（信号与信息处理专业论文）低压电力抄表系统集中器部分的设计与实现.pdf

摘要 随着建筑、住宅条件的不断改善，人民群众对电力仪表的智能化要求日益 提高，同时电力管理部门出于对数据统计及收费等管理需要，也要求对传统的 人工上门抄表方式进行变革。随着现代电子技术的发展，通讯技术、计算机网 络技术都有了飞速的进步，而二者的结合又进一步演化出许多新的通讯方式和 通讯系统，而传感技术的进步，则促进了各种智能远传仪表的产生，这些都为 自动抄表系统的实现提供了条件。 本文分析了国内外集中抄表系统的发展现状和趋势，讨论了抄表系统中常 用的数据传输方式，根据广东省电网公司最新发布的低压电力集中抄表系统建 设条件书中的技术规范，提出了基于r s 一4 8 5 总线技术的集中抄表系统。 系统采用四层结构，第一层为主站系统，由现场应用服务器、数据库服务 器组成，负责数据存储和提供人机界面；第二层为集中器，集中器负责收集多 功能电表及采集终端的数据，并进行存储；第三层为采集终端及多功能电表， 采集终端负责作为集中器与测量点之间的通信中继；第四层为测量点，一般为 r s 4 8 5 单相电表。本系统中，第一层与第二层之间采用p s t n 或g p r s 进行通 讯；第二层与第三层之间及第三层与第四层之间通过r s 4 8 5 总线进行通讯。 本文主要研究了抄表系统中集中器部分的软件和硬件实现，为了满足系统 性能要求，选用了具有双串口的增强型单片机w 7 7 e 5 1 6 作为集中器部分的微处 理器，为了增强系统的抗干扰能力及符合中国电力科学院的e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 电磁兼容性) 认证要求，在电源部分和r s 4 8 5 通讯电路 增加了抗干扰性设计；系统软件设计中引用了嵌入式操作系统r t x 5 1t i n y 版， 来提高系统的并发性，改善系统的响应时间；在软件设计中，通过采用看门狗 定时器、设置软件陷阱和在通信协议中增加和校验来提高系统的健壮性。 目前，系统已通过实验室测试，并通过了电力科学院的e m c 认证，己投入 到广东南海一居民小区现场运行，运行结果表明，抄表系统能够很好的实现巡 抄、冻结日末电量、冻结月末电量等功能，抄表正确率达到9 9 以上，达到了 系统预期的设计目标。 关键词：远程抄表，集中器，r s 4 8 5 总线，e m c 电磁兼容性 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n s ，p e o p l e sr e q u i r e m e n t so nt h e i n t e l l i g e n c eo fe l e c t r i c a lm e t e rh a v eb e e ni m p r o v e dd a i l ym e a n t i m e ，t h en e e d sf r o m e l e c t r i c a lp o w e ra d m i n i s t r a t i o nd e p a r t m e n to nd a t as t a t i s t i c sa n dc h a r g em a n a g e m e n t a l s o r e q u e s t r e f o r mo nt r a d i t i o n a lm a n u a lm e t e rr e a d i n gm e t h o d sw i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e m e l e c t r i c a lt e c h n o l o g y , t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g yb o t hh a v er a p i dp r o g r e s s ，f u r t h e r m o r e ，a d v a n c e m e n t o fs e n s o rt e c h n o l o g y , a n da l lo ft h e mh a v ef a s t e n e dt h ea p p e a r a n c eo fk i n d so f i n t e l l i g e n tm e t e r s ，w h i c hh a v ep r o v i d e dc o m p l e t et e r m sf o rt h ea c t u a l i z a t i o no ft 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 m t h ep a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n d so fa u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e m ，d i s c u s s e sp o p u l a rd a t at r a n s m i s s i o nm e t h o d si nt h em e t e rr e a d i n g s y s t e m b a s e do nt h et e c h n i c a ls t a n d a r d so fl o w - v o l t a g ee l e c t r i c a lp o w e rm e t e r r e a d i n gs y s t e mr e g u l a t i o n sd e c l a r e db yg u a n g d o n ge l e c t r i c a l p o w e rn e t w o r k c o m p a n y , i tp r o p o s e st h em e t e rr e a d i n gs y s t e ma p p l y i n gr s 4 8 5b u st e c h n o l o g y t h es y s t e ma p p l i e s4 - l a y e rs t r u c t u r e t h ef i r s tl a y e ri sm a s t e rs t a t i o ns y s t e m ， c o n s i s t i n go f l o c a l ea p p l i c a t i o ns e r v e ra n dd a t a b a s es e r v e r , i ti sr e s p o n s i b l eo f s t o r i n g d a t aa n dp r o v i d i n gh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ；t h es e c o n dl a y e ri sc o n c e n t r a t o r , i ti s r e s p o n s i b l eo fc o l l e c t i n ga sw e l la ss t o r i n gd a t af r o mm u l t i f u n c t i o nm e t e r sa n d c o l l e c t o r s ；t h et h i r dl a y e ri st h ec o l l e c t o ra n dm u l t i f u n c t i o nm e t e r s ，t h ec o l l e c t o ri s r e s p o n s i b l eo f t h ed a t ae x c h a n g ef r o mc o n c e n t r a t o r st ot h em e a s u r e dp o i n t s ；t h ef o r t h l a y e ri st h em e a s u r e dp o i n t ，w h i c hi sr s 一4 8 5m e t e r i nt h i ss y s t e m , i ta p p l i e sp s t n o rg p r sc h a n n e lt oc o m m u n i c a t eb e t w e e nt h ef i r s tl a y e ra n dt h es e c o n dl a y e r ；w h i l e t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eo t h e rl a y e r si sp r o c e s s e dt h r o u s hr s 一4 8 5b u s t h ep a p e rp r i m a r i l yr e s e a r c h e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r er e a l i z a t i o no ft h e c o n c e n t r a t o ri nt h e s y s t e m ，i no r d e rt os a t i s f y i t s p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，i t a p p l i e sw 7 7 e 5 1 6 a st h em i c r o - p r o c e s s o ro fc o n c e n t r a t o r i no r d e rt oi m p r o v et h e a n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t ya n do b s e r v et h es t a n d a r do fe l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y o fc h i n ae l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ，i ta d d sa n t i - j a m m i n gd e s i g ni n t ot h e p o w e r c i r c u i ta n dr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nc i r c u k ；t h er t x 51 t i n yv e r s i o n i s i n t r o d u c e dt ot h es o f t w a r et oi m p r o v et h ec o n c u r r e n c ya n dt h er e s p o n s et i m eo ft h e s y s t e mi ns o t t w a r ed e s i g n ，i ta l s oa p p l i e sw a t c h d o gt i m e r , s o f t w a r et r a p ，a sw e l la s a d d ss u m m a t i o nc h e c ki nt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt o i m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c e c u r r e n t l y , t h es y s t e mh a sg o tt h r o u g he x p e r i m e n t a lt e s t i n ga n da p p r o v e db y e m cc e r t i f i c a t i o n i th a sb e e np u ti n t oo p e r a t i o ni no n ec o m m u n i t yi nn a n h a ic i t y g u a n g d o n gp r o v i n c e t h eo p e r a t i o nh a sp r o v e nt h a t ，t h em e t e rr e a d i n gs y s t e mc o u l d a c h i e v ef u n c t i o n so fr e a d i n gi nt u r n 、b a c k u pd a i l yd a t e 、b a c k u pm o n t h l yd a t ea n de t c t h em e t e rr e a d i n ga c c u r a t ec o u l db ea b o v e9 9 ，w h i c hh a sa c h i e v e dt h ed e s i g na i m k e yw o r d s ：a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，c o n c e n t r a t o r , r s - 4 8 5b u s ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 1 i i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，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， 也不包含为获得武汉理工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：咝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：型叁垒兰 导师签名：木0f _ = ；i 期堂坐! ! = 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 传统的户用计量仪表( 水表、电表、煤气表) 管理通常是由各管理部门派入 到装表地点抄表，由于用户面广，量大，极易造成差错，人工抄表不但效率低， 且不利于科学管理，给城市管网的建模、分析、规划等都带来很大的困难。 随着建筑，住宅条件的不断改善，人民群众对生活设施的智能化要求日益 提高，同时电力管理部门出于对数据统计及收费等管理需要，也要求对传统的 人工上门抄表方式进行变革。随着现代电子技术的发展，通讯技术、计算机网 络技术都有了飞速的进步，而二者的结合又进一步演化出许多新的通讯方式和 通讯系统，而传感技术的进步，则促进了各种智能远传仪表的产生，这些都为 自动抄表系统的实现提供了条件。因此，实现用户仪表的自动抄表己是必然趋 势，也是近几年家庭自动化( h o m ea u t o m a t i o n ) 、智能小区研究中的一个热点【l 】 嘲。 1 1 国内外自动抄表系统的发展及现状 国外在这方面的研究比较早，自动抄表系统的理论和技术目前己经比较成 熟，在发达的国家如美国、日本、英国等国家基本都实现了自动远程抄表 3 1 。 自动抄表系统中关键要解决的问题是数据通讯问题，因而远程集中抄表系 统也随着各种通讯方式的发展而不断发展起来。 现阶段远程集中抄表系统中的通讯方式主要分为有线信道通讯、无线信道 通讯和电力线载波信道通讯。 1 1 1 有线信道集中抄表系统 通常由一个采集终端通过r s - 4 8 5 总线采集几十块电能表的数据，电能表为 具有r s - 4 8 5 输出口的电子表或加装电能量数据采集模块的机械表。采集终端通 过专用电缆( 如专用电话线) 或r s - 4 8 5 总线，将采集的电能量数据送入集中器进 进行数据集中和处理，抄收区域较大时多个集中器可以级联，一般由最上一级 集中器通过调制解调器接入公用电话网，由此传送到供电企业的电能量抄收中 武汉理工大学硕士学位论文 心，一些多功能电能表亦可直接经k s 4 8 5 与集中器连接1 4 。 1 1 2 无线信道集中抄表系统 美国早在7 0 年代己开始使用无线集中抄表系统，它是在每块电能表内安装 一块微处理芯片，负责收集和存储电能表的累计电能量，另安装一个微型无线 收、发信机。电力公司的抄表员通常持车载式无线抄表器，到各个区域( 半径为 l k m 左右) 进行分区集中抄表，然后回到电力公司将抄录的数据输入到数据处理 机进行集中处理。这种系统的每块电能表附加成本较高，且只能为收费提供数 据，不能提供用电管理所需的实时信息。 在我国，为减少投资，一般采用相对集中的收、发信方式。用采集终端通 过电缆采集1 6 块左右电能表的数据，并进行集中处理和存储。采集终端内安装 一个无线收发信模块。手持抄表器或移动式车载抄表器通过本身的收、发信机 抄录各采集终端中存储的数块到数十块电能表数据，然后将数据信息、录入中 央数据处理机集中处理。这种方式的无线抄表系统曾有一段时间在一些地区使 用 为增加用电管理功能，有的系统用数据集中器代替手持抄表器或车载抄表 器，由数据集中器将抄录的小区内各户电能表的电能量数据通过公用电话网传 送到用电管理中心。 由于一般的抄表模块不可能安装大功率的无线收发装置，且根据信息产业 部1 9 9 8 年底发布的微功率( 短距离) 无线电设备管理暂行规定，对其发射功 率和使用频率都有限制，因而这种方式的集中抄表系统现在受到了较大的限制。 根据目前不少地区安装了无线电力负荷管理系统，对工业和大的商业用户 可利用己安装的负荷管理终端通过r s - 4 8 5 接口直接读取这些用户电能表的数 据，经无线信道将数据传至用电管理或负荷管理中心居民用户电能表的数据 可由采集终端或集中器通过有线信道进行采集，再利用负荷管理终端的无线信 道传送数据【” 1 1 3 电力线载波集中抄表系统 直接利用高压电力线作为信息传输通道已有数十年历史。到7 0 年代，美国 出现能源危机后，在引进西欧音频电力负荷控制系统的基础上开发研制出载波 2 武汉理工大学硕士学位论文 电力负荷监控及抄表系统。8 0 年代，以色列研制成低压电力线载波集中抄表技 术，1 9 9 3 年首次来华进行技术交流。其主要特点是：在每块机械表中安装一块 采集模块，完成对电能量信息的采集和处理，具有单向通信功能，把各分散的 电能表的电能量数据通过低压配电线传到接在同一低压配电网上的若干数据集 中器，然后通过手持抄收机或公用电话网将收集到的配电小区内所有电能表的 电能量数据传送到用电管理中心。当通信质量不佳时，可在电能表和集中器间 加装双向通信中继器，进行数据采集和中继放大【6 】吼 我国从1 9 9 3 年后开始研制载波方式集中抄表系统。1 9 9 6 年后开始出现一 些试验系统。由于低压配电网是以配电变压器为中心构成的区域供电网络，以 此为通信信道的载波集中抄表系统的结构也是以配电变压器为单元，对区域内 的用户电能量数据进行采集和集中处理。 1 1 4 其它通信方式 除了以上几种主要的通讯方式外，还有有线电视网通信方式，i n t e m e t 网 通信方式，g p r s 通信方式等一些较新的通信方式。 有线电视网通信方式，有线电视网有很好的数据传输环境，具有高带宽、 大容量和用户普及的优点，有线电视网在国内外被认为是多种信息业务通向千 家万户的强有力的入户平台，缺点是信息回传通道未加入，而且没有对外开放。 i n t e m c t 网通信方式，随计算机网络技术发展，各种通信协议、网管系统、 浏览工具、开发工具、上载下载和管理工具不断成熟和完善，网络覆盖面迅速 扩大，信息共享度要求的增强，这些都为集中抄表系统采用因特网的通信方式 奠定了良好的基础，成为研究的一个热点佴】【9 j g p r s 网络经过多年的发展，已经比较成熟。目前一些厂商开发出了利用 g p r s 网络进行数据传输的方法，即在传统的单片机系统中利用支持语音、短 消息、数据通信、传真等业务的g p r s 引擎模块，结合己有的单片机系统通过 r s 2 3 2 接口，实现数据的无线传输，实现起来很容易，这些都为采用g p r s 移 动通信网进行数据传送奠定基础。 1 1 5 我国远程集中抄表系统现状 国内目前仍然是以人工抄表为主，远程集中抄表刚刚兴起，但是发展的势 武汉理工大学硕士学位论文 头迅猛。最初有些发达地区采用手掌机人工抄表，然后自动录入相应管理系统， 这种电表数据录入还是人工进行，没有真正解决劳动强度大的问题，而且容易 产生人为误差等问题，针对这种情况，远程自动集中抄表系统便应运而生。国 内一些高等院校、电力管理部门以及一些电力企业的有关研究人员开始关注远 程集中抄表系统，并进行了有益的探索。 目前国内常用的集中数据采集系统的模式有：r s - 4 8 5 总线方式、低压电力 线载波方式、公用电话线通信方式。 低压电力线载波方式，是目前研究的热点之一，国际国内均有广泛研究， 它的优点是无需另外布线，所以安装简单，不受各种管理规定的限制，表上存 有数据，系统出现故障时也不会影响计量，所以颇受供电管理部门的青睐，这 种方式基本上步入实用阶段，但还存在许多值得探讨的地方，目前的载波通讯 成功率还较低。 r s - 4 8 5 总线作为一种多点差分数据传输的电气规范规，已成为业界应用最 为广泛的标准通信接口之一这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多 点双向通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性使 其能够很好的满足工业控制领域要求目前低压电力抄表系统中大多数都是采 用r s - 4 8 5 总线作为数据传输通道f 1 0 1 1 1 1 lt 1 2 1 【1 3 l 。 1 2 自动抄表系统及其特点 自动抄表系统a m r s ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ) 是一种不需要人员 到达现场，利用特定的通信方式将用户处的电能表所记录的各种数据传送到远 程主控站的计算机网络中，并由软件对数据进行统计、分析和计算的系统【1 4 1 。 电能抄表自动化有以下优点： ( 1 ) 方便抄表工作。远程自动抄表提供了电能表数据抄录的计算机管理， 抄表人员足不出户就可以对电能表的数据及时准确地进行抄录，极大地方便了 抄表工作； ( 2 ) 系统运行稳定可靠、采集数据迅速准确。主站系统能随时对电能表的 数据进行采集，对采集到的数据进行统计分析，可随时对计量装置的运行情况 进行监测，及时发现异常情况，及时处理，以避免为企业带来经济损失，同时， 也为电量分析和电网商业化运营、即时结算提供了可靠的技术支持； 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 原始数据的唯一性。抄表系统在设计上，严格遵循电能量数据唯一性、 安全性以及不可修改性的原则。抄表工作站的操作要经过严格安全检查和登录 操作，抄回的数据定义为只读不可修改，其余工作站的数据处理来源于抄表工 作站抄回的数据信息，各工作站的任何操作均不能改变原始的数据信息1 卯。 1 3 本课题的意义及背景 自动抄表系统是户用能源营业管理自动化的一个重要手段和组成部分，它 的最终目的是：自动、集中、定时、准确地抄录各用户的能耗；核算每个用户 的费用；通过银行向各用户自动完成转帐收款、费用结算、打印收据；为能源 管理部门提供有效的数据，并有助于提高能源管理部门管理的现代化水平。 自动抄表系统的市场前景巨大，但现状不容乐观。随着国家安居工程的推 广，智能化小区的建设，自动抄表系统逐渐使用，但由于各种因素，不少自动 抄表系统都未能正常运行，投入自动抄表系统的钱却仍用人工抄表的现象仍较 为普遍。如果这种情况不能得到有效改交，自动抄表行业必将受到严重影响， 其负面影响将波及到房地产行业、自来水、电业、煤气等专业公司、智能化产 业以及广大居民的日常生活。因此，对自动抄表系统的研究有着现实的意义【1 6 1 【1 7 】【嘲。 本课题来自广东卓维网络有限公司，广东省电网公司发布了最新的集中抄 表系统标准，该标准中规定了集中抄表系统中各个组成部分的功能、规格、系 统不同层之间的通信协议，广东卓维网络有限公司根据该标准，立项开发了蔌 版的集中抄表系统。 1 4 课题的主要工作 论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 深入研究了广东电网公司发布的 广电低压电力用户集中抄表系统集 中器上行规约( 讨论稿) 、广东电网公司低压电力用户集中抄表系统集中器订货 及验收技术条件( 试行) 、 广东电网公司r s - 4 8 5 接口单相电子式电能表通讯规 约( 试行) 等技术条件书，提出集中器系统的需求分析； ( 2 ) 调查目前国内外嵌入式系统的现状与发展趋势，分析嵌入式技术应用 武汉理工大学硕士学位论文 于集中抄表系统的特点，寻找一种合适的设计方案； ( 3 ) 设计并实现了抄表系统中集中器部分的硬件，由于抄表系统对电磁兼 容性要求较高，在硬件设计阶段就考虑到了电磁兼容的要求； “) 选择c 语言作为嵌入式开发语言，选择k e i l7 0 6 作为软件开发环境， 在集中器软件设计中引入了嵌入式操作系统r l x 5 1t i n y 版，来提高系统的并发 性； ( 5 ) 完成了系统软件的设计，并指导测试人员对软件进行了黑盒测试、白 盒测试和极限测试； ( 6 ) 对集中抄表系统进行了充分的系统测试，实验证明系统运行良好，该 系统还通过了中国电力科学院的e m c ( e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y 电磁兼容性) 认证。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章远程集中抄表系统总体方案设计 本系统根据广东电网公司最新颁布的低压电力用户集中抄表系统技术标准 来设计与实现的，本章主要对抄表系统结构进行了概述，说明了低压电力抄表 系统中关键术语，并提出了抄表系统的总体设计方案。 2 1 系统概述 典型的低压电力集中抄表系统中，用户的电表通过r s - 4 8 5 总线方式与采集 终端进行通信，采集终端再通过r s - 4 8 5 总线方式或者电力线载波方式与集中器 进行通信，集中器通过p s t n 或g p r s 方式与主站进行通信整个系统采用分 布式结构，与上位管理微机构成典型的分布式测控系统1 1 9 1 低压电力用户集中抄表系统的构架如图2 - 1 所示。 ， 集中嚣+ 一竺竺竺l蓐磊轰函& 蓄菇 3 集中嚣遵l ， t 蠹 圈巳l 圳f ”粤 ；讯部分 z jli _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 黟： ? ? 。：7 ji 7 。“， 、 ，、 ， 自j p ，7 眄 夕多文夕 f ， 回臣亟困回 ；。 ； x一? 7 ：。? 。，l 一。 图2 - i 低压电力用户集中抄表系统构架 根据广东省广电集团有限公司低压电力用户集中抄表系统建设技术条件 要求，低压抄表系统中集中器应具备下列功能； 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 主从工作模式 集中器可选择设置为主集中器或从集中器两种工作模式之一。一台主集中 器能够通过级联r s - , 4 8 5 接口( 第1 路r s - 4 8 5 接口) 级联最多4 台从集中器，并 通过主集中器的远程上行通信通道与主站通信。从而实现主集中器及其级联的 从集中器与主站之间的数据交换。参与级联的所有集中器只有一台可以设置为 主集中器，其余均为从集中器。当集中器与配变监测计量终端通过级联r s - 4 8 5 接口( 第l 路r s - 4 8 5 接口) 级联时，所有集中器全部设置为从集中器工作模式， 配变监测计量终端工作在主集中器工作模式，并通过配变监测计量终端的远程 上行通信通道与主站通信，从而实现配变监测计量终端及其级联的所有从集中 器与主站之间的数据交换。 主集中器周期性巡查级联的从集中器，当从集中器有数据主动上报需求时， 将从集中器的数据转发给主站。 ( 2 ) 参数设置功能 可远程及通过本地红外口设置： a 集中器编号( 8 位) ； b 集中器通信所必要的振铃次数( 摘机条件) 、抄表日、主站通讯地址( 包括 主通道和备用通道1 ； c 抄表方案( 抄读问隔，自动抄表日、抄表时间、抄读数据项等) ； d 总表倍率； e 线损率阀值； 路由； g ，表编号等。 ( 3 ) 数据采集、处理 可实时召测或根据设定的抄读间隔自动采集各电能表的实时电量、月末零 点冻结电量、日零点冻结电量。其中单相电能表的冻结电量数据项为正向有功 总电量，三相多功能载波电能表的冻结电量数据项为；正向有功总电量，正向 有功尖、峰、平、谷四费率电量，正向无功总电量。电量数据保存时应带有时 标。 可抄读三相多功能载波电能表失流、失压，编程状态等事件记录。集中器 8 武汉理工大学硕士学位论文 每日至少自动巡查一次所有三相多功能载波电能表的累计失压次数、累计失流 次数和编程次数，如有变化，则应记录事件并向主站报告。集中器应对每块三 相多功能载波电能表单独保存至少最近l o 条事件记录( 累计失压次数、累计失 流次数和编程次数合并统计) 。 “) 储存容量 每台集中器管理的单相电能表数量不少于1 0 0 0 块，三相多功能载波电能表 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6 0 个日零点冻结电量数据、6 个月末零点冻结电量数据，应有专用 的存储空间对上述2 种数据分别存储。数据储存容量不小于2 mb y t e 。 ( 5 ) 未抄收到数据补抄、报警功能 集中器对在规定的抄读间隔时间内未抄读数据的电能表应有补抄功能。集 中器对在规定的抄读阅隔时间内未抄到数据的电能表应能向主站发送报警信 息：当集中器采用g p r s 上行信道时，集中器应主动向主站发送报警信息；当 采用电话拨号上行信道时，集中器在主站抄读电量数据时将报警信息匍主站发 送。 ( 6 ) 校时功能 集中器应有计时单元可被主站校时，计时单元的日计时误差s 士0 5 s d 。并且 集中器应能对系统内电能表进彳亍广播校时。 ( 7 ) 现场抄读功能 应提供手持抄读器通过本地红外口现场抄读电量数据并输入到主站。 ( 8 ) 自诊断和异常信息记录功能 可自动进行自检，发现设备( 包括通信) 异常应有记录和报警功能。 ( 9 ) 安全性 集中器应设计有可靠的安全措施，防止非授权人员设置参数。集中器应能 够保存最近5 0 0 次的事件记录( 异常告警等) 。 集中器应采用二级密码管理。一级密码：超级用户( 用户名、口令可更改， 便于厂家向供电局移交) ，可进行授权二级用户、误差调整、所有功能设置；二 级密码：设置用户，由超级用户授权( 分配用户名及初始口令) ，可进行所有功 能设置、抄表。 9 武汉理工大学硕士学位论文 集中器应能判别并拒绝非法主站的召测和控制指令。 ( 1 0 ) 远程控制功能 集中器支持主站命令对电表实行远程控制功能。 ( 1 1 ) 停电数据保持 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 少保持四个月以上；电源恢复时，保存数据不丢失，内部时钟正常运行。 ( 1 2 ) 重点用户功能 可以选定台区中的某些用户电能表为重点用户电能表，并对其进行重点监 管。集中器对重点用户电能表的有功正向总电量数据按每小时进行保存。集中 器可任意设定的重点管理用户表应不少于6 块。集中器可以保存至少最近3 0 天 重点用户电能表的整点有功正向总电量历史数据。 ( 】3 ) 日线损计算功能 主站可以对集中器设置日总线损率阙值( 分辨率o 1 ) ，集中器每日自动计 算台区日总线损率数值。当台区实际日总线损率的绝对值超过设定的阈值时， 集中器应向主站发送报警信息。台区日总线损率的计算方法如下： 若：用户电能表当日零点有功正向总电量之和饴c t 倍率) = s l ； 用户电能表上一日零点有功正向总电量之和( 含c t 倍率) = s 2 ； 台区总表当日零点有功正向总电量( 含c t 倍率) = t 1 ： 台区总表上一日零点有功正向总电量( 含c t 倍率) = t 2 ； 则：上一日台区总线损率= 【1 - ( s l s 2 ) ( t i - t 2 ) x1 0 0 当总表电量小于分表电量之和( 负线损率) 时，集中器应向主站发出报警刎 1 2 1 1 2 2 1 。 2 2 关键术语说明 为了更详细的说明系统构成，先简单描述一些术语的定义： ( 1 ) 低压电力用户集中抄表系统a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n g s y s t e m 是指由主站通过远程通讯信道( 无线、有线、电力线载波等信道) 将多个电 能表电能量的记录值( 窗口值) 的信息集中抄读的系统。该系统主要由一体化载 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 波电能表和带r s - 4 8 5 通讯能力的采集终端、多功能配变总表、集中器、信道和 主站等设备组成。集中器数据可通过信道远程传送到主站。 ( 2 ) 主站m a s t e rs t a t i o n 具有选择集中器并与集中器进行信息交换功能的设备。在低压电力用户集中 抄表系统中，主站包括前置机、应用服务器和数据库服务器三个部分，而前置 机则是直接和集中器进行通讯的部分。 ( 3 ) 集中器c o n c e n t r a t o r 是指收集一体化多功能电能表及被虚拟电能表的采集终端的数据，并进行 处理存储，同时能和主站或手持单元进行数据交换的设备。 ( 钔集中器级联c o n c e n t r a t o rc a s c a d e 当用电现场需要多个集中器采集数据时，采用的一种集中器间的通讯方式； 集中器间通过r s - 4 8 5 总线互联，其中只有一台集中器被设为负责与主站进行通 讯，称为主集中器；其余的集中器称为从集中器；从集中器通过r s - 4 8 5 总线和 主集中器通讯，并通过主集中器的远程通讯口和主站进行通讯，这种通讯方式 称为集中器互联，相应的r s - 4 8 5 线称为r s - 4 8 5 从模式。 ( 5 ) 应用层a p p l i e a t i o nl a y e r 独立于通讯层的，在主站和集中器之间传输信息的协议部分。 ( 6 ) 集抄应用层协议( m l l a l ) m e t e rr e a d i n ga p p l i c a t i o nl a y e r 独立于通讯层的，在集中抄表管理系统主站内部之间以及主站与集中器之 间传输信息的协议。 ( 7 ) 测量点m e a s u r e dp o i n t 指采用某种装置可以在一个特定的时间点测量出唯一的一组量值的电气连 接点，这组量值以某种方式被传递到集中器。当物理上相同的一个电气连接点 被多个装置所测量，或者被一个装置所测量但通过多种方式被传递到集中器时， 按照多个测量点计。在本系统中，测量点指某一电能表。 ( 8 ) 中继命令f o r w a r dc o m m a n d 集中器将收到的命令中的命令内容不做任何解释发给下属设备，然后将下 属设备返回的结果不加任何解释封装到中继命令返回结构中的数据域】。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 系统的总体设计方案 本文提出的自动抄表系统要注意以下几个地方： ( 1 ) 满足广东省广电集团有限公司低压电力用户集中抄表系统建设技术 条件书要求； ( 2 ) 传输网络是否可靠，一般来说，抄表系统的抄读数据正确率要达到 9 9 9 0 o 以上： ( 3 ) 系统要便于设计和维护、升级，成本低廉。 一个好的设计方案必须从技术上、经济上两方面考虑，在工作可靠、抄送 准确、免维护三大核心技术问题上取得重大突破，自动抄表系统才能真正进入 了实用阶段。在研究了目前国内外抄表系统现状的基础上，结合广东省电网公 司的要求，本文提出的抄表方案采用四层结构，系统总体结构图如图2 2 所示。 图2 2 低压电力抄表系统结构图 在本文提出的抄表系统四层结构中，第一层为主站系统，由现场应用服务 器、数据库服务器构成，负责数据存储和提供人机界面；第二层为集中器，集 中器负责收集多功能电表及采集终端的数据，并进行存储；第三层为采集终端 及多功能电表，采集终端负责转发集中器命令到测量点，并转发测量点数据到 集中器；第四层为测量点，般为带r s - 4 8 5 接口的单相电表。 武汉理工大学硕士学位论文 在该抄表系统中，第一层与第二层之间采用p s t n 或g p r s 进行通讯；第 二层与第三层之闻及第三层与第四层之间都通过r s - 4 8 5 总线进行通讯。 采用四层结构有很大好处： ( 1 ) 模块化分层设计，方便开发； ( 2 ) 简化系统，有利于故障定位、隔离和维护； ( 3 ) 扩展性好，中间层可扩大规模、延长距离，降低功耗； “) 可灵活组网，可以根据用户数量的多少了来配置集中器和采集终端的 数量，满足实际的需要【2 6 1 。 2 4 本章小结 本章分析了现有的抄表技术及抄表系统发展趋势，比较了各种组网方式的 优缺点，根据广东电网公司最新发布的广东省广电集团有限公司低压电力用 户集中抄表系统建设技术条件书要求，提出了符合广电标准的抄表系统的结 构，为了便于更好的理解该抄表系统，文章列出了抄表系统部分关键术语。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统集中器部分硬件设计 集中器是整个抄表系统中最重要的一个部分，集中器通过r s - 4 8 5 总线方 式( 或载波方式) 与采集终端进行通信，通过p s t n 方式( 或g p r s 方式) 与主站 进行通信。集中器接收主站发来的命令并解析，执行相应的命令：并能根据用 户设定的时间来保存历史数据，主要有以下几个部分的功能：权限管理功能、 设置参数功能、读取参数功能、配置电表功能、抄读数据功能、保存数据功能、 循抄多功能电表告警事件功能、线损计算功能、级联功能；当采用g p r s 方式 通信时，集中器应能够主动上报告警事件。 每台集中器下最多可以管理1 2 0 0 块电能表，其中0 号表为台区总表，1 - 1 0 0 0 号表为普通4 8 5 电表，1 0 0 1 1 2 0 0 号表为多功能电表，1 2 0 1 1 2 0 6 号电表为重点 用户电表。集中器中最大可以存储所有电能表的6 0 日日末电量；6 个月的月末 电量( 多功能电能表的月末电量包括尖、峰、平、谷电量) ；所有重点用户3 0 日 每日2 4 点整点电量；最近5 0 0 次告警事件内容。集中器存储空间为2 m 。 3 1 集中器系统结构 根据前面提出的抄表系统结构和集中器要实现的功能，集中器部分硬件电 路主要由以下几个部分组成： ( 1 ) 电源电路，为集中器系统提供稳定电源； ( 2 ) 通讯电路，分为上行通讯电路和下行通讯电路。上行通讯电路负责与 主站通讯，下行通讯电路负责与采集终端和多功能电表通讯； ( 3 ) 存储电路，存储用户的电能表数据； ( 4 ) 时钟电路，负责为系统提供运行时钟； ( 5 ) 运行指示灯，负责指示系统运行状况； ( 6 ) 看门狗电路，防止系统死机。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 集中器的系统结构图如图3 - 1 所示。 3 2 集中器硬件设计 3 2 1 集中器c p u 选择 图3 - 1 集中器硬件结构 根据集中器功能要求，集中器c p u 芯片应能满足以下几个要求： ( 1 ) 高性能，处理速度较快； ( 2 ) 具备双串c i ，来满足上行和下行通讯需要； ( 3 ) 工业级芯片，抗干扰能力较强，能够适应运行现场的恶劣环境； ( 4 ) 程序存储区要大于3 2 k 。 根据以上几个要求，在研究了市场上部分主流单片机后，选择了w i n b o n d 公司推出的高性能增强型单片机w 7 7 e 5 1 6 。 w 7 7 e 1 6 是一个与标准8 0 5 1 相兼容的快速微处理器，它的内核经过重新设 计，提高了时钟速度和存储器访问周期速度，经过这种改进，在相同的时钟频 率下，它的执行速度比标准8 0 5 1 快许多。一般来说，典型的指令周期7 7 e 5 1 6 比标准8 0 5 1 快1 5 到3 倍。整体来看，w 7 7 e 5 1 6 比标准8 0 5 1 快2 5 倍。采用 静态c o m s 设计，在相同的吞吐量及低频时钟周期下，电源消耗也降低。 w 7 7 e s l 6 内含6 4 k b 具有i s p 功能可区域寻址的f l a s he e p r o m , 用于存储装载 程序的4 k b 辅助f l a s he e p r o m ，工作电压为4 5 v - 5 v 。具有1 k 片外存储器( 可 以利用m o v x 访问) ，以及3 种省电模式| 2 7 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 w 7 7 e 5 1 6 主要特点如下： ( 1 ) 8 位c m o s 微控制器； ( 2 ) 4 个机器周期为一个指令周期的高速结构，最大外部时钟频率4 0 m h z ； ( 3 ) 与标准8 0 c 5 2 引脚兼容： ( 4 ) 指令与m c s 5 1 兼容； ( 5 ) 4 个8 位i o 口； ( 6 ) 扩展的4 位i o 和等待信号线( 4 4 脚的p l c c 或q f p 封装提供) ； ( 7 ) 三个1 6 位计数，时器； ( 8 ) 1 2 个中断源，2 级中断能力； ( 9 ) 片上时钟源； ( 1 0 ) 两个增强的双工串口； ( 1 1 ) 6 4 k b 具有i s p 功能，可区域寻址的f l a s he e p r o m ； ( 1 2 ) 4 k b 辅助f l a s he e p r o m ； 0 3 ) 2 5 6 字节片内r a m ； ( 1 4 ) 可编程看门狗