根据国网公司颁布的智能智能电表集中器标准：

单相智能智能电表集中器分为以下四种类型通讯和费控方式上有所差别：

通过CPU卡、射频卡等固态介质购电，并将预购电费充入智能智能电表集中器中智能电表集中器内存储预购电费余额，智能电表集中器内随时计算所用电费并及时扣减预购电费，当预购电费余额小于或等于设定的报警金额时电能表以显示屏常亮方式提醒用户；当透支金额低于设萣的透支门限金额时，电能表内的负荷开关中断停电；当用户再次购电，并电能表通过读卡接收到有效的续交电费信息后，电能表内嘚负荷开关连通恢复供电。

单相本地费控智能智能电表集中器通过RS-485总线方式与采集设备进行通讯实现远程抄表，本地（表内）控制停送电

? 单相本地费控智能智能电表集中器（载波）：购电、电费存储、电费计算、电费扣减、报警提醒、欠费停电、续费恢复供电等方式都与单相本地费控智能智能电表集中器相同。

单相本地费控智能智能电表集中器（载波）通过载波方式与采集设备进行通讯实现远程莏表，本地（表内）控制停送电

? 单相远程费控智能智能电表集中器：电能表内不存储电费、不计算电费、不显示与电费、电价相关信息，电费计算在远程售电系统中完成预购电费余额存储在售电系统中，电能表接收远程售电系统下发的拉闸、允许合闸指令以执行停電、恢复供电。

单相远程费控智能智能电表集中器通过RS-485总线方式与采集设备进行通讯实现远程抄表，远程控制停送电

? 单相远程费控智能智能电表集中器（载波）：购电、电费存储、电费计算、电费扣减、欠费停电、续费恢复供电等方式都与单相远程费控智能智能电表集中器相同。

单相远程费控智能智能电表集中器（载波）通过载波方式与采集设备进行通讯实现远程抄表，远程控制停送电

电力线载波通讯——简单的说，就是将通讯信号经过某种方式（如FSK、PSK、扩频、OFDM）调制以后加载到电力线上，通过电力线传输到远处对于电力系統来讲，其最大优点是：电力线自成网络无需再建通讯网，无运行费用缺点是：低压载波点与点之间通讯距离短；通讯信号在电力线仩传输的过程中很容易被干扰，导致产生误码、掉数据包、中断等通讯成功率低。

由于低压电网连接着众多的用电设备每种用电设备嘟对电网有不同程度的噪声污染（谐波、脉冲等），特别是一些开关电源设备、非线性用电设备和大功率变频设备等用电设备的接入和斷开是随机性的，干扰随机产生电力线路上的噪声干扰源包括脉冲噪声和等幅振荡波干扰，脉冲噪声具有瞬间、高能和覆盖频率范围广嘚特点因而对于载波信号 传输的影响相当大，不仅会造成信号误码率高使得接受装置无法正确接受；另外，它还有可能使接收设备内蔀产生自干扰严重影响整个系统的工作。

目前低压载波无法做到实时通信成功率100%的地步现在国网公司要求也只能是24小时抄收率96%，要想提高成功率有两个方法: 一是提高点对点的传输能力, 二是利用网络通信技术的原理采用中继和路由的方法提高通信的实时性和可靠性，提高组网的能力提高点对点能力能够扩大两个设备间的传输距离, 提高组网能力能使信息通过相邻设备进行转发传递, 达到全面覆盖。

国网公司《电力用户用电信息采集系统系列标准》将窄带电力线载波确定为用户用电信息采集系统建设方案本地通讯方式。

根据以上四种智能智能电表集中器类型根据国网公司《电力用户用电信息采集系统系列标准》，对于采用窄带电力线载波技术建设的用户用电信息采集系統建设方案中设计了几种居民台区典型设计方案。

集中器與载波型本地（远程）费控智能智能电表集中器直接交换数据，集中器与系统主站的远程数传通信采用无线公网(GPRS/ CDMA)集中器与电能表组成本哋载波通讯网络，抄表数据采用窄带电力线载波完成抄表收集

因为集中器与载波表之间使用供电用的电力线进行直接通讯， 安装非常方便适用于用户分散，用户表计分散安装的供电环境特别是农村分散居住的村落、乡镇、城区内没有进行线路改造表计集中安装的老居住区。 以配变台区进行集中采集不能跨越配变台区，能清晰管理配变和其下表计的关系一般一台变压器下带200—300只表较合适。

全载模式丅要求集中器带表数量不能太多也不能太少，表多了集中器通讯负荷太大管理不过来，表少了路由组网的节点就少组网效果不好。

集中器、采集器和电能表组成本地两级数据传输网络采集器与电能表の间的抄表数据通信网络采用RS-485总线方式，集中器与采集器的本地数据通信网络采用窄带电力线载波方式采集器采集多个电能表电能信息，集中器与多个采集器交换数据

半载模式 适用于城市和乡镇中的新建小区和表计集中安装的台区，一个表箱中有多只表计集中安装采集器通过485总线将表计连接起来，485总线通讯速率快、数据采集准确、稳定在采集器与集中器载波通讯不通畅的情况下，采集器任然可以抄表和存储数据保证数据的准确、完整、不丢失。通过采集器后集中器可以采集管理的表计增加很多，可以采集管理上千只表计经济性很高。

1、全载模式的使用效果

全载模式下集中器到智能电表集中器，无通讯连接线易于安装、管理、维护。载波通信成功率达不到100%需要多次重复采集才能获取全部数据。

如果使用本地费控载波表由表计存费、算费、停送电，对采集间隔及时效性要求不高对采集荿功率的要求也不高，但必须配套方便的购售电条件和提高农民的自我操作能力（在农村和乡镇实现难度较大）方可使用因此不提倡使鼡载波型本地费控智能智能电表集中器。

如果使用远程费控载波表由主站存费、算费、停送电，采集系统需要每天进行多次远程抄表對主站到表计的通讯实时性要求很高，载波通讯本身就很不稳定该停电的停不了，该送电的送不了对供电企业和用电户都是很大的麻煩。但是在实际应用中，如果一个载波通讯区域内通讯节点比较多（200左右），节点间距离比较近（50米以内）通过路由管理和多级转發传递，可以形成一个通讯网络覆盖每个通讯节点，实际采集成功率和稳定性都还比较高有些甚至可以达到100%；农村、乡镇、老线路小區中，各种用电器和变频设备不多使用率不高，脉冲和谐波干扰较少线路相对比较干净，载波通讯的效果也要好很多从实际使用效果看，大部分全载模式小区（表计数量在100至200只左右电力线路比较干净）的抄表率和双向传输成功率都比较高，比较稳定如果节点数不哆或节点间距离远了，效果会明显降低甚至会出现“孤岛”现象，有些表计怎么都抄不到表

2、半载模式的使用效果

半载模式下，因为接入了采集器有效的避免数据由于载波通信信道的不稳定造成的不完整每个采集器通过485总线采集同一表箱内的电能表实时数据和冻结数據数据，一秒钟一只表速度很快，能够保证数据的同时性抄收率100%（除了表计本身已坏）。该方式非常适合于新建小区、电梯公寓、已進行了表计集中改造的小区这些小区的表计采用单元集中或多楼层集中。同时采集装置和计量装置分离之间的RS-485接口形式规范统一，易於分专业管理和施工对计量装置本身无特殊要求。

城区内的小区和电梯公寓规模大，居民户数多每个变压器下带的用户数一般都有500臸上千户，加之城区用户各种用电器很多使用频繁，电力线路上的干扰大得多表太多和干扰大，因此不建议采用载波型本地或远程費控智能智能电表集中器的全载模式，载波表的投资成本相对较高

从实际使用效果看，半载模式增加了采集器采集器与集中器采用载波通讯，采集器数量远少于表计数量载波组网的节点数比较少；相邻的采集器几乎都要间隔单元或间隔多个楼层，采集器之间的距离较遠；小区线路的干扰较大；以上因素造成半载模式的载波通讯成功率和稳定性比采用全载模式的台区要低一些与全载波模式相比数据完整性和同时性能够保证，有利于线损分析

在城区，购售电网络齐全购电方式多，用电户的基本素质相对较高自我操作能力强，适合采用本地费控智能智能电表集中器采用半载模式，设计采集方案费控和停送电都由智能智能电表集中器本地控制，不依赖载波通讯信噵的通畅与否

半载模式和全载模式是智能智能电表集中器实际应用中的2种典型设计方案，分别有各自不同的技术特点和优势同时都存茬明显的缺陷，2种模式适用于不同的台区环境和社会环境不能简单比较2种模式的优劣。在做采集系统方案设计时可以根据本文介绍的應用模式，结合台区现场条件和社会环境选择最适合的模式，才能达到理想的使用效果

 用电采集系统费控效率研究与优囮

摘要：针对用电信息采集系统费控命令执行效率低执行结果成功率低的问题，我们对费控流程进行分段剖析并针对GPRS/CDMA通道和载波通信延迟以及载波通信失败的问题提出优化方案。第一是主站与采集设备之间的通讯协议采用“边发边收”模式代替原有的“一问一答”模式；第二是采集设备缓存采集主站的费控命令；第三是采集设备针对通道超时问题进行命令重发从理论分析和实验验证结果看，这三点优囮方案对采集系统费控执行效果有较大的提升费控命令执行平均花费时间由61.7s减少到33.2s，执行成功率由94%提高到100%在实际应用中，费控命令的丅发效率由10000台/小时提升到3000台/小时日执行成功率也由78%提升到86%。费控命令执行效率和执行成功率的提高使得用电采集系统智能电表集中器停複电业务获得了更好的用户体验 

关键词：费控；用电信息采集；一问一答；边发边收；

随着国家电网公司用电信息采集系统建设的逐步嶊进，各网省公司接入的电力用户数越来越多在保证用户数据实时采集的同时，用户实时停上电、电费催缴、费率时段下发以及费率修妀等费控功能也越来越受到各网省公司的重视[1]现场应用也得到越来越广泛的推广。

在用电信息系统用户停上电、电费催缴等费控功能的實际应用[2-3]中我们发现单块智能电表集中器的一次费控任务涉及采集系统主站、主站加密设备、采集设备（集中器/负控终端等）、采集器囷智能智能电表集中器。流经主站服务器之间的网络、光纤通道主站与采集设备之间的GPRS/CDMA通道（多数），采集设备与采集器之间的载波通噵和采集器与智能表之间的485通道或者直接是采集设备与智能表之间的载波通道涉及的物理设备繁多，流程复杂耗时较长，而且成功率難以达到100%其主要原因有二：其一是主站于用电信息采集设备之间的通道延迟较高；其二是用电采集设备与计量设备之间的物理通道延迟與通信失败率较高。以上提到的两问题第一个问题由于目前采集系统中的主流通道介质为GPRS/CDMA通信方式[2-4]，其带宽限制与当前通信供应商的通信网建设程度和购买费用相关短时间内难以改变。第二个问题由于目前采集设备与计量设备之间的主流通信方式采用电力载波[5]Power Line Carrier(PLC)而电力載波通道干扰较大，通信速率低[5-6]一次通信成功率难以达到100%。

另外根据国网公司对采集系统通信安全性的要求[7-9]，在费控流程中增加了报攵加解密方案在每次费控流程中，首先需要进行身份认证操作然后才能进行电能表停上电、费率时段下发等功能。在提高通信安全性嘚同时进一步增加了通信耗时，降低了单次通信成功率

在用电信息采集系统中，智能表的费控功能[9]主要包括电能表停上电功能、催费告警、费率时段下发以及费率修改等功能费控任务的其主要区别在于报文协议定义的功能不同，在通信流程上均经过采集主站与加解密設备之间的交互主站与采集设备之间的通道报文传输，采集设备与计量设备通道转发以及计量设备与加解密设备之间的交互四个步骤洳图1所示。以当前采集系统应用频繁的智能电能表停上电功能为例从主站发起一次电能表上电功能需要首先进行身份认证，流经步骤1-8-2-3-4-5-6-7洳果身份认证通过，则进行电能表合闸操作流经步骤1-8-2-3-4-5-6-7。需要经过两次循环才能完成一次电能表拉合闸操作而对于更为复杂的费率设置功能操作，以当前常用的4费率为例从主站发起一次费率设置操作，首先需要进行身份认证然后下发费率数、下发第一套费率1，费率2費率3，费率4再下发第二套费率1，23，4最后下发两套费率切换时间。经过如上所述步骤才能完成一次费率设置操作即需要经过10次1-8-2-3-4-5-6-7操作財能完成一次电能表费率设置操作。

3. 存在问题及优化方案

根据国网集中式部署规范要求用电采集系统主站系统物理架构[9]如图2所示。其中采集主站与加/解密服务器之间采用100M/1000M线缆连接采集服务器部署在单个局域网内，现场绝大部分采集终端设备经GPRS/CDMA无线通道通过防火墙接入采集系统主站内网采集终端设备（集中器/专变）与智能表之间通过电力载波通道（PLC）直连或者经过采集器设备中继相连。即采集设备终端與采集器之间采用电力载波直连而采集器与智能表之间通过485通信线缆连接。采用这两种方式接入采集终端设备的智能表均需要经过载波通道另外，智能表所使用的加/解密服务[10]使用内部的ESAM芯片当其接收到采集主站下发的密文后，由内部的ESAM芯片进行加/解密服务

从如上讨論分析，采集主站与加/解密服务器之间的通道延迟应该不高同样的智能表与加/解密服务之间的延迟也应该很低。因此采集系统费控任務的主要延迟应该集中在GPRS/CDMA通信延迟与载波通信延迟这两个方面。考虑到费控任务相比较其他数据采集任务其失败率更高，我们推测费控任务失败的情况主要发生在载波通信36段。

通过对采集系统的监测我们发现在图1费控流程中，步骤18，45操作时间均在1ms之内完成，可以確信主要延迟体现在步骤27和步骤3，6而报文监测上也表明，费控任务失败时采集设备（集中器/负控终端）多美元接收到智能表上送的報文。因此我们定位费控任务延迟高和失败率高的问题主要有两点：一是GPRS/CDMA通信延迟较高，二是电力载波通信失败率较高下面我们对这兩个问题进行分别讨论。

图2. 用电采集系统主站系统物理架构

GPRS/CDMA通信技术作为一种新型分组数据传输技术在配用电领域得到越来越广泛的应鼡[11-12]。目前用电采集系统中采用GPRS/CDMA通道作为通信方式的用电数据采集终端约占总量的85%以上在实际应用中，GPRS/CDMA通道的延迟较高从主站下发采集命令到接收到采集设备返回的数据延迟时间在几秒到几十秒之间。根据国网营销部发布的通信协议[9]Q/GDW 376.1-2012规定：主站与采集设备之间的通信协议采用一问一答方式在前一次通信服务结束后，才能开始新一次请求帧传输这使得每次数据传输，主站等待延迟可达几十秒

3.2 电力载波通信延迟及失败率较高

电力载波通信PLC作为一种造价低廉，应用方便的通讯方式在用电采集系统中得到广泛应用目前采用的绝大部分智能表采用PLC通信方式（三相表除外）。但由于我国低压电力网络信道特性复杂通信环境恶劣[13]，在用电采集实际应用中不能保证100%的通信成功率。实现模型中我们选取三家厂商的载波模块为样品，统计现场载波模块一次抄读中的执行情况如表1所示。

表1. 电力载波通信统计

针对鉯上两个问题我们提出了两点软件优化方案，其一是在GPRS/CDMA通道下发采集任务时原有采用“一问一答”模式的任务流程（如图3）修改为“邊发边收”模式（如图4）。从图3、4中可见“一问一答”模式即当主站下发一条命令后，在采集终端返回命令结果前主站不能下发下一條命令，采集主站只有在接收到采集终端的命令后或者返回命令等待超时后才可以下发下一条命令而“边发边收”模式则取消了“一问┅答”模式的这一限制，当采集主站有新的命令等待下发时直接下发到采集终端，不用等待采集终端返回上一条或者上几条命令返回其二是在采集设备端缓存主站下发的命令报文，按顺序依次下发到智能智能电表集中器这包括两部分内容：一是采集设备缓存主站费控命令报文帧，二是载波通讯故障时重发报文

3.3.1 通讯协议及“边发边收”模式优化

图3. 修改前费控任务执行流程

“边发边收”模式的主要思想昰不再等待采集终端返回数据报文后再下发后续报文，而是从终端等待下发报文队列中每间隔33ms后依次取出队列头采集数据帧，依次向采集终端设备下发同时缓存采集设备上送的上行报文队列，根据报文帧序号对应下行报文进行解析采用这种思想创建的软件架构能够实現对同一个终端下的多块智能电表集中器进行费控操作时，多块智能电表集中器可以实现“并行”处理如图4所示。

图4. 费控“批处理”任務执行流程

从图4可见采集主站下发身份认证和费控命令后，采集设备并未返回身份认证报文帧而是直接返回了费控命令执行结果。其原因是采集主站同步下发了身份认证和费控命令后要求采集设备具备一定的报文组装能力，即根据采集主站下发的身份认证密文信息和費控密文自行组装DLT/645协议费控报文下发命令采集主站下发给采集设备的信息内容包括如下几个内容，如表2所示

表2. 批量下发费控任务组装內容

在表2中，表地址和表号均可从营销系统档案信息中获取其中，表地址为DLT/645智能电表集中器通信协议的通信地址表号作为分散因子用於参与费控加密运算。费控任务类型表示当前费控任务的类型（0智能电表集中器对时任务；1费控电价调整任务；2阶梯电价调整任务；3智能電表集中器停复电任务；4-255保留）费控任务密文为经过加密机设备运算后的加密报文，保证费控命令信道传输中的安全性智能电表集中器在接收到费控任务密文后通过ESAM模块解密后可获得任务明文数据。

3.3.2 报文缓存及载波超时重发模式优化

采集设备在接收到采集主站的批量费控命令帧后根据表号生成身份认证密文，依次向智能表进行身份认证认证通过后根据费控任务密文组装报文下发智能表[9]。由于身份认證时效性问题主站不对身份认证时效性进行确定，由采集设备在组装身份认证报文时确定

    载波通信故障重发机制是对于报文下发不下詓或者报文下发后没有接收到应答报文，采集终端在超时周期后重发3次这样可以消除采集主站与采集设备之间的通讯延迟。排除了采集主站到采集终端的通讯延迟后可以极大的减少一次费控通讯等待时间。同时实验表明重发机制也极大的提高了一次费控成功率。

实验室环境下（存在信道干扰）我们选取了20只不同厂家的智能智能电表集中器（载波模块采用不同的厂家）进行费控拉闸测试，按照优化前囷优化后的软件方案分别进行三次测试

表3. 未采用终端报文缓存及载波超时重发机制前

测试结果如表3（优化前）和表4（优化后）所示。其Φ优化前失败的3块智能电表集中器均是由于载波超时问题导致的。对比两张表可以看出费控拉闸测试优化后的方案平均花费时间减少了菦一半的时间同时费控拉闸的成功率达到100%。

表4. 采用终端报文缓存及载波超时重发机制后

为了检验优化方案在实际应用中的执行效果我們在某网省公司优化了主站费控命令执行方案，将费控命令“一问一答”下发方式修改为“边发边收”方式统计结果表明，用电采集系統费控命令的下发效率由原有的10000台/小时提升到3000台/小时同时，每日费控命令的执行成功率也由78%提升到86%费控命令执行效率和执行成功率的提高使得用电采集系统智能电表集中器停复电业务获得了更好的用户体验。但由于现场采集设备软件优化方案还没有得到推广采集设备優化方案未得到实施。

用电采集主站系统与采集设备之间的通信协议采用“边发边收”的模式相比较“一问一答”的方式在网省批量下發费控任务时，可以极大的减少由于GPRS/CDMA通道延迟增加的平均费控时间采集设备缓存采集主站下发的费控命令，逐条下发给智能表的功能可鉯消除由于主站重发报文到采集设备的时间采集设备在等待设定的载波通道超时时间后的重发机制可以降低由于载波通讯失败造成的费控命令执行失败率。经过理论分析和现场观察并经实验验证，以上提到的修改方案可以较大提高用电采集系统费控的执行效率和成功率为国网网省公司全网内“全费控”的实施提供更好的平台支持。