（控制理论与控制工程专业论文）支持多种上下行通道的远程抄表系统开发.pdf

d e l o p m e n to fa u t o m a t i cm e t e r r e a d n 叮gsy st e mw i t hm u i j i p l e u p d o w n l i n kc o m m u n i c a t i o n c h a n n e l s at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s 时 f o rt h ea c a d e m i cd e 伊e eo fm a s t e ro fe n g 妣e r i n g b y b a iw e n - b a o s u p e r v i s e db y p r o m ax u d o n g s c h o o lo f a u t o m a t i o n s o u m e a s tu n i v e r s i t 、r m a r c h2 0 lo 东南大学学位论文使用授权声明 作及取得的研究成果。 他人已经发表或撰写过 而使用过的材料。与我 明并表示了谢意。 中一鼍。 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 整个远程抄表系统由主站、集中器、采集器和上下行通道组成。上下行通道可组合支持 多种通信方式：上行通道支持g p r s 和以太网通信方式；下行通道支持r s 4 8 5 总线、低压电 力线载波和短距无线通信方式。整个硬件设计以模块化的思路实现，每种通信方式采用不同 的硬件模块。上下行通道软件的实现分为独立的三层：通信方式层、规约实现层和规约支持 函数层，三层之间的交互通过统一接口进行。其中规约实现层通过建立规约描述文件和完成 规约逻辑规则的方法实现。同时针对远程抄表系统的下行通道不稳定问题，提出了下行通道 静态组网，动态路由的中继算法，实现了下行通道混合组网的目标。 论文总结了远程抄表系统的国内外现状和发展趋势，分析了各种上下行通道技术的特点， 提出了支持多种上下行通道和下行通道组网的系统设计方案，提高了抄表的准确率和成功率。 同时考虑到各个省份通信规约与国家标准有部分不同的现状，设计了分层的软件架构，采用 规约描述与逻辑规则分离的方法实现通信规约，使系统有更强的适用性和扩展性。在论文最 后给出了系统测试的方法以及运行结果。 关键词： 远程抄表；集中器；g p r s ；r s 4 8 5 ；电力线载波；上下行通道 a b s t r a c t d e v eio p m e n to fa u t o m a tic a e t err e a din gs y s t e mw it h m ultipleu p d o w niin kc o m m u nic a tio nc h a n n eis b a iw 音n b a o s u p e n r i s e db yp r 0 m ax u - d o n g s o u n l 朗s tu n i v e r s 时 a bs t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，i ti sn e c e s s 锄yt h a tt h ec h a r g i n go ft h ee l e c t r i c i t y w a t e r ，a n dg a s sc o n s u m p t i o nb ca c h i e v e dt h r o u 曲a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e ms oa st oi m p r 0 v e t h el e v e lo fp r o p e n ym 卸a g e m e n ta n dr e d u c el a b o ri n t e n s i t y b u tb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t 、ro f m e t e rr e a d i n ge n v i r o n m e n t ，e s p e c i a i l yt h ei n s t a b i l i 田o ft h ed o w n l i n kc h a n n e l ，t h e r ea r es e v e r a l d i 硒c u l t i e si na c h i e v i n gs u c hs y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ek e yt e c h n o l o g i e st od e v e l o pt h e a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e ma r ep r e s e n t e dt os u p p o r tm u l t i p l eu p d o w n l i n kc h a n n e l s t h e m n c t i o no fs u p p o r t i n gm u l t i p l eu p d o w n l i n kc h 狮n e l sa n dp r o t o c o l si sa c h i e v e db yt h em o d u i a r h 棚d w 棚ed e s i g m 狮dh i e r a r c h i c a l 仔砒n e w o r l ( o fs o f t 、v a r ed e s i g 皿 t h ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mi sc o m p o s e do ft h em e t e r ，t h ea c q u i s i t i o nt e m l i n a lu n i t t h ec o n c e n t r a t o r ，t h em a s t e rs t a t i o na n dt h eu p d o w n l i n kc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s t h eu p l i n l ( c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l se m p l o yt h eg p r sw i r e l e s sn e 铆o r ko rt h ei n t e m e tt e c l l l l o l o g v ，w h i l et h e d o w n l i m ( c h a n n e i su t i l i z et h ep o w e rl i n e ，t h er s 4 8 5b u so rt h ew i r e l e s sn e t w o r k t h eh a r d 、a r c s y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h ei d e ao fm o d u l a r i z a t i o nt 0e n d o we v e r yc o m m u n i c a t i o nm o d ew i l i t so w ns u p p o r t i n gm o d u l e t h es o 触a r eo ft h eu p 坩o w n l i m ( c o m m u n i c a t i o ni sd e s i g n e dt 0m r e e a b s o l u t el a y e r s ：t h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e ll a y e r t h ep r o t o c o ll a y e ra n dt h es u p p o r tl a v e rf o r p r o t o c 0 1 t h ei n t e r a c t i o no ft h et h r e el a y e r si sa c h i e v e dt h r o u 曲au n i f i e di n t e r f a c e t h ep r o t o c o l l a y e ri sd e s i g n e db yb u i l d i n gt h ef i l ed e s c r i b i n gt h ep r o t o c o la n dt h ec o r r e s p o n d i n gr u l e a d d i t i o n a l l y ，b e c a u s eo ft h ei n s t a b i l i t yo ft h ed o 、v n l i n kc h a n n e l ，t l l eh y b r i dn e t w o r kf h n c t i o n b e 觚e e nt h ed i 行e r e n td o w n “n kc h a f u l e l si si m p l e m e n t e d ，狮dar e l a yf h n c t i o nc a l l e d “s t a t i cg r o u p n e 铆o r k ，d y n 锄i cr o u t i n g ”i sa d d e dt 0t h es y s t e m i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n t 仃e n do fa u t o m a t i cm e t c rr e a d i n gs y s t e ma th o m ea n d a b r o a da n dm u l t i p i ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l sa n a l y s i sa r es u m m a r i z e d6 r s t l y s e c o n d l y ，t h eo v e r a l l d e s i g no ft h es y s t c ms u p p o r t i n gm u l t i p l eu p d o w n l i n kc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l si sp r e s e n t e d 锄dt h e h y b r i dn e 咖r l ( f u n c t i o nb e t w e e nt h ed i 丘e r e n td o 、 ，n l i n kc h a n n e l si si m p l e m e n t e dt oi n c r e a s et h e a c c u r a c y 粕ds u c c e s sr a t eo ft h er e m o t em e t e rr e a d i n g m o r e o v e r ，s i n c et h ep r o t o c o l so fm u l t i p l e p r o v i n c e s 引ed i f f e r e n t ，ah i e r a r c h i c a l 行锄e w o r ko ft h es o f t w 钔ei sd e s i 擘r n e d ，a n dm u l t i p l ep r o t c i c o l s a r ei m p l e m e n t e db yi s o l a t i n gt h ep r o t o c o ld e s c r i p t i o nf i l ea n dl o g i c a lr u l es ot h a tt h es y s t e mi sm o r e a p p l i c a b l ea n ds c a l a b l e i nt h ee n d ，t h et e s t i n gm e t h o do ft h es y s t e ma r 订t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 一 _- a r e 鄹v e n k e y w o r d s ： a u t o m a t i cm e t e r 陀a d i n g ，c o n c e n t r a t o r g p r s ，r s - 4 8 5 ，p o w e rl i n e c a r r i e r u p 艏o 、n l i n l ( c o 眦n u n i c a t i o nc h a n n e l s 目录 目录 2 2 系统总体介绍。l o 2 3 上行通道技术分析1 2 2 3 1 以太网通信1 2 2 3 2g p r s 无线通信。1 3 2 3 3 上行信道总结1 4 2 4 下行通道技术分析1 4 2 4 1 低压电力线载波1 4 2 4 2 短距无线l5 2 4 3r s - 4 8 5 总线1 6 2 4 4 仪表总线16 2 - 4 5 下行信道总结l7 2 5 系统总体方案设计17 第三章基于双处理器的集中器硬件设计与实现1 9 3 1 集中器硬件总体设计1 9 3 1 1 双处理器方案分析1 9 3 1 2 双处理器方案设计1 9 3 2 管理机外围接口电路设计与实现2 0 3 2 1 电源模块2 l 3 2 2 人机交互模块2l 3 2 3 通信模块2 l 3 2 4 存储模块2 3 3 3 控制机外围接口电路设计与实现2 3 3 3 1 通信模块2 4 3 3 2 扩展i o 。2 5 3 4 管理机与控制机通信接口2 5 第四章集中器软件设计与实现2 7 4 1 集中器软件平台构建2 7 4 2 管理机软件设计与实现2 7 j l 1 1 l 3 6 6 8 8 8 9 硼 一一计一求 一一一一 设要 ： j案能一一一状状方一况功 目录 4 2 1 管理机软件总体设计与实现2 8 4 2 2 上行通道软件设计与实现2 8 4 3 控制机软件设计与实现4 4 4 3 1 控制机软件总体设计与实现4 4 4 3 2 下行通道软件设计与实现4 4 4 4 控制机与管理机通信设计与实现5 0 第五章支持混合组网的采集器软硬件设计与实现5 3 5 1 硬件设计与实现5 3 5 2 软件设计与实现5 3 5 2 1 软件总体设计与实现5 3 5 2 2 混合组网功能设计与实现5 4 5 2 3 与电表通信部分设计与实现5 6 第六章系统测试5 8 6 1 系统测试总体设计5 8 6 2 系统测试环境5 8 6 3 系统测试过程。5 9 6 3 1 单元测试5 9 6 3 2 集成测试6 0 6 3 3 确认测试6 0 6 3 4 系统测试6 l 总结与展望。6 3 参考文献6 5 附录一作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 7 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 众所周知，居民用水、用电、用气一户一表工程实施后，首先需要解决的就是抄表到户 的问题。但是小区水、电、气抄表收费是一项费时、费力、繁琐、单调的工作，又是一项运 算量大，运算准确度要求高，容易产生纠纷的工作，要保证水、电、气抄表收费的正常高效 的运作，提高经济效益和社会效益，必须依靠现代化技术手段【l 】。随着国家相关标准的完善 以及各省份标准的推出和项目推进，会进一步推动远程抄表系统的发展。住宅远程抄表系统 标准的推出进一步的规范了远程抄表系统的要求，而d l t 6 9 8 2 0 0 9 电能信息采集与管理 系统的推出则更加细化了电力远程抄表的规范要求，这都有利于各个部门和生产厂家按照 标准生产设计合格的远程抄表系统，有利于远程抄表系统的推广和发展。 随着嵌入式系统，计算机技术以及网络技术的发展，为远程抄表系统的广泛的应用奠定 了基础。随着城市信息化和行业信息化的持续深入，嵌入式技术已成为信息产业中发展最快、 应用最广的计算机技术之一，并被广泛应用于网络通信、消费电子、医疗电子、工业控制和 交通系统等领域。每年全球嵌入式系统相关工业产值已超过1 万亿美元，全球嵌入式系统硬 件和软件开发工具市场约值2 千亿美元，而中国嵌入式软件的产业规模也已经超过千亿元人 民币。“十一五”期间，嵌入式软件与系统的科技创新已被列入国家重大专项“核高基”的内 容之一，将进一步推进嵌入式基础软件在智能手机、数字电视、汽车电子领域实现重大产业 化应用。与嵌入式系统相关的嵌入式技术包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作 系统、嵌入式中间件以及嵌入式应用程序等。嵌入式微处理器在运算速度、可扩充能力、系 统可靠性、功耗和集成度方面都取得了很大的进步。更高的集成使得嵌入式系统的外围电路 开发得到简化。而在嵌入式操作系统方面也有了长足的进步，一方面商业嵌入式操作系统迅 速发展：另一方面，免费的嵌入式操作系统也得到广泛应用。与此同时，嵌入式中间件如嵌 入式数据库、嵌入式g u i 、嵌入式w e b 服务器等也在各方面需要中得到完掣2 1 。 市场的需求和技术的进步使得远程抄表系统的广泛应用成为可能，本实验室之前已经开 发过两套远程抄表系统，分别是基于电力线载波和4 8 5 总线，本文在他们做的工作的基础上 进行改进，开发一种支持多种上下行通道的远程抄表系统，使得其有更全面的功能和更好的 适用性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外发展现状 在国外自动抄表技术发展比较早，欧美等国在上个世纪七、八十年代开始试验探索自动 抄表技术。根据权威的市场调查机构r e s e a r c ha n dm a 砌江t s 的市场调查报告m e t e r r e a d i n gp r o f i l e s & b e s t p r a c t i c e s2 0 0 9 ，可以得到目前自动远程抄表系统在国外的发展现状及 趋势。报告中分析了远程抄表系统推广存在的问题和困难，提出了远程抄表系统的设计目标， 并给出了发展现状和趋势。 远程抄表系统在国外推广存在的问题是目前抄读电表正由人工抄表方式向自动抄表方式 过渡，这不仅涉及到技术问题，更涉及到人的因素。首先是线路通道必须建立并优化，其次 查堕奎堂堡主堂垡丝奎 电力公司雇员的角色和职责会发生很大的变化，同时系统性能要求目前的系统是人工抄表和 自动抄表相互补充相互融合的。这无疑对每个部门都是很大的挑战。 远程抄表系统的最根本的设计目标就是从市场角度来看要降低运营费用，提高运营水平 和部门效益，也就是要达到低成本、高生产力和优质服务。要达到这样的目标要考虑几个方 面的因素：单户费用、抄表准确率、抄表成功率和抄表生产力。单户费用直接影响到远程抄 表系统的推广。抄表准确率、成功率和生产力是远程抄表系统性能的刻画，若这三个性能指 标不能满足，那么远程抄表系统就失去了它存在的意义，这是它能够广泛应用的基础和前提。 目前远程抄表系统在国外应用的最好的领域是所谓的特殊电表，采用自动抄表系统几乎 达到1 0 0 。比如说难以接近的电表、不安全位置安装的电表、用电量巨大的电表以及其他高 成本抄读的电表。从市场的角度来分析也是合理的，相对这些特殊电表传统方式抄读的高成 本，利用远程自动抄表系统也就顺理成章。在整个市场中这种特殊电表占到了1 3 2 ，相对 数量巨大的居民用电远程抄表也在迅速发展中，目前的模式主要是由人工向抄读方式向自动 抄读方式过渡，并以自动抄读方式为主流发展趋势。 下面介绍一下国外具有代表性的生产远程抄表系统的厂家和产品方案： 丹麦的a m p l e x 公司是致力于远程监控设备的公司，其业务重点是三表远传。下图1 1 是 其开发的基于电力线载波的远程抄表系统： 自t喇hof一ii 协p 怕扣t t 喇i 竹埘d 埘i h j i _ 嚏黛r _ l b l h 帅 图卜l 硼p l e x 公司电力线载波远程抄表系统 英国的a 2 bc o m m u n i c a t i o n 公司是一家专注于远程抄表的公司，其提供的远程抄表解决 方案有两种：一种是基于g p r s 技术的无线抄表如图l - 2 ；一种是基于局域网和i n t e m e t 的抄表 系统如图1 3 。 2 套能用 图卜4s l l r e e d u t tt e c h n 0 1 0 9 i e s 公司z i g b e e 技术远程抄表系统 在国外的远程抄表系统中技术下行通道应用较多的是电力线载波技术、短距无线技术以 及m - b u s 。由于欧美地区的经济较为发达，抄表系统推广的阻力相对较小，在欧美抄表系统 的单户可以花费到几百美元，所以其m b u s 技术会有较广泛的应用：远程抄表系统在欧美 的应用环境相对较好，不管是电力线上的污染还是无线的干扰都相对少一些，所以其电力线 载波技术和短距无线技术应用于抄表也有很广泛的应用。 1 2 - 2 国内发展现状 我国远程自动抄表系统的起步比国外晚。2 0 世纪8 0 年代初才开始研究远程自动抄表系 统。但是近年来，国内远程自动抄表技术发展迅速，并形成了多种自动化抄表方式并存的格 局。主站系统结构已从单机、双机系统发展到网络式的主站系统结构，操作系统也已从d o s 发展到w i n d o w s 9 5 9 8 n t ，系统功能上也从单纯的抄表功能发展到具有实时线损统计、用电 考核、远程控制、计费及银行联网等功能，有的系统还具有可以通过实时用电统计监测用户 偷电行为的功能。在通信方式上也从单一的电话拨号方式发展到多种通信方式( 电话、无线 电、专线等) 的混和应用的局面l j j 。 3 东雨大学硕士学位论文 除了技术方面的进步，随着国家相关标准的完善以及各省份标准的推出和项目推进，会 进一步推动远程抄表系统的发展。住宅远程抄表系统标准的推出进一步的规范了远程抄表 系统的要求，而d l l 6 9 8 2 0 0 9 电能信息采集与管理系统的推出则更加细化了电力远程抄 表的规范要求，这都有利于各个部门和生产厂家按照标准生产设计合格的远程抄表系统，有 利于远程抄表系统的推广和发展。 目前可供选择的下行信道包括低压载波信道、无线信道、专线信道、其它有线信道，如 宽带信道、有线电视信道等等。其中，宽带信道与有线电视信道由于普及面的局限性，无线 信道由于成本原因，都无法有效推广；现在现场安装最多的是低压载波信道的自动抄表系统； 而推介最多的是专线信道的自动抄表系统。国内主流的下行通道通信技术是r s 4 8 5 、电力线 载波和短距无线。具有代表性的是青岛东软电脑技术有限公司开发的基于电力线载波技术的 系统、上海桑锐电子科技有限公司基于短距无线的系统、广东东方电讯科技有限公司开发的 基于r s 4 8 5 总线和r s 4 8 5 、载波与无线混合式的远程抄表系统。 亚奇宝通电子技术( 深圳) 有限公司研制的电力线载波集中抄表系统和自动抄表系统是 以主站为核心的主从式多级网络系统，具有灵活性和可扩充性。总体结构如图1 5 ： 麴盟塑塑皇壅! 塑塑! ! 图卜5 亚奇宝通电力线载波远程抄表系统 青岛东软电脑技术有限公司研发的e a s t s o 酽电力线载波集中抄表系统以先进的电力线载 波通讯( p l c ) 技术为基础，其总体结构分为三层：主站抄表管理软件及通讯单元、智能集 中控制器和电子式载波电能表，如图1 6 ： 4 图卜6 青岛东软电力线载波远程抄表系统 广东东方电讯科技有限公司生产的基于r s 4 8 5 总线的远程抄表系统，适用于表具集中安 装、工程施工方便、容易敷设通信线路的住宅小区，总体结构如图1 7 ： 黼墅型些而 生些f 娶一一鐾 缀鹱集中曩l 缀联簸中霹- 图卜7 东方电讯基于r s 4 8 5 总线远程抄表系统 上海桑锐电子科技有限公司是无线抄表技术提供商，其开发的远程抄表系统总体结构如 图l 一8 ：由表端无线模块( 无线表) ，无线接收器，手抄器，集中抄表m i s 系统四部分组成，可 针对水电气三表联合抄收。 5 是在理论上，还是在众 多厂家的大量实践中，都发觉存在各种问题。载波低压电网的干扰问题，无线台的传输质量 问题，4 8 5 布线的烦恼及维护问题，电话方式的号码资源和误码率问题等等，这些都集中或 交叉地制约了远程抄表系统的全面推广。客观地说，到目前为止还没有一个全面、系统、适 合实际的解决方案，其中主要反映在系统信息传输的技术和经济瓶颈上【4 j 。 1 3 研究内容 本文设计与实现了支持多种上下行通道的远程抄表系统，可用于电表、水表和气表的抄 收。本系统主要针对电表抄收进行介绍。 针对国家标准和多个省份地区的技术规范有部分不同的要求，系统充分考虑了多个省份 的技术要求，并结合供电公司的实际需求，设计了功能全面、扩展性好的硬件结构。 针对载波低压电网的干扰问题，无线台的传输质量问题，4 8 5 布线的烦恼及维护问题， 电话方式的号码资源和误码率问题等等，课题研究了能够支持多种上下行通道的远程抄表系 统，上行通道支持多种上传通道，下行通道多种通信方式可以混合组网，并实现下行通道中 继功能，有效的解决以上的问题。 针对国家标准和多个省份地区的上下行通信规约的总体结构相同，部分细节不同的特点， 设计出合理的软件结构，使系统能够满足不同省份地区的通信规约要求，并能够很方便的升 级以支持其他省份地区的通信规约，使系统有更广泛的适用性。 针对上下行通信规约编写的工作量比较大，根据规约的特点，设计了描述数据规约中数 据格式的数据结构，在此基础上实现了规约的自动解析和封装功能，只要把每种命令帧相应 参数在相应的数据结构中填写，即可实现自动解析和封装，大大减小了工作量。 1 4 论文结构安排 本文共分六章，具体章节内容安排如下： 6 墨二兰堑丝 本文第一章介绍了远程自动抄表系统的发展以及论文的背景，回顾了远程抄表系统的发 展史，综述了研究现状以及系统的发展趋势，最后引出本文的研究内容。 第二章分析了远程抄表系统的功能要求和层次子系统系统组成，同时分析了上下行通道 的通信技术，在此基础上提出本套系统的整体设计方案。 第三章将针对远程抄表系统中的集中器的硬件设计进行了详尽的说明。首先介绍了集中 器硬件的整体设计架构，是基于管理机和控制机架构的一个系统。接下来分别介绍了管理机 和控制机的外围电路的设计，同时也介绍了管理机和控制机通信的接口。 第四章对集中器的软件设计进行了阐述。首先介绍了集中器软件设计平台的搭建，主要 是管理机基于嵌入式l i n u x 操作系统的平台搭建。接着分别介绍了管理机和控制机的软件设 计，重点在多通道模式的实现和协议的实现。 第五章阐述了采集器的软硬件设计。采集器的部分设计和集中器的控制机的相应部分很 相似，本章只介绍其不同的地方。着重介绍了与电表通信功能、下行通道混合组网功能。 第六章首先介绍集中器软件运行与测试的软件环境，然后按照单元测试、集成测试、确 认测试和系统测试四个阶段阐述集中器软件系统测试。 本文最后一章将对远程抄表系统做一些总结和未来发展的展望。 7 东南大学硕士学位论文 第二章远程抄表系统总体方案设计 2 1 系统需求分析 2 1 1 系统需求状况 系统的需求从两个方面来考虑：一方面是抄表市场的需求，即市场规模的现状和发展趋 势的分析。这要从国家政策和标准的出台，国家电网公司的项目实施以及现阶段抄表系统的 普及情况来分析；另一方面是抄表系统各种技术方案的市场占有率。各种技术方案都有其优 缺点，所以不同技术方案在市场上的表现不尽相同。 国家电网公司提出要在2 0 2 0 年全面建成统一的“坚强智能电网”，智能电网中的一个重要 组成部分就是实现远程自动抄表，在将来的十年间远程抄表系统会有快速的推广应用。 住宅远程抄表系统标准的推出进一步的规范了远程抄表系统的要求，包括对三表联 合抄读的要求；d l t 6 9 8 2 0 0 9 电能信息采集与管理系统的推出则更加细化了电力远程抄表 的规范要求，这都有利于各个部门和生产厂家按照标准生产设计合格的远程抄表系统，有利 于远程抄表系统的推广和发展。 现阶段各个省份都在加紧集抄项目的产品检测、项目招标和实施。目前已安装远程抄表 系统的用户比例还很小，抄表市场需求巨大。 在目前已安装的远程抄表系统中，各种技术方案的应用情况不同，这主要体现在下行通 道的选择上。我国抄表市场上主要应用的是p l c 、r s 4 8 5 和无线技术，当然也有l o n w o r l ( s 、 c a n 、m b u s 、电力线宽带等技术的少量应用【副。 根据中国电力科学研究院配用电自动化系统设备检测实验室在2 0 0 6 年统计，电能表能量 计量数据采集系统送检产品的通信方式：8 4 是低压电力线载波通信；1 4 是双绞线有线通 信；2 是无线通信，如图2 1 。从送检的百分比可以看出三种下行通道在我国远程抄表系统 中的应用状况。 图2 一l2 0 0 6 年集抄系统送检百分比( 下行通道) 通过国家电网公司的工作人员，了解到目前发展的趋势仍是电力线载波占绝对优势， r s 4 8 5 方式基本不变，无线方式有一定的提高，其他的通信方式应用很少。 表2 - l 是下行通道技术的简单比较，从这个表可以看出电力线载波技术的成本是最低的， 虽然有一定的技术缺陷，但也由于其的先天优势，阻挡不了国家电网对它的青睐和企业对它 的研究开发。 酷 一 第二章远程抄表系统总体方案设计 表2 1 下行通道技术比较 通道模式 电力线载波短距无线r s 4 8 总线m b u s 总 线 技术特点误码率高，受干扰穿透能力有比较稳定 比较稳定 严重限 布线要求无无屏蔽双绞普通r v l 5 线 双绞线 节点通信模块 3 0 - 4 07 0 1 3 0 2 0 0 2 0 0 平均成本( 元) 2 1 2 系统功能要求 各个省份对功能的技术要求与国家标准d l t 6 9 8 2 0 0 9 电能信息采集与管理系统基本 相同，但是有部分不同，具体体现在技术规范对功能要求的不同和通信规约的不同。本系统 致力于更广泛的适用性，所以结合多个省份的技术规范和通信规约以及各个供电公司的实际 要求来分析远程抄表系统的需求，以备设计合理的系统实现方案。 集中器功能要求如下： 集中器是安装于台区变压器低压侧，收集所有电能表的数据，并进行存储的设备。接受 主站数据上报的请求，转发主站给采集器或电能表的命令，能管理该台区的所有电能表和采 集器，同时能和手持单元进行数据交换的设备。集中器作为配电变压器低压台区的中心设备， 是连通主站和客户电能表的桥梁，一般每一配电变压器低压台区配备一个集中器。集中器的 功能要求主要分为几个部分：通信方面、数据方面、人机接口方面和控制方面，下面分别具 体的介绍【6 】： 一、通信方面： 1 ) 上行通道 集中器与主站之间的上行通信采用公用通讯网，兼容g p r s c d m a 、p s t n 、以太网 等通信方式，上行通信部分应采用模块化设计，改变通信方式时只需更换通信模块。 2 ) 下行通道： 依据近程通信信道的不同，目前采用如下四种主流技术方案：载波采集器+ r s 4 8 5 电 能表；r s 4 8 5 采集器+ r s 4 8 5 电能表；无线采集器+ r s 4 8 5 电能表；载波电能表。 3 ) 级联功能： 当用电现场安装有多个集中器或同时安装有配变监测计量终端( 以下简称配变终端) 时，可以通过级联功能实现远程通讯通道的共享。集中器之间或与配变终端之间通过 r s - 4 8 5 总线级联，其中只有一台集中器或配变终端被设为负责与主站进行通讯，称为主 终端；其余的集中器或配变终端称为从终端；从终端通过级联4 8 5 总线利用主终端的远 程通讯通道和主站进行通讯。一台主设备最少级联4 台从设备。 4 ) 远程升级功能 集中器具有远程升级应用程序( 含主程序和上、下行通信规约) 功能，远程升级应 保证集中器内的数据安全。 二、数据方面： 1 ) 要求保存全面的数据 要求保存多功能电能表能够提供的各项数据，具体请见多功能电能表国家标准。 2 ) 数据存储容量要求 要求能够存储1 0 0 0 3 0 0 0 块电表的各种数据3 个月以上时间。每台集中器管理的单相 电能表数量不少于1 0 0 0 块，三相电能表数量不少于2 0 0 块。按照集中器设计的最大用户 数对每个用户电能表电能量数据至少保存2 个月日零点冻结电量数据、6 个月末零点冻结 9 东南大学硕士学位论文 电量数据。 3 ) 掉电数据保持 电源瞬时及长时间断电时，设备不应出现误读数并应有数据保持措施，至少保持三 年以上；电源恢复时，保存数据不丢失，内部时钟正常运行。 一、人机接口方面： 采用大屏幕液晶显示，有辅助按键，有显示工作状态的各种功能指示灯。 二、控制方面： 1 ) 远程控制通断电等 2 ) 开关量 3 ) 模拟量输入 三、其他方面的功能： 1 ) 重点用户功能 2 1 补抄功能 3 ) 红外接口功能 具有红外通讯接口，提供手持式抄读器通过该通讯接口实现本地对终端数据读取和 参数设置。红外接口的通讯规约需符合内蒙古营销系统终端传输规约。要求采用远红 外方式。 采集器功能要求如下： 采集器是用于采集多个客户电能表的电能量数据及相关用电信息，经存储处理( 电 能表冻结数据) 后通过信道将数据上传到集中器，并能给客户电能表下发集中器命令的 设备。按照采集器和集中器之间通信信道分类，有载波采集器、r s 4 8 4 采集器和无线采 集器等类型。采集器的功能要求主要分为几个部分：指令和数据转发功能、容量要求、 和免设置功能，下面分别具体的介绍【6 】： 一、指令和数据转发功能 采集器应能通过上行信道接收集中器下发的电能表数据抄读和控制指令，并通过规 约转换( 上行信道通信规约转换为r s 4 8 5 接口单相电子式电能表通讯规约) 实时转发给 下联的4 8 5 电能表，然后将电能表的应答数据信息回送给集中器。采集器应支持集中器 对4 8 5 电表所有数据抄读( 含扩充数据标识集) 、广播校时、拉合闸控制等指令的转发。 二、容量要求 每一个采集器应能够下联最少3 2 块4 8 5 电能表。 三、免设置功能 采集器在安装后，在确保连接正确的前提下，不需做任何设置操作，就能正常工作。 当现场拆除或更换电能表时，也不需对采集器做任何设置操作，就能正常工作。 2 2 系统总体介绍 远程抄表系统的整体结构可分为两种：一种是主站、集中器、电表( 包括其他设备) ；另 一种是主站、集中器、采集器和电表。这两种结构分别用于不同的情况：第一种用在变电站、 大客户领域，只要将l 块或几块电表的数据和一些其他参数抄读至主站即可；第二种用在居 民抄表领域，需要抄读几百到上千户电表的数据和一些其他参数至主站。 本远程抄表系统的整体结构采用第二种结构，从上至下分为：主站、集中器、采集器和 电表，整体结构框图如图2 2 。电表数据从电表一级一级向上传，主站命令下达后，一级一级 下传命令，抄收到数据后再一级一级上传。 1 0 第二章远程抄表系统总体方案设计 圜国 - - - - _ _ _ _ _ - _ - _ _ - - _ 一 国图 图2 2 远程抄表系统整体结构框图 主站是具有选择终端并与终端进行信息交换功能的计算机系统设备。在电力采控平台系 统中，主站包括前置机、应用服务器、数据库服务器和采控管理软件四个部分，而前置机则 是直接和终端进行通信的部分。 集中器是安装于台区变压器低压侧，收集所有电能表的数据，并进行存储的设备。接受 主站数据上报的请求，转发主站给采集器或电能表的命令，能管理该台区的所有电能表和采 集器，同时能和手持单元进行数据交换的设备。集中器作为配电变压器低压台区的中心设备， 是连通主站和客户电能表的桥梁，一般每一配电变压器低压台区配备一个集中器。 采集模块是用于采集多个客户电能表的电能量数据及相关用电信息，经存储处理( 电能 表冻结数据) 后通过信道将数据上传到集中器，并能给客户电能表下发集中器命令的设备。 按照采集器和集中器之间通信信道分类，有载波采集器、r s 4 8 4 采集器和无线采集器等类型 【6 】 o 上行通道是指集中器和主站之间进行数据传输的信道，根据需要可为无线信道如 g p r s c d m a ，也可为有线信道如p s t n 和宽带等，一般具有覆盖面广、传输信道公开、通 用的特点，集中器和主站之间的通信协议又称集中器上行通信规约。 下行通道是指集中器、采集器和客户电能表之间进行数据传输的信道，近程通信信道可 以为r s 4 8 5 总线、低压电力线载波、小无线或它们的混合，采用的数据交换协议为近程数据 交换协议，如d l 厂r6 4 5 一1 9 9 7 多功能电能表通信规约等电能表通信协议【6 】。 远程抄表系统的一个实物图如图2 3 ，这是一个上下行单通道的系统。上行通道是以太网， 负责集中器和主站的通信；下行通道是r s 4 8 5 ，负责采集器和集中器之间的通信。 上行通道一下行通道一电表通信方式一 2 3 上行通道技术分析 的终端，本段中以下用终 能表的数据，并进行存储 的命令。终端分为专变、 ，而专变终端和大客户终 上行通道技术相对下行通道而言发展要成熟一些，包括以太网、g p r s 等技术已被证 明能够很好的满足系统要求。由于目前的远程抄表系统中采用p s t n 方案越来越少，故 对它不予考虑。 2 3 1 以太网通信 随着科学技术的发展和宽带因特网的普及，基于以太网的自动抄表方案为家庭表计 的集抄提供了良好的途径。该方案尤其适合现代生活小区，并随着因特网的普及将会有 更广泛的应用。 近年来，由于互联网技术的发展，宽带网络迅速发展，以太网己成为许多住宅小区 的基础设施。采用以太网作为电能管理系统的上层通信网络也成为一个比较重要的选择。 采用以太网进行通信有下面几个方面的优点【2 l 】： 1 以太网技术是当今最成熟的网络技术。从以太网出现以来，它的发展一直受到广泛的重 视和大量的技术投入，1 0 m 、1 0 0 m 的以太网技术早已获得了广泛的应用，1 0 0 0 m 的以太 网技术也在形成之中。采用以太网传输媒介，在技术支持和升级方面无需专门的研发投 入，这一点是任何现有的现场总线技术，包括r s 4 8 5 技术，都无法比拟的【7 1 。 2 以太网技术得到广泛的开发技术支持。以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所 有的编程语言都支持以太网的应用开发，例如j a v a ， v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等。这些 编程语言由于被广泛应用，为人们所熟悉，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的 发展前景。其性能也会不断改进。所以，