1、Toporelay载波集抄系统项目可行性分析方案封面作者:PanHongliang仅供个人学习Topo-relay载波集抄系统工程可行性报告非真实数据的示范稿电能表作为电能计量表计,已经存在了壹百多年。在这壹百多年的时间里,长期使用的是根据电磁感应定律制造的感应式电能表。随着科学技术的发展,电能计量技术有了长足的进步;特别是随着电力营业管理体制改革,对电能计量器具的功能提出了更高的要求。全电子载波电能表与Topo-relay低压配电线载波集抄系统就是在这样的背景下诞生的。一、 产品市场背景:1. 产品用途:Topo-relay载波集抄系统产品主要用于居民照明家用单相电能表的集中抄收!抄收信道采
2、用了低压配电网载波信道。由于国内外专家已经对低压配电网载波信道已经判了“死刑”技术不可行!所以现在市场上,大多同类产品抄收效果不稳定。我们对国内外专家的论证进行了仔细认真的分析,在物理层通信领域,这个结论是完全正确的,也为国内十年的现场实践所证实!但这个结论是在物理层通信前提下成立!我们的Topo-relay载波集抄系统产品,突破了物理层通信的制约,采用了网络层通信技术!真正实现了24小时100实时抄收!也就是全天候100实时抄收!这是Topo-relay载波集抄系统产品庄严的承诺!2. 电能计量仪表发展追溯:电能表作为电能计量表计,已经存在了壹百多年。在这壹百多年里,长期使用的是根据电磁感应
3、定律制造的感应式电能表。随着科学技术的发展,电能计量技术有了长足的进步;特别是随着电力营业管理体制改革,对电能计量器具的功能提出了更高的要求。载波电能表与低压配电线载波抄表系统暨表中继路径自适应系统就是在这样的背景下诞生的。电能计量技术发展到今天,已经由单一电能表电能计量发展为系统计量;它包含计量系统与计量器具两部分。从系统功能角度分析,应该包括计量器具的计量功能与系统拓展功能两部分;下面就这两方面的内容分别进行阐述:计量技术的进步:1) 感应式电能表雄霸天下壹百年:任何计量器具都必须有一个计量模块;感应式电能表用的是传统的计量模块,它已经问世一百多年,其原理是电磁感应定理,与电功率成正比的铝
4、盘转矩驱动铝盘,使铝盘的转数与用户消耗的电能量成正比,从而实现电能计量,这类电能计量器具称之为回转式的感应式电能表;回转式的感应式电能表由于一百多年以来,它是唯一的电能计量手段与装备,人们从来没有、也无法怀疑它的正确性与可靠性;直到有了全电子计量的静止式电能表,人们才有了比较的对象,认识到回转式电能计量由于轴承摩擦引起计量误差的不稳定性,给电能计量收费带来了巨大的经济损失;误差曲线的非线性,也使计量调试困难,生产效率低下。它主要有以下特点: 具有百年运行实践,工作可靠,号称15年运行依然能转动; 精度调试困难,大电流与小电流时的计量精度要反复调; 精度不稳定,运行3个月后,出现严重负误差,造成
5、大量电费流失; 窃电比较容易;2) 全电子电能表后来居上:全电子电能表一般是通过模拟乘法器(UI)或A/D转换、数字相乘,形成电功率,通过积分电路与脉冲形成电路产生与用户消耗的电能量成正比的脉冲数,从而实现电能计量;由于全电子电能表没有转动部分,所以也称为静止式电能表;全电子电能表一经问世,就以极低的电源功耗、极高的计量精度与优越的误差线性著称,成为公认的感应式电能表的换代产品;近年,全电子电能表推广使用面日趋扩大。它主要有以下特点: 计量准确,只要电路设计合理,误差曲线几乎是一条水平线,一般精度可高于标准要求一倍以上; 锰铜分流器与厚膜电路的使用,使产品的计量精度十分稳定,温度系数很小; 调
6、试十分容易,生产效率高,基本可作到12分钟调试一块表; 自身功耗低; 具有一定程度的反窃电能力; 人们担心它的工作可靠性; 承认它是电能计量的发展方向;营业管理模式的变迁与电能计量系统功能的拓展:电能计量器具功能的拓展总是与电能营业管理模式的变迁密切相关;在二十世纪八十年代末期,由于国民经济迅猛的发展,电力工业成了国民经济发展的“瓶颈”,电力供需矛盾十分突出,为了提高已有发供电设备的效益,出于利用管理手段实现“调峰”的目的,电能营业管理模式发生了巨大的变化,对电能计量设备提出了功能拓展的要求;对动力用电的电能计量器具,提出如峰谷分时计量、最大需量计量、负荷监控等等;要满足这些要求,单纯使用感应
7、式电能表是无法实现的,于是出现了机电一体化电能表(感应式电能表实现电能计量、CPU构成的单片机应用系统实现数据采集与数据处理)、全电子多功能电能表(全电子计量模块实现电能计量,CPU构成的单片机应用系统完成数据采集与数据处理)等等;在这期间,电能表制造业的技术有了一个飞跃的发展,全电子电能计量也得到了初步的应用;对照明用电而言,电能计量产品是作为电能营业管理服务的技术装备,电能表的每一次的变迁、发展与进步,都与电能营业管理模式的需求息息相关:1) 人工走收:古老的电能营业管理是通过人工走抄与上门收费实现,对电能表的要求十分简单,只要能计量就行,古老的感应式电能表就能满足这个要求;2) 群众自抄
8、:随着供电部门直管用户的增加,电力部门推广“一户一表”工程的实施,人工走收的压力越来越大,供电部门被迫采用了群众自抄方式,这又与电力工业走向市场,提高服务质量不一致,这时已经出现了营业管理体制与实际需求的矛盾,电能计量技术手段与电能营业管理体制过于落后,不能适应电力工业的飞速发展,只有通过管理手段来弥补,这时广大用户与供电部门的有识之士,就提出了改进电能计量技术装备,改革旧的营业管理模式的问题,从而出现了预付费电能表与载波电能表的市场需求;3) 预付费方式:预付费电能表由于技术难度较小,预收电费符合基层供电部门的经济利益,率先进入市场,短短的三年时间,它几乎象飓风一样刮过黄河上下,长江两岸,仅
9、仅天津一年就安装了八十万台单相预付费电能表,第二年在国家电力公司一再告戒要谨慎、要缓装的警告声中,北京又安装了八十万台,全国各地纷纷效法,到2000年九月,国家电力公司被迫发文,明令禁止安装预付费电能表;但还有部分基层电力部门依然故我,继续在少量安装予付费电能表;到2001年2月8日中央电视台焦点访谈节目间接但明确地指出予付费电能表的问题后,全国推广予付费电能表的势头才真正画上了句号。予付费营业管理系统的优缺点分析: 预付费电能表及其售电系统的优点: 在售电过程中,将抄表与收费工作一次完成; 予收电费,基层电力部门经济效益十分可观; 用完断电,杜绝欠费; 价格低一些; 预付费电能表及其售电系统
10、存在的问题: 与国家政策法规不付,电力主管部门不同意这种营业收费模式; 群众的预付电费利息不好返还; 线损无法统计,影响配网质量鉴别,与电力主管部门的营业管理模式不付; 营业售电网点的建设费用高,电力部门没有这笔费用; 在经济不够发达、群众觉悟不高的情况下,予付费电能表易受攻击、抗攻击能力不强是一个难以克服的问题; 目前技术、工艺上还存在一些问题;4) 集中抄收:其实国家早就对低压配电线载波抄表系统情有独仲,九三年国务院电子振兴办与当时的电力部从美国、加拿大、以色列引进了三套载波抄表系统在国内试点,遗憾的是试点工作不理想,产品技术指标不尽如人意,不能实现100%抄收;这时国内有两种趋势,一种开
11、始研究各种方式的集中抄表系统,主要有无线电抄收、专用线抄收,前者由于产品成本降不下来而夭折,后者因性能不稳定、维护太困难、安装成本下不来,也寿终正寝;另一种趋势是继续研究低压配电线载波抄表系统,但由于技术含量太高、技术难度太大、技术指标始终不如人意,而苦苦挣扎,举步维艰,这就是表中继与路径自适应技术问世前今天国内载波抄表系统的技术现状!载波集中抄表系统的优缺点分析: 载波电能表及其抄表系统的优点: 馈电线路与通信线路自然匹配,不必另行架设通信线路; 集电能计量与通信与一身,计量准确,功能完备; 半双工通信,既能抄收电能表底度,又可实现控制功能; 抄收同时性高,线损统计精确; 与现行电力营业收费
12、管理体制与国家政策相吻合; 载波电能表及其抄表系统的缺点: AC10KV与AC400V被国内外专家认为是载波通信禁区,载波频率衰减不稳定,不采用特殊技术手段,难以实现100%的通信成功率,实践也证明了在用电负荷的高峰时段,通信成功率较低; 涉及专业面宽,系统工程技术难度大; 涉及多方面的专业标准; 价格不斐;对于予付费电能表与载波电能表,实际上已经由单一计量器具发展成了计量营业管理系统,分别是予付费营业管理系统与载波集中抄表系统。这两个计量管理系统在国内推广力度较大。本文主要探讨集中抄表系统相关问题。5) 分时计价的实施:最近由于国家用电形势日趋严峻,分时计价制度已经势在必行。全国的电能表行业
13、又面临一个空前的机遇。因为任何一种营业管理制度的实施,都需要技术装备的保证!分时计价电能表的设计中,最大的挑战在于表内实时时钟的电池保电问题,如果能够利用载波集抄系统,就可以免去供电部门定期更换表内电池的问题,这个工作量是十分巨大的!供电部门是无法承受的。3. 预付费电能表的兴衰:在电能计量发展过程中,预付费电能表的兴衰,虽然经历时间不长,但却像天际的流星,留下了浓墨重彩的一段回忆!进入九十年代,国民经济体制由计划经济逐步走向市场经济,国家电力部门主要是出于利润的考虑,进一步为安排下岗分流人员,更好为用户服务,提出“一户一表”的口号。前几年,由于基层电力部门看到提前收费的利息,纷纷上预付费电能
14、表,短时间全国有近400家电表厂诞生。但早在1993年国家电力部就明确表态反对上预付费电能表,但国内还是在南京、天津、北京几大城市共有上百万台预付费电能表投入现场使用。经过几年的现场运行,产品暴露了一些技术问题,更严重的是产品与营业管理体制、市场经济的法规的矛盾日趋尖锐。到1998年年底,国家电力公司正式下文,对预付费电能表的推广提出质疑,但仍然制止不了预付费电能表的进一步推广。直到1999年的6月,由国家电力公司副总经理、用电处处长与中国国家电力联合会共同发文,才制止了预付费电能表的推广态势。作为一个专业人员,客观评价预付费电能表的兴衰,技术不是它夭折的根本原因,因为所有存在的技术障碍都不难
15、解决;真正导致预付费电能表半途夭折的是预付费电能表的基本功能与国家营业体制与相关法规的激烈冲撞,这个矛盾是一个永远不可调和的、本质冲撞的矛盾!4. 营业管理模式的变迁:从前面的追溯可以看出来,每次营业管理模式的变迁,都伴随着计量器具的重大变革!上个世纪90年代(1990年),世界上的电力工业进行了调整。按照目前美国的说法,现在是处于“新电力工业时代”,电力工业面临从垄断走向竞争,用户成为营业管理的核心!根据这个思路,自动抄表技术就成了提高服务质量,体现用户至上的重要技术手段!据相关报道,北美近三年就安装了自动抄表系统用户终端数千万台!5. 质量、指标要求提高了:随着对用户服务要求的提高,自动抄
16、表系统的功能要求与质量指标要求,也在不断提高!例如部分供电部门最近提出的实时抄收,就是为下一步的分时计价与日结帐单,作技术准备。也为实现完全市场经济的全动态电价,准备了条件!二、 产品特色介绍:1. 功能描述: 系统功能: 主站与集中器通过上段信道-有线市话-通信; 集中器与所属载波电能表通过下段信道-低压配电线载波信道-通信; 载波电能表实现电能量计量; 主站随机对集中器下发各种数据采集命令; 集中器定时或随机对所属载波电能表进行全网表号显示、底度冻结与底度抄收,保证抄表的同时性; 主站随机通过集中器下达用户载波电能表继电器操作指令,切断或合上用户电源; 抄收数据可与供电部门的营业管理系统联
17、网,便于底度传送、数据统计、电费结算、报表打印; 载波电能表功能: 全电子电能计量,底度累加; 底度液晶显示; 断电数据保护; 表号显示(用于系统调试); 底度冻结与传送; 接收集中器指令,切断或合上用户用电电源;2. 产品技术指标: 在AC220V馈电线路上叠加一个微弱的高频载波信号,传输数据信息;(信号频率与幅度符合中国、美洲、欧洲标准) 实现以上端为绝对主动方的点对多点的半双工通信; 以表中继与路径自适应避免线路的不稳定衰减影响,系统最大允许线路衰减240dB; 通信成功率24小时100%实时抄收;残余差错率为零; 以银行专户储蓄、电费划拨实现电能营业收费,抄收数据库可与电力部门营业管理
18、数据库转换; 全电子计量,精度高,出厂指标2.0级,内控指标1.0级; 电能计量误差稳定性好; 远方随机控制,杜绝欠费; 设计标准: 国家技术监督局1998年10月1日颁布的中华人民共和国国家标准“GB/T17215-1998 1级和2级静止式交流有功电度表”; 国家电力公司1999年7月颁布的电力行业标准DL/T“低压电力用户集中抄表系统技术条件”(报批稿-执行稿); 2003年7月25日国家质量技术监督局颁布的电力载波抄表系统标准(ver2.0修); 载波电能表质量指标: 额定电压:AC220V; 电压动态范围:AC176V-AC253V(IEC标准); 额定频率:50Hz; 电流规格:5
19、(20)A; 计量精度:2.0级; 电表常数:1600imp/kwh; 载波频段:60k-132.5kHz; 载波接收灵敏度:xmv; 发射电压峰-峰值:xV; 直接通信允许线路衰减:60db; 采用表中继后允许低压电网的载波衰减:240db; 整机功耗:小于2W(不含电能计量部分); 校表输出:光电隔离,OC门输出; 工作温度:-10-+45; 相对湿度:不超过85%; 参照标准:GB/T17215、GB/T低压电力用户集中抄表系统技术条件;3. 产品技术特色与几项质量指标的说明:(1) 产品技术特色:1) 全电子计量,计量准确、精度稳定、自身功耗低;2) 计量线形度好,精度量程范围宽,调试
20、方便,生产效率高;3) 采用了严密的数据保护措施与干扰防护措施;4) 合理的通信规约设计,流程简单、效率高、保密性好;5) 检错性校验,数据可信度高;6) 广播指令实现了系统抄收的同时性,提高了系统线损统计的准确性;7) 利用载波电能表作中继器,彻底解决了系统抗衰减能力问题;8) 利用表中继路径自适应技术,实现24小时100%实时抄收,残余差错率为零,解决了现场的实用化问题;9) 表中继路径自适应方法构思巧妙,设计严密,成本低廉、破译困难;10) 系统设计与电力部门营业管理体制相衔接,实用性强;11) 实验已经经过现场考验,实用化程度高。12) 工艺设计与质量保证体系设计已经完成, 已经具备产
21、业化条件。(2) 几项质量指标说明:1) 全电子计量与产品的精度等级:载波电能表的计量模块是采用全电子专用芯片实现,由于芯片的外围电路的参数设计合理,产品的误差曲线变差很小,调试十分方便,生产效率远远高于国内同类产品。因此,虽然产品出厂指标为2.0级(考虑国内居民照明用户用表一般都是2.0级),但生产线的内控指标为0.7级,出厂指标1.0级。如果用户需要,只要是4倍表,无论电流量程多大,计量指标达1.0级都可以实现。2) 载波信道指标:由于居民家用电能表的抄表实时性要求不高,时间是载波集中抄表系统的重大资源之一。供电部门真正关心的是实际到手的实时抄收成功率及残余差错率。而影响抄收成功率的因素很
22、多,直接表现为电网的载波频率的衰减。更为严重的是该衰减值的空间随机性(不同的电网、不同的地区衰减值不同)与时间随机性(同一电网、不同时间的衰减值不同);目前国内载波电能表生产企业几乎没有一家就允许电网衰减值提出自己的指标。我们研制的载波电能表提出了载波信道的发射峰峰值与接收灵敏度,也提出了在物理层允许电网载波频率的衰减值。客观地说,仅仅有这几个指标是不能适应国内所有的电网的。我们考虑到电网载波频率衰减值的随机性,单纯依靠物理层的通信指标是不可能满足现场运行的需要,不能保证用户24小时100%的实时抄收。为此,在我们的载波抄表系统中,采用了表中继通信方式与网络拓扑分析(Topo-relay技术)
23、、自动寻址表中继路径自适应技术,综合信道指标,允许电网衰减达240db,可确保用户24小时实时抄收,成功率都能达到100%,残余差错率为零。这是本系统不同于国内外所有的载波抄表系统的独特的地方。3) Topo-relay技术:由于电网衰减的随机性,离开中继是不可能满足现场运行需要;利用载波电能表的载波收发功能实现载波信号的中继接力是最理想的中继方案。但由于载波电能表物理安装空间的随意性,要在一个变台范围内,不同相序、不同远近、不同分支的数百台载波电能表中选出合适的表作中继表,无论在理论上,还是现场中,都是十分困难的事。采用计算机的穷举搜索法又费时太多,用户难以接受。本系统采用网络拓扑分析方法,
24、开发了独特的Topo-relay技术与自动寻址表中继路径自适应技术,使用户确保在半小时左右的时间内,将变台内的全部电能表100%抄回来。而且抄收数据是实时数据!三、 市场可行性分析:1. 产品市场环境分析:1) 体制改革与“一户一表”:低压配电线载波抄表系统的市场从根本上说,是一个政策性市场。它是随着改革开放与国民经济的转轨诞生的。政策背景是电力部门的营业体制改革与“一户一表”光明工程。改革开放以来,国民经济体制由计划经济体制向市场经济体制过渡;电力工业对国民经济的“瓶颈效应”日益加剧;自我完善、自我积累、自我发展的机制亟待建立;强化用电管理,改革旧的抄表体制。这一切都预示电力走向市场、电力部
25、门实现企业化已提到议事日程上来了。而实现电力的商品化、电力工业的企业化,技术装备是必不可少的。对动力用户来说,电力负荷控制系统已预留了这些功能;而对照明用户,特别是分散的居民照明用户,由于其面广量大,电卡电能表的推广已经陷入了困境与僵局,实现“一户一表”的技术装备只剩下集中抄表系统这唯一的选择。在计划经济的模式下,居民照明电能销售是通过上门走抄、通知收费的方式进行。由于这种营业收费方式,工作量太大,一个大中型城市有近百万户,甚至达数百万户,抄收人员十分辛苦;效率低下。由于没有相应的技术装备与技术手段,相当一部分用户是通过趸售、物业管理或用户自我抄收,进行营业收费结算。造成电力部门部分利润流失与
26、大量的用户纠纷。进入九十年代,国民经济体制由计划经济逐步走向市场经济,国家电力部门主要是出于利润的考虑;减轻抄收人员劳动强度;避免走收人员收款遇害事故;更好为用户服务;配合营业体制改革,提出“一户一表”的口号与改革营业管理体制的决定。2) 预付费卡表的兴衰:前几年,由于基层电力部门看到提前收费的利息,纷纷上预付费电能表,短时间全国有近400家电表厂诞生。但早在1993年国家电力部就明确表态反对上预付费电能表,但国内还是在南京、天津、北京几大城市共有数百万台预付费电能表投入现场使用。经过几年的现场运行,产品与营业管理体制、市场经济的法规的矛盾日趋尖锐。到1998年年底,国家电力公司正式下文,对预
27、付费电能表的推广提出质疑,但仍然制止不了预付费电能表的进一步推广。直到1999年9月1日国家电力公司下发了“国电发1999465号”文“关于装用IC卡式电能表有关问题的通知”,才真正制止了预付费电能表的推广态势。3) 技术上的突破与市场的成熟:在预付费电能表推广前,国内不少有识之士已经开始引进载波抄表技术。国家电力部与国家电子振兴领导小组1993年从国外(美国、加拿大、以色列)引进三套低压配电线载波抄表系统,在国内试装,现场运行的实践证明,国外产品难于适应国内污染十分严重的电网,实验失败。其中运行最好的以色列一套系统抄收成功率最高只达70%。从九十年代初期,国内已有不少企业、研究所为了市场的需
28、求,开始研究自己的低压配电线载波电能表及其抄表系统,陆续有产品在现场安装运行,经过几年的实践,取得了许多十分宝贵的第一手资料,积累了大量的的经验与教训,为产品的成熟与商业推广创造了必要条件。但从九十年代初期至今,全国虽然已经安装运行了百万台载波电能表与数十个系统,相对国内上亿台的市场而言,可以说还没有进行商业性推广。其主要原因是在技术还存在难以逾越的技术障碍。这就是下段载波信道的抗电网衰减能力问题。在表中继技术问世以前,毫无例外,国内外所有的低压配电线载波抄表系统都不能实现24小时100%实时抄收,现场表现为时好时坏,由于系统巨大的投资,无论生产厂家与用户都没有绝对的信心,严重影响了该系统的商
29、品化与产业化的步伐!表中继技术出现后,真正的行家又在考虑人工设定与修改表中继路径的技术支持费用问题,规模越大,这个矛盾越突出。只有路径自适应问题解决以后,该系统商品化与产业化的条件才算真正成熟!载波电能表市场形成、启动的条件才算真正成熟了!2. 电能计量产品的市场特点:低压配电线载波抄表系统的市场有两大特点:1) 广泛性:面对电力营业管理体制改革与“一户一表”光明工程实施的大好形势,该系统的市场面广量大是毋庸置疑的。大型城市有数百万台的市场,中型城市也有数十万台的市场。据国家电力公司的统计,全国居民照明电能表在线安装了两亿六千万台,城镇在线安装量达七千万台。假如大面积推广集中抄表系统的话,这几
30、乎是一个天文数字。产品市场的广泛性要求产品质量的高可靠性。这也是该产品在路径自适应技术未取得突破前不能实现大面积推广的最主要的原因。在这样的情况下,路径自适应技术的经济价值就可想而知了!2) 政策性:对该系统的用户而言,不能单纯用经济效益来分析,而要从国家的政策与电力营业管理体制改革的需要来考虑。所以该产品的市场又是一个政策性市场。最终居民用户不能自己选择用什麽电能表,必须得到供电部门认可,才能进行实质上的市场推广。由于市场的政策性,要求产品在质量合格的基础上,有较高的性能价格比与较强的价格竞争性。这对产品的系统设计、功能指标与质量指标的定位提出了很高的要求,硬件设计要求精练、可靠。而我们的低
31、压配电线载波抄表系统暨路径自适应系统就是本着这个原则设计的。从硬件设计而言,产品材料成本不高于一般意义的载波抄表系统产品,而在系统设计、通信规约设计、软件设计上,独辟蹊径、别出心裁,使整个系统最关键的下段信道最终指标达到了“顶峰”,24小时100%实时抄收,残余差错率为零!针对产品市场的两个特点,表中继与路径自适应技术对开拓市场,起着有效而又关键的作用!3. 社会经济效益分析:1) 馈电与通信信道的自然匹配:对电力部门而言,低压配电线载波信道最大的好处在于馈电通道与通信信道自然匹配,也就是电送到什麽地方,信道也通到什麽地方;不必另外敷设通信信道。维护工作量小,不受其他行业与部门制约。这就是低压配电线载波抄表系统一直颇受电力部门青睐的原因!2) 减少用电纠纷:原来的上门抄收方式有不少弊病,进户抄表从法律角度侵害了用户的权利;用户自我抄表、自己分摊计量误差往往引起用户间的纠纷;电费传票丢失也会引起用户与供电部门的纠纷;而载波集中抄表系统加银行结算可以避免上述全部问题;3) 建立完善的营业管理机制:表中继与路径自适应技术应用以后,24小时100%实时抄收的实现,对分时计价与限额用电都可以提供实现的技术手段,这是一般没有采用表中继与路径自适应技术的载波抄表系统做不到的;对其他营业管理政策
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