（电机与电器专业论文）电能量远程采集系统终端的研究.pdf

s t u d yo f t h ee n e r g yr e m o t et e r m i n a lu n i t a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a le l e c t r i cm e t e rs y s t e mh a sm a n ys h o r t c o m i n g ss u c ha st h e m e a s u r e m e n tn o tt ob ep r e c i s e ，w a s t i n gt i m ef o rm a r lt oc o p yt h et a b l e s ，t h et e d i o u s s t a t i s t i c sa n ds oo n a l o n gw i t hn e t w o r kt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，n e t w o r ka l r e a d y e x i s t si ne v e r y w h e r e ，p e o p l e sl i f e s t y l ea l s oa l o n gw i t h i t c h a n g e i nv i e wo f t r a d i t i o n a lo l d s t y l ee l e c t r o m a g n e t i s me l e c t r i cm e t e rs h o r t c o m i n ga n di n s u f f i c i e n c y ， a n du n i f i e dt h ec u r r e n tn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h i sa r t i c l es t u d i e sa n dd e s i g n sas e tt o t r a n s m i tb a s e do nt h ee t h e m e ta u t o m a t i c a l l yc o p i e st h et a b l es y s t e m a n d e m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dc o m m u n i c a t i o nd e s i g n so f e n e r g yr e m o t et e r m i n a lu n i t t h ec o l l e c t i n ge n e r g yr e m o t et e r m i n a lu n i ti st h en e c e s s a r ye q u i p m e r i to ft h e e n e r g yd a t as y s t e m i th a sb e e nak e yl i n ko ft h ea l t e r a t i o ni nt h ep o w e ra u t o m m i o n s y s t e m 埘mt h ee n e r g yd a t ac o l l e c t i n gs y s t e mo fa u t o m a t e d ，r e l i a b l e ，m a i n t e n a n c e c o n v e n i e n t t h i st h e s i si sb a s e do nt h ed e s i g nf o re n e r g yr e m o t et e r m i n a lu n i t i n t h i st h e s i s ，t h ei d e ao fr e a l t i m ee m b e d d e ds y s t e mi sa p p l i e di nt r a d i t i o n a le n e r g y d a t ac o l l e c t i n gs y s t e m t h es y s t e mi sp r o p o s e da sw e l l 拈d e s i g n e dc o n s i d e r i n gt h e c u r r e n ts t a t u so fa u t o m a t i cr e a d i n gm e t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g ya n d e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s e n e r g yr e m o t et e r m i n a lu n i tf o rt h e c o m m u n i c a t i o no f m a i n s t a t i o na n ds u b s t a t i o ni sp u tf o r w a r db a s e do nt c p i p ( p r m e p o w e rr e m o t em e a s u r e m e n ts y s t e mp r o t o c 0 1 ) t h ei n n o v a t i n gt e c h n o l o g i e sa r e p r o v e dt ob ec r e d i b i l i t ya n de f f i c i e n c yd u r i n gs y s t e mi m p l e m e n t i n g a n dt h et h e s i s e x a m i n e st h ev a r i o u sa l g o r i t h m st h a ta r ec u r r e n t l ya p p l i e dt oe l e c t r i c a lq u a n t i t y t r a n s d u c e ni ti d e n t i f i e sa n dp r o p o s e sam a g n i t u d ea l g o r i t h m ，a n df r e q u e n c y m e a s u r e m e n ta l g o r i t h m ，b o t ho fw h i c ha r eb a s e do nt h ef o u r i e ra l g o r i t h m t h e p r o p o s e dm a g n i t u d ea l g o r i t h mc a ne l i m i n a t et h ed e c a y i n gd cc o m p o n e n t ，a n dt h e p r o p o s e df r e q u e n c ym e a s u r e m e n ta l g o r i t h mc a l lp r o d u c e ah i g ha c c u r a t eo u t p u t t h e n e wm a g n i t u d ea l g o r i t h md o e sn o tr e q u i r et h ed e c a y i n gc o n s t a n trt ob ek n o w ni n a d v a n c e t h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n ta l g o r i t h mc a na c c u r a t e l yt r a c kt h es y s t e m f r e q u e n c yb ya d j u s t i n gt h ea m e n d a t o r yc o e f f i c i e n ti nr e a lt i m ea c c o r d i n g t ot h ee r r o r o f t h eo r i g i n a lf o u r i e rf r e q u e n c ym e a s u r e m e n ta l g o r i t h m k e yw o r d s ：e n e r g yr e m o t et e r m i n a lu n i t ；r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ；f o u r i e r a l g o r i t h m 图2 一l 图3 一l 图3 2 图3 3 图3 4 图4 一l 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图5 一l 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 插图清单 电能量远程采集系统组网示意图 e r t u 与调度端电量系统的联结 典型e r t u 设备的结构组成 r s 2 3 2 专线通信示意图 t c p 方式下的一对多通讯 非周期分量的频谱特性 仅含基波分量的信号的仿真结果 仅含谐波分量的信号的仿真结果 含谐波和衰减分量的信号的仿真结果 二周期调整次采样频率仿真 每一二周期调整次采样频率间误差 r s 4 8 5 通信网络， 串行通信端口原理框图 e r t u 系统的任务和中断设计示意图 可变帧长帧格式的数据帧结构 t c p i p 协议结构图 应用程序结构 t c p 客户端流程图 表格清单 表4 - 1在各频率下的对比仿真结果 4 1 0 1 1 1 2 1 3 1 8 3 0 3 1 3 2 3 6 3 6 3 8 3 9 ，。，4 1 4 3 ，4 4 4 6 4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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 佥壁王些太堂 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我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谢意。 学位论文作者签名：j 崭傣 签字日期乏；年月1 学位论文版权使用授权书 目 本学位论文作者完全了解盒胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阋。本人授权盒胆王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 强健 签字日期：2 帅b 年毛爿七日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：历刍 签字日期：彻6 年6 月占日 电话： 邮编： 致谢 本文是在万文斌副教授悉心指导下完成的，从论文选题，论文的撰写，直 到最后的修改和定稿无不倾注着导师的心血。导师严谨的治学态度、渊博的学 识、丰富的科学研究经验和高度的敬业精神使我终生受益匪浅，在此向导师表 示学生最真挚的谢意和最崇高的敬意f 感谢合肥工业大学电机教研室的各位老师以及各位同学，在读研期间给我 很大的帮助，从他们那里我学习到了团队合作精神和很多学习技巧与经验，使 我受益匪浅。 感谢我的父母，是他们无微不至的关怀和支持以及鼓励和督促，使我能够 顺利完成学业。向所有帮助过我的人致以最诚挚的感谢! 作者：张健 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 电能量远程采集系统国内外的现状 电能计量装置设在电能生产、传输和使用等各个环节中，用来计量发电量、 场用电量、供电量、损耗电量、销售电量等。如何准确及时、可靠地将这些计 量出的电量抄读回来，对电力部门来说是致关重要的事请，它的意义不仅仅反 映电能的使用情况，更重要的是它可直接反映出我们电力企业的销售量，实现 的产值以及相关的各项经济指标的完成情况，对于我们分析用电负荷的发展趋 势、用户的用电行为、加强营业管理、线损管理、表计管理、用户管理都是密 切相关的。但目前人工抄表方式效率低、成本高、质量差已成为我们经营管理 中的老大难问题，直接影响到我们电力企业的经济效益和社会效益成本。主 要存在问题如下“1 ： ( 1 ) 成本高，劳动强度大 ( 2 ) 造成线损统计不准 ( 3 ) 抄表质量低，不明损失增加 ( 4 ) 无法对用户用电行为有效监控 ( 5 ) 无法适应用电信息采集 ( 6 ) 限制了对用户监控及收费制度的改革 ( 7 ) 阻碍了抄表核收业务现代化 目前，s c a d a 系统获取电能量信息的渠道主要有两种方式：一种是通过所 采集的电力交换关e l 的有功功率遥测值按时间轴方向进行积分( i “p d t ， a t = l m i n 或5 m i n ) ，求得实时电量；另一种是通过r t u 直接采集关口脉冲电能 表的脉冲，直接累计计算出实际电量。这两种方式的主要缺陷在于： ( 1 ) 国内现有的r t u 对电能量的处理非常简单，仅累计其脉冲数，在现 场不保存也不能实际反映f 时段中的电量值。 ( 2 ) 现行的部颁规约只能传送脉冲累计数，不能传送出时段中电量的历史 值。 ( 3 ) 功率积分存在精度较差、可靠性低等现象，只能作参考而不能作为计 费标准。 ( 4 ) 受专用通道的制约，无法借用公共通信网络。对部分无专用通道的用 户和小水电站，无法获取实时信息。以电力线载波为主要通信手段的地区电网 自动化系统，受通道故障、线路计划检修影响非常大，无法保证自动化系统信 息的完整可靠 6 - 7 1 。 根据上述情况结合电网基础自动化的实际状况，说明了建立在s c a d a 系 统上的电能量结算系统，要达到商业实用水平，技术难度非常大“1 。 随着社会主义市场经济体制在我国的确立和电力工业的发展，电力作为一 种商品走向市场已是大势所趋电网的商业化运营和管理已逐步展开。 特别是最近几年，电厂的建设和投资模式的多样化，是大多数的新、扩建 电厂的产权已不在是国家独有，“长网分开、竞价上网”是今后发展的趋势，为 了对上网电量进行精确计算，必须有一套计量精确、运行可靠、相对独立的电 能量远程采集系统”1 。 近年来，电能量远处采集系统在国内外应运而生，而且发展非常迅速。为 加强用电管理，提高供电效益，使其适应市场经济需要，供电部门实行电度表 自动抄表和用电的监控管理是非常必要的。因此，电能量远程采集系统将是未 来发展的主要方向，这对于提高电力部门的管理水平和经济效益无疑有着十分 重要的意义“1 。 配电网中的电能量远程采集系统是用电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、定时地抄录各用户的用电量：按用 电的峰、平、谷时间和季节自动调整复费率去核算每个用户的电价；通过银行 向各用户自动完成转帐收款、电费结算、打印收据为电力部门提供有效的电网 运行参数。并有助于提高电力系统用电管理的现代化水平 3 - - 4 。 电能量远程采集系统在电力系统中还属新生事物，自9 0 年代初广东省电力 局、大亚湾核电站、深圳供电局、华北电管局、华中电管局、南方电力联营公 司相继引进了一些进口系统。但是，由于西方国家在社会制度、管理体制、所 有制形式、电网负荷结构等方面与我国有较大的差异，引进的电能量计费系统 存在着价格偏高、汉化程度差、售后服务不及时、软件修改不方便、扩充不灵 活等问题。要完全依靠国外的技术力量来解决这些问题，不仅需要大量的资金， 效果也未必理想。因此，如何根据我国电力系统的实际情况，制订出切实可行 的发展电能量计赞系统的方针，设计开发实用可靠、技术先进、价格合理的国 产电能量计费系统，便成为我们的一项艰巨任务。 目前已建成的电能量远程采集系统主要是采用瑞士l a n d i s & g y r 公司的产 品，与此同时，国内在电能量远程采集系统方面也做了些可贵的探索，取得了 一定的经验。目前，国内研制开发的系统主要有；南京电力自动化研究院 p b s 2 0 0 0 系统、广州科立通用电气公司e a c 系统、湖南威胜集团的s a c a s e 系统、烟台东方电子公司的d f 6 0 0 0 系统和华北电力科学研究院的e d a d 系统 等。 1 2 问题的提出 目前，国内已投运的国内外电能量远处采集系统基本上能实现各项功能， 完成电能计量的要求，但是也存在着一定的问题t 3 - 5 | 2 ( 一) 通信成功率、通信效率不高，表现为以下几点： ( 1 ) 应用环境各异，通信通道的情况也各不相同，有些计费系统在环境相 对恶劣的环境下，不能保证通讯成功，造成数据采集的失败； ( 2 ) 因为目前电能量远处采集系统所采用的通信机制的制约，通信效率底 下： ( 二) 系统及数据的可靠性及安全性不高 由于通信规约的限制，由于系统和通信系统的开放性，没有考虑通信系统 和数据的加密，容易出现以下几点问题： ( 1 ) 主站与采集器的通信规约校验方式( 和校验、异或校验等) 本是存在 缺陷，所采集的数据的准确性受到影响； ( 2 ) 数据在上传的过程中被监听，采集器的访问密码等机密泄漏： ( 3 ) 采集终端本身易受到攻击，采集器的参数如p t 、c t 等被修改； ( 4 ) 采集器采集的电能量数据在上传过程中被篡改； ( 5 ) 采集器上传的数据被盗走，导致商业机密泄漏，对建立公正、公平、 合理的电力市场不利； 1 3 课题背景 2 0 0 4 年以来，我省将大范围地建设地区电能量管理系统。安徽省继远电网 技术有限公司为了抓住这次机遇，抓住县级市场，依据地区点能量管理系统 管理规范( 试行) ，经过系统的调研和全面的分析后，提出独立开发“j 1 3 0 0 0 电网电能量管理系统”。 本课题是基于这一背景项目提出的。在该项目中，本人首先分析了e r t u 的功能需求，设计了e r t u 的结构组成，进行硬件的选型和软件的开发设计以 及整机调试工作。 第二章系统的总体设计 2 1 系统的硬件环境和配置 电能量远程采集系统是为了适应电力商业化运营的需要，本着准确、可靠、 安全的原则而设计的，保证了电力市场供、售、购电各方对电量计费的公正性。 电能量计量计费系统以电量采集统计和结算为主，并兼顾考核功能，如母线电 量平衡、线损、网损、变损等计算的需要。对各种关口和不同用电性质的电量 及相关数据进行自动采集和结算，可接入脉冲计数电表和智能电表等各类电表。 完全能满足网省，地( 市) ，县三级电力市场对电量计费的要求。电能量远程采集 系统组网如图2 1 所示。 2 1 1 系统服务器 圈2 一l 电能量远程采集系统组网示意图 c o m p a qa l p h as e r v e re s 4 0 服务器采用灵活的设计结构、可广泛她应用于 办公环境、大容量数据库、高性能计算、网络文件系统( n f s ) 处理或i n t e r n e t 服务等领域的。e s 4 0 采用6 6 7 m h z 的a l p h a 微处理器2 1 2 6 4 a ，利用系统内部交 叉总线结构，最多可配置4 个a 1 p h a 微处理器，最大限度地展现a l p h a 处理器 的全部能量。e s 4 0 实现了冗余设计、纠错和故障管理，具有冗余的风扇和电源。 可热插拔的风扇、电源和磁盘设计。使e s 4 0 的升级和维护变得非常简单。利用 远程管理控制台( r m c ) 还可对系统进行远程监视、发送告警信息并且记录可能 的错误情况，甚至当系统完全关机时，r m c 仍然可以发挥作用。 2 1 2 网络配置 系统的网络采用最易实现和扩展的星形网络结构，网络采用五类双绞线， 速度l o o m b p s ，网络设备采用交换式h u b 或交换机，网e l 为i o m i o o m 自适 应，协议为t c p i p ，可配置路由器或网桥与其他系统( e m s 系统、m i s 系统) 进行网络互联，通过路由器和x 2 5 协议与广域网互联。 2 1 3 终端服务器 n p o r ts e r v e r 通过t c p f l p 网络可以为从w i n d o w sn t 到多异步串行口提供 通讯的方式。这种设备在一端是多异步连接，在另一端是网络连接。它支持任 何基本的异步通讯协议连接到网络的设备。n p o r ts e r v e r 工作起来就像为n t s e r v e r 增加了的多串口板，但实际上利用网络的属性。通过t c p i p 网络，为用 户提供了端口的无限扩展。这些将为程序员节约时间，专心于数据采集和处理 过程，而不是为了解决复杂的通讯和连接问题。 n p o r ts e r v e r 的驱动程序是和n t 的标准化端驱动程序是完全兼容。尽管是 通过虚拟的t c p f l p 连接，n p o r ts e r v e r 上的所有端口都可以认为是n t 下面的 实际端口。n p o r ts e r v e r 不仅提供基本的数据发边接收函数，而且提供诸如d s r 、 c t s ， r t s 、d t r ，c d c 这样的控制信号。 2 1 4 g p s 时钟 系统配备一台g p s 时钟，通过串行口连接到主计算机上，并通过对时功能， 使全网时钟保持一致。主站系统采用标准的g p s 时钟，主站内部、主站与其它 系统、主站与予站( 电量采集终端或智能电表) 定时进行对时，使子站保持相 对时钟误差小于或等于1 秒天。 2 1 5 工作站 用户工作站主要是完成各种数据的录入，查询各种数据及事件信息，在一 定范围内对数据进行处理。其中，用户可以通过数据录入界面方便地进行数据 的录入、参数的设置以及系统维护，系统自动保持全网数据的一致性。任何数 据的修改都不会影响系统的正常进行。 2 1 6w e b 服务器 系统的w e b 服务器主要具备两种功能：其一，用作w e b 服务器，通过它来 发布网页使用户可以从任意地方登录主页并查询数据：其二，用作域服务器， 通过它来管理域用户即系统的客户端部分( 主要是p c 机) 。 系统w e b 服务器的硬件的选用主要取决于用户的系统使用范围，用户可以 根据需要选择各种级别的计算机作为w e b 服务器( 一般建议使用专业服务器) 。 w e b 服务器的软件部分采用了微软公司的w i n d o w s - n ts e r v e r 作为操作系统， 使用微软公司的i i s 即i n t e m e ti n f o r r n a t i o ns e r v e r 作为系统网页发布与管理软件。 为了实现网页动态数据的传输与查询，网页程序选用a s p 动态网页语言编写， 这种语言可以通过o d b c 直接与数据库相连，这样即可以动态的传输数据也提 高了数据传输与处理的速度，并且a s p 语言更提供了加密功能确保了系统的安 全性。 2 1 7 网络打印机 系统配备一台网络打印机，采用以太网络连接使全网能实时打印各种类型 的报表等。 2 2 系统的软件环境 系统服务器端采用u n i x 操作系统，u n i x 系统性能稳定，便于数据、网络及 用户管理，且安全机制较高，是系统服务器操作系统的首选；客户端工作站采 用微软w i n d o w s - n tw o r k s t a t i o n 操作系统，w e b 服务器采用w i n d o w s n t s e r v e r ( 企业版) 来管理和发布网页。 网络通信采用t c p i p 等协议，它是现在使用最多，也是最安全的协议之一， 现在流行的i n t e m e t 和i n t r a n e t 都采用这协议。 数据库采用o r a c l e 数据库。图形采用m i c r o s o f t 的w i n d o w s 标准界面。程 序全部采用面向对象的可视编程工具v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等编写，引用第 三方的a c t i v e x 控件，为用户提供美观的界面。集成仿e x c e l 软件作为报表工具， 生成图文并茂的图形报表。 2 2 1 服务器端的软件环境 系统在服务器端采用的是6 4 位u n i x 操作系统，u n i x 是多用户、多任务网 络操作系统，不仅具有高安全性、高性能等一系列企业级特性还可通过群集 6 ( c l u s t e r ) 系统，大大提高了系统的可靠性。 数据库采用目前效率商的具有c l i e n t s e r v e r 模式的商用数据库管理系统 o r a c l e s i ，它是一种面向网络计算并支持对象关系模型的数据库产品。它提供了 一种开放的、全面的、完整的方式管理各类信息，支持c l i e n t s e r v e r 体系结构， 其中o r a c l e 服务器是核心。它由一个o r a c l e 数据库和一个o r a c l e 服务器实例组 成。 为了保证系统的高安全性，数据库服务器采用群集方案。一个群集系统由 多台( 至少两台) 拥有共享数据存储空间的服务器组成。任何一台服务器运行 一个应用时，应用数据被存储在共享的数据空间内。每台服务器的操作系统和 应用程序文件存储在其各自的本地存储空间上。 群集系统内各节点服务器通过内部局域网相互通讯。当一台节点服务器发 生故障时，这台服务器上所运行的应用程序将在另一节点服务器上被自动接管。 当一个应用服务发生故障时，应用服务将被重新启动或被另一台服务器接管。 当以上任意故障发生时，客户将能很快连接到新的应用服务上。 2 2 。2 前置机的软件环境 前置机采用的是w i n d o w s - n ts e r v e r 操作系统。前置机的采集利用终端服 务器，通过传输媒介( 微波，载波，光纤，电缆，市话等通道) 与电量采集终 端通讯，采集各种终端和电表的电量等数据并可设置终端及电表参数。 2 2 3 客户端的软件环境 电能量远程采集系统的客户端主要由三个部分组成： 前置信息与数据采集部分； w e b 服务器部分； 维护工作站部分。 2 3 电能量远程采集系统的功能 电能量远程采集系统的功能是”： ( 一) 电量数据采集 数据采集系统与各子站系统通信，接受它们对所管辖范围内的计量关口电 量表自动采集的电量数据，并可靠地传送到主站系统进行数据的分析、处理、 统计以及存储等，并对电表及电量采集器进行远程诊断及参数下载。处理能力 大于3 0 0 个厂站及1 0 0 0 个电能表的电能量数据。 系统可采用定时和随机召唤二种方式批量采集计费终端的数据。定时召唤 周期( 1 分钟2 4 小时) 可调，采集数据存储间隔( 1 分钟2 4 小时) 可调。当主 站与某个采集终端通信中断，恢复后主站能自动地向该采集终端获取中断期间 的分时电量数据，如有异常则给予提示，以确保电量数据的连续性。 当网络、专线通道中断时，系统自动启动并转入拨号方式进行数据采集：当 网络、专线通道恢复正常通信时，系统自动恢复网络、专线通道通信方式。主 站除可以接收各类规约电能量采集装置传送的数据以外，而且具备接收各类规 约电能表计直接传送的数据的能力( 采集装置或表计应能提供相应的通信规约) 。 ( 二) 电量数据的远程传输 系统能支持在国家电力数据网络( s p d n e t ) 通信二级网、三级网或专用通道 传送方式实现与省调及子站电能计量计费系统间交换信息。系统也可通过专线 或拨号方式，直接获取各厂站端采集装置的电能数据，也可支持与其他电能计 量计费系统交换电量数据。 系统可接入不同类型电表及电量采集器，具有多通道、多种规约的通讯功 能，并且可方便地扩充通道、规约。 ( - - ) 电量数据的管理、统计和分板 系统采用面向电网的定义方式，具备对电网相关设备的描述能力，支持双 表模式的定义，保证重要关口数据的准确性。能方便地在线修改或定义电能量 表计的名称、编号、窗口值、倍率参数、费率、时段( 数量可以任意设置，时 间间隔最小为5 分钟) 、存储周期( 不同的数据可以设置不同的时间间隔) 以及 数据处理方式、计算结果输出及报表格式等。系统能适应关口名称的变换，设 备参数调整等变化。 系统具有按规定的不同时段、不同区域、不同类别分别累计电量功能，提 供定义每日时段划分个数，以及各时段的起止时刻。旁路替代电量自动计入所 替代设备电量。系统在更换电表、c t 、p t 等设备后，可自动或人工进行统计计 算，以保证数据统计的连续性。提供运算工具，用户可自行定义运算公式可方 便地生成各种统计模型，具有极强的灵活性和方便性。 系统具有对电量数据进行综合分析、评价功能，为电网运营提供参考信息， 以便及时采取措施调整供电方式。提高电网运行的经济性。 ( 四) 用户监察功能 电能量远程采集系统本身具有自检功能，系统可随时对读表终端进行巡检， 对用户的用电行为以及表计故障，实现了有效的监测和记录，不仅可随时报告 异常发生的时间，并且可通过读表数据进行分析。 ( 五) g p s 对时功能 主站系统采用标准的g p s 时钟，主站内部、主站与其它系统、主站与子站 ( 电量采集终端或智能电表) 定时进行对时，使子站保持相对时钟误差小于或 者等于1 秒天。 ( 六) 系统互连 通过通信网络实现地市局系统与各区分局子系统之间的数据交换以及与省局电 能量遥测系统的数据交换。增加计费透明度。与地区电网调度自动化系统联网， 实现数据共享“1 。 2 4 电能量远程采集系统的特点 电能量远程采集系统因其目的、用途与其它系统如s c a d a 系统不同，所 以有其自身的特点“1 。 ( 一) 精度要求高 对于安全监控来说，电能值是供调度人员掌握运行情况和控制送受电或用 电指标用，对于电能量值精度要求不是很高，但对计费系统来讲，误差就意味 着损失，因此对精度要求很高。 ( 二) 要求及时而非实时 在电能量远程采集系统中，电能数据可在电能采集装置中保存一定的时间， 因此不必要求实时采集，但由于如果超过一定的时间，后面的电能数据会被新 的电能数据理盖，所以电能数据应该及时采用，以免造成电能数据丢失。 ( 三) 强调数据的唯一性 数据的唯一性是保证计费公正、可信和避免各方发生争执的基础，数据的 唯一性需从以下三个方面来保证：1 ) 关口计量点的设置要遵循唯一性的原则； 2 ) 电能数据的唯一性，任何单位或个人不得修改原始数据，如果数据被人工修 改，则打上永久修改的标志；3 ) 计费模型的准一性。4 ) 安全可靠性 ( 四) 安全可靠性 对电能量远程采集系统是非常重要的，在实际运行中，应加强对其的巡视、 维护，避免出现设备掉电。设备故障等情况的出现，一旦出现也要及早发现， 及时处理。 第三章电能量远程采集终端设计 3 1 电能量远程采集系统终端的工作原理 在电能量计量计费自动化系统中，e r t u 是一个重要的设备。一般来说， e r t u 应该是具有对电能量( 电能累计量) 采集、数据处理、分时存贮、长时 间保存、远方传输等功能的设备。它与电能量计费主站构成电能量计费系统， 运用于各级调度结算中心对远方电量信息的采集和处理。 图3 一l 是e r t u 与调度端电量系统的联结示意图。 智能，脉冲电智能，脉冲电+ 智能，脉冲电 能表能表能表 图3 1e r t u 与调度端电量系统的联结 在图3 1 中可以看到，e r t u 主要用于对智能脉冲电能表的数据采集，通 过电度表的r s 4 8 5 接口抄读数据。并有其将数据集中，实现脉冲量、遥信量的 采集。然后采用拨号、专线或者网络的方式和调度端电量系统( 电量主站) 交 换数据，进行远程数据传输，从而实现了电量数据采集传输的自动化。 o 3 2 电能量远程采集系统终端的结构组成 e r t u 的核心硬件是采用i n t e l5 8 63 2 位c p u 为核心处理器，高硬件配置 使系统具有非常强大的处理能力。采用p c 1 0 4 总线结构设计，增强了系统的可 靠性及扩展能力。配备了电子硬盘，由于没有机械式硬盘的转动部分，使系统 更可靠，加上先进的f l a s h 技术，更使电子盘的使用寿命长达1 0 年。内部时钟 r t c ，使电能量远方终端能准确的记录s o e ，并能实现带时标存储电度量数据。 为了保证电能量远方终端的可靠运行，真正做到双电源的无扰动切换，电源采 用了双冗余设计，既可以每一路电源单独运行，也可以双路电源共同运行，每 一路电源直流、交流均可。e r t u 是个数据采集装置，它主要负责采集智自目 脉冲电能表的电量数据，因此e r t u 应该具有和电表通信的能力。从系统的集 成度和成本考虑，在保证设备正常稳定运行的前提下，表计接口的数目应该尽 量多。e r t u 还需要将数据进行远方传输，可以考虑采用网络、拨号或者专线 的模式。另外，e r t u 还应该具有足够的本地存储空间，用来长时间保存数据， 同时需要简单的人机接口和本地调试接口。图3 2 给出了典型的e r t u 设备的 结构组成 9 1 0 幽3 2 典型e r t u 设备的结构组成 3 3 设备通信原理 一般情况下，e r t u 设备远程数据传输支持多种通信方式，并可以支持多 通道( 可以是程控、微波、电力线载波等等) 、支持用户设置密码等。e r t u 装 置通常会配置有标准r s 2 3 2 接口，供现场调试和便携机抄表用( 当程控或者载 波线路发生故障时，可以使用便携机通过此接口直接抄表) 。为了装置的安全性 和可靠性，每次登录装置都必须输入用户名和对应的密码，才能在相应的权限 内操作装置。 目前广泛应用的是r s 2 3 2 串行通信、m o d e m 拨号通信和网络通信。下蕊简 单介绍这些通信方式在e r t u 上的应用。 ( 一) r s 2 3 2 串行通信 r s 2 3 2 串行通信主要为e r t u 设备提供三个方面的功能： 当地数据通信接口 这个功能主要是为设备的本地用户( 电厂、变电所) 提供数据接口。由于 本地用户一般不具备对设备进行控制的权利，所以一般当地口不开放数据 控制功能，也不需要进行密码校验。 设备维护接口 这个功能是为设备维护人员提供当地维护数据接口，要求能实现设备维护 的各项功能，需要进行维护权限验证( 密码校验) 。 专线或者专线m o d e m 接口 这个功能为设备远方主站调度结算用户提供专线数据接口，但是接口本身 并不具备专线功能，需要使用专线设备完成专线通信。根据需要，可以使 用不同的权限管理方式，通常可以设置为一般类维护口。图3 3 表示了 r s 2 3 2 专线通信方式。 专线控制部分普通串行通信 图3 - 3r s 2 3 2 专线通信示意图 ( 二) 网络通信 网络通信是建立在操作系统的网络支持上的。为了保证数据传输的稳定可 靠，一般选用面向连接的t c p 方式建立数据流通讯，采用c l i e n t s e r v e r 方式， 主站为c l i e n t 端，e r t u 装置为s e r v e r 端，其特点是可以同时实现一对多通讯， 而不需要打开多个端口。图3 - - 4 表示了t c p 方式下的一对多通讯方式。 3 4 设备对时 图3 - - 4t c p 方式下的一对多通讯 由于电量数据都与时间相关，而且保存时大多带有时标，所以该数据是与 时间密切相关的。保证时间的准确，也就是必须定时对设备进行对时。也正是 因为时间的重要性，所以在对时中要考虑以下这些因素： ( 一) 要设置的时间比设备当前时间早。例如6 ：0 0 要对时到5 ：5 4 在这 种情况下，很有可能部分数据已经采集并且保存( 如5 ：5 5 的数据) ，那么当对 时后时间再次运行到该点时要分两种情况： ( 1 ) 采集的是增量数据( 包括脉冲) 设备必须在原来数据的基础上累加一个新的对时以后采集的数据，作为该 时间点的数据。 ( 2 ) 采集的是表底值( 窗1 3 值) 数据 设备重新采集该时间点新的数据，并替换原数据。在这种情况下，主站生 成数据曲线，如果是增量曲线，在此处会出现一个比较大的点；如果是窗口值 曲线，在此处增长的斜率会比较大。 ( 二) 要设置的时间比设备当前时间晚，例如6 ：0 0 要对时到6 ：0 6 在这 种情况下，如果正好跨过某个采集的时间点，则该点的数据也要分成两种情况： ( 1 ) 采集的是增量数据( 包括脉冲) 设备在该点的数据填0 。 ( 2 ) 采集的是表底值( 窗口值) 数据 设备用前一时间点的数据存入本时间点数据区，并置标志。 正是因为有这么多情况，所以为了保证数据库安全，对于正常运行中的设 备进行对时是有一定要求的。目前的要求是：设备允许外界( 包括l c d 和主站 等1 连续对其对时三次，每次对时最多允许与原时间相差3 l o 分钟。 3 , 5 电能量远程采集系统终端的操作系统选型 3 5 1 电能量远程采集系统终端的操作系统选型标准 r t o s 与一般商用多任务o s 有共同的一面，也有不同的一面。对于商用多 任务o s ，其目的是方便用户管理计算机资源，追求系统资源最大利用率；而 r t o s 追求的是实时性、可确定性、可靠性。评价一个实时操作系统一般可以从 以下几个方面来衡量。 ( 一) 任务调度机制 r t o s 的实时性和多任务能力在很大程度上取决于它的任务调度机制。从调 度策略上来讲，分优先级调度策略和时闻片轮转调度策略；从调度方式上来讲， 分可抢占、不可抢占、选择可抢占调度方式；从时间片来看，分固定与可变时间 片轮转。 ( 二) c p u 工作模式 分成实模式与保护模式。在实地址模式下，禁用c p u 的所有保护功能，不 支持分页，并且程序地址对应物理存储器地址。保护模式主要是指对存储器的 保护，并提供多任务环境中的各种复杂功能以及对复杂存储器组织的管理机制。 ( 三) 最小内存开销 r t o s 的设计过程中，最小内存开销是一个较重要的指标，这是因为在工业 控制领域中的某些工控机。由于基于降低成本的考虑，其内存的配置一般都不 大，在有限的空间内不仅要装载实时操作系统，还要装载用户程序。因此，在 k i t 。s 的设计中，其占用内存大小是一个很重要的指标。 ( 四) 最大中断禁止时间 当r t o s 运行在核态或执行某些系统调用的时候，是不会因为外部中断的 到来而停止执行的。只有当r t o s 重新回到用户态时才响应外部中断请求，这 一过程所需的最大时间就是最大中断禁止时间。 ( 五) 任务切换时间 当由于某种原因使一个任务退出运行时，r t o s 保存它的运行现场信息、插 入相应队列、并依据一定的调度算法重新选择一个任务使之投入运行，这一过 程所需时间称为任务切换时间。 ( 六) 开发环境的支持和技术支持 集成开发环境是开发工作人员操作的界面包括编辑、调试、下载和仿真 等功能。嵌入式开发需要友好的开发和调试集成环境。另外，对于开发过程中 可能遇到的问题，必须有良好的技术支持 3 5 2 典型的嵌入式实时操作系统 嵌入式实时操作系统( r e a l t i m e o p e r a t i o n s y s t e m ，r t o s ) 是嵌入式应用软件 的基础和开发平台。目前在中国大多数嵌入式软件开发还是基于处理器直接编 写，没有采用商品化的r t o s ，不能将系统软件和应用软件分开处理。r t o s 是 一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其它应用程序都建立在r t o s 之上。不 但如此，r t o s 还是一个可靠性和可信性很高的实时内核，将c p u 时间、中断、 i o 、定时器等资源都包装起来，留给用户一个标准的a p i ，并根据各个任务的 优先级，合理地在不同任务之间分配c p u 时间。 r t o s 是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核，优秀商品化的 r t o s 可以面对几十个系列的嵌入式处理器m p u 、m c u 、d s p 、s o c 等提供类 同的a p i 接口，这是r t o s 基于设备独立的应用程序开发基础。因此基于r t o s 上的c 语言程序具有极大的可移植性。据专家测算，优秀r t o s 上跨处理器平 台的程序移植只需要修改l 5 的内容。在r t o s 基础上可以编写出各种硬件驱 动程序、专家库函数、行业库函数、产品库函数，和通用性的应用程序一起， 可以作为产品销售，促进行业内的知识产权交流，因此r t o s 又是一个软件开 发平台。 r t o s 最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时 器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、 旗语管理等，这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就是 r t o s 的a p i 。 r t o s 的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统中软 件比重不断上升、应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程序档案 的组织管理成为一个大的课题。引入r t o s 相当于引入了一种新的管理模式， 对于开发单位和开发人员都是一个提高。 基于r t o s 开发出的程序，具有较高的可移植性，实现9 0 以上设备独立， 一些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向社会。嵌入式软件的函数化、 产品化能够促进行业交流以及社会分工专业化，减少重复劳动，提高知识创新 的效率。 嵌入式工业的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软