基于NB-IoT及电力载波三表合一集抄系统

王子敬， 舒 钦， 姚先威

(1.武汉市天然气有限公司， 湖北 武汉 430033； 2.哈尔滨天源石化工程设计有限责任公司武汉分公司， 湖北 武汉 430023)

1 燃气表、电表和水表的运行现状

目前国内居民用户均采用气、电、水一户一表分开计量的原则，各公司对自己的领域自行管理、自成系统。虽然在抄表方面遇到很多相同的问题，但由于行业管理的限制，无法形成资源共享。一般情况下，武汉市新建的住宅在32层以上，电表、水表有专用的强电井和水井，燃气表则安装在厨房。公共区域的抄表给工作人员带来的麻烦较小，但燃气的抄表工作必须入户，由于居民的作息时间、出差等原因，工作人员经常多次上门却无法完成抄收工作。

预付费模式的开展与使用，可以大大降低抄表收费的压力，方便用户。国家电网已实现大规模的智能电表改造及用电信息采集建设，电力自动抄表技术已相当成熟。但燃气表、水表仍然延续着线上充值线下写卡(将信息写入卡中)的模式，用户不得不去营业网点或自助机上写卡。此次突如其来的疫情，武汉作为全国疫情最严重的区域，这种写卡模式给用户带来了极大的不便，用户在家中自我隔离，无法外出写卡，短期内投诉量激增。为保障民生，燃气公司投入大量人力物力帮助用户写卡，线上充值并直接使用已迫在眉睫。

2 三表合一存在的问题及创新

三表合一的概念已提出多年[1]，很多城燃企业也在跟进，但效果一般。抛开行业壁垒，究其原因主要有：燃气表、电表、水表智能化采取的通信协议不一致，无法整合；现有网络穿透能力或抗干扰能力等很难满足需要；智能表具无法实现不间断供电；实现工程量少，回报大，同时尽可能不影响用户使用习惯的方式极少[2]。

随着技术的不断发展，NB-IoT技术的推出和低压电力载波技术的全面成熟，使得解决上述难点成为可能。我公司联合电力公司、水务公司采用NB-IoT和低压电力载波技术相结合，构建一套实时双向、通信速度快、效率极高、安全可靠、使用方便的自动抄表控制系统，保证数据传输的可靠性和实时性，同时解决智能表具长期供电的问题，从而使气、电、水表紧密组网，成为统一的整体。具备深度覆盖、海量连接、超低功耗和低成本等重要优势，使得大规模运用成为可能，让城市更加智能。

3 三表合一集抄系统的物理架构

① 物理架构

三表合一集抄系统的核心思想是最大可能地利用现有设备、不改造用户家中布局、以最少的工程量实现所有功能。为此我们设计了由系统主站(各公司的接收系统)、集中器、采集器、I型转换器、II型转换器、用户表(气、电、水)的系统模型。系统主站与集中器之间可以根据具体情况选择不同的通信信道(如GPRS);集中器和采集器、转换器之间采用低压电力载波(PLC)方式通信；新式电表内部含有电力载波的解析模块，可通过电力载波直接与集中器通信，老式电表中未含电力载波的解析模块，则通过增加采集器的方式与集中器进行通信。I型转换器与用户水表之间采用M-BUS总线方式通信，即可以提供电力保障又可以进行数据交换；II型转换器与用户燃气表之间采用NB-IoT的微功率无线方式通信；老式电表采用RS485与采集器进行数据传输。燃气表使用5号电池供电。一个系统主站可以管理多个集中器，一个集中器下辖多个转换器或采集器。具体物理架构见图1。

图1 三表合一集抄系统的物理架构

② 系统的组成

系统主站：指通过远程信道对集中器中的信息进行采集，并进行处理和管理的设备。通常采用各单位的计算机设备作为主站，该站采取主动方式对数据流进行控制，是在一定范围内可以和不同地区的多个集中器进行数据交换，并集中处理的后台系统。目前电力公司的系统主站是用电信息采集系统，需要增加燃气表、水表的数据采集，并设计接口收集燃气公司、供水公司的数据。

集中器：能主动收集新式电表、采集器、转换器中燃气表、电表、水表的数据信息，并进行处理储存，同时能和主站或手持设备进行数据交换。

采集器：用于采集单个或多个用户电表的计量数据信息，处理后通过信道将数据传送到集中器或将集中器的命令传达到电表。

转换器：用于采集单个或多个用户表(燃气表、水表)的计量数据信息，并将它处理后通过信道传送到集中器或将集中器的命令传达到用户表(燃气表、水表)。

用户表(燃气表、水表、电表)：指具有计量、数据记录、存储、通信中继以及通过信道与系统上一级进行数据交换的仪表。

③ 通信方式

M-BUS总线：M-BUS是一种由主机控制的分级通信系统，它由主机、从机和两条连接电缆组成。从机之间不能直接交换信息，只能通过主机来转发。M-BUS技术的传输介质为双绞线，数据传输速率可达300～9 600 bit/s，最大传输距离为1 000 m左右。另外，M-BUS总线可实现采集终端向计量设备远程供电，可解决三表合一水表无外供电的问题。

NB-IoT：NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180 kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

电力载波(PLC)：指利用工频强电的电力线传输高频弱电信号的通信技术。电力载波通信一般使用3～500 kHz或2～30 MHz的电力线频谱资源，数据传输速率可达1 bit/s以上，在电力公司用电信息采集系统的通信技术中占比达70%以上。

RS485：RS485作为一种通信协议，一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机，可以解决信息内容的传递需求和一台采集器对多台电表的需要。

GPRS无线公网通信：指基于移动蜂窝网的通用分组无线通信技术，其覆盖范围非常大，通信速率可达100 kbit/s以上。

4 三表合一技术方案

基于以上物理架构，结合武汉市一般建筑房屋的具体结构形式，提出一种以适应用电信息采集系统基本架构为导向，覆盖现场各种类型用电信息采集系统典型的三表合一技术方案，以便体现系统的各项技术特点，最终实现分散采集、集中管理、综合监控。

三表合一技术方案的总体布线见图2。图2中，中间层未出画。

图2 三表合一技术方案的总体布线

三表合一的数据传输流程是：燃气表通过NB-IoT无线通信模式与弱电井内的II型转换器通信，II型转换器通过电力载波与集中器通信；强电井中的老式电表与采集器通过RS485通信，采集器再通过电力载波与集中器通信，新式电表可直接通过电力载波与集中器通信；水表运用M-BUS协议模式与水井内的I型转换器通信，I型转换器通过电力载波与集中器通信。燃气公司、水务公司可根据自己的需要，在小区入口段增加燃气总表、水总表进行总量对比，监控和分析用户用量，深挖用户潜能，提供增值衍生服务，打击偷气偷水现象。当需要增加燃气总表和水总表时，两块表具均通过电力载波与集中器通信。集中器采集的所有数据可通过GPRS等模式与系统主站通信，从而完成整个系统的数据接收和传输。

该技术方案的主要优势：可以在不改变现有用户使用习惯的基础上，全程自动收集用户数据，远程操作，用户无需参与；无论是新建还是已有用户的改造，都不需要改动用户家中的布局；工程施工难度小，只包含增加设备和设备之间的线路连接，再无其他工程；有外供电的保障，不再局限于表具内的锂电池，减少了各单位的维护成本；数据传输的可靠性大大增加。

5 三表合一的效益分析

电力公司具有得天独厚的优势以及强大的软件平台，燃气表、电表、水表的数据先传到电力公司的系统中，再分发至供气、水务公司。在如今信息化社会中，数据在任何行业尤其重要，通过大数据分析，深挖用户的潜力极具意义。

① 打击偷盗气、电、水的行为。偷盗气、电、水的行为屡禁不止，也是任何一家企业最为头疼的事情。以往必须入户检查才能发现的问题，如今通过用气、用水、用电数据的分析，可以直观了解哪家用户有偷盗行为，精确定位。

② 数据分析，提供高端服务。以往都是用户端出现故障报修后维修，有了大数据的帮助，企业可以主动提供维修、订制针对性服务，提升用户的满意度。

③ 安全效益。现在老人越来越多，子女因各种原因无法时常回家。通过气、电、水的数据分析可以及时判断哪个用户存在漏气等不安全状态，及时上门排除，安全效益明显。

④ 熟悉用户习惯，深挖用户潜能。气、电、水新用户的增量势必越来越少，老用户才是各企业利润增长的主要来源。各企业可以根据气、电、水数据的分析，量身定制一些服务或产品，增加收入来源。比如对于燃气用量较大的用户，推销燃气干衣机、供暖炉等用气设备并赠送燃气等措施，让用户产生依赖，形成习惯。

⑤ 开展延伸服务的重要支撑。随着一系列燃气价格的改革，燃气企业的气改压力越来越大，开展延伸服务，从卖气到卖服务已成为每家燃气企业必须经历的过程，如何顺利转型为综合能源供应商就必须深知用户习惯，智能化的实现成为开展这些服务的重要支撑。

6 结语

市场上气、电、水三表合一集抄系统方案很多，但实际成型的很少。NB-IoT技术使户内燃气表可以与外界实时通信；低压载波技术使得现有电力线传递信息成为可能。三表合一系统的实现说明基于NB-IoT及低压电力载波技术的三表集抄系统可行有效。