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摘要 随着计算机技术的快速发展，电费结算自动化、网络化成为可能。论文立足 于胜利油田，从电费结算的需求出发，按照管理信息系统的系统设计方法和设计 原则，对当前国内电力企业用电管理的系统结构、通讯手段、抄表方式、系统功 能等方面进行了比较全面的分析和设计，集中论述了如何构建一个结构合理、扩 展性强、灵活可靠、基于网络的网上电费结算系统。 关键词：网络系统电费结算研究与设计自动抄表通讯g p r s a b s t r a c t w i t l lt l l er a p i dd e v e l o p m e 眦o f c o m p u t e r ，i tm a yb ed o n et oc a l c u l a t ec h a r g eb y a u t o m 撕o na i l dn c t i n g b a s e do n 协en e e d so fc h a r g i n gc a l c u l a t i o n ，t h ei n t e n t i o no f t h i sp a p e ri st or e s e a r c ha n d d e s 培nt h es y s t e ms t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h em e t h o da 1 1 d m n d 啪e l l t a lo fm a i l a g e m e n ti n f o m a t i o ns y s t e m ，t h ec o m m u n i c a t i o n p r o j e c t ，t h em e t e r r e a d i n gm o d ea n dt h ef i l n c t i o nm o d u l e s ad e t a i l e dd e s c r i p t i o ni sg i v e no fh o wt o f o mas y s t e mt h a th a s u n i v e r s a l 吼a p p l i c 砒i o ni n a l l k i n d s s i t u a t i o n ，s t r o n g e x p a n s i b i l i t ya r db a s i n go nn e t 。 k e yw o r d s ：n e 似o r ks y s t e mc h a r g ec 甜c u l a t i o nr e s e r c ha n dd e s i 肼a m r c o m m u n i c a t i o ng p r s 2 浙江人学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 第一章前言 为合理优化能源配置，提高能源利用率，促进电力工业与社会、经济、环境的协调发展， 世界各国都在引入市场机制对传统的电力t 业生产方式和管理方式进行改造，使垄断的电力 行业向开放式的商业化运营和管理方向发展【lj 。 随着城乡电网改造t 程的全面深入，以及实际用电管理的需要，居民用户和 业用户用 电量的自动抄收t 作已经摆在了各级供电企业领导的面前。国家电力公司高严总经理、陆延 昌副总经理在有关城市电网改造的工作会议上多次提出了“要大力推行一户一表，集中 抄表，服务到户，收费与银行联网”的要求。居民用户崩电量实现自动抄收，收费实现自动 划拨，不仅能够方便广大用户，提高供电企业的服务质量，树立电力企业的良好形象而且 能够实现电力企业的减员增效，降低用电成本，同时对于加强用电管理，防止国家电力资源 的大量流失，杜绝贪污腐败现象都具有积极的意义。 传统的电费结算采用依靠人工抄表、人工进行电费结算的方法。其中最普通的方法是安 装感应式电度表，通过人工抄表得到电量，然后由人工结算电费。它的缺点是误筹大、失误 多、工作量大，这和整个电网越来越高的自动化程度不相适应。自动抄表系统集计算机技术、 通信技术、用电及计量技术于一体，具有抄收速度快，计算精度高，抄表同时性好，可直接 与营业计算机联网等突出的优点。采用自动抄表系统可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人 为因素造成的抄表误差，并能迅速地统计低压实时线损。因此，自动抄表系统是提高电力营 业管理自动化水平的一项重要技术手段。目前人工抄表计费方式已经渐渐被基于计算机的自 动抄表计费系统所代替。 1 1 电费结算系统的主要特点 根据电费结算系统的特殊性和实际需要，系统应具备以下特点2 l f 3 】 ( 1 ) 精度要求 浙江大学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 由于计量系统的电能量值是用来计算电费的，所以精度误差将带来电费的误差。计量精 度的选择一般以容量为基础，o 5 级可满足一般要求，而对大容量的电厂和输电线应选用o2 级的计量装置。 ( 2 ) 数据的安全性和可靠性 数据的可靠性和安全性对于计量系统是非常重要的，系统除了要选用可靠性高的设备， 特别是电能表和电能表处理器( r t u ) 要求极高的可用率外，还要求主站、通道、r t u 、电 源等任一设备故障都不能造成电能蹙数据的丢失。因此一个高可靠性的计量系统应是各部分 相互独立的。通道中断，电能量数据可保存在现场，并可随时读取；r t u 出故障，电能表 仍能正常工作，r t u 的数据板或电能表本身仍能保存原始数据，另外，还要求为现场计鼍 装置提供可靠的后备电源。 ( 3 ) 数据的唯一性 数据的唯一性是保证计量公证的基础，数据的唯一性由三个方面来保证： 荚口点的设置要遵循唯一性原则，网问联络线的计量点只能按线损的归属关系设 在线路的一侧，不能两侧都设；电厂的上网电能量计量点只能按变压器和母线损 耗的归属关系设在变压器的某一侧或线路侧，而不能几处同时设；对某一节点应 遵循n 一1 的原则，以保证注入，输出电能量值的平衡。 数据的唯一性，原始数据一经生成，任何人都不能修改，对昌q 本库数据的修改须 经有关部门的同意，并要打上永久性标志。 计费模型的唯一性，计费模型必须严格执行协议和合同，任何一方不能单方面修 改计费模型。 1 2 国内外技术发展现状 1 2 1 自动抄表技术发展 为了收费而进行的抄表工作可以追溯到l o o 多年前，到目前为止，常见的抄袭方式有 以下几种：人工抄表、手持终端人工抄表、手持终端自动抄表、车载无线电抄表和自动抄表。 其中自动抄表是指抄表主站通过逶讯介质自动读取每只表计的数据。 电能量自动抄表( a m r - a u t o m a i i cm e t e rr e a d i n g ) 技术在我国于8 0 年代后期开始研 2 浙江大学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 究，当时由于微机远动技术的成熟与发展，利用各厂站到调度的已有通道，借助微机远动装 置的脉冲( 或遥信) 计数与处理功能，将厂站端关口表的电能量数据传送到主站；其后，随 着用电管理部门对关口表管理要求的提高，国外全电子式多功能电能表( 如a b b 、s i e m e n s 、 l a f l d i s g y r 等) 与国内开发多功能表的大量应用，自成体系的电能量采集与传输系统应运而生。 在国内低压居民用户自动抄表方面，在国内有关科研、生产、使用单位的共同艰苦努 力下，经过4 、5 年的开发和应用，已基本达到实用化水平，并形成了多种自动抄表方式并 存的格局。主站系统结构已从单机、双机系统发展到网络式的主站系统结构，操作系统己从 d o s 环境发展到n n d o w s 9 5 9 8 ，n t ，系统功能上也从单纯的抄表功能发展到具有实时线损 统计、用电考核、远程控制、计费及银行联网等功能，有的系统还具有可以通过实时用电统 计监测_ j 户偷电行为的功能。上行通信信道也从单一的电话拨号方式发展到多种通信方式 ( 电话、无线电、专线等) 混合应用的局面。f 行通信信道也从4 8 5 总线方式发展到载波方 式、网络方式等多种方式，终端采集和传输产品也呈现了多样化的局面，产品包括总线采集 器，集中器、载波采集器，集中器、单表载波模块、单表集中器等多种类型。 1 2 2 电能表技术发展 测量电能用的电度表自诞生至今已有1 0 0 多年的历史，最早出现的感应式电度表由于结 构简单、可靠性高且价格便宜，在我国普遍采用。随着电能计量和管理的需要以及电子技术 的发展，电子式电度表在2 0 世纪7 0 年代在瑞士出现，功能逐渐增多并曰趋完善电子式电 度表一般由电能测量机构和数据处理机构两部分组成，根据电能测量机构的不同叉分为机 电脉冲式电度表和全电子式电度表两大类。机电脉冲式电度表沿用感应式电度表的测量机 构其数据处理机构则有电子电路和计算机控制系统实现，因而机电脉冲式电度表是一种电 子线路与机电转换单元相结台的半电子式电度表。机电脉冲式电度表技术开发的重点放在有 关电能管理的数据处理方面，使之能够进行本地和远地的数据传输以及遥测和遥控。机电脉 冲式电度表以感应式电度表为基础，继承了感应式电度表结构牢固、长期运行可靠和价格低 廉的优点，因而在民用电能计量领域被广泛采用。 全电子式电度表不再使用感应式测量机构而是由乘法器完成对电功率的测量。由于它 没有传统电度表的旋转机构，因而又被称为“静止式电度袭”或“固态电度表”近年来， 各种新型电子式电度袭不断推出，型号各异，功能众多，但其基本原理相同主要功能可归 为三个方面：计量、计费功能，包括分时计量、最大需量计量和预付费等；保护功能，包括 浙江人学硕士论文基于网络的电费结算系统的研究与设计 过电流、过电压保护和防窃电等；通讯功能，可以是红外通讯、无线通讯、有线通讯和载波 通讯等。电子式电度表可以实现测量电量参数的多样化、多功能化。 1 3 系统建设存在的问题 网上电费结算系统是一个信息系统，系统的建设是一个系统化工程，而信息系统的规划、 设计、开发和建设有其自身的规律和方法。传统的电量管理系统建设，仅仅从眼前的应_ h j 出 发，更多地考虑某一个功能，而没有从计费和实时结算的整体需求出发，按照系统工程的建 设步骤，对系统的功能和结构进行详细的分析、设计和优化，因而在功能方面表现为系统功 能比较单一、独立、功能不完善、技术不全面、实时性差、可靠性低，在结构设计方面则表 现为随意性强、稳定性差等缺点，因此往往出现了系统刚刚投产，就遭遇淘汰的结局。主要 问题包括以卜几方面： 重建设、轻设计，系统建设没有经过科学、合理的设计 没有充分考虑用户的组织机构情况，使得系统整体结构设计不合理 系统功能单一，没有考虑今后的进一步发展和数据的共享与再利用 用户界面不友好，可用性差 通道设计不合理，造成系统整体投资大 可维护性差，使得系统实用性差 为解决以上问题，在系统建设之初就必须采用科学的系统设计方法，针对用户的实际 情况和具体需要、机构情况等，进行系统的研究与设计，从而保证系统建设稳定、可靠、实 用，真正发挥信息系统对企业的辅助决策作用。 4 浙江大学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 第二章系统设计方法及原则概述 为了有效地进行系统的开发和管理，根据系统生命周期的概念一般可以将信息系统 的开发分成5 个阶段”1 ( 见图2 1 ，系统开发过群) ，即总体规划阶段、系统分析阶段、系统 设计阶段、系统实施阶段、系统运行和评价阶段。每个阶段都有其明确的任务，任务完成后 都将交付给下一个阶段一定规格的文档，作为r 一阶段开发的依据。这种开发过程，在直观 上就像一级一级的瀑布，因此系统开发生命周期也称为“瀑布模型”。 医翮 堡竺i 图2 1 信息系统开发过程 由图2 1 可见，系统设计阶段在整个系统开发过程中具有承上启下的重要作用，因此 做好系统设计对于整个信息系统的建设是至关重要的。 2 1信息系统总体设计原则嘲川啊1 信息系统的总体设计原则可以概括为先进性、实用性、高性能、可靠性、安全性、可扩 展性、标准化和可管理性等。 2 1 1统一规划。分步实施 信息化要求有着统一规划，分步实旌的原m 进行。企业要真正弄清楚自己实现信息化的 目的，根据实际情况，确定近期目标和远期目标，而不必在一次就将所有项目上马。统一规 浙江人学硕士论文 基丁网络的电费结算系统的研究与设计 划、分步实旌的好处是可以使管理人员、技术人员和操作人员有一个不断学习、逐步适应的 过程。另外在信息化建设过程中，可以根据需要随时进行项目调整，比较灵活，可以避免园 某个项目实施出现问题而导致整个信息化项目失败。 2 1 2 实用性 实用性就是能够最大限度地满足实际工作要求，是每个信息系统在建设过程中所必须考 虑的一种系统性能，它是自动化系统对用户最基本的承诺。所以，从实际应用的角度来看， 这个性能更加重要，为了提高管理信息系统中系统的实用性，应该考虑如下几个方面： 系统总体设计要充分考虑用户当前各业务层次、各环节管理中数据处理的便利性 和可行性，把满足用户业务管理作为第一要素进行考虑： 采取总体设计、分步实施的技术方案，在总体设计的前提下，系统实施中可首先 进行业务处理层及管理中的低层管理，稳步向中高层管理及全面自动化过渡，这 样做可以使系统始终与用户的实际需求紧密连在一起，不但增加了系统的实用性， 而且可使系统建设保持很好的连贯性； 全部人机操作设计均应充分考虑不同用户的实际需要； 用户接口及界面设计将充分考虑人体结构特征及视觉特征进行优化设计，界面尽 可能美观大方，操作简便实用。 2 1 3 技术先进性 合理规划i p 网络，采用先进的网络技术和网络产品，网络产品能够适应信息技术的迅 速发展，具有良好的技术先进性，保证较长的使用寿命。网络具有良好的整体性能，保证网 络不能成为整个应用系统的瓶颈，并为系统扩展保留一定的空间。 2 1 4可扩展性及灵活性 在网络硬件系统中采用结构化布线和光纤技术，建立高速网络。主干交换帆应采用模 块化交换机，软、硬件平台可以采用积木式拼装，方便以后进行扩展，最好能同时支持多种 网络规范，如：a 1 m 、1 0 0 0 b a s e s x 、1 0 1 0 0 b a s e t x 和f d d i 等，保证与其他网络互联时没 有障碍。 6 浙江大学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 在软件应用系统中根据软件工程的理论，系统维护在整个软件的生命周期中所占比重 是最大的，因此，提高系统的可扩充性和可维护性是提高管理信息系统性能的必备手段做 法如下。 以参数化方式设置系统管理硬件设备的配置、删减、扩充、端口设置等，系统地管理软 件平台，系统地管理并配置应用软件； 应崩软件采用的结构和程序模块化构造，要充分考虑使其获得较好的可维护性和可移植 性，即可以根据需要修改某个模块、增加新的功能以及重组系统的结构以达到程序可重 用的目的； 数据存储结构设计在充分考虑其合理、规范的基础上，同时具有可维护性，对数据库表 的修改维护可以在很短的时间内完成； 系统部分功能考虑采用参数定义及生成方式以保证其具备普通适席性： 部分功能采用多种处理选择模块以适应管理模块的变更； 系统提供通用报表及模块管理组装工具，以支持新的应用。 2 1 5 高可靠性 采用可靠的网络结构，选择的网络产品的可靠性好、故障率低。有可靠的网络安全设计 包括访问控制机制、电磁辐射屏蔽和数据加密等。 2 1 6 经济性 在满足系统需求的前提下，应尽可能选用价格便宜的设备，以便节省投资1 口选用性能 价格比优的设备。总之，以最低成本来完成计算机网络的建设。 另外还要保证合理的系统初期投入，在网络系统的长期运行使用过程中，系统的管理和 维护费用低，以后系统扩展或采用新技术的时候，前期投资的设备可以继续使用，最大限度 地保护已有投资。 2 2 系统设计的方法嗍1 1 m f 1 1 】 系统设计是信息系统开发过程中的一个重要阶段。系统设计包括两个方面，曹先是总 体结构的设计，其次是具体物理模型的设计。系统设计的主要目的就是为下一阶段的系统实 现( 如编程、调试、试运行等) 制定蓝图。系统设计阶段主要任务就是在各种技术和实施方法 7 浙江大学硕士论文基于网络的电费结算系统的研究与设计 中权衡利弊，精心设计，合理地使用各种资源，最终勾划山新系统的详细设计方案。 到目前为止，系统设计所使用的主要方法还是以自项向f 结构化的设计方法，但是在 局部环节上( 或是针对某些规模较小的系统) 使用原型方法、面向目前的方法。这是目前比较 流行的发展趋势。 系统设计阶段的主要依据是系统分析报告和开发者的知识与经验。系统设计的主要内 容包括新系统总体结构框架设计、代码设计、数据库设计、输入输出设计、处理流程及模 块功能的设计。系统设计的结果是一系列的系统设计文件( 蓝图) ，这些文件是物理地实现一 个信息系统( 包括安装硬件设备和编制软件程序) 的重要基础。 系统总体结构设计是要根据系统分析的要求和组织的实际情况来对新系统的总体结构 形式和可利用的资源进行大致设计，它是一种宏观、总体上的设计和规划。系统总体结构设 计的主要内容有子系统的划分( 或称系统划分) 、网络和设备的配置、设备选型、新系统计算 机处理流程图。 2 。3 系统设计的步骤【1 2 】【1 3 l 系统设计的主要依据是系统分析阶段得到的系统功能模型、信息模型以及系统配置等。 由于功能模型是在系统总体目标约束下对企业管理与决策活动的逻辑描述，表达了企业管理 与决策过程的全方位的内容。而执行或实现企业功能模型所要求的内容是靠人和计算机共同 完成的。那么，究竟哪些工作由计算机完成，哪些工作由人来完成，即决定系统的自动化程 度及人机分_ 是系统设计的第一步。必须根据当时的计算机技术水平，系统的配置方案及 系统的功能模型，在用户的参与下并与用户进行充分协商，确定合理的人机分工，得到分解 了的功能模型，该功能模型是由完全计算机进行处理的内容。 系统设计的第二步是在数据库设计技术及信息编码技术等的支持下，根据系统的信息模 型和分解了的功能模型进行系统的信息设计，主要内容包括建立系统的数据字典( 主要内容 是定义数据项) 、设计系统的数据库以及对信息进行编码。 系统设计的第三步是在结构化设计技术的支持下，根据系统分解了的功能模型、信息结 构设计系统的软件结构，并用适当的方法( 例如结构图等) 描述出来。 系统设计的最后一步是根据系统的软件结构及信息结构，对构成系统的基本模块处 理子程进行详细设计，包括输入、输出。算法流程等内容的描述。 在系统设计的实际工作中上述系统设计各步骤的划分只是粗略的，在实际设计工作中， 8 浙江大学硕士论文基丁网络的电费结算系统的研究与设计 有些设计需要在各步骤之间的多次反复才能完成。 系统设计采用的主要方法是结构化设计方法，该方法按照白须向f ，逐步求精的原则， 采用先全局后局部、先总体后细节、先抽象后具体的设计过程，将系统设计成为一个层次式 的模块化结构，使系统的结构清晰，具有可读性、可修改性和可维护性等特点。 系统设计人员应由系统分析员，系统设计员、系统编程人员以及用户组成。其中，系统 设计人员起关键的主导作用。特别强调片j 户的参与是至关重要的，如果没有用户的参与，就 不可能设计出一个完全满足用户需求和意愿的系统。因此，系统设计工作必须要有用户的参 与，并与用户充分协商与密切配合，做好系统人机分工、人机界面的设计j 二作。 系统设计的最终结果是系统设计说明书或系统设计文档，该文档是系统实施阶段编程工 作的主要依据。 9 浙江大学硕十论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 第三章远程抄表技术综述 目前，国内外的抄表技术概括起来主要包括：红外抄表、无线抄表、r s 4 8 5 抄表、网络 抄表和m o d e m 抄表( g p r s ) 。现将各种抄表技术综述如下f 1 6 】： 3 1 红外抄表 红外抄表系统是由手持红外抄表器、带红外通讯功能的电度表和管理中心组成，如图 3 一l 所示。手持红外抄表器和电能表均具有红外通讯电路。抄表时由上作人员携带红外抄 表器到现场抄表，将用户用电量等信息集中记录并保存起来，再由工作人员携带到管理中心 后传输给计算机进行处理。 无线抄表器：妻屯，j 旷表 图3 一l 红外抄表方式示意图 红外抄表原理比较简单，此方式是以红外线作为传输载体，通过红外光在空气中传播来 进行数据传输。红外通讯由红外发送器和红外接收器来完成。在发射端，发送的数字信号经 过适当的调制编码后，送入光电变换电路，经红外发射管转换为红外光脉冲发射；在接收端 红外接收器对收到的红外光脉冲进行光电变换变换后的电脉冲信号经译码后恢复出原始数 据。红外发射器和接收器简单易用，红外发射管有t s a l 6 2 0 0 等，红外接收器有h s 0 0 2 8 b 等。红外载波频率为3 8 k h z 的方波，发送采用脉宽调制p w m 方式，通过待发送的二进制 数据“0 ”或“l ”控制两个脉冲串之间的时间间隔( 即p w m 的占空比) 。红外载波可以使 用单片机内部定时器的p w m 功能实现。也可通过外围硬件电路实现。红外接收时，以 h s 0 0 3 8 b 接收器为例，如果接收到3 8 k h z 的载波信号会输出低电平，否则输出高电平，从 而可以将“时断时续”的纽外光信号解调成一定周期的连续的方波信号( 根据周期的不同分 别代表数据“o ”和“1 ”) ，通过单片机中断引脚处理此电脉冲信号，即可恢复出原始数据。 红外数据传输作为一种数据传输手段，特另适用于那些无法铺设线路、有线通信无法实 1 0 浙江大学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 现的场合，便携性要求较高的场合，或者腐蚀性地区、强电磁干扰地区。但由于此方式传输 距离较短一般只有3 5 m ，适用范围有限，所以作为一种自动抄表方式有其局限性，而且 需要工作人员携带手持抄表器进行现场抄表，未真正实现抄表的完全自动化，无法获得用电 量的一些详细信息。 3 _ 2 无线抄表 无线抄表是利用无线信道进行数据传送的方式，这样的抄表方式是最简单、方便的抄表 模式。使用无线电波进行抄表大致有两种方式：使用小功率无线发射装置的现场手持无线抄 表，以及使用小型大功率无线电台的远程无线抄表。 使用小功率无线发射装置的现场手持无线抄表与红外抄表的方式比较类似，但其通信距 离较红外抄表方式远，实用性更强。在进行通信时，抄表器发出呼叫命令，各电能表收到命 令后，进行地址对比，如正确则发出应答信号，完成数据链路的建立然后进行数据通信。 使用此方式进行抄表，要求电能表和抄表器均内置有无线收发模块。目前，能用于无线抄表 的单片无线收发芯片较多，如n o r d i c 的n r f 4 0 1 、n r f 9 0 3 ，c h i p c o n 的c c l 0 0 0 等。无线抄 表的通信距离依赖于无线发射的功率、接收的灵敏度、天线的增益、无线功率损耗等。无线 芯片一般最大发射功率为+ l o d b m ，接收灵敏度为- 1 0 5 d b m ，通信距离1 0 0 2 0 0 m 左右。无 线通信可以使用4 3 3 m h z 、8 6 8 m h z 、9 1 6 m h z 的i s m 频段而无需申请。但无线数据传输 存在建筑物对无线电信号的反射、吸收等作用下，信号传输不稳定的问题，同时无线电能表 产品自身也存在功耗问题，因此该模式虽然看好，但真正大面积推广应用在目前还存在问题。 无线抄表系统主要由以下三个部分组成：电能表、无线抄表器和数据管理中心，如图 3 ，2 所示。 无线抄表的另一种方式是使用小型大功率无线电台的远程无线抄表。这种抄表方式使用 自己建设的小型无线电电台，在2 0 0 4 0 0 m h z 的频点上用散射通信方式进行无线电通信。 散射通信是利用对流层反射无线电波的远距离通信。其特点是传输频带较宽，通信容量较大 ( 可达几千台) ，通信距离几十公里，可通过中继站延伸。使用这种通信方式，安装调试方 便，主要缺点是需申请频点使用权，如果频点选择不合理，相邻两个信道会产生相互干扰 而且小型无线电电台的通信速率较低，且设备及安装成本较高。所以这种通信方式的使用场 合有一定的限制。 浙江大学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 3 3 r s 4 8 5 总线抄表 数捌管州巾心 、 、 j j ： 是电 ，一 图3 2 无线抄表系统示意图 f 乜度表 电度表 u 度表 r s 4 8 5 的接口是t i a ，e i a 4 8 5 所描述的接口。r s 一4 8 5 收发器采用平衡发送和差分 接收，即：在发送端，驱动器将t t l 电平信号转换成差分信号输出：在接收端，接收器将 差分信号变成n l 电平，因此，具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度， 能检测低达2 0 0 m v 的电压，故数据传输可达千米以外。r s 4 8 5 最大传输速率可达l o m b p s 。 当波特率为1 2 0 0 b p s 时，最大传输距离理论上可达1 5 千米。 r s _ _ 4 8 5 接口在一个通道上可进行半双工通信，所以只需两根线就能完成双向通信，很 方便地构成一点对多点通信网络。r s _ - 4 8 5 总线抄表系统拓扑结构如图3 - 3 所示。r s 一4 8 5 总线抄表系统采用主从式结构，其中集抄器作为主机，各个电能表作为从机。集抄器与r s 4 8 5 总线连接端设置有偏置电阻和终端匹配电阻，电能表n 的r s 一4 8 5 总线末端设置有 终端匹配电阻。 r s 4 8 5 总线抄表可以使用双绞线作为网络总线。直接使用r s 4 8 5 驱动芯片即可构 成通信网络。可供选择的r s 4 8 s 驱动芯片有s n 7 5 1 7 6 、m a x 4 8 5 、m a x l 4 8 0 b 、s n 7 5 l b c l 8 4 等。 r s 4 8 5 总线抄表方式技术比较简单、成熟，易于实现，对全电子式电能表改造较小， 且总线传输速率高可靠性好。但是，r s 4 8 5 总线抄表系统施工布线工作量大网线易受 人为破坏，故障点不易查找和易受雷击和过电压的影响等缺点。该系统适用于城市居民小区 和较密集的商住楼，且电能表己被安装在集中式表箱中。 1 2 圆圆圆 一南一 浙江大学硕十论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 电表i电表2 电表“ 图3 3r s 一4 8 5 总线抄表系统拓扑结构图 3 4 低压电力线载波抄表 电力载波的抄表方式是一种利用现有的电力网进行抄表的方式，与有线m o d e m 方式相 似，电力线载波抄表具有无需布线、安装使用比较方便，而且无需支付抄表时数据传输的费 用等优点。但由于我国电力网污染严重，使得这一抄表方式很难真正推广应用，目前在电能 表抄表应用方面比较局限，真正推广还要有相当长的历程，需对现有的电力线载波抄表技术 进行深入的研究和改进，比如采用先进的扩频技术，以提高通信的抗干扰能力。 由于电力线上可变的强电磁干扰。使得信号经电力线传输后发生畸变，在接收端信号 的准确接收和检测变得非常困难。根据s h a n n o n 原理，其信道容量： c = b i 0 9 2 ( 1 + s ，n ) 其中，b 为信道带宽，n 为噪声的平均功率，s 是信号的平均功率，s ，n 为信噪比。 为了获得同样的信道容量，信号带宽与其信噪比的对数成反比，即信号带宽越宽，则 所要求的信噪比就越低，甚至信号被淹没在噪声之中也能实现可靠通讯。 当前市场上，电力线载波调制解调器集成电路芯片主要有l m l 8 9 3 、l m 2 8 9 3 、s t 7 5 3 6 等，都是基于移频键控( f s k ) 调制方式，电路较简单，占用信道的带宽相对较窄，故传输 速率低，一般不超过2 4 0 0 b p s ，而且抗干扰性能菱，传输距离短。 基于扩展频谱原理的调制解调器与以上产品相比，具有其独特的优势，如e c h e l o n 公司 l o n 、r k s 刚络中支持电力线通信的p u 1 0 a 收发器。扩频系统具有很强的抗干扰能力， 由于扩频信号间的伪随机码不相关所以信号可扩展到很宽的频带上，进入信号频带内的干 扰功率大大降低。相应地也增加了输出信噪比，因此，此类芯片具有很强的抗干扰能力。接 收端采用相干检测，可以有效地抵抗干扰信号，从而保证了信息码流恢复的正确性。采用扩 频技术调制方式的电路实现较为复杂，但传输速率可高达l o k b p s ，且抗干扰性、可靠性和 1 3 囟 二 扩千出 睡一 塑垩查堂堡圭丝苎 茎王旦塑塑皇墼竺竺墨竺塑堕塞量堡：! 稳定性将人大提高，因此，这种调制方式将是低压电力线载波通信的发展方向。 3 5 以太网抄表 以太网抄表方式是随着网络的飞速发展而推出的一种新型的自动抄表方式。图3 4 为采 用以太网抄表的系统示意图。 图3 4 以太网抄表系统示意图 接个系统可分为两个子系统：嵌入式以太网服务器和嵌入式以太网子模块。两个子系统 通过局域和广域以太网实现远程自动抄表的功能：嵌入式以太网服务器和多个嵌入式以太网 子模块构成局域以太网数据采集系统，而嵌入式以太网服务器可以通过广域以太网与远程的 管理中心通信，进行远程数据传输，从而实现自动抄表的目的。 嵌入式以太网服务器可以通过3 2 位单片机上集成t c p ，i p 协议栈的方式来实现。3 2 位 单片机可采用m o t o r o l a 的c o l d f 系列微控制器，嵌入式以太网子模块可咀通过在8 位单 片机上集成精简的t c m p 协议栈来实现。嵌入式以太网服务器通过局域以太网来控制各个 子模块，同时通过嵌入式以太网服务器的另外一个以太网接口连接到广域以太网管理中心 的p c 机可以通过广域以太网，透过嵌入式以太网服务器来访问各个子模块，从而得到各个 予模块的信息或者子模块的状态而嵌入式以太网服务器的功能在于比较实时的控制子模 4 浙江大学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 块，存储子模块的数据，屏蔽广域网络的非法以太网数据，且比较透明地传输子模块和外界 网络的交互数据，必要时可进行u d p 到t c p 数据包的转换。 采用以太阿抄表的方式的优点在于可以利用当前便利的网络环境，降低布线、安装成本， 而且以太网的速度较高，可以满足以后发展的需求。但是，采用以太网抄表对开发人员有较 高要求。 3 6 m o d e m 抄表( 有线、g p r s ) m o d e m 抄表是利用已极为普及的公用电话网和无线通信网络进行数据传输，实现远程 抄表的一种方式。利用电话通信网抄表，只需在电能表或集抄器和管理中心主机各加装 m o d e m 或内置m o d e m 芯片即可，因此，它是一种比较灵活、经济实用的方法。这样，不仅 可以摆脱传统的分布式总线系统繁琐的布线、中继、放大，以及运行过程中的维护问题，而 且系统扩展极为方便，具有较大的推广应用前景。 m o d e m 抄表方式可以利用有线m o d e m 在公用电话网上实现数据传输，或者利用g s m 、 g p r s 或c d m am o d e m 通过无线透信网络实现数据传输。基于电话网络的远程抄袭系统 般采用上，下位机结构( 或主，被叫结构) ，利用单片机、m 0 d e m 芯片或模块和现成的电话网络 即可实现远程双向通信，m o d e m 抄表系统框图如图3 - 5 所示。上位机由p c 和主叫m o d e m 组 成，用于拨号、下位机控制、数据管理等；下位机由被叫m o d e m 和电能表组成。用于电能量 计量、控制和传输。 图3 5m o d e m 抄表系统框图 浙江大学硕士论文基于网络的电费结算系统的研究与设计 为了降低成本，可以使用集成的m o d e m 芯片或模块。目前可供选择的有线m o d e m 芯 片有t d k 公司的7 3 m 2 9 0 l 、o k i 公司的m s m 7 5 1 2 b 等引。g s m m o d e m 有西门子的t 3 5 、 m 3 5 ，w a 、厂e c o m 的q 2 4 0 0 系列等。c d m am o d e m 有a n y d a t a 的d t s s 、d t g s 系列， w w e c 0 m 的0 2 3 0 0 系列等。 利用电话网络进行数据通信时。通过握手应答建立数据链路的时间较长，如果数据采集 点较多，则通信效率将大幅度降低，而且使用电路网络尤其是无线电通信网络进行数据通信， 费用相对比较昂贵，因此，不适合大容量系统。 随着无线通讯技术的发展利用g p r s 业务可以较为圆满地解决上述问题。g p r s 技术 在数据传输领域的应用日益广泛。g p r s 支持t c p 艘业务，并且g p r s 理论上提供高达 1 7 1 2 k b i t ，s 的传输率，这就使得强大的实时在线的数据传输成为可能，而且信息管理中心的 服务器只需要是普通的接入因特刚的主机，大人节省了服务器端的开销，所以g p r s 业务将 会在移动车辆监控定位系统，移动性数据查询，数据采集系统的应用等各个领域得到广泛的 发展。o p r sm o d e m m c 3 5 的出现使硬件的接口变得简单，可以说更加促进了这种应用的 发展。 1 6 浙江大学硕十论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 第四章系统结构及功能设计 本章将在理论基础上，根据电力系统的普遍需求，对电费结算系统的结构和功能进行 研究和设计。 4 1概述 随着我国社会主义市场经济的快速发展，作为国家支柱产业的电力部门正在电力信息化 的道路上迈进。一方面电力市场及厂网分开的现实要求，电力市场的运营面临着在发电、供 电、用电各方面之间进行严格的计量与计费的要求：另一方面电力局作为整个电力系统的基 层单位承担着繁重的生产任务，每天都要产生并处理大量信息。建设电费结算系统可以为 电力市场提供准确、可靠、安全、实时、完整的电最电费数据和计量考核信息，满足厂网分 开后，电力市场供、售、购电各方对电能计量自动化的公正要求同时可以为用电分析、网 损计算等提供大量准确的实时信息。 4 2系统结构设计 电费结算系统主要包括系统主站、信息传输通道、数据采集终端三部分。主站系统负 责对各抄表终端的状态、数据和设置参数进行集中管理，完成对电能数据的采集、处理、统 计、汇总和分析，实现电费结算。同时，给各生产、管理部门提供各种信息，作为指挥生产 经营管理的重要依据【1 7 l 【1 9 1 。 信息传输通道主要负责完成主站命令的卜达、数据采集终端数据的上传。系统采集终 端具有相对的独立性，可以独立完成对用户电能数据的实时采集和用户状态的监测等任务。 三者有机结合共同组成完整的系统。 根据系统的需求，电费结算系统设计包括系统总体结构设计、系统软件设计、系统采 集终端设计以及系统通道设计等四部分，本章主要讨论系统总体结构设计、系绕软件设计、 系统采集终端设计等。 4 3系统总体结构设计 按照数据库理论，我们将业务数据按数据类进行归纳划分，将相关密切的数据类归纳划 分到一起，形成相应的专业数据库；将备专业数据库中共用性强、综合强、使用范围广的数 据提取出来，组建公共数据库；出于性能和功能要求的原因，将进行决策常用的数据存放在 1 7 浙江大学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 辅助决策数据库中。 因此，基于多层次的计费系统的数据库总的划分为三大类：公共数据库( 共享数据库) 、 辅助决策数据库、专业数据库( 基础数据库) 。 l _ 专业数据库： 专业数据库的数据管理范围，包括仅为该专业子系统常用的数据、该专业子系统生成井 保存的数据、以及取白公用数据库为该专业千系统常用的数据，专业数据库是箨专业子系统 业务信息的资源，也是建立辅助决策数据库的基础。专业数据库主要包括： 1 )各营销数据中心业务数据( 各分公司数据中心) 2 ) 计量中心数据库 3 )客户服务中心数据库 4 )电能采集信息数据库等。 2 公共数据库； 公用数据库的数据管理范围，包括所有跨子系统使用的数据、反映整个企业生产和经营 状况的关键数据、以及公用数据库管理能有助于整个管理信息系统运行的数据。 它主要包括政策法规数据库、权限及业务流程库、主要技术经营指标数据库、安全管理 数据库、大用户情况数据库、电量供应数据库等。 3 辅助决策数据库： 辅助决策数据库既可直接给决策者提供信息查询，又可为决策模型的运算提供数据。 主要包括国内外电力发展数据库、年度生产计划数据库、生产完成情况数据库、供电数 据库、政策、法规、上级指示数据库、历年技术经济指标数据库、关口电力电量数据库等。 对于计算机系统，应用和业务都是围绕数据来展开的，从某种意义上讲业务数据的存 放方式决定了业务处理的模式和应用系统运行方式。由于电费结算系统设计的数据量人、实 时性高，且各专业子系统之间关联性强、功能的权限及时序性要求高，所以非常有必要对业 务数据的存放方式进行深入分析。 在功能划分上，一个子系统可以有若干个专业数据库，根据就近存放就近使用的原则t 专业数据库一般放在所属予系统内；出于对于数据保密、共享范围、使用权限限制的考虑， 公用数据库一般放在适当集中的位置。 总体上来说，目前对于大型应用系统，其数据存放方式基本上有两种模式：一种是集中 式存放方式，一种是分布存放方式，另外一种则是对上述两种方式的综合应用方案。 浙江大学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 本节首先比较两种结构的优缺点1 ，然后根据计费系统应用环境和应用需求。给出台适 的结构方式。 1 ) 集中式结构 集中式结构要求把服务器和数据全部集中在总公司数据中心，r 属单位通过广域网进 入局域网的方式。访问数据中心的数据，实现全公司各单位对应用系统的运营要求，图4 1 为集中式结构示意图。 集中式结构优势如下： 数据的集中存放有利于实现较大强度的集中管理。系统可以依据企业管理需求，为 各级部门和下属单位严格设置各种权限，管理人员可实时查询整个公司韵营销管理 信息：下属单位的各种营销业务信息也能及时集中，反馈给有关部门进行浏览、分 析和决策； 数据的集中存放有利于信息麸享，减少重复录入和接口。所有企业都会使用一套数 据库。基础数据可以根据业务要求可以设置为共享或不共享：日常业务数据，可以 按企业和部门分开维护。上级公司通过系统的权限设置，访问所有信息： 数据的集中存放便于系统管理维护，降低管理费用。接个维护工作集中在总公司的 数据库服务器，大大减少了系统维护费用。 集中式结构存在的问题： 由于数据的集中存放，所有的应用都必须通过网络访问集中的数据库，造成网络负 荷的增加。因此要保证应用的顺畅进行就必须保证足够网络带宽。根据实践经验， 至少有2 m 的带宽，才能较好满足数据集中的应用处理模式。 如果某个下属单位与服务器之间的网络通道出现故障。则该单位的正常营业工作将 会受到较大影响。当然可以通过通道备份技术增加网络通道的可靠性。 数据的集中存放导致数据库服务器运行负荷大，系统好坏会影响整个公司业务。一 旦维护工作出问题，会影响所有单位的使用。 数据的集中存放要求高性能的主服务器，因此导致初期硬件投资费用多。数据库服 务器以及网络将要满足接个公司的业务运行需求。要求的系统硬件配置较高。 1 9 浙江大学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 2 ) 分布式结构 图4 1 集中式系统结构 分布式存放方式是在总公司和下属单位各自建立局域网。在每个局域网安装备自的服务 器。网络之间可以通过相对低速的通道互连，形成城域网或广域网。 每个分公司在各自的应用系统中实现本单位业务处理的需求，同时依据上级单位业务 要求，定期把有关业务信息通过接口传送到上级单位的系统中，满足上级单位对垒局业务数 据和汇总信息的需求。当然上级单位也可以将公司系统参数、电价、业务流程通过数据流的 方式向下传达，实现监控，完成对各变电站的集中监控管理，图4 2 为分布式结构系统示意 图。 分布式结构的优势如下： 分布式结构适合于松散管理要求，即数据集中管理要求不高的企业应用需求。上下 级单位之间业务耦合较少，通过少量的数据交换维持正常的业务。 分布式适合于广域网通道条件较差( 如拨号网络等) 的应用环境。各个系统之间没 有日常实时联系，只有定期向总公司传送汇总数据需求，降低了网络瓶颈对系统运 行的影响。 分布式适合于各个应用系统有接口连接又相对独立，互不影响的应用需求。下属单 浙江大学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 位的数据库运行在各自服务器中，每个系统负荷相对减少，一旦某个系统出问题， 不影响其它企业系统的正常运行，降低了系统维护1 _ = 作难度，系统稳定性相对提高。 分布式结构的不足： 分布式结构的数据存放在各个供电局数据库服务器，如果分公司很多，则系统的罄 体投资将会增加。 分布式使系统维护困难，每个分公司至少需要一名对服务器、操作系统、数据库都 比较熟悉的专责人员，而且服务器数量越多出现故障的几率越大，系统维护成本越 高。 采用分布式，那么为了实现统一规范、业务监控、决策支持等目的就需要将这些 存放在各个分公司的数据上传。系统主服务器和网络的大部分资源都将用于大批量 的数据复制，使整个系统的性能受到影响。 当业务要求变得复杂化( 比如组织机构的变化，业务覆盖范围的变化等) ，这种方式 就很难完全适应业务的需求。 需要额外开发大量的应用系统间的接口，开发成本增大，系统建设风险增加，系统 可用性大大降低。 图4 2 分布式系统结构 2 l 浙江大学硕士论文 基于网络的电费结算系统的研究与设计 随着电力企业改革的不断深入、电力市场化的不断发展，电力企业在企业管理、人员使 用等方面，将不断向着高效率、低成本的方向发展，根据以上对系统结构优缺点的分析，我 们认为集中式结构更适台于电力系统的实际需要。 4 4系统硬件选型与设计 根据信息化系统建设的经验，系统硬件的选型对系统的整体性能有着较大的影响。系统 硬件的选型应着重考虑两方面的因素：系统近几年的数据处理、业务增阪需要；硬件整体性 ，价比，由于计算机技术的e 速发展，既不能过于追求硬什的性能造成资金的浪费，同时还 要考虑近儿年的需求发展，保证系统的基本性能要求。因此，系统硬件的选型设计必须在做 好系统数据分析的基础上进行。以下从三年内的数据增长景进行分析并据此对系统硬件进 行设计选型。 4 4 1 系统数据库容量分析 1 ) 电量数据：按5 0 0 0 块电表计算 原始数据库