远程集中抄表系统介绍及其电路保护方案

相关词汇

AMR（Automatic Meter Reading）自动抄表技术

PLC（Power Line Communication）电力载波通讯

RTU（Remote Terminal Unit）远程终端单元

DTU（Data Transfer Unit）数据传输单元

CMS（Concentrated Metering System）集中抄表系统

MDMS (Meter Database Management system) 电表信息管理系统

 

1 前言

电费、燃气费、水费、供热费，跟大家生活息息相关，人工抄表时间长、效率低、统计不准确、人员成本高等缺点非常明显。如果考虑到阶梯电价、丰时水电价等分时计费，以及电能质量（PQ）检测、实时故障报警等功能，那就是人工抄表完全没办法完成的了。

随着科技的进步，在行业协会、各大公司的驱动下，加上国家层面的宏观调控，远程集中抄表系统逐步有了成熟成型方案，并推广向海内外。

音特电子也充分利用自身在保护器件的技术、资源优势，在远程集抄系统中扮演重要角色，为更优化、更安全的远程集抄系统综合设计电路保护方案，供智能电表AMR、采集器、集中器设计工程师提供设计参考。

 

2 远程集抄系统组成

远程集抄系统Concentrated Metering System一般由终端智能表（水电气热）、采集器、集中器、后台主站四级组成，如下图所示。

图1 远程集抄系统组成框图

2.1 终端智能表Smart Meter

终端智能表，Smart Meter，是最接地气、最靠近用户、甚至入户的计量表，如智能电表、水表、气表、北方地区供热的热能表。

 

 

图2 智能电表、气表、水表、热能表样图（图片来源网络）

智能终端表的主要功能是进行终端计量及费控管理，从用户终端采集到电、水、气、热等使用信息，并给用户显示反馈相关信息，如用量、当前阶梯价格、预充余额等。

从用户端采集到的信息，需要实时（或分段）的上传采集器直至服务器后台，并且管理后台也需要下发相关费控或安全认证管理指令，因此，智能终端表也集成了通讯模块，常见终端表采用的通讯方式为RS485、电力载波、红外等方式。如图3所示，智能电表的组成框图。

图3智能电表的组成框图

 

    音特电子为智能电表、智能水表、智能气表及智能热能表的电源管理和通信电路，设计有可靠完备的电路保护方案，并拥有各种测试标准下的相关测试数据，欢迎智能终端表设计工程师咨询参考。

2.2 采集器

智能终端表一般为一户一表，有些单元楼采用的是集中装表，即一个单元的表一排整齐的在一个位置，针对这种情况，可应用采集器来集中收集每块电表的数据。通常一个采集器就近安装，通过采集电表脉冲或rs232等通讯方式管理12块、32块或64块电表（可以根据电表的数量选择不同型号的采集器），然后通过电力载波把这些电表的数据上传给集中器。

这样也可以降低终端电表的复杂度和总体成本。如图4所示，采集器主要功能是向终端表发送采集指令，并接收终端表预处理过的信息，通过无线GPRS或有线的方式上传到集中器或服务器云端。

 

图4 远程集抄系统采集器的组成框图

        采集器与智能终端表之间一般采用RS485、电力载波、MBUS等方式进行指令和数据通讯，与上级集中器之间可采用GPRS、4G、PSTN、Ethernet、NB-IoT、LoRa等有线或无线网络进行数据通讯。

 

 

2.3 集中器

集中器（Concentrator）是远程集中抄表系统的中心管理设备和控制设备，负责定时读取终端数据、系统的命令传送、数据通讯、网络管理、事件记录、数据的横向传输等功能。跟上述采集器功能分工。

 

2.4后台主站（服务器、数据管理、云端）

后台主站用于管理界面，如任务管理、数据查询、收费等。

如下图所示，某无线远程水表的系统架构及管理平台功能：

 

 

图5 某智能水表的组成框图

 

3 远程集抄系统保护电路

音特电子为远程集抄系统的终端智能表，采集器，集中器硬件电路设计保护方案，在电源供电、信号接口等关键部位，通过分析其可能出现的雷击、浪涌、静电等电磁兼容风险，提供全面有效的电路保护方案。主要方案有：

3.1电压取样采集电路

针对智能电表，需要进行电压信号采集，而单相、三相电表电压和采样方式又有不同。下图为单相电表电压采集输入端。

 

图6 单相智能电表电压采集输入端

 

 

音特电子推荐采用压敏电阻进行输入端过压防护，推荐型号有14D或20D产品，电压470V（单相220V）~820V（三相380V）：

 

表1 音特电子14D和20D压敏电阻部分参数

 

 3.2 电流取样采集电路

 

在智能电表的电流采集输入端，常常采用TVS来进行浪涌防护，保护后续计量芯片。

 

图7 智能电表电流采集输入端接口电路

 

音特电子推荐TVS型号为SMBJ6.5CA或P6SMB6.8CA。其部分参数如下：

  

表2 音特电子SMBJ6.5CA和P6SMBJ6.8CA部分参数

 

 

3.3 电力线载波通信PLC接口电路

电力线载波PLC（Power Line Communication）有很多应用场景。载波电路通过FSK等方式将通信信号加载到电力线，并通过电力线接收到其他系统传输过来的信号，解调出相关数据。

如下图所示为一种电力载波接口电路。

 

图8 电力载波接口电路

 

音特电子推荐保护器件为（图8）：

 

表3 电力载波接口电路音特保护器件推荐

 

3.4 RS485通信接口电路

在采集器与智能电表，或采集器与集中器之间，常常采用RS485的通讯方式。由于电磁环境的复杂不可控，RS485芯片常常受到浪涌、静电的冲击，造成系统或部件损坏。

 

图9 RS485通讯接口保护电路示意图

 

 

音特电子推荐RS485通讯端口，采用ESDSM712静电保护器件。ESDSM712采用7V，12V不对称内部结构，能够对RS485双线进行共模12V、差模14V的静电或浪涌抑制。其主要参数有：

 

表4 ESDSM712保护器件部分参数

 

 

3.5芯片供电电源端保护

针对系统内重点芯片，其供电电源接入端，可利用瞬态抑制二极管TVS的ps级响应速度和精准钳位特性，对芯片电源端进行浪涌保护。

图10 主芯片电源保护电路示意图

 

音特电子推荐主MCU电源端浪涌保护器件：SMF5.0CA

 

 

表5 SMF5.0CA部分特性参数

3.6无线通信天线保护

对采集器或集中器的无线通信模块，常需要对天线接口端进行静电保护，防止从天线端窜入的静电骚扰，影响无线通信模块的正常工作。

图11 天线收发模块保护电路示意图

 

音特电子推荐采用低容小型封装静电防护器件ESDLC5V0D9B，封装为SOD923,电容低0.5pF，静电最高可达±30kV。

4 小结

远程集中抄表系统随着物联网的发展，发展出越来越多的物联网仪表，通讯模式也有了很多变化。

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审核编辑 黄宇