（通信与信息系统专业论文）智能电网中信息采集集中器的研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕 j 学化论文 智能电网中信息采集集中器的研究 摘要 电力系统发展已经至今已有一百多年的历史，目前电力运行环境的越来越 复杂、电力体制不断地改革与前进。进入新世纪以来，资源和环境的双重压力 使人们开始审视电力系统在节能减排的巨大潜力，国家开始发展智能电网，家 用智能电表是智能电网应用中的一部分。传统的人工抄表方式由于存在大量的 弊端已经不能适应现在的电力系统的需要。远程自动抄表因其效率高、差错率 小等优点，已经成为研究的热点。 本文描述并且分析了国内与国外的远程抄表的发展现状和趋势，与此同时 根据市场的实际需要，从抄表系统中研究了此款无线载波集中器，集中器是抄 表中的重要组成部分，起着承上启下的作用。本文详细介绍了集中器的设计过 程，包括集中器总体设计、集中器硬件设计和集中器软件设计等。列出了抄表 中常用的几种数据传输方式，提出了以g p r s 和电力载波通信为其主要通信方 式的解决方案，集中器采用了a r m 9 系列芯片$ 3 c 2 4 4 0 为主控芯片，硬件部 分进行了l c d 连接设计、存储电路设计、载波通信设计和g p r s 模块设计。 软件部分则是进行了嵌入式操作系统l i n u x 的移植，主要包括u b o o t 移植、内 核移植、文件系统移植，l c d 驱动显示程序流程、电表数据采集程序设计( 通 信协议主要采用d i _ t 6 4 5 1 9 9 7 多功能电表通信规约) ，内存管理与数据存储管 理程序设计和g p r s 数据传输等功能。使该集中器成为多线程工作，高效稳定 的抄表系统核心部分。 关键词集中器；智能电网；远程抄表；载波通信 哈尔滨理丁人学t 学硕f j 学位论文 r e s e a r c ho fi n f o r m a t i o na c q u i c i t o n c o n c e n t o ri ns m a r tg r i d s a b s t r a c t s of a r , t h eh i s t o r yo fp o w e rs y s t e md e v e l o p m e n th a sb e e nm o r et h a nah u n d r e d y e a r s a tp r e s e n te l e c t r i cp o w e ro p e r a t i o ne n v i r o n m e n tb e c o m e sm o r ea n dm o r e c o m p l i c a t e d ，t h ep o w e rs y s t e mi sr e f o r m i n ga n dm a k i n gp r o g r e s s a sn e wc e n t u r y c o m i n g ，r e s o u r c ea n de n v i r o n m e n tp r e s s u r em a k ep e o p l eb e g i nt oe x a m i n eh u g e p o t e n t i a lo ft h ep o w e rs y s t e mi ne n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o n ，c h i n a s t a r tt od e v e l o ps m a r tg r i d s h o u s e h o l ds m a r tm e t e ri sap a r to fs m a r tg r i d s a p p l i c a t i o n t h e r ea r ea l o to fd i s a d v a n t a g e si nt h et r a d i t i o n a la r t i f i c i a lm e t e r - r e a d i n g w a y , s oi tc a nn o ta d a p tt ot h en e e d so ft h ep o w e rs y s t e mn o w r e m o t ea u t o m a t i c m e t e rr e a d i n gh a sb e c o m et h er e s e a r c hf o c u sb e c a u s eo fi t sh i g l le f f i c i e n c y , t h e a d v a n t a g e so fs m a l le r r o rr a t i o n t h i sp a p e rd e s c r i b e sa n da n a l y z e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e m o t em e t e r r e a d i n gs i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n d ，a tt h es a m et i m ea c c o r d i n gt ot h em a r k e t s a c t u a ln e e d ，f r o mt h em e t e rr e a d i n gs y s t e md e v e l o p p i n gs t u d i e st h i sk i n do fw i r e l e s s c a r r i e rc o n c e n t r a t o lb e c a u s et h ec o n c e n t r a t o rp l a y sa ni m p o r t a n tp a r to fam e t e r r e a d i n gs y s t e mc o n n e c t i n gb e t w e e nt h ea b o v ea n db e l o w c o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ed e s i g np r o c e s so fc o n c e n t r a t o rd e t a i l e d l y , i n c l u d i n go v e r a l ld e s i g n ， h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n c e n t r a t o r , e t c a n dl i s t st h es e v e r a lu s e dd a t a t r a n s m i s s i o nc o m m o n l yi nt h em e t e rr e a d i n g ，p u tf o r w a r dt h eg p r sc o m m u n i c a t i o n a n dp o w e rl i n ec a r r i e ra si t sm a i nm e t h o d so fc o m m u n i c a t i o ns o l u t i o n s ，i ta d o p t s a r m 9s e r i e sc h i p $ 3 c 2 4 4 0a st h em a i nc o n t r o l l e rc h i p ，d e s i g n st h eh a r d w a r eo f l e dc o n n e c t i o n ，p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ，a n dg p r sm o d u l e s o f t w a r ep a r t i sb a s e do ne m b e d d e dl i n u xo s ，m a i n l yi n c l u d i n gu b o o tt r a n s p l a n t i n g ，k e r n e l t r a n p l a n t i n g ，f i l es y s t e mt r a n s p l a n t i n g ，l c dd r i v ef u n c t i o n ，t h ep r o g r a mo fd a t a s t o r a g em a n a g e m e n t ，d a t a a c q u i c i t o np r o c e s s o fe l e c t r i c e n e r g y m e t e r ( c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lm a i n l ya d o p t sd l 厂r 6 4 5 19 9 7m u l t i f u n c t i o ne l e c t r i cm e t e r 哈尔滨理下人学t 学硕l j 学化论义 c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ) ，f i n a l l yd oe x p e r i m e n to fg p r ss e n d i n gd a t a m a k et h e c o n c e n t r a t o rb e c o m et h ec o r ep a r to fm u l t it h r e a d i n gw o r k ，h i g he f f i c i e n c ya n d s t a b i l i t yo ft h er e a d i n gm e t e rs y s t e m k e y w o r d sc o n c e t r a t o r , s m a r tg r i d s ，r e m o t em e t e rr e a d i n g ，p o w e rl i n e c a r r i e r c o m m u n i c a t i o n 哈尔滨理- e 大学t 学硕l j 学位论文 第1 章绪论 电力系统发展已经至今已有一百多年的历史，目前电力运行环境越来越复 杂、电力体制不断地改革与前进。进入新世纪以来，资源和环境的双重压力使 人们开始审视电力系统在节能减排的巨大潜力，国家开始发展智能电网【l j ，家 用远程抄表【2 】是智能电网应用中的一部分。随着远程抄表的出现，因其抄表率 高，误差率小等有优点被人们所青睐，已经成为研究的热点，传统的人工抄表 方式具有许多的缺点，已经不能够适应同益发展的电力系统需要。而集中器是 远程抄表的中重要一环，起着承上启下的作用。 1 1 课题背景 进入新世纪以来，资源和环境的双重压力使人们开始审视电力系统在节能 减排方面的巨大潜力 3 1 ，同时，2 0 世纪9 0 年代国际上相继出现的大停电事故 也暴露了传统电力系统在调度和控制上的不足之处。为此，国内外研究者纷纷 提出对下一代电力系统的展望。在中国，1 9 9 9 年清华大学提出“数字电力系 统”的概念；2 0 0 5 年国家电网实施“s g l 8 6 工程；同年，中国南方电网公司 开展了“数字南方电网规划”研究；2 0 0 7 年1 0 月，华东电网正式启动了智能 电网可行性研究项目，智能电网可看作是下一代电力系统的代名词。 随着国家智能电网的不断发展和同益完善，在我国大多数经济发达地区的 高档住宅小区中都开始使用远程抄表系统【4 1 ，每个住户家中都有电表计量，但 是安装的方式却大为不同，有的集中器安装在电表箱中，有的却零散在外面， 这样增加了电力公司管理的困难，如果逐户抄表，需要大量的人力资源和时 间，而且对于电表放在家中的用户，想要入户进行抄表有时会存在一定的困 难，给抄表统计部门的工作带来了一定的困难，也使得一些账户不能及时的清 理，会造成偷电现象，浪费资源，而远程抄表【5 】的出现，它可以把分散丌的电 表的数据自动抄收过来，及时的进行通断电，节省了大量的人力和物力，也简 化了电表计量部门的工作，方便了管理。它将人工抄表成为历史，运行远程抄 表系统以后，可以由管理中心统一实时的进行抄读数据，而且抄收一只表的时 间只需要一秒钟，省时省力。而作为系统的枢纽集中器【瞄】，起着承上启下的作 用也随着抄表系统的发展而发展，已经成为竞相研究的重点。 根据市场的实际需要，与此同时结合了国内与国外的远程抄表的研究情况 哈尔滨理丁人学t 学硕l 学f 征论文 和未来的发展趋势，从抄表系统中研究了此款无线载波集中器，详细介绍了集 中器的设计过程，包括集中器总体设计、集中器硬件设计和集中器软件设计 等列出了抄表中常用的几种数据传输方式，提出了以g p r s 和电力载波通信 为其主要通信方式的解决方案【9 1 ，集中器采用了a r m 9 系列芯片$ 3 c 2 4 4 0 为主 控芯片，充分利用该芯片的外设资源，扩展了所需要的内存。软件部分是基于 嵌入式操作系统l i n u x ，根据集中器的上行与下行通信协议，主机与集中器都 是通过应用程序串口调试a t 命令来控制g p r s 模块发送与接收数据，并且具 有数据存储管理和液晶显示等功能。使该集中器成为多线程工作，高效稳定的 抄表系统核心部分。 1 2 国内外研究现状与分析 随着科技的不断进步，智能电网越来越多的应用到居民生活当中，远程抄 表也是被越来越多的应用。随着技术方面的不断发展与完善，集中器也成为了 一个热门的研究课题。 1 2 1 国外远程抄表系统发展现状 进入2 1 世纪以来，随着社会和经济的发展、技术的进步以及人类社会对 电力依赖程度的加大，低碳发电技术的发展和需求管理效率的大幅度提高，用 户与电网互动变得日益重要。传统电网结构按满足大型化石燃料发电厂的远距 离输电要求而设计，已不能适应这一变化，智能电网的概念应运而生l l o l 。国外 在自动抄表系统的理论和技术研究比较早，而且到目前的发展也已经比较成 熟，美国在1 9 8 6 年就已经成立了自动抄表研究协会a m r ，欧洲和英国也相继 成立了各自的自动抄表技术协会，目的是推动a m r 技术的发展，扩大a m r 技术的应用领域。欧美一些发达国家早在二十世纪7 0 年代就已经开始对远程 抄表技术进行研刭n i ，实现数据的远程采集与控制，在这期间，也开始研究低 压电力线载波技术在数据抄表中的应用并投入使用。随着计算机技术、集成电 路的飞速发展，远程抄表技术已成为各国a m r 系统生产厂商和科研机构关注 的热点课题，通过不断的交流与合作，各种技术的不断发展也促进抄表技术的 不断进步【1 2 】，随着网络技术和通信技术的发展，数据通讯问题也成了远程抄表 中的关键技术，也是在抄表器设计时考虑的首要问题。远程抄表系统也不断地 向前进步，数据通讯问题【1 3 1 也成了集中器在抄表系统中首要解决的问题发达的 国家如同本、美国、英固等国家基本都解决了数据通讯的问题。到目前为止， 哈尔演理丁人学t 学硕l ：学位论史 集中器在抄表系统中按通讯方式划分主要分为以下几种：有线信道通讯、无线 信道和电力线载波信道通讯。有线抄表系统需要进行综合布线，增加了抄表系 统的费用和难度，也使得系统在应用时不够灵活，有线抄表系统难以进行广泛 的应用。无线抄表系统则无需要进行布线，只是利用无线收发装置设备进行数 据的传输，系统结构设计相对比较简单，能够节省大量的人力和物力资源，但 是无线抄表存在接收数据不稳定的现象，受环境的因素影响很大。对比有线抄 表系统和无线抄表系统，载波抄表系统【1 4 】有着更大的优势，载波通信时采用电 力线作为通信媒介，它不需要特意为它铺设通信的线路，而用电力线传输受环 境的影响也不会非常的大，解决了有线和无线当中的缺点。随着通讯方式的发 展远程集抄表系统也在不断地向前进步，逐步取代人工抄表，大大提高了电业 局售电管理业务的自动化程度。在整个抄表的系统中，集中器是连接整个系统 的枢纽，它能够将采集器或多功能电能表的数据发送给主站，又可以将主站发 送的命令传至给采集器或多功能电能表。 1 2 2 国内远程抄表系统研究现状 2 0 0 9 年5 月2 1 日，我国首次提出智能电网f 1 5 1 发展目标。在“2 0 0 9 特高压 输电技术国际会议“国家电网公司表示会大力发展智能电网，自主创新，以特 高压电网为骨干网架，不同级别的电网将会协调发展，争取把我国电网发展成 具有自动化、信息化、互动化、数字化特征的统一的略强智能电网【1 6 1 。但是在 我国远程抄表系统的研究起步比较晚。自2 0 世纪到了9 0 年代中期以来，在国 内的部分企业和研究机构带领下【1 7 l ，我国也开始不断地投入精力投入到远程抄 表的研究与设计中。特别是近几年来的发展与进步，都说明远程抄表系统具有 发展的潜力。而且国内大部分地区仍采用人工抄表的方式进行数据统计，因此 远程抄表技术的应用有着广泛的前景和可实施性。，国家电网智能化，使得抄 表技术不断提高，部分地区开始适用远程抄表，随着技术不断完善，我国的的 抄表系统开始逐渐发展起来，在系统中下行通讯方式主要有、电力线载波通信 方式、r s 4 8 5 、无线等多种方式。电网公司的主机服务器与电表的距离比较 远，如果进行有线方式抄表，要进行布线，费用会相对比较高，所以载波通讯 方式在集中器和采集端的通信将会成为一个数据通讯的发展趋势8 1 。根据我国 现有的几种抄表技术状况，今后我国的远程抄表会向以下几个方案与无线方式 结合发展： 1 载波技术与无线技术的相结合利用已有的电力线作为媒介，不需要 哈尔滨理t 人学丁学硕i ：学位论文 进行再进行布线，利用载波技术的方便性【1 9 2 1 j ，而无线通讯技术的设计结构简 单，两者结合可以广泛地应用于远程抄表，作为抄表系统核心的集中器，可以 通过电力载波的方式进行抄收数据和向采集终端和电能表传达主机所发出的命 令，在上行通信中，通过无线方式将抄收的数据向主机传送和接收主机所传达 的命令。这种方式适合用在小区内，因为长距离的电力线干扰比较大，载波传 输会出现不稳定的状况【2 2 1 。 2 r s 4 8 5 总线技术与无线技术结合这两种技术的结合是集中器向下用 4 8 5 总线进行数据的抄收，向主站传输数据则通过无线传输俐和传达主站向下 发出的命令。这种方式只能在小范围内布4 8 5 线，增加了布线的费用，但是这 种方式抄收的数据比较准确。 3 无线蜂窝技术与无线通讯技术的结合这两种技术的结合，就是所有的 通信方式都是采用无线传输方式，下行中系统的采集终端【2 4 1 和多功能表通过内 置的嵌入的无线通讯模块与集中器进行通信，将集中器所需信息以无线的方式 传递出去，同样由集中器也是采用无线方式向主站传输数据。这种方式的最大 的优点就是传输效率高现场施工简单，但却不符合我过的国情，它在电能表和 集中器的硬件上增加了无线蜂窝通讯模块，加大了设备的成本，不适合大范围 推广，随着网络和通讯技术的发展，a m r 技术的研究，己经成为自动抄表系 统生产企业和科研机构研究的热点。 1 3 本文研究的内容 本文在广泛阅读有关文献的基础上，了解到当前在智能电网中远程抄表中 集中器的发展状况，主要完成以下工作： 1 根据我国远程抄表的发展状况，设计了一个远程抄表系统，因为集中的 类型取决抄表系统所选择的方式，本文中的抄表系统在上行通信中用的是无线 g p r s 通信模块，而在下行通信当中用的是电力线载波通信方式，以电力线为 传输媒介与多功能电表直接进行传输数据。 2 建立通信规约，根据现有的舰约，定义了建立一组上行通信协议，在下 行通讯协议中，是在多功能电表规约的基础上进行扩展，规定了与多功能电表 的通信命令格式以及数据格式，能够满足在不同的智能抄表中都可以抄收到数 据。 3 硬件设计，根据集中器的需求，首先整个集中器的系统结构进行设计， 其次对主控芯片c p u 进行了选择，在已有的芯片上设计数据与内存的存储电 路以及液晶模块设计，下行通信中的电力线载波通讯设计，和上行通信中的 g p r s 模块通讯设计。 4 软件设计，本文采用l i n u x 嵌入式操作系统，通过进行u b o o t 移植，内 核移植，根文件系统移植，将操作系统统移植到了目标板中，再进行了集中器 的功能设计，包括液晶模块驱动的软件设计、内存管理程序设计、数据存储管 理程序设计，电能表采集数据程序设计以及g p r s 发送数据实验。 哈尔滨理t 人学t 学硕i 。学位论文 第2 章远程抄表总方案的设计 2 1 远程抄表的系统设计 本文提出的远程抄表系统要满足以下几个方面： 1 在数据传输方面具有高可靠性、高准确率，数据抄收的准确率应该在 9 9 9 以上； 2 在使用方面应满足便于维护、升级等需求； 3 在性价比方面，尽量做到低成本，性能高。 目前大部分城市中，电能表的安装方式都是集中安装，能够节省采集终端 的数量，即将处在一个单元楼中的用户的电能表都会装在一个电表箱里，因为 此处的电表是多功能载波电表所以不需要用到采集器，因此，本系统是基于这 种模式设计而来的。一个好的设计方案要在技术上有创新，而且还有在经济上 对比性价比，对于抄表系统而言，要做到工作可靠、抄收准确、易于维护。 远程抄表系统才能得到广泛的应用f 5 1 。在研究了国内外相关技术的基础上，针 对自己的课题要求，设计了本文的抄表方案，系统总体结构如图2 - 1 所示。 口i - 1 习j 图2 - 1 系统总体结构图 f i g 2 - 1m e t e rr e a d i n gs y s t e mi ns m a r tg r i d s 6 一 哈尔演理t 人学t 学硕 ：学位论文 采用三层结构【2 6 1 的优点有模块化，利于开发；方便查找故障，能够简化系 统，隔离与检修；灵活组网，可并能够按照所使用的实际用户数量的多少来确 定集中器和采集器的数量，满足实用户需求。 2 2 多功能电表 多功能电表【2 7 1 是指除本身具有计量功能外，还具有计量双向有功、无功和 四象有功总电量。本文中是以正泰公司出产的临河三相阀控载波电表为采集对 象，它的产品型号为d t s l 6 6 6 ，采用了工业级大规模集成电路开发研制，内置 了载波芯片，可以进行载波的方式传输数据，实现远程的通断电控制。 2 3 集中器 集中器【勰i 能够将多功能电表发送过来的载波信号进行分析，主要负责对 电表的用户的信息进行收集，对收集来的数据进行存储，并且将存储的数据传 送给集中器，集中器按照电表终端的顺序依次向各个载波电表进行查询数据， 当电能表被查询时，电能表才丌始向集中器发送数据。集中将抄收的数据进行 收集、存储和管理，在通过无线g p r s 的方式向上位机进行发送数据【2 9 i ，当上 位机向集中器发出命令时，集中器通过命令分析进行向载波电表传达命令，远 程通断电等，它是整个通信的枢纽。集中器接到在整个抄表系统中占据着承上 启下的重要作用。 2 4 系统方案的选择 本文的远程抄表系统中所采用的通信方式为载波通信与无线相结合的方 式，做为我国远程抄表系统所发展的趋势当中的一种，能够将现有的电力线作 为媒介进行通信，通过无线g p r s 的方式向上传输数据，它有着节约资源，节 省成本的优点，而且能够方便的进行组网，使得组网更为灵活。 2 4 1a r m 内核简介 在嵌入式芯片的设计丌发中，公司采用了i p 授权的方式，a r m 3 0 1 技术的 i p 核在下列领域已经取得或正在取得很大的成功。超过8 5 的无线设备( 手机 等) 都采用了最先进的a r m 芯片，a r m 芯片体积小，功耗低，而且芯片当中 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 具有丰富的寄存器，绝大部分的数据传递都需要在寄存器中进行mj ，它采用固 定长度的指令格式进行寻址，寻址方式会相对比较简单。无论是在3 g 升级的 过程中、无线设备、数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机等都得到了广泛的 应用，在市场中占有一定的份额，许多知名的企业如英特尔、科胜讯等都采取 了a r m 技术。 本课题所选择的主控芯片是$ 3 c 2 4 4 0 ，是由三星公司生产的，是基于嵌入 式跟踪的3 2 位的处理器，支持1 6 位的t h u m b 指令集和的d s p 指令集的3 2 位r i s c 处理器，具有统一的数据c a c h e 和指令c a c h e 。拥有五级整数流水线， 主频可以达到3 0 0 m i p s 的性能，能够进行实时跟踪和调试，在实时控制和三 维图像处理时主频能够达到2 1 5 m f l o p s 。具有单一的3 2 位a m b a 总线接口 和可选的v f p 9 浮点处理协处理器。高性能的a h b 系统，它的m m u 支持 s y m b i a no s 、l i n u x 、p a l a mo s 、w i n d o wc e 等嵌入式操作系统等。 2 4 2 嵌入式操作系统 在2 0 世纪7 0 年代，微型机的出现带来了嵌入式技术，通用计算机系统在 技术要求有高速、海量的数值计算，其发展方向是可以无限提升总线速度，无 限扩大存储容量。而嵌入式计算机则与其走上了不同的发展道路【3 2 i ，嵌入式在 计算机系统发展的方向是对象能够被智能化控制，必须具有较高的控制能力和 可靠性。嵌入式技术的不断发展，经历了3 个发展阶段： 1 s c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 简称单片机，它是将传统计算机罩的 主要控件c p u 、r a m 、r o m 、定时器和多种i o 接口集成在一片芯片上，它 随着大规模集成电路的出现及其发展，形成芯片级的计算机。这个阶段主要是 “寻求 单片形念嵌入式系统的最佳体系结构，也是从这个阶段起，嵌入式计 算机技术与通用计算机技术走上两条不同的道路。 2 m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 利用微控制器m c u 做为主控单元，用户 可以根据所需的功能对外围电路进行相应的扩展，能能够满足各种嵌入式应用 的需要，因为它具有强大的智能化控制力和控制可靠性，所以它在电气、电子 通信等行业得到了广泛的应用。 3 s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 设计和制造技术的发展带来了集成电路设计的快 速发展，它从晶体管的集成发展到逻辑门的集成，最后发展到现在的l p 集 成，即s o c ( s y m s t e mo nac h i p ) 设计技术。s o c 缩短产品所需要的丌发周期， 提高产品在市场红的竞争力，是未来电子信息系统工业产品的首选，有着巨 哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论文 大的潜力。 简单地说，l i n u x 是指一套免费使用和自由传播的u n i x 操作系统。人们 通常是指l i n u st o w r v a l d s 所写的l i n u x 操作系统内核。l i n u x 的源码任何人都 可以获取也可以进行修改，降低了开发的成本，由于源码开放，在使用l i n u x 操作系统时遇到任何问题，可以在l i n u x 社区中获得支持。l i n u x 可支持多种 硬件平台，例如a r m 、x 8 6 、等多种体系结构，可以采用统一的框架对硬件进 行管理，l i n u x 具有自己单独的内核模块机制，它可以根据用户的进行修改和 裁剪，从它的发展过程可以看出，l i n u x 从最丌始就是一个开源免费的系统， 并且它始终遵循着源代码开放的原则，随着不断地发展变成了即成熟又稳定的 网络操作系统，这对现在的嵌入式设备依赖于网络来说无疑是最佳的选择。 本文所设计的集中器在软件方面需要实现多任务的处理方式，涉及到的功 能需要分开进行独立的操作，数据的接收、发送以及液晶显示功能，这样会提 高系统的运行效率，增强系统的稳定性和可靠性。从而选择为本课题软件的核 j 二一6 2 4 3 载波通信 1 载波通信技术 电力线载波p l c ( p o w e rl i n ec a r d e r ) 通信是指以电力线 做为传输信息媒介的一种特殊通信方式【3 引。电力载波通信网络是目前覆盖范围 最广的一种的网络，有着巨大的潜在丌发的价值。国外利用电力线载波已经有 一百多年的历史了，如早在1 8 3 8 年，埃德华戴维提出了用遥控电表来检测伦 敦利物浦无人地点的电压等级。直到2 0 世纪2 0 年代，国外的一些著名企业和 研究机构开始对电力载波通信技术进行研究【搏蚓。相比国外，我国的电力线载 波通信起步较晚，但发展迅速，最早研究的是中国电力科学研究院在1 9 9 7 年 对低压配电网传输特性进行测试和分析。国家在2 0 0 1 年初成立了电力公司国 电通信中心。 载波通信主要有扩频技术、o f d m 调制技术和窄带载波技术。扩频技术特 点是传输信息的带宽远远大于信息本身的带宽，在发送端以扩频编码方式对有 用信息进行扩频调制，在接收端以相关的解调技术进行解调接收信息。相对于 其它两项技术主要有成本低和易于实现的优点。 2 本课题在载波芯片的选择s c l l 2 8 芯片是为了电力线载波通信而研制 的采用c m o s 技术设计的扩频调制解调器电路。内部将直接序列扩频、数 字信号处理、和直接数字频率合成，因此该芯片在电力线通信方面的应用具有 哈尔滨理丁人学下学硕f j 学位论文 较强的抗干扰及抗衰减性能。s c l l 2 8 芯片为+ 5 v 电压供电，其内部集成了许 多电路，调制解调、模数转换电路，看门狗、电子表、等功能电路，由于这些 功能电路的存在，可以应用n d , 型的应用系统中，这些功能应用到系统中可以 起到降低系统成本并且提高系统功能的作用。 虽然在市场上有许多的载波芯片，但由于其价格的昂贵和路由算法不明 确，不适合在本课题中使用，因此本课题选用的s c i l 2 8 芯片是作为集中器中 的载波单元，通过自己设计能与载波采集终端或者电能表终端进行数据的传 输。 2 4 4g p r s 通信 1 g p r s 网络简介g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，全称即通用分组无线技 术【3 7 1 。它是g s m 一种在移动网络中电话用户的数据业务。它与以往连续传输 数据的方式不同，它是以封包的形式进行传输的，如果用户按照传输单位来计 算费用的话，g p r s 没有使用整个频道，那么在理论上计算使用g p r s 的计算 费用会相对比较便宜。非使用其整个频道，理论上较为便宜。g p r s 的传输速 率非常高，可以达到5 6 k b p s ，甚至可以达到1 1 4 k b p s 。g s m 网只用供电路交 换的方式进行传输数据，而g p r s 对原有的基站进行改造，在原有的g s m 网 中增加了相应的功能，从而实现数据分组交换传输【3 8 4 0 i 。由于它不需要在用 现行无线应用的中介转换器，所以连接及传输方面都会比较方便容易。 在g s m 网络相对低廉的连接费用资源利用率的基础上，g p r s 首先引入 了分组交换的数据传输模式，g s m 采用电路交换模式的进行传输数据，这使 得传输方式发生了根本性的变化，尤其是在无线资源稀缺的情况下显得更为重 要。 在传输速率方面，g p r s 也有着一定的优势，能够提供可高达1 7 2 5 k b i t s 的传输速率。这意味在未来的日子罩，g p r s 用户通过便携式电脑能和i s d n 用户一样快速地上网浏览，同时也可能将会应用到一些对传输速率敏感的移动 多媒体。 g p r s 由于采用了分组交换技术，所以他的接入时间将会缩短，g p r s 要 能够为移动用户与远端的数据网络之间建立起一种连接，属于是一种新的 g s m 数据业务，从而能为移动用户带来高速无线的i p 和无线x 2 5 业务，也 可以提供给移动用户无线分组数据的接入股务。 2 本课题g p r s 模块的选择 w i s m oq 2 4 0 3 无线模块是一款双波段 哈尔滨理丁人学t 学硕l j 学位论文 g s m g p r s 组件( e g s m9 0 0 1 8 0 0m h z ，e g m8 6 0 1 9 0 0 m h z ) ，它支持标准的a t 命令，它支持两种网络，分别是g s m 和g p r s 。提供语音和数据业务等功 能，语音业务上支持电话紧急呼叫，全速率、增强型全速率和半速率 ( f r e f r h r ) 。支持免提通话，提供回声抑制功能。在数据传输方面，数据电 路异步，透明与非透明，最高速率达到1 4 4 0 0 比特秒。具有自动传真组。 g p r s 信息包数据功能具有编码方案c s l 到c s 4 ，支持p b c c h ，通过关于 p d a 和垂直应用程序的a t 命令进行控制。同时还具有点到点( m t m o ) 、蜂 窝广播以及e m s 的信息服务。 w i s m oq 2 4 0 3 是基于g p r s g s m 网络的无线数据模块，能够支持a t 命 令，它能支持语音、数据业务功能，具有丰富的外部接口，价格低，性能高， 是高速数据传输应用的理想之选。它可以方便的应用在固定无线通信、移动通 信等领域，同时还可以利用它的优势应用在电力行业，为其提供的无线传输提 供解决方案，因此本系统采用w i s m oq 2 4 0 3 通信模块作为集中器的通讯模 块。 2 5 本章小结 本章首先简单介绍了远程抄表的结构和设计方案，其次对于抄表中一些常 用的技术和本课题所选择的芯片进行了相关的描述，讲解了集中器在远程抄表 系统中所起的重要作用，还提出了一种符合实际的抄表方案。 哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论文 第3 章集中器通信方案 在通信系统中，设备双方如果要进行通信，必须建立一定的规则，规定着 双方如何进传输与接收，才能保证通信双方能够进行可靠有效地数据传输，而 这套规则通常称被为通信协议或者是数据传输控制规约【4 1 l 。它在远程抄表中有 着同样重要的作用，它规定了不同厂商的设备组合应用时对通信格式的要求， 这样上行通信中它的主要规则就是主站自己与与集中器的数据通信的一些规 范，在下行通信中主要负责与采集设备的数据通信格式。有选择数据传输的方 式、通信通双方之间如何应答、以及传输速率如何进行限定等。 3 1 集中器上行通信 上行通信协议就是主机与集中器之间的通信，它包括主机向下发送达命 令，和集中器在抄收到下行中的数据后向上传送数据。根据每帧的信息来解读 命令，通过每帧的信息可以找到是由哪个主机向哪个市区的集中器发送命令， 以及它要向下面哪个电表进行抄读数据或者是进行通断电。本章协议是根据 黑龙江省电力公司低压电力线载波通信规约，采用的模型为应用层、链路 层和物理层，即三层的参考模型通信。本文中的物理层采用的通信方式是以 g p r s 的形式，链路层处于模型当中的中间层，对应用层发来的原始数据进行 数据的封装如果物理层提供的连接不j 下确，链路层会把这个连接转换成逻辑上 正确的数据链路。数据链路层通过帧的形式进行着主站和集中器之i 、日j 的信息传 递功能。 3 1 1 上行通信帧格式 无论是主机下达命令还是集中器传送数据，都是以帧的形式进行传送，帧 是传送信息的基本单位。在上行通信协议中有两中帧格式：可变帧和固定帧。 可变帧用于主站向集中器传输数据报文，或集中器向主站传输数据报文。而固 定帧用于集中器向主站回答的确认或否认报文，或主站向集中器回答的确认或 否认报文。在不同的功能不同的要求当中用使用不同的帧格式，可变帧是与固 定帧的格式在结构上有着区别，可变帧的组成部分如表3 1 中所示，固定帧的 结构如表3 2 所示。 哈尔滨理丁人学t 学硕 j 学化论文 表3 - 1 可变帧格式 t a b 3 1v a r i a b l ef r a m ef o r m a t 代码 字+ 1 了数说明 6 8 h1 启动标识 l2 长度 c 1 控制码 a d d r4 集中器逻辑地址 d a t a 可变链路用户数据 c r c2c r c 校验 1 6 h1 结束字符 表3 2 固定帧格式 t a b 3 2f i x e df r a m ef o r m a t 代码字。1 了数说明 1 0 h1 启动标识 c1 控制码 a d d r4 集中器逻辑地址 c r c2c r c 校验 1 6 h 1 结束标忠 1 长度l 定义如表3 3 所示。 表3 - 3 帧长度格式 t a b 3 3f r a m el e n t hf o r m a t l 中的最后的两位组成规约标识，第1 5 位、1 6 位，规约标识只有最后的 两位组成，这两位有四种不同的组合，组合的不同也代表了不同的意思，即为 0 0 ，0 1 ，1 0 ，1 1 ，当它为1 1 、0 1 、0 0 时则代表着此规约为系统保留，只有当 为0 0 时，表示着本规约可以使用。 剩下的d o d 1 3 设用户的数据长度为l 1 ，那么l 1 则是由前1 4 位所组成 的，它的长度是由控制码、地址域、链路用户数据的总的字节数所决定的，它 采用的是b l n 编码。 当采用g p r s 通信时，长度l 1 不大于5 1 2 个字节； 当采用e t h e r n e t 通信时，长度l 1 不大于5 1 2 个字节。 哈尔滨理t 大学丁学硕f j 学位论义 当采用p s t n 通信时，l 1 长度不大于2 0 0 个字节。 2 控制码控制码的作用是表示报文传输的方向及传输服务类型，占用一 个字节，定义如表3 4 所示。 表3 4 控制码定义 t a b 3 - 4c o n t r o lc o d ed e f i n i t i o n i ii i i i m l d 7 i d 6d 5 d o d 7 代表了传输方向位为o 时，表示此帧报文是由主站向下发出的下行命 令报文。d 7 为1 时，表示此帧报文是由集中器发出的上行报文。 d 6 代表了启动标志位当d 6 为1 时，表示此帧报文自启动站。当p r m = 0 ，表示此帧报文来自从站。 d 5 d o 为功能码，它们不同的组合代表了不同的含义，例如当功能码表示 为0 0 1 0 0 0 时，表示为读实时数据。 3 集中器逻辑地址集中器逻辑地址能够识别是由哪个集中器传送的数 据，唯一个能够识别来源与去向的命令。它由四个部分组成a 1a 2b 1b 2 ，是 在通讯时唯一个识别通讯的最终发起端和接收端。 集中器逻辑地址传输时按照a 1a 2b 1b 2 次序传输。先识别是由哪个城市 的供电公司所发出的命令，在经过a 2 具体到是由哪个下属地区，而b 1 ，b 2 则指示了集中的序号与位置。 4 链路用户数据它的帧格式如表3 5 所示。 表3 - 5 链路用户数据格式 t a b 3 5i j s e rl i n ed a t af o r m a t 名称字1 ，数 类型标识 2 帧序列域 2 信息体长度 1 信息体个数 1 操作对象 1 操作对象地址 6 信息体1信息体k 度 信息体长度 信息体n信息体k 度 集中器密码 6 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学f t 论文 类型标识：所有的信息体一个链路的用户数据单元都有相同的结构和类 型，它们只有由类型标识域确定，它是每帧的数据会唯一的类型标识，如果 发来的类型没有被定义，接收到的数据单元将会被舍弃，以否定认可来回答。 一共占用两个字节。 帧序列域：数据无法将在一帧内把数据同时传输，所以要进行多个帧来传 输，帧序列域共有2 个字节，它能够表示出帧之间的传输序列的是如何变化 的。 信息体长度：由每条命令的信息体格式所决定，每个单元占用1 个字节， 里面包含了所有连续单个信息体一共所占有的字节的长度和。 信息体个数：定义了在0 2 5 5 范围内后续信息体的个数，最多只能够传输 2 5 5 个信息体，每个信息体的个数单元占1 个字节。 操作对象：它是用来说明操作的实际对象，即集中器与电表，操作对象单 元占1 字节，不同的代码组合对应着不同的设备，0 2 h 表示对对采集器进行操 作，0 1 h 表示对电表进行操作，0 0 h 表示集中器操作。操作的对象应该与所操 作的对象地址类型相互对应，以便来确定实际操作对象。为了便于确定实际操 作对象，系统要求操作的对象应与对象地址类型匹配。 操作对象地址：它与电表地址相互对应的，它的内容为6 个字节b c d 码，对电表进行操作用f f f f f f f f f f f f h 表示，而对集中器参数进行操 0 0 ( o ( 0 0 0 0 ( k ) 0 h 表示。要是对采集器进行操作时，要对高6 位进行补零。 数据域：数据域是随着类型的标识可以改变的，它是随着根据类型的标识 不同而有所不同，详细格式需要参照信息体类型的列表。 集中器密码：在上行通信当中不需要设置集中器密码，只在下行通信中设 置密码，每个密码为6 个字节的a s c i i 码，包括为下行控制域为写参数和系统 动作类等。 5 c r c 校验从帧的起始标志到c r c 校验码之前的所有字节分别模上 2 5 6 相加，得到的和，就会的到c r c 1 6 校验的结果，最后校验完的结果为2 个字节。 6 结束符当一帧信息最后的标识为1 6 h 时，它表示此帧发送结束。 3 1 2 类型标识功能 在本协议中，类型标识与控制码相结合【4 锄，就定义了每一帧所要代表的命 令功能，因此它是帧中一个重要的部分，电表箱被非法丌箱的报警异常事件是 哈尔滨理丁人学t 学硕i ：学化论文 集中器事件主要事件。电表数据是对集中器存在很久的数据进行抄读，而实时 数据是对电表进行实时数据数据抄收和存储，电表控制主要是为了能对电表进 行通断电的控制，因此电表数据、实时数据、电表控制这三类是本协议中的重 要部分，它们控制对电表的操作与数据抄读的内容。 在抄表系统中，按照不同的功能设置不同的命令，每个命令都有自己特定 的信息体格