（机械电子工程专业论文）远程抄表与监控系统数据采集终端的设计.pdf

d e s i g no fd a t a a c q u i s i t i o n t e r m i a lo fr 卫m o t em e t e r r e a d i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e m a t h e s i s o rd i s s e r t a t i o n s u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e r o rd o c t o r o fe 丛g i 卫星宝 i 卫2 t h e s i s o rd i s s e r t a t i o n s u p e r v i s o r p r o f e s s o r r e ng o n g c h a n 9 m a y 2 0 1 0 7 4舢0 9 9 7 劓 i l y 一 远程抄表与监控系统数据采集终端的设计 摘要 目前 传统的人工抄表体系由人工来完成 不仅花费大量的人力资源 抄表效率低 而且还存在抄表周期长 估抄漏抄等现象 本文针对电力部门 的用电管理现状设计一种基于g p r s 和低压电力载波的远程抄表与监控系 统 以实现对电量的自动 集中 定时抄录 首先 本文从分析不同通信信道的特性入手 选择g p r s 无线通信与低 压电力线作为上下两层通信方式 确定了远程抄表与监控系统的总体设计 它由数据采集终端 数据输出层 集中器层 和软件管理中心三部分组成 提出可靠性设计要求 进行了总体可靠性设计 其次 对系统中涉及的低压电力线时变 衰减 频率选择等特性进行了 详细论述 在以扩频通信技术为理论依据的基础上 将直接序列扩频技术应 用于低压电力线载波 增大系统的处理增益等 提高了载波通信的可靠度 再次 对远程抄表与监控系统数据采集终端的软硬件设计进行了研究 硬件电路设计过程中 根据硬件设计可靠性原则采用了模块化设计 避免附 加无用功能模块 简化电路结构 由软件p r o t e ld x p 建立电路图 按照 标准化 规范化 安全化的可靠性设计原则进行了软件设计 程序设计也采 用了模块化设计 功能明确 设计简便 程序模块可共享 并且便于功能扩 展及便于程序为维护 并且运用汇编语言对主要部分程序进行了编程 最后 以远程抄表与监控系统数据采集终端采集的信息为依据 提出电 力负荷预测模型 用灰色理论与改进灰色理论对电力负荷进行预测分析比 较 为进一步设计提供条件 给出了用户交互界面和系统的功能实现 可以 有效的完成系统的远程监控自动化功能 对系统进行了总结 提出了创新点 和不足之处 随着扩频技术的发展 可以通过软硬件的更新优化实现系统性能的不断 提高 使得远程抄表和监控系统具有一定发展前景 对于提高管理部门的管 理水平和经济效益无疑有着十分重要的意义 关键词 远程抄表 g p r s 低压电力载波 扩频通信 模块化 灰色理论 预测 本课题受成阳基金项目资助 i i a n a l y s i sc o u l d b ec a r r i e do u ta u t o m a t i c a l l ya n dr e g u l a r l y f i r s to fa l l d i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d i nt h i sp a p e r g p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dl o w v o l t a g ep o w e rl i n eb e i n g s e l e c t e da sm e a n so fc o m m u n i c a t i o no fr e m o t em e t e rr e a d i n ga n dm o n i t o r i n g s y s t e m t h es c h e m eo ft h es y s t e mw a si n t r o d u c e db yf o l l o w i n g r e m o t em e t e r r e a d i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e mw a sc o m p o s e do f3p a r t si n c l u d i n g d a t a c o l l e c t i o nt e r m i n a l s d a t ao u t p u tl a y e r c e n t r a l i z e dd e v i c el a y e r a n ds o f t w a r e m a n a g e m e n tc e n t e r r e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t sw e r ep u tf o r w a r da n dt h e nt h e o v e r a l lr e l i a b i l i t yd e s i g nw a sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r s e c o n d l y t i m e v a r y i n g a a e n u a t i o n f r e q u e n c ys e l e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f l o w v o l t a g ep o w e rl i n ew a sd i s c u s s e di nd e t a i l an e wa d a p t i v en a r r o w b a n d i n t e r f e r e n c em e t h o db a s e do ns p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw a s p r e s e n t e dt oe n h a n c et h es t a r t u pr e l i a b i l i t yo fs y s t e m t h e n d a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a ls o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fr e m o t e m e t e r r e a d i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e mw a s s t u d i e d m o d u l a rd e s i g na p p r o a c hw a s u s e dt os i m p l i f yt h ec i r c u i ts t r u c t u r ea n da v o i da d d i t i o n a lu n w a n t e df u n c t i o n a l m o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so fr e l i a b i l i t y t h ec i r c u i tw a se s t a b l i s h e db y s o f t w a r ep r o t e ld x p i na c c o r d a n c ew i t ht h es o f t w a r ed e s i g np r i n c i p l eo f s t a n d a r d i z a t i o n s e c u r i t y r e l i a b i l i t y i ta l s ou s e dm o d u l a rd e s i g na p p r o a c hs ot h a t d e s i g nw a ss i m p l e p r o g r a mm o d u l e sc o u l db es h a r e da n dt h es y s t e mc o u l d e x p a n df u n c t i o ne a s i l ya n df a c i l i t a t em a i n t e n a n c e c o n t r o l l i n gt h ee q u i p m e n ta s i t l r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m i tw a sa l ls i g n i f i c a n tf o ri m p r o v i n gt h e s e c u r i t ya n dd e p e n d a b i l i t yt h r o u g hd e s i g n i n g t h ea n t i i n t e r f e r e n c et oi m p r o v et h e m o d u l em e t i c u l o u s l y f i n a l l y l o a df o r e c a s t i n gm o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ei n f o r m a t i o n d a t ao fc o l l e c t i o nt e r m i n a l i tc o u l dh e l pf o r e c a s tp o w e rl o a db yu s i n gg r a y t h e o r ya n dt h ei m p r o v i n gg r a yt h e o r ya n a l y s i sa n dp r o v i d e dc o n d i t i o n sf o rt i l e f u r t h e rd e s i g n t h eu s e ri n t e r a c t i v ei n t e r f a c ew a sa l s og i v e nb yw i t c ht h ep o w e r s e c t o rc o u l de f f e c t i v e l yc o m p l e t et h ef u n c t i o n sf o rr e m o t em o n i t o r i n gi ns o f t w a r e m a n a g e m e n tc e n t e r t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h es y s t e ma n dp u tf o r w a r da n i n n o v a t i v ep o i n t sa n ds h o r t c o m i n g si nt h ee n d w i t hs p r e a d s p e c t r u mt e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f c a nb eo p t i m i z e dt oa c h i e v ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fr e m o t em e t e rr e a d i n g a n dm o n i t o r i n gs y s t e m i ti su n d o u b t e d l yo fg r e a ts i g n i f i c a n c et oe n h a n c ea n d i m p r o v et h el e v e lo f t h em a n a g e m e n ta n de c o n o m i ce f f i c i e n c y k e y w o r d s r e m o t em e t e rr e a d i n g g p r s l o w v o l t a g ep o w e rl i n ec a r r i e r s p r e a d s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y m o d u l a r g r a y t h e o r e t i c a lp r e d i c t i v 2 1 远程抄表与监控系统总体设计 5 2 1 1 系统上层通信方式的确定 5 2 1 2 系统下层通信方式的确定 7 2 1 3 远程抄表与监控系统总体结构的设计 8 2 2 远程抄表与监控系统总体可靠性设计 8 2 2 1 可靠性设计技术要求 9 2 2 2 系统整体结构的可靠性设计 9 2 2 3 系统软件部分的可靠性设计 1 3 2 3 小结 1 4 3 低压电力线特性与扩频通信技术的分析 1 5 3 1 低压电力线的特性分析 1 5 3 2 扩频通信技术 1 6 3 2 1 扩频通信原理 16 3 2 2 扩频处理增益和抗干扰容限的提高 1 7 3 2 3 扩频通信的特点 1 8 3 3 直接序列扩频的原理 1 8 3 4 小结 2 0 4 终端数据采集硬件电路设计 2 l 4 1 数据采集终端的总体设计 2l 4 2 单片机a t 8 9 s 51 主控模块 2 2 j 1 l 1 2 2 2 3 4 5 一 i 一 一 一 4 2 1 单片机a t 8 9 s 5 1 内部结构 2 2 4 2 2 单片机a t 8 9 s 5 1 管脚说明 2 3 4 2 3 准双向口输入操作和芯片擦除 2 4 4 3 脉冲采集模块 2 5 4 3 1 电子式电能表部分 2 5 4 3 2 耦合电路的选择 2 6 4 3 3 三态八路驱动 缓冲7 4 h c 5 4 0 2 6 4 4 存储模块 2 7 4 4 1f m 2 4 c 1 6 a 特性介绍 2 7 4 4 2f m 2 4 c 1 6 a 内部结构及工作过程 2 8 4 4 3f m 2 4 c 1 6 a 地址分配及电路 2 9 4 5 继电器控制模块 31 4 6 红外通信模块 3 2 4 7 载波通信模块 3 3 4 8 时钟显示模块 3 5 4 9 电源模块 3 6 4 1 0 小结 3 7 5 数据采集终端软件设计 3 9 5 1 通信协议概述 3 9 5 1 1 主要术语 3 9 5 1 2 字节传输格式 3 9 5 2 接口电路地址分配 4 0 5 3 程序设计 4 0 5 3 1 主程序 4 1 5 3 2 中断程序设计 4 2 5 3 3 脉冲处理子程序 4 4 5 4 j 结 4 5 6 电力负荷预测模型的实现 4 7 6 1 负荷预测功能的实现 4 7 6 2 灰色预测模型 4 7 6 3 灰色预测模型的改进 4 9 6 4 灰色模型在电力负荷预测中的应用 5 0 6 5 j 结 5 1 一5 3 5 3 5 4 一5 4 5 6 一5 7 一5 7 5 8 5 9 一6 3 一6 5 一6 7 6 9 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 7 1 一 i i i 远程抄表与监控系统数据采集终端的设计 l 绪论 1 1 课题研究的背景 目前 传统的抄表系统由大量人工来完成 缺乏实时准确的用电数据采集手段 不 仅耗费大量的人力 物力 抄表效率低 还造成严重的拖缴电费 偷盗电 由于低压电 力线路间电压差大造成的线路损害等现象 电力部门无法对用户进行实时监控 不能实 现自动 合理 科学的调度 进而改善配电网管理水平 随着城乡电网改造及 一户一表 工程的实施 电表的数量迅速增多 抄表的工作 量越来越大 供电部门直接管理的用户数量呈几何级上升 如何准确及时地完成电表读 数的采集工作将是一个越来越重要的问题 另一方面 随着电力改革及优质服务的进一 步深人开展 对电力企业的管理和服务水平都提出了更高的要求 无论是从管理手段上 还是从技术手段上都需要有极大的提高 传统的人工数据采集方式已经无法再适应企业 现代化管理的需要 为了更好的适应社会发展 需要一种集信息与科技于一体的新型自 动抄表系统 2 1 1 2 课题研究的意义 自动抄表系统 a m r a u t o m a t i o nm e t e rr e a d i n g 是将智能化电表通过通信网络与 控制中心的计算机联络 实现对电量的自动 集中 定时抄录 并进行统计和分析的一 种抄表方式 2 3 1 它是配电网络用电管理的一个重要手段和组成部分 由采集部分 收发 部分和数据处理部分组成 对加强用户用电管理 管理部门监控管理非常必要 适应市 场经济需要 对于提高管理部门的管理水平和经济效益无疑有着十分重要的意义 首先 自动抄表系统是对传统抄表系统的改进 采集终端用电信息 经过数据处理 存储 事后回收 数据再现 数据分析 然后经传输给集中器 上传至管理中心实现自 动 集中 实时抄录 其次 不再需要预约上门抄表时间 居民用电量自动抄收 收费等 可减少抄表和 相关员工数及费用开支 降低员工劳动强度 提高抄表工作效率 自动抄表系统的计量 准确无误 实时监测可减少由于用户违章用电等造成的电量损失 将有效地降低供电网 络运行成本 还能迅速查询账单 对于加强用电管理 防止窃电 电费催收 杜绝贪污 腐败现象也有积极的意义 最后 由于变电所内出口线路负荷一般都比较大 应用自动抄表系统能够及时发现 电能计量中出现的异常情况 如电能表失准或损坏 盗电等问题 极大地缩短发现和处 理异常的时间 最大限度地减少损失 用电管理部门能及时准确获得数据信急 有利于 提高企业的服务质量 树立企业的良好形象 陕西科技大学硕士学位论文 1 3 国内外发展现状 1 3 1 国外发展现状 国外对于自动抄表技术的研究起步较早且比较深入 八十年代计算机技术 超大规 模集成电路 v l s i 和通讯技术的飞速发展 使得国外自动抄表技术有了很大飞跃 目前 总线制智能抄表技术占据市场重要地位 如英国a b b 公司 德国m e i l e k 公司以及以 色列a r a d 公司在此方面都有一定的优势 3 1 无线自动抄表系统 仪表总线自动抄表系 统均有不同程度发展 4 随着扩频技术的发展 由于发达国家电网运行状况已非常完善 电网管理水平较高 载波传输速率也较高 电网信号干扰少 国外电力载波技术在抄表系统中得到很好的应 用 多家公司推出了自己的电力载波m o d e m 芯片 并制定了电力线载波使用频率范围 的标准 根据各国配电网标准不同 制订了严格的评价标准和方法标准以及电力线频带 宽度有关规定 如美国联邦通信委员会规定电力线频带宽度 1 0 0 4 5 0 k h z 欧洲电气 标准委员会规定电力线频带宽度 3 1 4 8 5 k n z t 4 5 1 从而使得对低压电力线自动抄表系统 开发更加稳定 投资得到最有效的利用 1 3 2 国内发展现状 国内电费收费方式基本上有三种 一是传统的人工抄表收费方式 由管理人员上门 抄表和收费 二是现在许多城市实行的i c 卡收费方式 三就是集中抄表 为用户安装具 有通信能力的计量仪表 通过通信网络系统自动完成用户计量仪表的数据抄收 可以通 过金融网点方式自动或人工完成缴费 传统抄表方式的优点是计量仪表成本低 采用付费方式容易被用户接受 缺点是需 要大量人工来完成抄表 制表 填表和计费工作 不仅花费大量的人力资源 抄表效率 低 而且还存在抄表周期长 抄表不到位 估抄 漏抄等现象 i c 卡收费方式与传统机械式电能表比较 实现了抄表 收费 控制的三位一体 它 是先买电 后用电 过去物业收费人员可能多次上门收费改为用户自己主动到物业部门 买电 基本杜绝了收费难及欠费现象的发生 且计量精确 反应灵敏 性能可靠 自身 损耗很小 与用户间关于用电多少争议也较少 抄表收费人员和管理费用较少 s j 但是 要实现这种收费方式还必须首先替换所有用户的电表 在使用这种预付费方式过程还需 要用户不定期的查看余额 还会出现误报警现象 也不能有效防止偷电 漏电现象p 1 第三种方式优点是自动化程度高 节省人力 并且很容易实现系统的实时监控f 4 6 l 能够有效解决存在问题 兼有i c 卡预付费方式的优点同时具有传输速度快 实时准确 可靠性等优点 并且自动化功能更为完善 8 到目前 因国内受技术水平所限 各种自动抄表技术虽都有应用 但量都不大 十 分成功的较少 市面上所使用的抄表系统种类虽然繁多 基本结构及原理却都大同小异 2 远程抄表与监控系统数据采集终端的设计 采集设备通过累计电能表的脉冲信号进行累计和换算 转换出用户的用电量 通过这种 方式实现的远程抄表系统 其可靠性取决于脉冲信号传输以及系统计量的可靠性 在传 输过程中采用电话线 电缆等传输介质 使用中常会存在着很多的弊端 传输速率慢 可靠性低等 随着我国电子技术 通信技术及计算机技术的发展 基于低压电力线载波通信的自 动抄表系统已在江苏 安徽 上海等地多家电力通讯部门有研究如上海r o h m 半导体有 限公司 并且在市场上开始出现和利用 然而 低压电力线路上噪声大 衰减厉害使得 通信距离达不到人们的要求 因而并没有实现真正抄表系统的自动化 1 4 选题来源和依据 建设部陆续颁布的 全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术指导 试 行稿 等指导性文件也规定 在先进的通信技术 电子技术 计算机技术及控制技术基 础上采用系统集成方法 逐步建立一个沟通小区内部住户与住户 住户与小区综合服务 管理中心 住户与外部社会的多媒体综合信息交互互联网 为小区住户提供一个安全 舒适 节能 高效的生活环境 实现智能化为主 可持续发展 具有2 1 世纪风范的智能 化小区 而智能化居住区的充分体现就是智能楼宇控制系统中的自动抄表系统 因此 迫切要求一种具有实时性 可靠性强的自动抄表系统满足需求 随着对扩频技术研究的深入 通过在发送端调制过程扩展信号频谱 在接收端解调 过程解扩还原回复信息 以提高抗干扰容限的方法 使得低压电力线载波中衰减性强 干扰大等问题逐渐得到解决 低压电力线载波自动抄表技术的应用逐渐得到推广 在目 前自动抄表系统的基础上 本课题拟开展基于g p r s 和低压电力载波远程抄表与监控系 絮 统的研究 运用扩频通信技术对系统加以优化改进 提高系统的可靠性 实时性 以满 足未来智能化城镇建设的需要 上层采用移动公司的通用分组无线业务 g p r s 通信方 式 具有很多优势 如永远在线 连接时间短 实时性强 连接速度快 适合不定期 长时间的数据传输 通信费用低廉 通信覆盖范围广 安装施工十分方便等优点 下层 运用小区现有低压电力线载波进行底层数据传输 使抄表系统从设计 安装简便 投运 到正常生产运行及其检修维护时间缩短 还能够为改进旧楼宇的用电自动控制提供方便 体现出优越性 远程抄表与监控系统的研究将能够为电力部门实现客户端电能量值实时 动态管理 分析和控制 提高电能计量管理水平 推动电力营销管理工作全过程自动化 的进程 产生较高的经济效益和和社会效益c 1 1 本课题是陕西省咸阳市的基金项目 也是根据咸阳市电力部门对项目的技术要求 展开分析和研究 运用现代遥测 遥传 计算机管理 g p r s 等高新技术专门开发的针对 电力系统的增效 提高管理水平的远程抄表系统 3 陕西科技大学硕士学位论文 1 5 本论文的主要研究内容 自动抄表系统主要分为三部分 现场数据采集终端 数据传输和软件管理 本论文 主要研究现场终端数据采集部分 以实现对电量的自动 集中 定时抄录 实现城镇小 区家庭用电的智能化管理 本论文第一章主要介绍课题研究的背景和意义 分析了目前自动抄表系统国内外发 展现状 阐述了远程抄表与监控系统的选题来源和依据 第二章首先对现有通信方式进行分析比较 确定远程抄表与监控系统的上下层通信 方式和总体方案 提出基于g p r s 和低压电力线通信的远程抄表与监控系统的总体可靠 性设计 根据系统的设计原则 对系统三部分分别进行可靠性设计 借助模块分析法确 定硬件部分可靠度瓶颈后 进行模块化设计 简化系统的电路结构 加强关键模块的安 全设计和载波信号传输的通信信道可靠性设计 以整体提高系统可靠度 本论文从第三章开始到第六章主要针对远程抄表与监控系统的底层进行详细说明 第三章首先介绍了低压电力载波的特性 提出扩频通信技术的原理及理论依据 采用对 用电信号频谱加以拓展的方法 提高系统抗干扰能力 对用电信号进行调制解调 实现 数字信号和载波信号的转换 在现数据采集终端和控制集中器设计时 采用专门载波接 口电路提高信号发送功率 提高交换信息的正确率 第四章和第五章是本论文重点 详细介绍了远程抄表与监控系统 数据采集终端 软硬件的设计开发过程 第四章详细介绍了数据采集终端的硬件电路设计 根据硬件电 路设计的可靠性原则 进行了模块化电路优化设计 主要包括单片机主控模块 脉冲信 号采集模块 掉电存储及处理模块 继电器通断电控制等 根据低压电力载波特性分析 选择性价比大的元器件 第五章 根据系统对终端数采集模块的要求 制定通信协议 采用软件模块化设计原则给出了主要程序流程图及主要实现程序 第六章以数据采集终端采集的用电信息为依据 建立低压电力线电荷分布预测模型 首先讲述了灰色理论与改进灰色理论的理论依据 用改进灰色理论预测的方法对低压电 力线上电荷分布实现预测分析 以帮助电力部门提高对电网的管理水平 第七章从远程抄表与监控系统整体设计要求出发 简单的给出了系统实现功能 系 统交互界面及检索方法 最后 对系统进行了总结 对系统的可行性进行分析和展望 提出了系统的创新点 和不足之处 4 系统需 通信 算机技 体系总 图2 1 远程抄表系统体系总体框架图 f i g2 1t h e a r c h i t e c t u r ed i a g r a mo fr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e m 一誊 由远程抄表系统体系结构图看出 一般主要包括两个通信信道 一是软件管理中心 与集中器之间的通信信道 二是集中器与终端数据采集器之间的通信信道 系统结构采 用分布式体系结构 上层 软件管理中心计算机与集中器之间 数据采集采用星型结构 底层 集中器与终端数据采集器之间 数据采集用总线型结构 2 1 远程抄表与监控系统总体设计 通信方式的选择是设计远程抄表与监控系统的首要任务 确定具体的通信方式时需 要综合考虑系统面对的对象 用户的分布 用户的数量 地理条件 期望达到的目标以 及系统的扩展升级和与其他网络的兼容等等 因此各种通信方式不应该是孤立的 而且 任何一种通信方式在不同的系统中的应用效果也不尽相同 2 1 1 系统上层通信方式的确定 根据信道的介质可将分为公用电话线网 无限通信网 光纤通信网和有限电视宽带 网四种模式 上层通信方式可由其特点来决定使用哪种通信信道 5 陕西科技大学硕士学位论文 1 公用电话线网 由于电话网在城镇的普及率非常高 利用现有的电话网进行数据通信 是一种方便 经济有效的方式 不需要改造信号传输线路 完全可以利用普通铜质电话线作为传输介 质 在数据集中器和管理中心主机分别配上专用的调制解调器 m o d e m 即可实现数据 高速传输 其通信速率可达2 4 b p s 9 6 k b p s 5 6 k b p s 和6 4 0 k b p s 目前 极具发展前景 的接入技术非对称数字用户环路a d s l a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 就是一种能 够通过普通电话线提供宽带数据业务的技术 有 网络快车 之称 因其下行速率高 频带宽 性能优越 安装方便 不需交纳电话费等特点而深受广大用户喜爱 但因进行 数据通信时通过拨号完成 线路续接需要几秒到十几秒的时间 管理中心无法进行实时 监测 且租用费用高 不适合大规模系统 1 0 l 2 无线通信网 无线通信网络传输频带较宽 通信容量大 可达几千台 通信距离长 一般几十公 里 还可通过中继站延伸到更远 目前市场上出现第三代数字通信3 g 3 r dg e n e r a t i o n 在传输声音和数据的速度上提升 它能够在全球范围内更好地实现无缝漫游 并处理图 像 音乐 视频流等多种媒体形式 提供包括网页浏览 电话会议 电子商务等多种信 息服务 无线网络必须能够支持不同的数据传输速度 也就是说在室内 室外和行车的 环境中能够分别支持至少2 m b p s 兆比特 每秒 3 8 4 k b p s 千比特 每秒 以及1 4 4 k b p s 的传输速度 但是3 g 在我国正处在网络技术试验阶段 或称外场测试 主要集中在固 定环境下的高速接入 其移动性和话音支持能力无法和公众移动通信网络抗衡 将来可 能成为与移动网络互补的重要技术手段 3 光纤通信网 利用光导纤维传输信号实现信息传递的一种通信方式 具有体积小 重量轻 抗电 磁干扰 传输速率高 传输距离远 抗辐射性强 保密性好 频带宽等优点 非常适合 上层通信网的要求1 9 q 3 但因为存在抗拉强度低 光纤连接困难 安装费用较高等缺点 在智能远程抄表系统中无法采用 4 有线电视网 有线电视网 c a i n 是高效廉价的综合网络 传输速率高 传输可靠 但目前还是单 向传输 不符合自动化抄表系统的需要 在自动抄表系统中 上层通信系统是一对多的连接形式 发散地分别通过通信信道 与分散的各用户区域的集中器连接 因此 需要信道的通信数据量较大 要求有一定的 传输速度和宽带 考虑到远程抄表系统中各项性能指标的需要 外界环境和成本要求 本系统用户电管理中心到远程集中器的通信采用g p r s g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 分 组无线业务 通信方式 是在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业 6 远程抄表与监控系统数据采集终端的设计 务 具有通讯距离远 可靠性高 综合投资成本较低等优点 g p r s 网络永久在线 网 络传递信息的实时性强 通信费用是按流量而不是按时间计费的特点远程抄表系统中能 大幅度的提高系统的稳定性 可靠性 实时性 同时也能大幅度降低系统的运营费用 9 q 3 2 1 2 系统下层通信方式的确定 下层数据传输方式不断地吸取通讯领域和现场总线通讯技术 在这些技术中 应用 比较广泛 技术比较成熟的主要包括r s 4 8 5 总线 l o n w o r k s 总线 短距离r f 无线 低压电力载波通信 仪表总线通信网等 根据应用场合要求的不同 可以灵活选择使用 总线 首先必须对所用的通信信道特性进行分析研究 阻抗信号衰减和干扰是决定所有 通信信道性能的基本参数 1 r s 4 8 5 总线 r s 4 8 5 总线采用半双工异步通信方式及 平衡差动式 数据传输 支持多节点 远 距离和接收高灵敏度的总线标准 技术成熟 成本低廉 抗干扰性强 但是在低压电力 载波抄表系统中因控制单元数量较多 干扰大 软硬件设计不完善 传输可靠性不高而 无法被利用 9 n 2 l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 总线是国家建设部唯一推荐的比较完善和优秀的可应用于自动化抄表技 术的现场总线技术 通信速度快 通信介质多 走线简单 通信可靠性高 支持多种介 质之间相互通信 为集散式监控系统提供了强有力的实现手段 但因价格比较昂贵 而 无法被利用于远程抄表与监控系统 6 1 0 3 短距离无线通信 短距离无线通讯r f r a d i of r e q u e n c y 安装方便 成本低 无需布线 己经被应用 到汽车 短距离数据传输控制等简单的数据采集交换系统 因为传输距离受限缺点 无 法被自动抄表系统采用 4 仪表总线通信 专为家用仪表数据传输而设计的总线系统 目前这种通信方式在国外已有较多应用 如欧洲e i b 总线 e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s m b u s m e t e r b u s 总线等 具有极性可互 换 总线拓扑结构可任意 传输距离远等特点 已在美国使用 但是在国内发展不成熟 应用还很少 5 低压电力载波通信技术 低压电力载波通信是利用2 2 0 v 5 0 h z 低压电力线进行信号传输 无需重新布线 传 输速率大 实时在线 但是由于我国低压电力配电网污染严重 抗衰减性和抗干扰性差 但随着扩频通信技术的深入发展 逐渐被接受并有很大前景 综合种种因素 结合我国目前的经济状况 本系统底层数据采集终端到集中器之间 7 陕西科技大学硕士学位论文 通信信道选择采用低压电力载波方式 能够有效的降低成本 通过加强对系统抗干扰和 抗衰减设计 能大大提高低压电力线载波方式的可靠性 满足市场需求 2 1 3 远程抄表与监控系统总体结构的设计 根据对通信信道的特点分析 本设计上层通信信道选用g p r s 无线通信信道 下层 通信信道选择低压电力载波通信信道 该系统是能够在现场环境运行 性能可靠 造价 低廉 以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信 形成工厂底层网络系统 实现 底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息 交换的自动抄表系统 远程抄表与监控 系统结构如图2 2 互联网用电管理中心 采集器n 采集器n 图2 2 远程抄表与监控系统结构示意图 f i g2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m 系统工作过程 用户电能表采集器与集中器之间基于现有电网 通过2 2 0 v 5 0 h z 低 压电力线进行载波通信 集中控制器再通过r s 2 3 2 接口与g p r s 透明数据传输终端相连 g p r s 透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理 协议封装后发送到g p r s 网络 通过g p r s 网络传送至用电管理中心 实现客户电度表数据和用电管理中心的实 时在线连接 以下将根据可靠性设计要求 对系统总体进行可靠性设计 2 2 远程抄表与监控系统总体可靠性设计 远程抄表与监控系统底层通信是利用现有2 2 0 v 5 0 h z 三相交流电源线作为载体 用 于承载城乡小区内所有用户的用电信息 除了由于我国电网运行状况并不是十分完善 8 远程抄表与监控系统数据采集终端的设计 存在严重的电磁兼容问题 在数据采集终端设备采集电能表的脉冲信号时及载波信号在 低压电力线的传输中 还存在很多干扰 加上电力线本身信道特性的时变性及恶劣的外 界环境对信号的作用 会造成传输数据的衰减 并且在采集脉冲信号进行累计和换算 转换出用户的用电量的过程中 以及系统管理中心计量的过程中也会出现误差 常造成 用电信息的混乱和错误 系统的可靠性不高 因此 如何保障设备的稳定 数据的安全 和系统的可靠是远程抄表与监控系统设计的关键 2 2 1 可靠性设计技术要求 我们将模块化冗余结构设计 容错技术 软件滤波技术等融入到基于g p r s 和低压 电力线的远程抄表与监控系统中 将先进技术与现有的系统设备结合起来 实现系统的 可靠性要求 整体系统的可靠性具体包括以下五个方面的内容 1 具有良好的正常使用性能 系统在寿命期内和规定的使用条件下 能实现设计 所要求的功能和性能指标 具体包括采集数据的准确性及实时性 通信的畅通性 功能 的稳定性 自诊断的有效性 载波信号分析的准确性等方面 2 d 1 1 2 具有一定气候环境防护性能 在信号的传输过程中由于恶劣的外界环境如浓雾 雨雪 冰霜等天气所引起的硬件电路的锈蚀和老化 电磁场包括上电断电的冲击脉冲 雷电磁脉冲 浪涌电压等对系统的干扰 在设计过程中要采用专门的防护电路 提高载 波信号的抗干扰性和抗衰减性 使信噪比能达到一定的要求 3 具有足够的耐久性 系统硬件电路部件能经受正常使用期内的各种作用并满足 使用要求 且具有备品备件支持 具有抗老化 抗腐蚀和抗松动的能力 测量 通信 数据处理和其它各项性能指标在使用期内的变化不会超出设计允许范围 软件方面采用 安全内核或冗余备份等技术 保证寿命期内软件安全可靠 且便于扩展其它的功能 4 缓冲减震设计 能保持系统的整体稳定性 系统在受到设计中要考虑到的意外 因素 如人为破坏 直接雷击等作用时不会产生严重后果 不能影响系统的正常工作 对故障处进行显示和报警 从而使故障易于查找和修复 同时所花费的时间和费用也较 少 5 其可靠性指标可根据要求满足系统的需要 其设计指标一般为 使系统的可靠 度达9 0 在系统的使用过程中可以定期对各部分进行检测维护 保障系统能够在足够 的时间内稳定工作 不影响电力部门的工作需要 2 2 2 系统整体结构的可靠性设计 对基于g p r s 和低压电力线载波的远程抄表与监控系统进行总体设计过程中 根据系 统设计可靠性原则 系统实现功能 系统提出的各项技术要求 对软件和硬件进行明确 分工 能够有软件完成的任务就尽量的由软件实现 以降低硬件成本 简化硬件结构 系统硬件部分的设计可靠性是系统可靠性基础 优化电路设计是提高系统可靠的必 9 陕西科技大学硕士学位论文 然要求 电路可靠性设计也可以借助模块分析法确定硬件部分可靠度瓶颈后 进行模块 化设计 使系统的电路结构简化明了 不附加无用功能模块 加强关键模块的安全设计 和载波信号传输的通讯信道可靠性设计以整体提高系统可靠度 系统整体原理框图如图 2 3 监控管理中心 数 据 传 输 层 数 据 采 集 终 端 图2 3 远程抄表与监控系统的原理框图 f i g2 3b l o c kd i a g r a mo fa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m 由远程抄表与监控系统的原理框图 系统采用三部分结构 数据采集终端 数据传 输 监控管理中心三部分 系统分部设计有很大优点 1 模块化分层设计 便于系统开发 2 简化系统 有利于故障定位 隔离和维护 3 扩展性好 数据传输部分采用中转站集中器方式 可扩大系统规模 延长距离 降低功耗 4 根据智能小区外界环境和面积 灵活运用组网方式 对于自动化程度低的系统 可只用下层网络 规模小的可只用上 下层网络 一 a 数据采集终端的可靠性设计 数据采集终端是自动抄表系统安装在现场的低端设备 相当于一个智能管理机 采 集用户电能表的脉冲数据 进行处理 存储 同时通过低压电力线与中转站集中器进行 数据交换 数据采集部分的模块化设计如图2 4 1 0 于维护 能够有效避 免各模块间的电磁干扰 抑制内部脉冲干扰生成 但要注意在各模块内元器件的选型 裕度设计和稳定性设计 如在设计脉冲采集模块时选用线性度好的耦合器件和驱动器件 严禁使用脉冲整形电路 避免把干扰脉冲形成一个规范的输入脉冲 b 数据传输部分的可靠性设计 信号传输过程中 干扰性和时变性会对载波信号产生强烈的干扰 使得信号出现失 真 在接收端不能恢复原样 而衰减则使得信号的强度不断减弱 不能实现信息相互传 输 针对电力线上的特性 分析低压电力线载波仅能应用在变压器二次侧 并且需要在 配电线路中同一变压器下加集中器 然后由集中器将数据通过其它信道 如电话线网 无线通信网 返回到控制中心 因而这种方式对接入两个电压等级间的跨接设备的安全 性有待考虑 集中器主要起存储和转发的作用 将相对于单片机而言繁杂的算法和庞大的存储放 在上位机内 集中器本身只接收上位机的指令并下发给数据采集终端并将用户电表的读 数等信息存储和上发至上位机 而需集中器的设计也要采用模块化设计 集中器结构框 图如2 5 一般一个台区内只有一个集中器 其管理的用户表的数量不大于1 0 0 0 块 在一个台 区内用户表的实际数量一般不超过5 0 0 块 这与台区变压器的容量有关 由于集中器的 数量较少 而责任重大 所以在集中器的设计上对成本的考虑较少 而更多的是如何能 可靠的实现系统的设计思想 添加中转站集中器能提高载波信号的传输可靠性 有效解 决数据传输过程中存在干扰 传输距离受限制等问题 陕西科技大学硕士学位论文 图2 5 集中器模块框图 f i g2 5t h em o d u l a rf r a m eo fc o n c e n t r a t o r c 通信信道和接口电路的可靠性设计 载波信号各模块之间接口电路的可靠性设计是影响系统可靠性的主要因素之一 加 强数据传输部分可靠性设计 需要依靠专门的接口电路和功率放大电路 滤波电路等辅 助电路 以提高信噪比 信号传输过程运用直接序列扩频通信技术 能将干扰减小到最低 同时辅以软件设 计 使信号出现失真的几率大大降低 克服信号衰减的途径有两个 一是缩短通信距离 这在实际中根本不具可行性 因为每家每户的住址确定 不能改变 二是提高信号发射 时的功率 而如果单纯地提高功率 就必须增加发射电压 这无疑会增加设备的功耗 而且在设计时要受到硬件的制约 因此必须选用专门的载波直接序列 b p s k 调制解调 芯片 配置一些外围电路 来提高载波信号的抗衰减性 抗干扰性 使其应用在低压电 力通信领域 第三章将详细介绍 低压电力载波接口电路如图2 6 l n 图2 6 低压电力载波接口电路框图 f i g2 6t h ei n t e r f a c ec i r c u i td i a g r a mo fl o wv o l t a g ep o w e rl i n ec a r r i e r 经微处理器处理的用电信息序列 经调制解调电路得到频率更高的载波信号不能直 接载入低压电力线 必须经过推挽功率放大电路进行放大后 用带通滤波电路滤除干扰 1 2 数据采集终端的设计 传输 低压载波传输中载波信号的发送功率 关 因此 一定范围内改变功率放大电路电 信噪比 延长通信距离 根据我国电网标准 1 2 0 k h z 因此 在集中器端接收载波信号 谐振中心设计为1 2 0 k h z 良好的选频回路 部分 主要包括用于管理单片机工作的监控 由于计算机技术的发展 现在p