（控制理论与控制工程专业论文）基于用户信息的配电自动化低压网管理网桥.pdf

摘要 目前，我国在面向居民用户的配网自动化低压网上还没有实现信息化管理， 我国电力公司还面临着供电用户收费难、抄表到户人员管理及用户管理难、供电 资源输配信息化管理难这三大难题。要解决这三大难题，具体地说，就是要解决 远程数据传递、远程监控、防止恶意欠费等问题。本课题所在项目采用网络化管 理手段，利用自行研制的d c p l 总线及研发的配套终端产品( 网络智能用电计量配 电信息终端、d c p l 网络预收费管理网桥) 和管理软件，有效解决了配电信息的双 向交互及收费、远程监控等难题，为实现我国居民用电需求侧的信息化管理提供 了技术上的支持。本人在课题中的工作是负责预收费网桥的硬件设计、网桥功能 的软件实现及网桥通讯协议的设计。 关键词：d c p l 总线，网桥，协议 a b s t r a c t a tt h ep r e s e n td a y t h ed i g i t a lm a n a g e m e n tf o rt h el o wp r e s s u r eo f t h ea u t o m a t i o nf o r e l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o nd o e s n tc o m et r u e ，t h ee l e c t r i cp o w e rc o m p a n i e si no r r c o u n t r ya r es t i l lf 犯e dw i t ht h r e ed i f f i c u l tp r o b l e m s ，d i f f i c u l tt oc h a r g e ，d i f f i c u l tt o m a n a g ep e o p l ea n dd i f f i c u l tt om a n a g ep a r a m e t e ri n f o r m a t i o no fe l e c t r i cp o w e r d i s t r i b u t i o n t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，w es h o u l ds o l v et h ep r o b l e m so fl o n g - d i s t a n c e d a t at r a n s m i s s i o n , l o n g - d i s t a n e es u p e r v i s i n ga n dc o n t r o la n da v o i d i n gs p i t e f u l l y d e f a u l t i n gp a y m e n t t h ei t e m , u s i n gt h em e t h o do fn e t w o r km a n a g e m e n ta n dd c p l b u sd e s i g n e db yo u r s e l v e s ，i n v e n t e dac o m p l e t es e to fn e t w o r kp r o d u c t i o n , i n c l u d i n g h a r d w a r ea n ds o i t w a r e t h en e t w o r kp r o d u c t i o nh a v ee f f e c t i v e l ys o l v e dt h et h r e e p r o b l e m s m yw o r ki nt h ei t e me m p h a s i z e so nt h ed e s i g no fn e t w o r kb r i d g ei n c l u d i n g s o l , w a r ea n dh a r d w a r ea n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo f n e t w o r k b r i d g e k e y w o r d s ：d c p lb u s ，n e t w o r kb r i d g e ，p r o t o c o l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，涂了烟以标注释致落懿部分乡 ，不包含其缝久已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中 乍了明确鲍说强。 研究生签名：i 氛殳波。以年。月2 文目 学位论文使用授权声踞 南京理工大学有投保存本学位论文的电子鞠纸矮文档，可以借阅 或上刚公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅溅上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于傈密论文，绞绦密静有关甄定帮程| | 芋处理。 研究生签名：一箍、鍪遮如年毛月辣嚣 南京理工大学硕士论文基于用户信息的配电自动化低压同管理网桥 1 绪论 1 1 课题背景 当前节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针。中国拥有十三亿人口， 占了全世界人口的四分之一，从而我们人均占有能源率低，同时能源浪费却很严重， 所以我国确实面临着十分严重的能源危机。我国政府以高度重视能源安全，提出建 设节约型社会，加快城市信息化建设，从而促进经济社会的可持续发展。 电能是人民生活必不可少的生活资源，是我国城市人民生活的四大供保资源 ( 供水、供气、供电和供热) 之一，而目前随着我国经济的快速发展和人们生活水 平的不断提高，人们用电需求量与日剧增，而我国在电力资源需求侧管理方面还是 传统的、比较落后的管理方式，能源浪费惊人。当前我国电力公司面临着三大难题： 1 ) 供电用户收费难；2 ) 抄表到户人员管理、用户管理难；3 ) 供电资源输配信息 化管理难( 无法提供输配参数) 。所以解决这三大问题是电表类产品和供电终端产 品的发展方向。要解决这三大问题，具体的说就是要解决远程数据传递、远程对电 表监控管理、防止恶意拖欠电费等问题，也就是说要实现我国居民用电需求侧的数 字化管理。 实现我国居民用电需求侧的数字化管理是我国配电自动化的重要内容。配电自 动化的提出是由于：我国经济水平和人民物质水平的不断提高，对电力需求愈来愈 大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性的要求 越来越高，甚至连发生电源的瞬时中断也不能忍受，所以要求电力供应部门提供可 靠的、安全的、经济的和高质量的电力；而我国现在采用的传统的技术和管理手段 已经不能适应这一新的趋势；配电自动化就是为了解决这对矛盾才提出的。 配电自动化是对配电网上的设备进行远方实时监视、协调及控制的一个集成系 统。它是近几年发展起来的新兴技术和领域，是现代计算机技术和通信技术在配电 网监视与控制上的应用，实践表明，配电自动化可以大大提高配电网运行的可靠性 和效率，提高电能的供电质量，降低劳动强度和充分利用现有设备的能力，从而对 于用户和电力公司均能带来可观的收益。配电自动化的概念是：通常把从变电、配 电到用电过程的监视、控制和管理的综合自动化系统称为配电管理系统( 简称d m s ) ， 其内容包括配电网数据采集和监控( 简称s c a d a ，包括配网进线监视、配电变电站 自动化、馈线自动化和配变巡检及低压无功补偿) 、地理信息系统、网络分析和优 化、工作管理系统、需方管理包括负荷监控及管理和远方抄表及计费自动化和调度 员培训模拟系统几个部分【l 】翻。 配电自动化是电力系统的必然趋势，它的主要的意义在于：在正常运行情况下， 通过监视配网运行工况，优化配网运行方式：当配网发生故障或异常运行时，迅速 j 墅生一一一一 壹塞翌三查兰翌主丝苎 检查出故障区段及异常情况，快速隔离故障区，及时恢复非故障区用户的供电，缩 短对用户的停电时间，减少停电面积；根据配网电压合理的控制无功负荷和电压水 平，改善供电质量，达到经济运行目的；合理控制用电负荷，从而提高设备利用率； 自动抄表计费，保证抄表计费的及时准确，提高了企业的经济效益和工作效率，并 可以为用户提供自动化的用电服务等。配电自动化在人力尽量少介入的情况下完成 大量的重复性工作，这些重复性的手工操作通常有查抄用户电度表、监视和记录变 压器油温、检查核对配电变压所的负荷、沿配电线路合或分开关、投入或撤除补偿 电容器、升降有载调压装置分接头以调节电压等【3 】【4 】。 配电自动化的内容和特点就决定了配电自动化的系统结构应当是一个分层、分 级、分布式的监控管理系统，应遵循开放系统的原则。当今我国许多公司在继电保 护、电力通信网与电网调度自动化系统等，主要按照变电站级作为一个完整的通信 控制分层。配电自动化系统整体设计可分为配调中心层、变电站层、中压网层和 低压网层。配调中心层、变电站层和中压网层都已经实现了信息化管理，只有低压 网层在这方面还是空白的。而低压网层是直接面向居民的，如何实现面向居民的低 压网层信息化管理的问题正是本课题所要研究的i s 0 3 。 低压网层是面向l o k v o 4 k v 配电变压器低压侧用电用户，实现对各负荷节点 的测量与控制，如用电需求侧复费率计量、负荷控制、用户配电终端维护管理等， 并通过中压网、城域网与配电自动化调度中心、结算中心进行数据通信与配电管理。 低压网在“营、配合一”的系统中是配电、营业系统的主要网络，该网络的 主要特点是需求侧单点通信量小，但负荷节点面广量大。因绝大部分低压用电需求 侧用户在0 4 k y 低压网层。故最终的低压网的配电自动化必将是用户复费率计量、 配电终端系统维护管理，负荷管理等集成为一体的系统。 目前我国采用单一功能的低压载波电能表、复费率电能表，进行用电需求侧网 络复费率计量、复费率结算、计量仪表监察、计量数据安全、负荷节点控制、配电 终端维护管理等，在技术上都存在一定的困难。特别注意的是：用电需求侧网络复 费率综合管理，不是采用简单的复费率电表管理。即用科学的认识观理解市场需要 技术的本质。 至于采用i c 卡电表、电力载波通讯电表或复费率电表都是技术条件，并不是 我国急需供电需求侧数字化管理市场所需要的本质。所以，我国供电需求侧数字化 管理系统设计过程中并不是技术问题，而是设计理念问题。因为我国有上百家公司、 研究机构及大量的科技人员以通过十几年的技术研发，大部分专家是在谈技术，技 术专家并没有谈市场需要的本质。通过当今市场应用现状，已经证明许多技术专家， 并没有谈到我国供电需求侧数字化管理市场中，所需要的产品系统及信息服务的本 质。 2 南京理工大学硕士论文基于用户信息的配电自动化低压同管理两桥 只有懂得、感悟到市场需要，并满足市场需求的产品，才能得知产品设计与创 新。而采用i c 卡电表、电力载波通讯电表或复费率电表，因可靠性不好、应用系 统服务中，简单抄表服务所造成的法律问题较多，也是我国现今电力行业公司无法 普及推广应用的主要问题。另外，由于上百家公司、研究机构大量投资及大量的科 技人员以进行十几年的技术研发，也足以说明我国市场空间十分巨大【7 】【8 】。 现有的电能表( 电子式或机械感应式) 是非常优良，并通过市场长期进化而来 的一次计量仪表( 优点：维护量极低、计量标准、计量互动信度、可靠耐用、价格 低廉，市场需要的本质) 。并不需要在低压需求侧居民电能表内研发各类i c 卡、载 波、复费率电能表，造成电能表品种繁多、可靠性极低、系统维护难度以及社会服 务诸多重大问题。同时，技术专家提出采用上述品种繁多的智能化电能表，通过十 几年的市场推广应用，至今也不能实现我国低压用电需求侧市场数字化管理的信息 终端产品。电能表是计量器具，不是管理器具。而断路器、漏电保护器是管理器具， 计量器具与管理器具，在应用服务中功能不同类，所以一定是分离设计的，来解决 供电市场服务中不同服务功能。 图1 1 1 我国电力需求侧管理资源计划 有鉴于此，课题组根据我国电力需求侧管理资源计划- - - - - d s m r p ( d e m a n ds i d e m a n a g e sr e s o u r c ep l a n n i n g ) 所提出的规划建设电力系统需求侧网络服务信息平 台并组建电力系统需求侧网络服务运营公司的要求，从我国的自己实际国情出发， 研发了网络智能用电计量配电信息终端、d c p l ( d i r e c tc u r r e n tp o w e rl i n e ) 网 络管理预收费网桥及系统监控服务管理软件等一整套产品。 3 南京理工大学硕士论文 该套产品不仅可以实现网络化远程抄表和对电表进行远程监控管理，而且还可 以实现对用户的电费预收费的功能。不仅解决了电力公司的三大难题，而且还符合 我国城市信息化建设的要求。所以，用电计量配电信息终端等一套产品的刨新，是 对我国配电自动化低压网层需求侧信息化市场需要的本质，是进行了科学的认识后 创新而成的，并不是简单的谈技术方案。 电力需求侧管理资源计划如图1 1 1 所示( 该图来源于“城市供保资源现代服 务产业市场报告”) 。 1 2 国内外发展形势 电能计量是电力公司和用户间结算电费的依据，在市场经济体制下，其重要性 就更为突出。不管是国内还是国外，电力公司部在努力的运用市场机制来促进提高 电业和用户两方面的经济利益，保证电业在公正的积累资金的情况下促进自身的发 展。 1 2 1 国外电能计量系统现代化发展状况 1 8 9 0 年意大利科学家弗拉里奥发明了感应式电能表，到了二十世纪初迅速普及 应用，促进了电能的商品化生产。此后继续发展为机械耦合式分时多费率电能表。 1 9 3 0 年英国东部电力局e e b 首次应用l g 公司的“t r i v e 圮t o r 表计对最大需量进行 计量。1 9 5 2 年意大利e n e l 公司的t m e n 电力系统采用了磁带记录的m d 和t o u ( 分时) 电能表。6 0 年代各种总加表，遥测表也陆续出现。电子技术的发展也促使 了感应式电能表和电子部件的相结合，实现了多种型号的多功能电能表。 1 9 8 0 年大规模集成电路( l s i ) 取得突破性发展，对电能计量产生了划时代的 影响，固体电瓶表逐步取代了感应式电表。随着电能表数据采集技术得到了稳步发 展，相继出现了预收费电能计量系统、网络远程抄表系统和手掌机无线抄表系统。 典型的生产这些产品的国外公司有英维思( i n v e n s y s ) 、德国米诺测量技术有限公 司、著名的供拉德达丽亚公司及a b b 公司，国外各大公司的电能计量系统都没有 统一的标准，基本是9 0 年代各公司根据本国国情开发的抄表系统，因为国外住宅 较为分散，户外人工无线手掌机抄表为主要方式。 国外各大公司的电能计量系统都是采用工业集散系统采集模式，电表通过简单 的技术上的二次开发，如在电表上加装传感器或具有r s 4 8 5 接口的计量表具，并进 行功能单一的数字采集抄表系统。其电表产品都不是网络化的、可以信息交互的终 端产品，从而不进行电力资源市场化的信息交互服务管理，也就无法实现广域网络 的信息服务与管理。 所以国外的各大公司的电能计量系统在我国推广应用的过程中，因管理及市场 文化的不同，引进的产品无法实现标准的网络化计量信息终端，推进我国城市电力 4 一 t 南京理工大学硬士论丈 基于甩户信息的配电自动化低压网管理网桥 市场的信息化管理及运营。通过十几年的考察国外以及试点应用，至今也没有一家 公司产品，能适应我国供保资源信息网络服务运营及市场文化的需要【9 1 【埘。 1 2 2 国内电能计量系统现代化发展状况 由于我国存在巨大的电力供保资源服务网络用户的市场空间，所以十几年来我 国有上百家公司、研究机构及大量的科技人员参与电能计量集中抄表，主要研发了 以下三种电能计量抄收系统： i ) 远程脉冲抄表系统 该系统采用非智能型脉脉冲远传电能表具，每个电能表都有脉冲信号线接入集 中抄表器，每个集中抄表器都要处理十几个电表，并进行脉冲计数和数据管理。集 中抄表器与表具之间不能信息交互，它只能简单的计数抄表。 2 ) i c 卡抄表系统 i c 卡抄表系统仅能实现自动收费，但它有一个显著的缺点就是不能实现网络化 管理，管理中心得不到电表的即时参数，不能及时对它进行维护 3 ) 电力载波抄表系统 电力载波抄表系统采用低压电力线路进行载波通信，但由于一些功率大的家用 电器容易对电力线载波通信产生电磁干扰，同时大量的电表接入电力线通信使得电 力载波通信的负载很大，所以，这种方式可靠性比较低“”“”。 所以我国现阶段所出现的抄表系统仅仅是原有技术上的二次开发，并没有本质 上的发展，通过实践也证明了它们并不能满足我国电力需求侧信息化管理的需求。 ，。矗? 嬲溉一密一嬲岳嬲舰一| h i 一酬一，镕# 明 图1 3 1 城市社区配电低压网层需求侧用电管理接入网系统 1 3 课题的提出 为了响应我国大力发展节约型社会的号召，满足城市电力系统需求侧信息化建 设的需要，弥补我国面向居民的配电网低压网层需求侧信息化管理的空白，课题组 充分利用先进的计算机技术和自动化通信技术研发了d c p l 网络智能用电计量配电 信息终端、d c p l 网络管理预收费网桥和运行在上位管理机上预收费系统的监控管 理软件等一整套先进产品。由这些产品组成的系统网络图如图1 3 1 所示，在这系 统中本课题所做的主要工作是在熟悉整个系统如何工作的条件下，研究d c p l 网络 预收费管理网桥的软硬件的设计。 6 一 南京理工大学硕士论文基于用户信息的配电自动化低压阿管理同桥 2 基于d c p l 现场总线的网络化预收费管理系统 2 1 系统概述 从图1 3 1 中我们可以看到网络智能用电计量配电信息终端与用户电能表( 脉 冲感应式机械电表或者是电子电能表) 连用，封闭在一个防窃电仪表箱的里面，这 个组合具有防雷、防窃电、过载保护、漏电保护、网络可遥控断路还有复费率管理 等功能，它与预收费管理网桥之间是通过自行研制的d c p l 网络总线进行通信。 d c p l 全称为d i r e c t c u r r e n t p o w e r l l a e ( 基于直流电的电力线载波通信) ，实践证明 一些常用现场总线如基金会现场总线、c a n 现场总线还有r s - 4 8 5 总线等等都不适 合来解决网络智能用电计量信息终端的通信问题，所以课题组就自行研制了一种 d c p l 网络总线，它是一种可进行远程寻址的、具有现场总线类似体系结构的、两 线制的、无极性可以供电的、全双工现场通信总线。预收费管理网桥与小区管理上 位计算机之间是通过成熟的现场总线技术r s - 4 8 5 进行通信，结构如图2 1 1 所示， 由于计算机本身只带有r s - 2 3 2 串口，所以要设置一个r s 2 3 2 到r s - 4 8 5 的转接口。 同时预收费管理网桥还可以和红外维护手持机、配电自动化系统中的1 1 u 终端进 行无线通信。 幢嚣扦t 鬈曩j 卫玮蠕l t 雒囊l 曩t 拜奢 麓靠囊i 图2 1 1d c p l 网络用电计量配电信息终端接入网系统的物理结构 前面一段说明得主要是系统的大体结构组成，整个系统的工作原理是：上位计 算机( 社区管理计算机) 通过多种通信方式( r s - 4 8 5 总线或者无线方式) 向网络预 收费管理网桥发送读取下位用户用电计量配电信息终端的数据或者设置其参数命 令的数据包，网络预收费管理网桥收到数据包后，要对数据包进行处理，然后重新 7 基于d o l 现场总线的网络化预收费管理系统南京理工大学硕士论文 打包为新的数据包转发给下位用电计量配电信息终端，下位配电信息终端收到数据 包以后，按照命令数据包的要求对电能表进行数据采集或者参数设置，然后下位用 电计量配电信息终端把数据或应答信息组成数据包，并把数据包返回给网络预收费 管理网桥，网桥收到数据包后对数据包进行处理，并重新生成对应于上位计算机的 应答数据包返回给上位计算机。这样上层管理部门就可以快速、准确地获得用户用 电计量配电信息终端的相关信息，真正实现了远程自动抄表和对用电计量终端的监 控管理，同时还能为电力调度中心提供输配电参数，为它的负荷管理提供了数据上 的支持。 在实际应用中，整个系统的具体工作管理模式是：以一个拥有多个居民楼的居 民小区为例，每个居民小区的每家每户都装上网络智能用电计量配电信息终端，每 个居民楼都安装一个网络预收费管理网桥，这个小区还要设置一个计算机管理中 心。网络智能用电计量配电终端实时采集并存储用户数据，网络预收费管理网桥每 隔一段时间读取并存储配电终端中存储的用户数据，上位计算机管理中心也每隔一 段时间读取各个网络预收费网桥中存储的数据。上位管理计算机可以发送命令调用 用户的数据进行分析，也可以设置和修改一些参数如峰谷时间、收费标准、下限报 警电量、系统的工作状态和运行参数等，对系统进行实时监控管理，来保证系统的 正常运行，当遇到用户拖欠电费时，可通过上位管理计算机发送断电的命令来实现 远程断电。上位计算机也可通过广域网或无线通信方式把用户的一些数据发送给电 力管理中心，从而为电力部门的电力分配及供电决策提供了实时现场数据，方便了 管理。 同时该系统还具有电量网络预收费的功能，每个居民用户都可以拥有一张个人 的信息射频i c 卡，卡上记录了居民个人的用户帐号、密码、电量等个人信息，居 民用户可以到各个地方的电力营业部门先预先购买一定电量，也可到社区计算机管 理中心，利用读卡器直接将购电电量输入计算机的数据库中，社区管理计算机会自 动把用户的购买电量的数据通过网络直接发给居民用户的智能用电计量配电终端。 当社区管理计算机与预收费管理网桥之间出现通信故障时，用户也可凭i c 卡通过 预收费管理网桥把信息传输给用电计量配电信息终端。用户配电终端收到数据后， 更新用户电量剩余量，同时把i c 卡中存储的电量数据清零。当用户用电计量配电 终端中的电量剩余量低于下限值时，用电计量配电终端中的报警器将每隔一段时间 发出报警的声音来提醒用户去购买电量，用户重新购买电量以后就停止报警，如果 用户没有购买，等剩余电量用完后就切断电源，停止给该用户供电。所以网络预收 费的功能节省了供电部门的人力物力和财力，有利于资金的回笼，避免了不必要的 损失。 由于上位管理计算机中的管理软件处于开放的操作系统平台内，可以和外界网 3 南京理工大学硕士论文基于用户信息的配电自动化低压喇管理两桥 络互相通信，所以有可能受到病毒的侵入，另外也可能出现非法纂改或破坏用户数 据，或者是误操作等等原因，危及了系统数据的安全性，而在此系统中数据的安全 性关系到居民用户的切身利益，所以非常重要，所以该系统采取了以下一些措施来 保证系统数据的安全可靠： 1 ) 利用预收费网桥和配电终端的内存空间备份用户的历史数据，当上位管理计 算机数据被破坏时，可以通过巡检命令用预收费网桥和配电终端中内存的数据恢复 上位管理计算机中的数据； 2 ) 将管理操作人员的管理权限分级，低级权限操作人员禁止傲某些操作，这 样来防止非法操作或误操作； 3 ) 在数据通信中采用面向字节传输的奇偶校检和面向信息帧的累加和校检， 及时向上位管理计算机发送错误报告； 4 ) 在数据通信过程中对数据进行了加密处理，对某些用户数据只有通过密码 校检成功以后才能读取和修改，这样来防止恶意纂改用户数据。 2 2 用电计量配电信息终端接入网系统 用电计量配电信息终端接入网系统如图1 3 1 所示 2 2 1d c p l 现场通讯总线网络 图2 2 1 1d c p l 网络接入系统示意图 如图2 2 1 1 所示用电计量配电信息终端接入方式是采用的自行研制的d c p l 现 场通讯总线，d c p l 全称d i r e c tc u r r e n tp o w e rl i n e ，称为基于直流电的电力线载波 通信，它遵循欧洲发布的电器联网标准m e t e r - b u s 仪表总线，m e t e r - b u s 仪表总线是 为了远程读取热表制定的一种新的欧洲标准。由于现有的现场总线如基金会现场总 9 。矗 。 ? 一l 。一 线( f f ) 、控制局域网络( c a n ) 、过程现场总线( p r o f i b u s ) 、r s - 4 8 5 等都无法 应用在网络用电计量配电信息终端上，而d c p l 网络总线很好的解决了问题。 d c p l 是一种新型的低价格、低功耗的现场总线。d c p l 网络通信是指网络预 收费管理网桥通过d c p l 的网络线，向d c p l 网络用电计量配电信息终端提供电力 为2 4 伏以下安全电压的直流电源，同时网络预收费管理网桥与d c p l 网络用电计 量配电信息终端之间进行载波通信。 d c p l 网络是可以实现寻址的远程网络，它具有与现场总线类似的体系结构及 总线式数字通信功能。由于d c p l 网络是在直流供电线路上叠加了f s k ( 频移键控) 数字信号，因而，模拟通信和数字通信可以同时进行，这就保证了网络上每个用电 计量配电信息终端的电源供给和数字通信可以同时兼容，可以在一根双绞线上连接 多台现场用电计量配电信息终端。所以它是能够适应用电计量配电信息终端的现场 总线，是寻求安全电压、两线制、低功耗、低成本的现场总线的解决方案。 2 2 2 网络智能用电计量配电信息终端 网络智能用电计量配电信息终端是由网络可控短路抄表器、电能表( 机械感应 式或电子式) 、防窃电仪表箱组成，如图2 2 1 所示。电能表的输出通过计数脉冲整 形电路与抄表器内部的c p u 微处理器连接，该c p u 通过专用的调制解调器芯片与 d c p l 网络连接，c p u 上还连接数据存储器、脱扣开关断路电路控制、仪表箱状态 检测传感器等，来完成电能表电量计数脉冲的判断采集、控制，并与d c p l 网络进 行双向通信的功能。 网络智能用电计量配电信息终端的主要性能有： 1 ) 电表与配电终端分离设计，可靠性高、功能多、组合方便，充分利用了现 有电表，成本低； 2 ) 能实现防雷、防窃电、漏电保护、过载保护和网络远程可控断路的功能； 3 ) 系统组网灵活可以实现信息交互的功能； 4 ) 网络智能用电计量配电信息终端常用参数有：表具系数、表具编号、表具 底数、表具累加数、表具通信地址，这些参数可以通过手掌维护机或上位管理计算 机进行设置、修改和维护。 网络智能用电计量配电信息终端的主要技术指标有： 1 ) 网络智能用电计量配电信息终端通讯接口，两线制d c p l 网络； 2 ) 网络智能用电计量配电信息终端通讯符合r r u tv 2 3 规范及d l 6 4 5 1 9 9 7 通信规约； 3 ) d c p l 网络可支持1 2 0 0 b p s 全半双工方式的数据通信； 4 ) 网络智能用电计量配电信息终端的正常工作电流最大为3 m a ； 1 0 南京理工大学硕士论文基于用户信息的配电自动化低压网管理网桥 5 ) 网络智能用电计量配电信息终端启动断路器的工作电流最大为1 6 m a ； 6 ) 网络智能用电计量配电信息终端通过网络由上位计算机远程遥控断路器的 开闭； 7 ) 网络智能用电计量配电信息终端系统有网络化预收费与复费率管理功能； 8 ) 网络智能用电计量配电信息终端技术指标符合国家标准g b 6 8 2 9 9 5 和 匝c 8 9 8 8 7 、m c 7 5 5 标准。 图2 2 1 网络智能用电计量配电信息终端 2 2 3 网络预收费管理网桥 由于网络智能用电计量配电信息终端工作现场设置到居民的每家每户，计算机 管理中心通过总线直接和配电信息终端进行通讯的做法很不现实，所以要在居民点 设置网络预收费管理网桥，计算机管理中心通过预收费管理网桥与配电信息终端进 行通讯。网络预收费管理网桥所起的作用就是对数据进行存储转发，实现两种不同 总线物理和通信协议上的桥接。网桥具体物理结构见第三章。 网络预收费管理网桥的主要技术指标有： 1 ) 网络预收费管理网桥主要用于楼宇或住宅小区网络智能用电计量配电信息 终端的自动管理； 2 ) 网络预收费管理网桥与网络智能用电计量配电信息终端进行全双i 半双工 d c p l 网络通讯； 3 ) 对两线制d c p l 网络供电电压为d c 2 4 伏； 4 ) 每台网络预收费管理网桥可管理网络智能用电计量配电信息终端，大于“ 台； 5 ) 网络预收费管理网桥供电电源2 2 0 v a c _ + 1 5 ： 6 ) 网络预收费管理网桥通过红外通讯接口与手掌维护机通讯； 基于d c p l 现场总线的网络化预收费管理系统南京理工大学硬士论文 7 ) 网络预收费管理网桥通过r s - 4 8 5 或无线数据通讯与上位管理计算机进行通 讯； 8 ) 网络预收费管理网桥与t 1 u ( 配变监测终端单元) 通讯( 或小区管理计算 机) 可采用通用9 0 0 m h zi s m 频段无线数据通讯，g m s k g f s k 调制和解调，抗干 扰能力强； 9 ) 采用d d s + p l l 技术，频率稳定性好；灵敏度高达一1 0 0 d b m ，最大发射功率 达+ 1 0 d b m ：数据速率可达7 6 8k b i f f s ； l o ) 可1 7 0 个频道，适合需要多信道工作的特殊场合； 1 1 ) 小区内无线通讯距离，开阔地段为l l m ； 1 2 ) 网络预收费管理网桥与用户有信息显示交互窗口； 1 3 ) 网络预收费管理网桥具备分布式数据安全。 2 2 4 社区上位管理计算机 社区计算机管理中心是由一台高级计算机和相应的系统管理软件及数据库组 成，其主要工作就是通过系统管理软件实现对用户用电计量配电信息终端数据信息 的抄收，对配电终端及相应的网络预收费管理网桥进行控制、维护和管理，对数据 进行存储、统计、分析、查询及报表打印，上传数据至各个行业公司和控制终端， 从而达到低压网用户用电需求侧的信息化管理。 2 2 5 红外手掌机 该系统中选用红外手掌机的理由是，手掌机作为一种短距离的通讯介质，红外 传输与其他传输介质相比，首先低成本的红外发射器和接收机就可以完成很高速率 的传输；其次它跟可见光波长相近，传输的特性非常相似，因此，操作人员可以依 照日常的知识来掌握和使用红外手掌机，无需特别的培训；另外，红外通讯可以采 用简单的强度调制和定向传输，可以避免多径干扰，简化了连接装置的设计。 图2 2 5 1 红外手掌机应用功能框架图 红外手掌机在此系统的应用主要是对网络预收费管理网桥和网络智能用电计 量配电信息终端进行操作，来设置、修改和维护配电信息终端的参数。红外手掌机 的操作功能图如图所示 2 3 系统的软件管理系统 * 圈2 3 1 整个软件管理系统的功能框架图 整个软件管理系统的功能模块划分为八大块，分别为用户管理、预收费管理、 系统运行、系统管理、设备维护、数据处理、数据查询和数据维护，系统功能框架 图如图2 3 1 所示。 用户管理功能就是对用户的各种基本信息进行管理，包括新建、修改、删除和 查询的用户的基本资料，也就是对基于用户基本信息的数据库进行各种操作。 预收费管理是对用户所用的电的资源用量进行管理，预收费管理实现流程图如 图2 3 2 所示充值成功后，通过网桥把充值数据下传到目的终端，目的终端再进 行处理。 系统运行功能主要是完成对数据的上传和下发的功能，包括数据包的组装和拆 封，校检出错重发等。 系统管理功能是实现对于系统员工档案，各个角色和角色权限的管理，对单价 调整、复费率时段更改进行管理。 图2 3 2 预收费管理流程图 设备维护功能是对网络预收费管理网桥和配电信息终端的表具参数、通讯地址 等进行修改、设置和维护。 数据处理管理功能包括非预收费用户月结算、预收费用户月统计、手掌机数据 导入、数据补偿及用户抄表统计等。 数据查询功能主要是提供对用户的查询管理，它提供多种查询条件组合查询， 便于用户的查询。它包括查询用户的抄表记录、月报表记录、以及用户购买电量记 录、设备的查询等。 数据维护功能包括对数据库的删除、以及数据的导出等，数据库的删除是针对 历史数据库中过时的数据进行删除、备份；数据的导出是将本系统中的数据库中的 数据以其他数据库中数据类型导出。 1 4 量塑望塑里竺坠堡苎 薹三旦芝堕星堕里皇鱼垫些堡垦苎篁翌塑堡 3 对网桥的研究 3 1 网桥 网桥也称为桥接器，如图3 1 1 所示，网桥工作在数据链路层，它能连接两个 局域网，根据m a c 地址来存储转发数据帧。网桥工作在数据链路层，数据链路层 又分为逻辑链路控制子层( l l c ) 和媒体访问控制子层( m a c ) ，不同局域网结构 上的差异主要体现在m a c 层，因此网桥被用于各种局域网中m a c 层的转换。 网 图3 1 1 工作在数据链路层中的网桥 段b 图3 1 2 网络中的网桥 网桥能把一个较大的局域网分割成多个网段，也能将多个局域网互连为一个逻 辑上的局域网，使局域网上的各个主机共享资源，如图3 1 2 所示【1 3 1 3 2 网桥的分类 3 2 1 透明网桥 透明网桥主要用于连接两个或多个局域网网段，每个局域网网段必须使用相同 的技术，透明网桥不修改数据帧，完全根据局域网m a c 子层信息进行转发。在转 发过程中，透明网桥对数据进行缓存，并按照要传送到的控制协议进行转发，它对 任何数据是透明的，主机感觉不到透明网桥的存在。 3 2 2 转换( 翻译) 网桥 转换网桥是透明网桥的一种特殊形式，它主要是用来实现使用不同协议的不同 局域网之间的互连。转换网桥通过修改发送过来的一个局域网数据帧以适应要转发 的目的局域网的数据帧格式。转换网桥在转发过程中首先要存储数据。 3 2 3 源路由网桥 源路由网桥主要用于网络中连接速率不同的局域网，它要求信息源提供传递数 据帧到达目的主机所需要的路由信息，它不需要保存转发数据，信息源在发送数据 时先通过“路由探询过程”来获得到达终点的路由信息。每个源路由网桥通过网络 的途径标识和探询帧进行数据的转发。 3 2 4 生成树网桥 用生成树网桥连接的网络中不允许有回路，生成树网桥彼此之间传递特殊的信 息，来使他们能计算生成树。生成树网桥的主要目标是提高网络循环连接的可用性， 同时消除网络连接带来的问题。 当网络上两台主机a ，b 之间有几条路径连接，根据生成树算法，每个网桥都 把它的根端口和其他端口连接到网络上，把网桥中被选择为指定端口的端口置为转 发状态，剩下的端口则处于阻塞状态，同时每个网桥每隔一定时间就向网络中广播 自己的标识和局域网中其他网桥的生成树表，根据生成树算法，选择最好的路径置 为转发状态。一旦最佳路径发生故障，则重新计算，把原来处于阻塞状态的端口置 为转发状态，保证网络连接的唯一性。 3 3 网桥的操作 3 3 1 获取地址表 阿桥接收到数据帧以后，根据自己内存中存储的地址表进行转发，地址表是由 网络主机m a c 地址和网桥的端口号组成，网桥必须获得m a c 地址和网桥端口之 间的对应关系。网桥与局域网或网段相连时，会监测该网上的所有局域网数据帧， 1 6 南京理工大学硕士论文 基于用户信息的配电自动化低压网管理网桥 一旦监测到某个端口上节点发来的数据帧，就提取该数据帧的源m a c 地址，并将 该m a c 地址和接收该帧的端口之间的对应关系加入到该网桥的地址表中去。 3 3 2 转发或过滤数据帧 如图3 3 2 1 所示，在局域网中，当主机a 向主机c 发送数据帧时，网桥收到 数据帧，通过查找网桥中的地址表，找到了该数据帧的目的地址和网桥端口的对应 关系，就把该数据帧转发到该端口。需要注意的是，当网桥在某接口处收到广播帧 或多播帧时，网桥需要向其余的端口进行转发。 当主机a 向主机b 发送数据帧时，由于主机a 和主机b 处于同一个物理网段， 如图3 3 2 1 所示，所以网桥并不转发数据帧，而是选择丢弃数据帧即过滤数据帧。 如果主机a 向主机c 发送数据帧，在网桥地址表中没有找到日的m a c 地址和 网桥端口的对应关系，网桥就会把这个发往未知目的m a c 地址的数据帧向除该帧 源端口外的其余端口进行转发，这种情况下，网桥实际上充当的是集线器的角色， 确保使信息没有停止发送。 主机a主机b 3 4 网桥的功能和作用 主机c主机d 图3 3 2 1 连接两个局域网的网桥 3 4 1 网桥的功能 网桥作为连接两个或两个以上的局域网或网段，必须具备以下几个功能： 1 ) 过滤和转发 过滤速率表示网桥在同一网络中接受、检查和再生帧的能力；而转发速率则表 示网络向不同网络传送帧的能力。较高的过滤和转发速率代表着网桥具有着高性 能。 1 7 塑堡塑墅塞 堕塞堡三查兰堡主丝壅 2 ) 选择性转发 具有选择性转发能力的网桥可以配置为根据事先定义的源地址和目的地址选 择性转发数据帧。依靠选择性转发能力，可以定义数据帧在网络间传送的路由，并 允许或禁止在预定义的主机之间传送信息。 3 ) 对多端口的支持 网桥除了支持构成网桥的两个基本端口外，还应支持额外的端口，这样网桥能 连接更多的局域网。 4 ) 对局域网接口的支持 网桥支持的局域网物理接口包括以太网同轴和粗同轴电缆、i e e e i o b a s e - t 及 其它类型的双绞线。 5 ) 透明性 网桥被看作是对数据透明的，对在同一地理区域内互连的不同网络而言，网桥 通常对数据传送是透明的。 6 ) 帧翻译 当网桥互连两个不同类型的局域网时，网桥必须对数据帧进行翻译，从而使一 个局域网上的数据帧能适应另一个局域网上的数据帧。 7 ) 选径方式 网桥的选径能力决定其互连的局域网的能力及性能水平透明网桥能自动生成 路由表，这种网桥称为自学习型网桥，这也是最基本的网桥选径方式【1 4 】1 1 s 1 阚。 3 4 2 网桥的作用 网桥在连接网络时，在网络中起到如下的作用： 1 ) 网络互连的作用； 2 ) 连接相同或不同类型局域网时的服务； 3 ) 通过将网络分段，降低网络上的信息流量； 4 ) 克服网络物理上的限制。 南京理工大学硕士论文 基于用户信息的配电自动化低压同管理网桥 4d c p l 网络预收费网桥的硬件结构设计 顾名思义，网桥就相当于网络中的桥梁，负责连接不同或相同结构的局域网，实 现异构局域网物理结构和网络通讯协议上的桥接。本人所研究的d c p l 网络预收费网 桥在原理上也不例外，在整个系统中，它所起的作用是负责管理上位管理计算机和现 场配电信息终端之间的通讯，它可将现场配电信息终端的信息通过d c p l 总线传到上 位管理系统，也可将上位管理系统发来的信息通过网桥传给现场配电信息终端，通过 它能使上位管理系统快速有效地对现场设备进行监控管理。 4 1 网桥的硬件总体设计 4 1 1 网桥硬件所要实现的功能 d c p l 网络预收费管理网桥硬件电路部分主要由四大功能模块组成。第一部分是 网桥与现场配电信息终端之间的通信模块，第二部分是网桥内部数据处理模块，第三 部分是网桥与上位管理系统的通信模块，第四部分网桥与红外手掌机的通信模块。 此外，网桥还要具有一定的数据备份功能，以及在网桥工作时，还要具有通讯工 作状态指示功能，另外，由于网桥内部器件的工作电压不同，及网桥还必须向下位配 电信息终端提供电源，所以网桥还必须提供完备的工作电源。 4 1 2 网桥的硬件总体设计图 根据网桥硬件电路所要实现的功能，我得到网桥的硬件总体设计图如图4 1 2 所 示。 道 。刮融峨鲢蕊i ，啾器陋茸 同桥控制器 信 圈 逻 显和啜b 譬 辑 c ：一d 锈t 现场息线 l 看门狗l 选 _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ - - - 一 撵 吲魏皤b l 复位电路i 电 = 刮r 8 4 8 5 总线 路 图4 1 2 网桥硬件总体设计框架图 从图中可知网桥内部控制器是由带看门狗电路和复位电路的单片机组成。单片机 是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力( 如算术运算，逻辑运 算、数据传送、中断处理) 的微处理器( c p u ) ，随机存取数据存储器限址d ，只读程序 存储器f r o m ) ，输入输出电路( v o 口) ，可能还包括定时计数器，串行通信n ( s c i ) ， 显示驱动电路( l c d 或l e d 驱动电路) ，脉宽调制电路( p w m ) ，模拟多路转换器及a d 转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电 1 9 路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。单片机可 分为8 位、1 6 位和3 2 位的三种规格，每种规格的单片机又根据应用领域的不同分为 不同的型号，其中8 位单片机是用途最广、用量最大和价格最低的一种单片机，对于 各种控制系统的通信接口控制和本文所设计的网桥来说，8 位单片机比较合适。 看门狗电路，它的作用是用来复位c p u ，当网桥启动开始工作时，看门狗就开 始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而 引起看门狗中断，造成c p u 复位，这样一旦遇到网桥死机，网桥内部c p u 就会自动 重启。 复位电路，用于单片机的复位。 外存储器用的是e e p r o m ，它用于保存网桥的设置状态和记录重要的借口控制 参数，在系统维修、掉电或发生其他意外情况后，只要再次上电，网桥即可继续工作 而不必再次设置和调整。 显示电路，它是用来提供可交互显示的窗口 时间电路，用来为网桥提供标准时间 通信逻辑选择电路，由于网桥的通讯方式较多，而网桥内部单片机通讯接口有限， 所以必须有一个接口转换和控制电路以协调网桥的各个信息通道，通信逻辑选择电路 就有这样的功能，它是由模拟开关电路组成，通过微处理器控制其各自的端口状态， 使同一时间内只有一个门电路处于通讯状态，从而实现不同通讯方式的目的。 网桥和上位管理计算机的通讯接口电路，它的作用是把网桥内部单片机的r r l 电平信号转换为r s - 4 8 5 的电平信