的抗干扰能力；不仅可以大大提高抄收成功率；而且最大限度缩短了系统抄收时间。由于系统具有天文数字的系统冗余，所以可以确保系统任何时刻，都能实现100％抄收！
这种技术所以能够大大提高系统通信的可靠性，是因为它巧妙地利用了两个隐形资源，来解决低压电网载波通信的可靠性问题：
一个是时间资源：现在的自动抄表系统是一个非实时系统，对抄收的实时性要求不高，但具有数据同时性的要求。所以我们在做系统方案设计时，在解决了数据同时性要求以后，就有充足的时间资源可以利用！我们可以通过中继广播通信，进行底度冻结、分别中继采集的方法，基本实现数据的准实时采集。数据采集的同时性误差一般只有几分钟，用户是可以接受的！当然中继通信时间，比纯物理层的直接通信，是成倍延长了，但中继通信可以借助中继重发，按几何级数提高接收设备的接收信噪比，大大提高通信成功率与可靠性！（见图1）
另一个是系统资源：低压载波集抄系统上的通信节点数量是巨大的，安装是密集的。每个通信节点都可以作为后面更远通信节点的中继器。只要能够实现系统的网络拓扑分析；合理选择中继节点；在“以上端为绝对主动方的、点对多点的半双工”通信制式下，实现系统24小时100％准实时通信是可能的！
Topo-relay技术的最大难度在于系统的网络拓扑分析。因为这里不仅需要设计一个可靠的网络拓扑分析算法；更困难的是这个分析算法必须适应完全随机、*动态变化的电网拓扑结构；因为新户报装、定期校验、坏表更换、元器件老化、甚至电网负载波动、气候变化、用户人为破坏，都有可能改变或破坏已经计算好的电网拓扑结构！
Topo-relay技术的第二个难度在于中继表的选择原则设计。因为低波特率的抄收速度跟不上电网瞬时负载变化的速度！这就可能导致已经选择的中继表，不能可靠通信，从而引起整个系统瘫痪。而要改变这种状态的必要条件，就是系统的先验拓扑结构与系统的实时负载状态，及其变化形态！需要实时的、量化的、软件可靠性调节！
造成这种困难的根本原因，就在于系统的下段信道，采用了总线制的通信方式；而下段信道的网络结构，却是一个星形发散模式！这二者之间的矛盾，就导致了我们必须有一个清晰的、先验的、实时的、但又是动态的、收敛的、可迅速修正的网络拓扑结构！
这里的网络拓扑算法，是十分复杂的！从理论分析，不可能一次求解。只能通过依次逼近、逐步求解的方法。根据算法数学模型设计（见图2）与软件设计技巧，逼近速度有巨大的差别。不过，不管算法怎样落后，只要实现了系统网络拓扑分析；保证了系统通信链路可靠性；确保系统24小时100％抄收，是没有问题的！
这里有两个问题，需要强调一下：
第一个问题：系统通信链路问题。
根据我们的调查，部分现场因为配电变压器出口电缆与功率因素补偿电容，导致集中器到第一块电能表，通信不可靠。这时就存在通信链路不通的问题！这个问题只能通过载波通信芯片或模块的物理层通信能力来解决！拓扑中继是无能为力的！
第二个问题：网络拓扑结构的动态修正问题。
我们的网络拓扑分析，分析的不是低压电网的几何拓扑结构，而是物理拓扑结构。所以这个拓扑结构是动态变化的！不仅低压电网的几何拓扑结构是变化的，如新户报装、线路改造、电能表定期校验、坏表更换…，会影响它的几何拓扑结构变化；而且低压电网的负载波动、干扰变化会影响它的物理拓扑结构变化；设备的元器件老化也会影响它的物理网络拓扑结构变化；甚至季节更迭、气候变化都会影响低压电网的网络拓扑结构随之发生变化！这就要求我们的网络拓扑分析，必须实时进行动态修正，保证中继节点选择的准确性与可靠性。而且这种动态特性的设计，也可以保证系统基本免维护！这种网络拓扑分析的动态修正，在网络拓扑分析的设计中，是最困难的，但也是最重要的！
目前这项技术已经设计完成，早期进行过现场验证。目前正处于中试阶段。
国外能源计量数据采集系统研究与应用，也十分活跃。根据Cognyst咨询公司的Howard Scott进行了详细的数据分析，指出自动抄表不仅在美国，在全世界都是一个具有巨大成长潜力的行业。在美国，电能表、水表、煤气表集抄系统年增长幅度达到10－55％；当年报告预计2005年美国各地的自动抄表设备总数超过6000万台，这是有保留的预计，没有将新旧产品替代的情况包含在内。在欧洲，意大利已经安装电能表集抄系统终端2700万台，德国等其他欧洲国家的集抄系统应用也在逐步推开。以色列itrar公司在韩国也有集抄系统试点；北京福星晓城的载波集抄系统已经登陆朝鲜、缅甸等东南亚国家市场。
关于电力线上网的研究，它应用的是20MHZ频段。
这个课题，由于它的巨大的经济利益，在国内外得到广泛的关注！但在这个频段依然受到低压载波信道高衰减、强干扰、信道指标剧烈波动的影响！北美插电联盟（Homeplug组织）把这个问题称之为last mile问题。目前还没有很好的解决办法。
笔者通过Topo-relay技术得到启发，如果能够采用副载波技术，实现系统网络拓扑分析与中继传输，对于不能直接通信的节点，就可以通过降低通信速率，保证系统通信。