（控制理论与控制工程专业论文）电能管理终端控制器与通信系统的开发与研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 电能管理终端控制器 与通信系统的开发与研究 研究生：王宗阳 导师：马旭东教授 学校名称：东南大学 摘要 电能管理系统是实现电能管理自动化和现代化的重要手段，已经在电力系统中 得到了广泛的应用。本文就介绍一种基于r s - 4 8 5 总线的电能管理系统的开发，重 点阐述了系统中电能管理终端控制器与通信系统的设计与实现。 论文首先分析了电能管理系统的技术现状；其次介绍了电能管理系统中一些常 用的通信方式，并分析了这些通信方式的优缺点，给出了电能管理系统的总体结构， 并讨论了各个部分的功能要求：然后简要论述了基于a r m 9 和l i n u x 嵌入式平台的 集中器软硬件的开发和基于c s 模式的远程上位机的软件开发，最后重点阐述了电 能管理终端的软硬件设计和实现。 系统中的电能管理终端采用基于a r m 7 t m i 内核的l p c 2 1 3 1 作为微处理器， 并用s p i 总线扩展i o 输入来作为脉冲采集接口，扩展两个r s - 4 8 5 模块来作为通讯 接口。这种电能管理终端不仅能够抄收脉冲式电能表，而且能够抄收带r s - 4 8 5 接 口的电能表；同时，能够对电网的电压和电流进行实时检测，并通过f f t 算法对电 网谐波进行分析。 关键词：电能管理终端，电能管理系统，r s - 4 8 5 总线，电网检测，嵌入式系统； 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho nt h e c o n t r o l l e ra n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo f t h ee l e c t r i cp o w e r m a n a g e m e n t t e r m i n a l w a n gz o n g y a n g s u p e r v i s e db yp r o m ax u - d o n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t 1 1 舱e l e c t r i cp o w e rs y s t e mi st h ei m p o r t a n ta p p r o a c hi nm o d e r n i z a t i o na n d a u t o m a t i z a t i o nt h et h ee l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n t , a n di ti su s e dw i d e l yi nt h ep o w e r s y s t e m 1 1 舱d e v e l o p m e n to fa “n do fe l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do n i 峪- 4 8 5b u si sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s a n dt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h ec o n t r o l l e ra n d c o m m u n i c a t i o ns 3 7 s t e mo ft h ee l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n tt e r m i n a la r ed e s c r i b e di n d e t a i l f i r s t l y , t h et e c h n o l o g ys i t u m i o no f t h ee l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mi sp r o p o s e d s e c o n d l y , s o m ec o m m o nc o m m u n i c a t i o nm e t h o d so ft h ee l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n t s y s t e ma l ep r e s e n t e d ，a n dt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h e s ec o m m u n i c a t i o n m e t h o d sa r ep r o p o s e d ；t h ee n t i r e t ys t r u c t u r eo ft h ee l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mi s p r e s e n t e d ，a n dt h ef u n c t i o no ft h ee a c hp a r t so ft h i ss y s t e mi sp r o p o s e d t h e n , t h e d e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ec o n c e n t r a t o rb a s e d o nt h et h ea r m 9 a n dl i n u xe m b e d d e ds y s t e mi sb r i e f l yd e s e r i b e d ，a n dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h e m a s t e rs t a t i o nb a s e do nc sm o d e li sb r i e f l yd e s c r i b e dt o o f i n a l l y , t h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ed e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n tt e r m i n a li s d e s c r i b e di nd e t a i l t h i st e r m i n a la d o p t sa r m 丁n 订il p c 2 1 3 1a st h ep r o c e s s o r , u s e ss p ib u st oe x p a n d t h ei n p u t t i n ga st h ep u l s ea c q u i s i t i o ni n t e r f a c e ，a n de x p a n d st w or s 一4 8 5m o d u l e sa st h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e t h i st e r m i n a ld o e s n to n l yc o l l e c tt h ep u l s ee l e c t r i ce n e r g y m e t e r , b u ta l s oc o l l e c t st h ee l e c t r i ce n e r g ym e t e rw i t ht h er s - 4 8 5i n t e r f a c e a n o t h e r , i t c 弛d e t e c tt h ev o l t a g ea n dc u r r e n to f t h ep o w e tn e t w o r k , a n dt h eh a l l o n i ca r em e a s u r e d b y u s i n g f f r k e yw o r d s ：t h ee l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n tt e r m i n a l ，t h ee l e c t r i cp o w e rm a n a g e m e n t s y s t e m ，t h er s - 4 8 5b u s ，t h em o n i t o r i n go f e l e c t r i cn e t w o r k , e m b e d d e ds y s t e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 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( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名；导师签名： 日期： 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电能管理系统的技术现状 随着我国国民经济和电力事业的迅速发展，用现代化的手段来管理电力系统己经成为社会 发展的必然趋势。一方面，随着住宅电能表数量的增多，手工抄表的工作量剧增。另一方面， 随着我国电力运营市场化的不断推进，要求电能管理系统能够自动读取用户的用电数据，并能 够对用户的用电进行分时计费，实时监控用户的用电状况，但传统的用电管理方法已经远远不 能满足电力市场发展的上述需要。因此，传统的用电管理方法己成为阻碍我国电力事业发展的 严重障碍，用现代化的用电管理手段来改造传统的用电管理方式己迫在眉睫，并成为社会发展 的必然趋势。 计算机技术的迅速发展和广泛应用，为现代化用电管理打下了坚实的基础。计算机系统容 量大，检索、查询方便，可以节省大量的人力，减少差错，提高工作效率。企业级的电力负荷 监测、控制系统已在一些地区投入使用，取得了较好的效果。但低压电力用户由于数量多，地 域分布广，仍然按照一般企业的点对点抄表方式。将受到设备数量和传输信道的限制。因此 采用多点组合，由电能管理终端，经传输线路，将各种终端的数据送至集中器，再利用多种信 道，传输至管理中心的计算机，将是一种很有发展前景的电能管理系统。 国内外许多研究机构和企业纷纷投入对电能管理技术的研究，并有多种电能管理系统陆续问 世。早期的电能管理系统主要用于大电网的电能量考核结算。经过十几年的发展，电能管理技术 已经得到了广泛的应用，各种电能管理技术和系统( 如电力线载波通信技术、智能化计量仪表、 电能量计量收费系统等) 的研究，已成为各电能管理系统生产企业和科研机构竟相追逐的热点。 到今天，电能管理系统己经由当初的研究转到商业用途，己有很多的厂家能够提供商业系统，尽 管还有一定的缺陷，但是越来越多的研究机构和企业对电能管理技术进行了研究，到现在己经有 不少的厂家能提供这方面的产品，并取得了一定的经济效益和社会效益。 1 2 电能管理系统的一般结构 电能管理系统“1 ( 见图1 1 ) 主要由电能表、电能管理终端、集中器、数据传输通道以及远 程上位机等几部分组成，通过网络可以和供电局的营业收费系统相连，实现抄表收费一体化。 电能管理终端：电能管理终端是介于集中器和电能表之间的中间设备，主要具有电能量数 据采集、处理、存储和转发以及用户的用电管理等功能。 集中器：集中器是指收集电能管理终端的数据，并进行处理和存储，同时能和远程上位机 或便携机( 手持编程抄表器) 进行数据交换的设备。具体来说集中器的主要任务有两个：一是 完成与电能管理终端的数据通信工作，向电能管理终端下达各种管理命令，并定时循环接收电能 管理终端的电量数据，或根据系统要求接收某个电能表或某几个电能表的电能值；二是根据系统 要求完成与远程上位机的通信，将用户用电数据等主站需要的信息传送到远程上位机数据库中。 远程上位机：远程上位机位于电能管理中心内部，一般为一台普通p c 机，运行上位机软件， 负责与集中器通信并且存储、管理相应的各类用户数据。主站系统定时或随时抄收电能表的电 能值以及各种管理控制，对集中器设置通信参数及操作参数，与供电局用电营业网联网后，可以 进行电费计算、票据打印、统计报表、电费实收等功能。 东南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - l 电能管理系统的一般结构 上行通道指的是集中器与远程上位机之间的通信网络，可以采用公用电话网、以太网、无线等 通信网络；下行通道指的是集中器与采集器之间的通信线路，主要有各种现场总线、以太网、电力 线载波和无线等几种通信方式。不论采取何种电能管理系统。系统的总体构成以及从集中器到远程 上位机之间的通信方式是很相似的 1 3 本文的研究背景 现在，随着电能管理系统的应用越来越广泛，已经有多种类型的电能管理系统问世。笔者所 在的实验室也已经研制开发出一种基于电力载波的电能管理系统。这种电能管理系统采用电力线 作为其通信媒介，通过电能管理终端对单个脉冲式电能表的脉冲进行计数，来实现对单个电能表 的电能值的采集：电能管理终端再把所抄收的电能值上传给集中器，再由集中器传给监控中心。 监控中心同时也要发送一些控制命令经集中器传送给电能管理终端，由电能管理终端来控制对用 户的通电或者断电操作。 但是，上面的电力载波电能管理系统仍然存在着电力载波通信的通信可靠性的问题，由于 低压电力线本身的介质、结构和负荷的影响，载波信号易受干扰，无法保证全天候对电能表的可 靠抄收。另外，现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水 平的主要标志之一随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求日益增加，同时对电能质 量的要求也越来越高。在这种情况下，电力部门有必要对电网的运行状态进行监测。通过这些 数据的测量，为电力部门确保电嘲安全运行提供基本资料，同时为电网改造、设备增容等提供 完整的现场数据和科学依据。提高电网电能质量“。，满足工业发展需求己经成为供电和用电 双方的共同愿望。因此在电能管理系统中加入电网监测的功能成为电能管理系统将来发展的方 向。 基于以上的背景，本文就介绍了一种高性能的电能管理系统的设计，这种电能管理系统采 用r s - 4 8 5 通信，并在系统中加入了电网参数检测的功能 1 4 本文的研究内容 在电能管理系统的设计中，笔者主要负责电能管理系统中下层电能管理终端的设计，集中 器和远程上位机的设计则由实验室的其它同学来完成。 围绕着电能管理终端控制器及其通信系统的开发这个中心，本文的研究内容如下： i 介绍了电能管理系统中常用的一些通信方式，分析了它们各自的优缺点，最后选择以 2 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 太网和r s - 4 8 5 总线作为本电能管理系统的上、下层通信网络。 2 电能管理终端的硬件设计和开发，本电能管理终端以基于a r m 7 t m i 内核的飞利浦公 司的l p 2 13 1 为控制核心，用s p i 总线扩展i 0 输入来作为脉冲采集接口，并扩展了两个r s 一4 8 5 模块来作为通讯接口。 3 电能管理终端的软件开发，详细了介绍了电能管理终端各软件模块的设计。其中在电 网参数检测软件开发中，要用到f f t 算法对电网谐波进行分析，因此对f f t 算法的原理和实现 进行了详细的阐述。 本文的主要内容安捧如下： 第二章主要介绍了电能管理系统的一些常用的通信方式，并简要了论述了电能管理系统的 总体结构。 第三章简要阐述了集中器和远程上位机的开发。 第四章主要是论述了电能管理终端的硬件设计和实现。先介绍了电能管理终端的总体硬件 框图，然后详细介绍了电能管理终端各个硬件模块的具体设计和实现。 第五章主要是论述了电能管理终端的软件开发，并对它的各个软件模块进行了详细的阐述。 第六章主要是介绍了本电能管理终端在硬件和软件调试中出现的问题及解决方法，并对其 软件开发工具进行了简单的介绍 3 东南大学硕士学位论文 第二章电能管理系统与通信技术 第二章电能管理系统与通信技术 在电能管理系统中，其通信系统在整个系统中占有着非常重要的位置，它包括两个部分：上 层通信网络和下层通信网络，上层通信网络即远程上位机与集中器之间的通信网络，下层通信网 络为集中器和电能管理终端之间的通信网络。在电能管理系统总体设计之前，要确定电能管理系 统的上，下层通信网络，本章首先介绍一些常用的通信方式 2 1 电能管理系统的上层通信方式介绍 2 i i 公用电话网 由于电话网在城镇及乡村的迅速普及，利用现有的公用电话网( p s t n ) 进行数据通信也是 一个经济有效的方案。在p s t n 上传输的信号基本上可以分为两大类，它们分别是d t m f ( d u a lt o n e x u l t if r e q u e n c i e s ，双音多频) 信号和经过调制后携带数据的载波信号。d t m f 信号的传输速率较 慢，但具有良好的抗干扰性，一般用于电话的音频拨号；而经调制后携带数据的载波信号则通常 用于较高速率的通讯场合。公用电话网的通信主要是通过这两大类信号进行数据的控制的。 利用公用电话网通信，只需在集中器和远程上位机各加装调制解调器( m o d a n ) s p 可，其通信 速率可达2 4 k b p s 、9 6 k b p s 甚至5 6 k b p s 。公众电话网电能管理系统采用现有的公用电话网。不必 再另外投资建网，只要两地能通电话即可完成抄表和监控，节省系统建设的成本。这种技术己经 比较成熟，信号的传输比较稳定，传输误码率低。每个集中器的地址不同，确保了数据通讯的准 确无误。而且电话线抗干扰能力较强，适用于远程传输数据。这种方式的主要缺点是：线路的连 通时间较长，从几秒到几十秒，当集中器数目较多时，租用电话线路多，其租_ = l 费用也很可观； 数据传输速率较低，对于需要频繁抄送抄表数据且电表数据量较大的系统来说，此种方法效率较 低。 2 1 2 以太网 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： 1 以太网技术“1 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 1 4 、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。 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 抖，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，选择以太网作为传输媒介，不会拘泥于一种开发语言或者软件平台，有更宽的选择 自由度。 3 硬件价格相对低廉。由于以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术，受利益驱动。硬件开 发商对相关产品的开发十分重视，这使得以太网系统的设计有广泛的硬件产品可供选择，而且， 4 东南大学硕士学位论文 第二章电能管理系统与通信技术 由于竞争的关系，其价格一直在不断下降之中，随着集成电路技术的发展，和规模化生产的扩大， 相关的硬件价格还会进一步下降。 4 本系统内实现了真正的无缝连接，对外部来说，由丁二以太网协议的标准性，通用性，使不同 系统问的连接非常的方便，为智能小区的互联和信息共享提供了技术支持。 5 用户拥有成本下降。掌握以太网技术的j = 作人员比较多，而无需专人专门去学习一种控制网 络。 同时，以太网通信也有下面的一些缺点，如果集中器数量比较多，且难以集中，则有线通讯 铺线工程浩大，而且容易人为损坏；同时若小区没有铺线，则需要在居民楼墙壁表面拉线，居民 不容易接受；另外对于远距离通信考虑到线路的信号衰减，还要增加中继器，设计成本巨大。 2 1 3 无线通信 现在市场上用的最多的无线通信方式主要有两种：g p r s 和c d m a 。下面就将对这两种通信 方式做一些简单的介绍。 1 ) g p r s g p r s ”1 是一种基于g s m 的新型移动分组数据承载业务，其数据速率可达到11 5 k b p s 。由于 目前g s m 移动电话用户占到了全球4 5 亿移动电话用户的四成以上，因此g p r s 在未来的移动数据 市场中占有一定的天然优势。随着数据业务的需求和因特网应用范围的迅速扩大，在全球范围内， 用户对移动数据通信业务的需求正呈增长态势。g s m 协会预计今后一年内，全球g s m 网上传送 的移动数据量增长率将达到4 0 到5 0 。这给g p r s 带来了一个良好的发展机遇。随着标准化进程 的结束，全球性的g p r s 市场已经形成，并在2 0 0 0 年启动了商业服务。这也使全球g p r s 各市场日 益升温。 g p r s 允许业务用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利电路交换模式的 网络资源。g p r s 能够确保分组模式数据应用的成本效益和网络资源的有效利用。这些应用主要 包括以下方面：间歇的、非周期的数据传输：少量数据的频繁传输；较人容量数据的不频繁传输。 g p r s 不妨碍用户的其他g s m 业务。 g p r s 在现有的g s m 网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络上增加一些硬件设备和软 件升级，形成了一个新的网络逻辑实休，提供端到端的、广域的无线i p 连接。通俗地讲，g p r s 是一项高速数据处理的科技，以分组交换技术为基础，在移动用户和数据网络之间提供一种连接， 给移动用户提供高速无线l p 和x 2 5 服务。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无 线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享资源被有效的利用。g p r s 技术1 6 0 k b p s 的极速传送 几乎能让无线上网达到公网i s d n 的效果，实现“随身携带”互联网。使用g p r s ，数据实现分组 发送和接收，用户永远在线且按流量、时间计费，迅速降低了服务成本 2 1c d m a 随着信息通信业的迅速发展。移动通信已经被越来越多的用户所接受。其中c i ) m a 以其在覆 盖、功率以及平滑演迸等诸多方面的技术优势，已经成为当前世界主要的移动通信技术制式之 一如果说昨天的c i ) m t 还只能提供话音服务，那么，今天的c d m a 已经在数据通信和互联网业 务方面取得了长足的进步。 c d m a 的全称为：c o d ed i v i s i o nm u l t i p i ea c c e s s ，又称为码分多址，由美国高通公司最先 开发出来，是为现代移动通信网所要求的大容量、高质量，综合业务、软切换、国际漫游等要求 而设计的一种移动通信技术，目前的标准有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 。 c d m a 的基本功能是在移动终端和i n t e r n e t 网络的路由器之间传输分组数据。它是一种以宽 带扩频技术为基础的接入方式，即把需要传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大 于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。 接收端使用完全相同的伪随机码，对接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号转换成原信息数据 东南大学硕士学位论文 第二章电能管理系统与通信技术 的窄带信号即解扩，以实现信息通信。 c d m a 系统的网络结构与g s m 类似，也是由三大部分组成：移动台m s 、基站子系统b s s 和 交换子系统m s s 。 c d m a 具有如下特点： 1 系统容量大：理论上c d m a 移动网比模拟网约大2 0 倍。实际要比模拟网大1 0 倍左右，比g s m 要大4 5 倍。 2 系统容量的灵活配置：c d m a 属自扰系统，所有用户占用相同带宽和频率，如果能控制住 用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，就可以容纳更多的用户。 3 通话质量好：声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据门限值选择不同的电平级发射。 另外，c d m a 系统采用软切换技术，克服了硬切换容易掉话的缺点。 4 频率规划简单：用户按不同的序列码区分，所以不同c d m a 载波可在相邻小区内使用，网 络规划灵活，扩展简单。 总的来说，无线通信方式摒弃了电缆的束缚，降低了网络布线的成本，增强了通信系统的灵 活性和可扩充性。由于受地理环境和工作内容的限制，给有线网络的布线工程带来极大的不便， 而且有线网的施工周期长，甚至有时根本无法实现。而无线网络具有覆盖面广、网络设施完备、 安装周期短、维护方便、扩容能力强等优势，利用其优势就不需再投资基础设施，真正摆脱线缆 的束缚，实现在无人值守、环境恶劣、超远距离的情况下的信息收集和传送。但是，无线通信方 式总的来说设备成本比较高，比较适合比较重要的场合。 2 2 电能管理系统的下层通信方式介绍 2 2 1r s 一4 8 5 总线 在应用系统中，r s 一4 8 5 半双工异步通信总线是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。它 是在r s 一2 3 2 ，r s 一4 2 2 标准的基础上研究出来的一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的总线标 准。 r s 一4 8 5 , 总线”技术成熟，实现方便，成本低廉。它采用“平衡差动式”数据传输，传输线上 是电位差信号，不构成电荷累计，抗干扰性强，适用于恶劣的工作环境。采用p , s - 4 8 5 总线的电能 管理系统有以下特点： 1 支持单主或多主系统： 2 通信协议可根据需要灵活制定； 3 总线上的节点数可根据负载芯片的输入阻抗不同而不同。如果需要接入更多，需要加入 中继器； 4 通信距离和通信速度成非严格反比关系，当通讯距离为1 2 0 0 m 时。通信速度可达9 3 7 5k b p s ， 通信距离为1 0 0 m 时，通信速度可达1 2m b p s ； 5 通讯距离大于3 0 0 m 时，需要加终端匹配电阻，一般为1 2 0 欧。 在电能管理系统中，电能管理终端和集中控制器间的通讯由于数据量小，数据结构简单，宜 通过1 l s - 4 8 5 总线连接。但是由于在实际应用系统中，往往电能管理终端数量较多，分布较远，现 场存在各种干扰，所以通信的可靠性不高，再加上软硬件设计的不完善，使得实际工程应用中如 何保障i c s - 4 8 5 总线通信的可靠性成为各研发机构必需解决的问题。 2 2 2c a n 总线 c n 伽( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网络，是一种全数字化、多主和双向的现场 6 东南大学硕士学位论文 第一二章电能管理系统与通信技术 总线。最初是德国的b o s c h 公司为汽车的监测控制系统而设计，解决汽车多控制设备与仪器仪表 之间的数据交换问题，它主要有以下特点： 1 c a n 总线可以构成多主系统，采用非破坏性基于竞争的总线仲裁技术，通过设置优先级有效 地避免总线冲突。 2 c a n 总线每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据的出错率极低，当数据错误比较 严重时具有自动关闭总线的功能，避免系统瘫痪。 3 c a n 总线通讯距离最远可达l o k m 5 k b p s ，通讯速率最高可达i m b p s 4 0 m 。 4 n r z 编码解码方式，并采用位填充( 插入) 方式。 5 c a n 总线具有良好的软硬件开放性，用户在c a n 前端单元上开发自己的软硬件系统，以满足不 同的具体要求。 6 c a n 总线能判别暂时错误和永久性的故障及故障节点的自动脱离。 c a n 总线规范2 o 已经被列为国际标准i s o l l 8 9 8 0 ，它是一种串行通讯协议，c a n 总线规范规定 了任意两1 c a n 节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议。为了保证设计使用的透明性 和灵活性，c a n 协议分为物理层、传输层和目标层。 物理层的功能包括：实际传送过程上的电气特性。 。 传输层的功能包括：帧组织、总线仲裁、检错、错误报告、错误处理。 目标层的功能包括：信息识别、信息状态和处理。 c a n 总线支持四类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。 c a n 总线虽然也采用差分方式传送数据，但是由于其通讯协议规范比r s 一4 8 5 总线安全很多， 它所带来的可靠性、实时性、和灵活性等优异性能是r s 一4 8 5 不能比的。 2 2 3l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s “”( l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k w o r k s ) 总线即分布式智能控制网络，由美国e c h e l o n 公司于1 9 9 3 年推出，式众多现场总线标准中比较完善和优秀的一种。l o n w o p & s 现场控制网络是个 局域操作网络，它为集散式监控系统提供了强有力的实现手段。由于在系统中使用了路由器网 络可不受通讯介质、通讯距离、通讯速率的限制。 l o n w o r k s 技术的核心是神经元芯片，它是节点的通讯协处理器，用以协调主机和节点之间的 通讯与控制，以及节点之间彼此的信息沟通。因为神经元芯片主要是利用高级主机的资源来完成 复杂的测控功能，其外围电路简单、体积小，可做成插拔式的仪表通讯接口。这样在设计电路时 既保持了仪表通讯卡的通用性，又提高了抗干扰能力，使得仪表在网络忙时仍可独立完成监测与 控制功能。 l 0 删s 总线的特点有： 1 l o n w o r k s 技术为对等式通信网络，各节点地位均等，根据需要，可以构成主从式、对等式或 者客户及服务式( c s ) 结构，而且具有很好的开放性。 2 l o n t a l k 是l o n 总线的通信协议，支持7 层网络协议，提供一个固化在神经元芯片的网络操作 系统。 3 l o n w o r k s 采用三层结构，即域、子网和节点。系统的节点数量没有任何限制。神经元芯片中 含有4 8 位i d 号，是全世界唯一的，一个域可支持3 2 0 0 0 个节点。每个子网可支持6 4 个节点。通信 距离为2 7 0 0 m 时，通信速度可达7 8 k b p s ，通信距离为1 3 0 m 时，通信速度可达1 2 5 m b p s 。支持多种 通信介质( 双绞线、电力线、光纤、无线、红外等) ，多种通信介质可以在同一网络中使用。 4 神经元( n e u r o n ) 芯片具备通信与控制功能，它内部包含3 个8 位c p u ，第一个c p u 为介质访问 控制处理器，第二个c p u 为网络处理器，第三个c p u 为处理器。 5 网络通信采用了面向对象的设计方法( 网络变量) ，使网络通信的设计简化为参数设置，从 而节省了大量的设计工作量。 7 东南大学硕士学位论文 第二章电能管理系统与通信技术 l o n w o r k s 总线由于其开放的网络操作系统、标准的网络通信协议、丰富的介质接口模板、支 持多种介质之间相互通信的特点使它在工业控制、楼宁自动化、数据采集等领域得到广泛的应_ i j 。 同时l o n w o r k s 总线系统通信速度快、通信介质多、走线简单、通信可靠性高，但是相对于其它总 线( c a n 总线，r s 一4 8 5 总线) 来说，l o n w o r k s 总线价格比较高，一般用在比较重要的数据采集场 合。 2 2 4 电力载波通信 电力线载波“( p l c p o w c r l i n e c a r d e r ) 是电力系统特有的、基本的通信方式，是指利用 现有电力线，通过载波方法将模拟或数字信号进行高速传输的技术。电力线载波电能管理系统采 用电力线载波通讯技术，通过输电线路来实现通讯，它是利用电能传输使用的特点所采用的特有 的通讯方式。其工作原理是将仪表终端的各种数据通过采集设备调制后，通过电力线( 交流输电线) 传送，由中心控制站在接收端再将其还原成数据信号，进行调制接收，实现双向通讯。 由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输媒介，电力线载波通讯具有无需布线，安装 使用比较方便，无需支付抄表时数据传输的费用，通信线路不易破坏，路由合理，可同时复用远 动信号等特点，是不需要线路投资、无需维护的有线通信方式，也是世界各大公司及研究单位争 相研究的热点。国外许多著名公司和研究单位都在对此进行研究，并开发出相应的器件和产品如 i n t e l l o n ，t h o m s o n ，a t m e l 等。 我国从5 0 年代开始电力线载波通讯技术的研究，8 0 年代发展到全盛时期，9 0 年代初期以后， 电力线载波技术的需求随着经济的发展进一步扩大。国外网络发展很快，实现了在p l c 上传送大 量信息的功能，有的厂商已在m n z 3 ) 贞段上开发产品，a b b 公司在低压和中压配电系统上均有高速 p l c 的经验。但是在频段过高( i m h z ) 时高频辐射过大而难以得到电信管理部门的使用许可。欧 盟己发布用于低压载波的标啦n 5 0 0 6 5 ，规定用3 1 4 8 5 9 j - l z 为载频，我国大多为载频1 0 0 k h z 2 e 右。 但目前在我国国内，电力线载波技术的发展遇到了一些问题，尤其是我国电力网污染比较严 重，在很大程度上影响了电力线载波的数据传输质量。简单地说，影响电力线载波传输质量主要 有两个因素：一是电力网络的阻抗特性及其衰减，另一个是噪声的干扰。第一个因素制约着信号 的传输距离，第二个因素决定着数据传输的质量，其不利特性具体表现在以下几个方面： i 低阻抗：变压器和用户设备如空调、冰箱等有着极低的阻抗。可以使传输信号严重衰减。 2 可变阻抗：在线负荷变化大，如家电设备的瞬间起动等等，使得通信设备无法设计阻抗匹配。 而且电力线的网络结构具有随机不定特性，因此造成网络阻抗的时变特性，这对载波设备的适应 性设计造成很大困难。 3 可变的分布阻抗：可变的分布阻抗几乎对所有频率的信号都起着衰减或隔离的作用，如分布 电感可将高频断路、低频短路，丽分布电容则可将高频短路、低频断路。这些变化没有规律。呈 随机状态。 4 噪声：电力网的嗓声干扰主要由配电变压器和用户装置产生。噪声基本来源为：开关电源， 通用交、直流两用电机，带有可控硅的调光、调压装置，通信设备及其它智能建筑产品等。这些 设备产生的背景噪声包括随机噪声、平滑频谱噪声以及工频谐波噪声等，可为尖刺、宽带和谐波 形式。 另外，高频时的容性阻抗和低频时的感性阻抗使信号严重衰减，载波信号中所携带的数字信 号经过电力线传输后产生了巨大的畸变都对载波通讯造成很大的影响。 正是由于以上这些原因使得电力线载波技术在传输距离和数据传输的准确性方面难以实现 突破，使得电力线载波抄表技术很难真正地在国内推广应用，目前只是在电能表抄表应用方面有 些试点，真正推广还要有相当的历程，需对现有的电力线载波通信技术进行深入的研究和改造， 目前常见的有常规载波法、扩频载波法、超窄带( u n b ) 电力载波通讯等，以提高通信的抗干扰能 8 东南大学硕士学位论文 第二章电能管理系统与通信技术 力等。一旦解决了这些问题，电力载波通讯技术的发展前景将是十分广阔的。 2 3 电能管理系统的总体结构介绍 2 3 1 电能管理系统整体结构 根据以上两节对电能管理系统中一些常用的通信方式的分析，综合考虑系统的实际需要和 成本问题，在电能管理系统的设计中，上层通信网络选择以太网，并辅以g p r s 模块以便在没 有铺设以太网的小区作为备选；下层通信网络选用r s - 4 8 5 总线。 在对通信方式进行选择之后，电能管理系统的整体结构如下图2 - 1 所示。系统的最后一级 为电能表，现在我国居民大部分使用的是脉冲式电能表和带r s - 4 8 5 接口的全电子式电能表和 多功能电能表，其中，脉冲式电能表在以后的章节中简称为脉冲电表，带r s - 4 8 5 接口的电能 表简称为r s - 4 8 5 电表或者4 8 5 电表。在电能管理系统的设计中，要求电能管理终端既能抄脉 冲电表又能够抄r s - 4 8 5 电表。 2 3 2 远程上位机 图2 1 电能管理系统的整体结构图 根据系统的需求，远程上位机要求有以下功能： ( 1 ) 自动抄表：能够实时、定时自动抄录前端电表的读数，随时了解住户电表的使用情况， 便于水、电、气定期收费的自动管理。 ( 2 ) 预置读数和电表状态查询：能够对某一个电表预先设置读数值，也能够对所有的电表预 先设置读数值；能够随时查询电表的继电器装体。 ( 3 ) 住户信息管理：能够查询所有住户的信息；能够对相应的住户信息进行添加、修改、删 除、统计等操作。 ( 4 ) 收费信息管理：能够查询所有住户的收费资料，包括住户在不同时间的电表读数值、用 电量和费用，以及缴费与否；能够对相应的收费信息进行添加、修改、删除等操作。 ( 5 ) 价格信息管理：对不同的电价和倍率进行分类管理。 ( 6 ) 电表信息管理：包括电表类型、系数和厂家等信息。 ( 7 ) 集中器信息管理：包括集中器参数等信息。 ( 8 ) 自动报表生成：能够根据住户用电情况，自动生成住户电量电费报表；能够自动生成某 一时段电价报表。 9 东南大学硕士学位论文第二章电能管理系统与通信技术 ( 7 ) 用电信息统计：包括日分时统计、月分时统计、累计分时统计、三相用电平衡、线损和 住户电量突变等。 f 8 ) 系统用户分级管理：对软件系统的用户实行分级管理，由于本系统指针对电力部门，所 以只对用户赋予二种不同的权限。一般管理员有查询信息的权限，系统管理员具有系统管理、 信息管理、抄表管理和通信管理等全部权限。 在本系统中，远程上位机采用基于c ，s 模式的体系结构，并用v c + + 进行开发。 2 3 3 集中器 根据系统的需要，对集中器有如下的要求： n需具有远程通讯功能，可将所采集的数据信息通过通讯网( 宽带网络、g p r s ) 送回远 程上位机。 2 ) 采用电子硬盘保存资料，即使电源长时问断电资料能长时间保存而不丢失。 3 ) 具有大屏幕液晶显示和按键，可方便地查看装置及电表的设置参数、实时随机抄读电 表计示值、电表分时电量、费率、峰谷平电量等 4 ) 通过r s - 4 8 5 总线和电能管理终端进通讯，实时或者定时地抄收电表信息，并进行其 它的命令控制。 针对这些需求，本系统集中器设计采用a r m 9 微处理器平台，在满足系统要求的前提下， 极大地减少了外围电路的扩展，提高系统整体效能。 集中器的软件平台采用嵌入式操作系统l i n u x 。l i n u x 是一个成熟且稳定的嵌入式操作系 统，将l i n u x 植入嵌入式设备具有众多的优点。首先，l i n u x 的源代码是开放的，任何人都可 以获取并修改，用之开发自己的产品。其次，l i n u x 是可以定制的，其系统内核最小只有约1 3 4 k b 。 另外。它和多数u n i x 系统兼容，应用程序的开发和移植相当容易。同时，由于具有良好的可移 植性，人们已成功使l i n u x 运行于数百种硬件平台之上。 2 3 4 电能管理终端 l l电能管理终端的功能需求与分析 电能管理终端作为电能管理系统中的终端设备，它是介于集中器和电能表之闻的中间设备， 主要具有电能量数据数据采集、处理、存储及转发等功能。根据电能表的不同，电量管理终端 以智能通信方式( 规约) 或脉冲采集方式采集电能表的电量数据，并以一定的算法或程式将采集 数据加以周期性和选择性的存储，同时将实时或历史电量数据以集中器要求的格式和内容传递 给集中器。同时，本电能管理终端还要求有电网参数检测的功能。 根据以上的系统对电能管理终端需求，本电能管理终端需要实现以下的功能： 与集中器通信功能：能提供和集中器之间可靠的、准确的通信； 存储功能：能够存储大量的电量数据，并具有掉电存储功能； 脉冲采集功能：能够可靠的采集脉冲式电能表的脉冲； 与r s - 4 8 5 式电能表的r s - 4 8 5 通信功能：同样能够提供可靠的、准确的通信； 电网参数检测功能：能够随时的了解到电网的电压和电流值以及其它的一些电网参数。 2 1电能管理终端硬件平台的选择 在对电能管理终端的功能进行分析之后，剩下的主要就是要选择电能管理终端的c p u 。根 据以上对本电能管理终端的需求分析和其通信方式的选择，电能管理终端需要有两个串口，可 以扩展成两个r s - 4 8 5 接口。通过这两个r s - 4 8 5 接口，电能管理终端不仅要和集中器进行通信， 而且要和r s - 4 8 5 电表进行通信。电能管理终端还需要存储用户的电量数据。根据以上对电能 1 0 东南大学硕士学位论文 第二章电能管理系统与通信技术 管理终端的要求，其c p u 可以有以下三种选择。 1 以8 1 1 6 位单片机作为电能管理终端的c p u 8 1 6 位单片机具有集成度高、体积小、使用方便、价格低廉等一系列优点，其应用领域已 涉及：业控制、智能仪表、消费产品及网络通信等广大领域。然而从实现电能管理终端上述功 能的目标来看，采崩8 1 6 位单片机具有以下的一些不足之处：8 1 6 位单片机结构简单，内部功 能模块有限，尤其是通信功能模块较少，指令效率低，有些功能要么通过i o 来模拟实现，要 么是外扩相应的功能芯片来实现，使系统硬件设计变得复杂。并且在设计中，需要用到大量的 中断控制，要能够协调各优先级中断