“电水气”三表采集数据通信试验平台设计

（国网江苏省电力公司电力科学研究院 国家电网公司电能计量重点实验室，南京 210019）

目前，国内各地居民的水、热、气、电四表使用推行“一户一表”的政策，由于四表分属于不同行业部门管理，各自运营，绝大多数采用人工室内抄表方式，抄表耗时费力，且在能源贸易结算时产生各种处理方式，未形成公共事业基础设施的资源共享，带来重复投资、工作效率低等问题，也给居民生活带来诸多不便。若建成“电水气热”多表采集系统，将打破电、水、气、热表间“语言不通，各成系统”的壁垒。

近几年，国家电网公司大力推进用电信息采集系统的建设。基于现有用电信息采集系统平台，增加支持多种上行、下行通讯方式的多表采集通信接口转换器，将是建立“电水气热”多表采集系统的快速有效途径。通信接口转换器是指采集电、水、气、热表数据，并对水、气、热表数据处理存储，同时可以与集中器或手持设备进行数据交换的设备。目前针对多表采集系统的研究与建设处于起步阶段，集中器、通信接口转换器等采集终端功能的开发尚未完善，系统对水、气、热表通信协议的兼容性、数据采集稳定性及采集成功率等均有待提高。

自2015年4月起，国网江苏省电力公司就根据国家有关部门和国网公司相关要求，结合江苏目前热表应用极少的实际情况，积极推进“电水气”三表采集系统建设。在此详述“电水气”三表合一数据通信试验平台的设计。

1 多表采集系统架构

多表采集系统总体上基于国网公司现有用电信息采集系统架构，从物理部署上分为主站、通信信道、现场设备三部分[1-2]。

主站一般由数据库服务器、接口服务器、防火墙等网络设备组成，对应用电信息采集系统的服务主站，用于存储、处理集中器上传的各类电、水、气、热表数据，为开展进一步的业务应用提供支撑。

通信信道用于实现系统内各设备之间的通信，分上行和下行2种。以集中器为例，上行通道即为与主站之间的远程通信，包括光纤、GPRS/CDMA无线公网等；下行通道是与采集器、通信接口转换器之间的通信，包括电力线载波、RS-485，微功率无线等。

现场设备是指安装在各类用户周边的采集终端和计量装置。其中，采集终端包括集中器、采集器、通信接口转换器等，计量装置是各类待采集的电、水、气、热表。

目前，多表采集系统普遍采用的通信技术方案主要有以下3种：

（1）采用微功率无线上行，即水、气、热表全部采用微功率无线通讯方式，需将采集器和智能电能表的微功率无线模块升级，一方面抄读水、气、热表，一方面作为与集中器的上行通道。这种方案适用于广泛采用微功率无线电能表的场合，但需大量更换无线模块，所以工作量大、成本高。

（2）采用电力线载波上行，需将采集器和智能电能表的载波模块升级，使之同时支持与集中器的上行载波通讯和对水、气、热表的微功率无线通讯。由于上行、下行通讯在一个模块上实现，因此升级难度较大。

（3）增加通信接口转换器。如图1所示，电能表采集方案不变，水、气、热表数据由通信接口转换器统一采集后再上传集中器。通信接口转换器本身具备电力线载波、RS-485，微功率无线的上行通道和RS-485，M-BUS，微功率无线的下行通道。这种方案只需完善通信接口转换器，使之成为水，气，热表的专用“采集器”；可以兼顾有线、无线不同类型不同通信协议的水、气、热表计数据抄读，与原有电能表数据采集互不影响；升级工作量和成本都相对较小，且适用范围较前两种更广，为建立多表采集系统的优选途径。

图1 多表采集系统架构Fig.1 Physical architecture diagram of three meters information collection system

2 平台设计方案

由于上述第三种方案的多表采集系统表计兼容性强，可以取得更好的试验测试效果，故在此采用通信接口转换器配合集中器的方案，搭建“电水气”三表合一数据通信试验平台。该平台模拟当前用电信息采集系统典型架构设计，系统结构如图2所示。

图2 三表合一数据通信试验平台系统结构Fig.2 Schematic of data communication test platform for electricity，water and gas meters

该平台由模拟主站系统、Ⅰ型集中器、通信接口转换器、Ⅱ型采集器和各类电水气表组成。Ⅱ型采集器采用RS-485总线采集电能表数据；通信接口转换器兼具RS-485，M-BUS和LoRa无线模块接口，可抄读以上3种通讯方式的水、气表计数据。两者将抄读数据经电力线宽带载波上传至集中器，实现集中器对“电水气”三表的一体化采集。集中器通过以太网与模拟主站系统通信，模拟主站系统对上传的各个表计数据进行存储、处理并展示呈现，实现对不同采集终端多表采集相关性能指标的评测。

平台的模拟主站系统采用基于C#语言的Microsoft Visual Studio 2010自主开发设计，数据库使用Oracle 11g，以网页形式展示多表采集系统的整体架构、表计通信方案及运行数据。

集中器选用林洋DJGZ23-TLY2210型多表采集集中器，通信接口转换器选用林洋TLY2311型通信接口转换器，Ⅱ型采集器选用国电南瑞DCZL-KDSEA382型采集器。

电、水、气表大部分选自江苏省各多表采集试点现场在运设备，确保平台对常见通讯类型电水气表的广泛覆盖，使测试结果具有更高的通用性。平台将电、水、气表分别安装在不同的定制试验架上，形成3个独立的采集单元。同时配置了空气压缩机、水泵等，并接入了空调、洗衣机、冰箱等家用电器，模拟真实供水、供电、供气环境，测试采集终端在用户真实生活场景下的多表采集性能。

2.1 电能表采集单元设计

电能表采集单元的试验架将各智能电能表的电流回路串接。为了保证走字的一致性，电能表电压由一个多路隔离电压互感器提供，每个表位分到一组电压。设置2套电流回路分别对应虚负荷走字和实负荷走字，通过开关切换，如图3所示。

图3 电能表采集单元接线原理Fig.3 Wiring diagram of smart meter data collection unit

虚负荷回路串接一个升流器，升流器输出端电压加在电能表的电流端子两端，使电流回路产生电流，可以通过控制升流器的变比来改变电流的幅值。实负荷回路并联多个电源插座，接入外部设备后则产生实际负载电流，采用双回路供电，可选择负载电流是否经电能表。电能表采集单元选用了冰箱、洗衣机、空调3种功耗不同的常用家电作为实负荷，可模拟用户各类用电场景，考察电能表在家庭实际用电环境下的电能计量性能及采集终端带载能力。

2.2 水表采集单元设计

水表采集单元的试验架为铝型材框架结构，上层安装水表，下层放置水箱和水泵。水表采集单元的设计原理如图4所示，采用水泵抽水+水箱蓄水的方式实现采集单元内部的水循环。水泵从水箱抽水后供水至水表安装位。各水表采用先串接、再并接的方式连接，每排水表两端均设有调节阀来控制进出水量大小，排与排间互不影响。水经各排水表流入水箱，再经水泵重新抽出，依此循环。

图4 水表采集单元原理示意Fig.4 Schematic diagram of water meter data collection unit

2.3 燃气表采集单元设计

燃气表采集单元设计原理与水表采集单元类似，如图5所示。由空气压缩机压缩空气后经每排的调节阀流过各个燃气表，模拟实际供气场景。不同的是不需要气体在内部循环，每排空气经另一端调节阀直接从出气口排出。

图5 燃气表采集单元原理示意Fig.5 Schematic diagram of gas meter data collection unit

2.4 表计配置

平台广泛搜集了省内各多表采集试点在运计量表计，覆盖了RS-485，M-BUS，LoRa无线等多种通讯类型。对每个采集单元分别选出20块具有代表性的表计，作为测试样表安装在试验架上，具体配置如表1所示。

表1 电、水、气表配置方案Tab.1 Configuration of electricity，water and gas meters

建成的“电水气”三表合一数据通信试验平台实物全景如图6所示。其中，集中器1台，通信接口转换器和Ⅱ型采集器各2台，参与多表采集的电、水、气表各20块，电能表采集单元接入了空调、洗衣机和冰箱。

图6 “电水气”三表合一数据通信试验平台实物Fig.6 Overall view of data communication test platform for electricity，water and gas meters

3 关键技术分析

通信接口转换器，在多表采集系统中作为连接各类水气表计和集中器的“桥梁”，其性能直接影响到多表采集的整体效果。在数据抄读过程中，通信接口转换器首先从上行通道接收来自集中器的数据抄读命令，对之拆帧解析后，从下行通道转发至相应的水、气表，待水、气表做出应答后，接收应答报文，再重新封装，从上行通道转发集中器。

目前的通信接口转换器大多仅支持单一通讯方式的水、气表数据的抄读，表计兼容性不强，且抄读效率不高，不利于多表采集系统的建设推广。对此，对该平台的通信接口转换器进行了自适应抄表设计；针对LoRa无线抄读成功率低、易损耗表计电池的现状，提出了改进方案，增加无线抄表数据缓存和抄读保护机制，有效提升了多表采集数据采集质量。

3.1 自适应抄表流程

自适应抄表可使通信接口转换器自动识别水表、燃气表、热量表、智能电能表的通讯方式，自动适应DL/T 645-2007，DL/T 645-1997，CJ/T 188-2004等标准通信规约，通过表号自动绑定自适应抄读成功的下行通道，后续抄读时优先采用绑定通道采集数据，以提高表计数据抄读的成功率和效率。同时，设置了每日抄表失败次数上限，以应对多次抄表失败的情形，避免因表计自身故障、人为设置错误等所导致的重复、无效抄表，对通信接口转换器的损耗及整体抄表流程的阻塞。自适应抄表流程如图7所示。

图7 自适应抄表流程Fig.7 Flow chart of adaptive meter reading procedure

具体步骤如下：

步骤1从上行通道接收到来自集中器的水表、燃气表、热量表数据抄读命令后，查询表号（即表通信地址）是否存在于通信接口转换器的配置档案中。

步骤2若表号已存在，按配置档案中已绑定的下行通道转发抄读命令；若表号不存在，则将表号存储在通信接口转换器的配置档案中，并在该次抄读时在M-BUS，RS-485，LoRa无线通道中，同时转发抄读命令。

步骤3待某路通道对抄读命令回复应答报文后，通信接口转换器根据接收的抄读报文自动识别下行通道，并存储于配置档案中，实现表号与该种下行通道的绑定。

步骤4通信接口转换器根据下行通道的不同，将应答报文按照相应通信规约，以与表计通讯方式匹配的波特率、奇偶校验、停止位从上行通道回复给集中器，结束本次抄读。若未接收到来自下行通道的应答报文，则回到步骤2重新尝试，当天最多转发抄读命令3次，第3次未接收到应答报文后不再响应对该表号表计的抄读命令，即每日抄表失败次数上限为3。次日零点后抄读失败次数清零，并返回步骤2。

3.2 LoRa无线抄表改进方案

LoRa是一种线性调频扩频通信技术。它实现了低功耗、远距离通信、强抗干扰能力的结合，是现场水、气、热表普遍采用的无线通讯方式[3-4]。通信接口转换器通过内置LoRa模块完成对无线水、气表的数据抄读。

LoRa模块以通信接口转换器为核心进行自动无线组网，每块无线表计在登记后都作为LoRa无线网络中的从节点。由于LoRa无线网络中的节点通讯存在低功耗唤醒机制，此时对单一节点的1次数据抄读时间约10 s。而目前通信接口转换器上行通讯方式一般为电力线载波，上行通信的超时时间较短（一般小于6 s），所以无线抄表完成时集中器可能因通信超时无法从上行通道获取表计数据。另外，由于目前LoRa无线表计采用电池供电，若频繁处理数据抄读指令将增加耗电量，减少电池使用寿命，增加现场表计的运维成本。

针对上述问题，对LoRa无线抄表流程进行了改进，增加了数据缓存机制，即每成功抄读一块表计，通信接口转换器接收到的应答报文除返回上行通道外，还将自动缓存。当再次接收到来自上行通道的数据抄读命令时，立即回复上次缓存的应答报文，确保集中器从上行通道采集数据的成功率。还提出了一种LoRa无线数据抄读保护方案，用以“屏蔽”短时间内不必要的数据抄读指令，具体机制如下：

（1）通信接口转换器可设置为调试模式或保护模式，默认为保护模式；

（2）在调试模式下，数据抄读命令将无条件转发，调试模式的维持时间可设置，设置为10 min整数倍（考虑到实际情况，调试模式每日凌晨2点自动关闭）；

（3）在保护模式下，对于已经抄读成功的表计每4 h为转发周期，4 h内对该表计的抄读均回复缓存的应答报文；

（4）在保护模式下，对抄读失败表计的数据抄读命令在当天内最多转发3次，每日过零点该表计的抄读失败次数清零，次日重新计数。

综上所述，考虑数据缓存机制和数据抄读保护的LoRa无线抄表流程如图8所示。

图8 改进后的LoRa无线抄表流程Fig.8 Flow chart of advanced meter reading procedure based on LoRa technology

为应对LoRa无线抄表运行异常的情况，当通信接口转换器对LoRa无线网络内多个节点的多次数据抄读均失败时，可能是由于LoRa模块自身参数设置不当，可设置抄读失败次数累计达到100次则复位LoRa模块。

4 模拟主站交互界面

该平台可测试集中器、通信接口转换器等采集终端针对不同类型电、水、气表的数据采集能力，因此在模拟主站系统的交互界面上基于 3种采集单元，以“户”为单位成组展示电水气表信息。采集单元里位置相同的3块表计共同组成了 “一户家庭”，表计读数即表征了该户人家的用电、用水、用气情况。

对每组表计，交互界面会展示组内各块表的通讯方式及运行数据，包括累计示数、当日走字示数，并轮流显示电、水、气表近一周的日走字示数折线图，如图9所示。

图9 模拟主站系统交互界面Fig.9 User interface of management station

该平台投运后，可通过仿真用能环境下的多表采集试验测试不同厂家采集终端对全省不同类型电、水、气表通信协议的兼容性、数据采集稳定性及采集成功率等性能指标。若出现采集异常，可就地进行问题排查，并以表计数据成功、稳定采集作为采集终端性能质量判定依据。

在当前采集终端 （林洋集中器+林洋通信接口转换器）配置下，从交互界面上可查询到近一周的电水气表数据均被准确采集，数据采集成功率达到100%，表明该供应商产品的表计兼容性强，多表采集质量较高。

5 结语

本文设计了一种“电水气”三表合一数据通信试验平台，通过搭建多表采集单元，模拟真实供水、供电、供气环境以及优化通信接口转换器抄表方案，可实现对RS-485，M-BUS，LoRa无线等多种主流通讯方式不同通信协议的水表、燃气表、智能电能表读数的集中采集。数据定时上传至模拟主站系统分析处理，可测试仿真用能环境下不同厂家采集终端对全省不同类型电、水、气表通信协议的兼容性、数据采集稳定性及采集成功率等性能指标，为今后进一步开展多表采集系统建设提供技术支撑。

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