论新型电能计量自动化系统在电网售电工作中的应用(福建省南安市电力有限责任公司 梁炳河).doc

论新型电能计量自动化系统在电网售电工作中的应用（福建省南安市电力有限责任公司 梁炳河）摘 要：随着电力系统的发展，长期以来，居民用电的电费是由供电局内抄表工定期挨家挨户抄写每块电度表的数据进行收取的，不仅效率低、浪费人力资源，而且无法获得用户实时的用电量。因此，研究和开发出一套能进行低压电表数据自动采集和远距离传输的自动化系统对于加强用电管理、提高用电质量、降低用电成本和实现用电管理自动化，具有积极的意义。关键词：自动化系统；通信协议；CRC检验法0、引言 伴随着电力体制的不断深入改革，电能计量自动化系统的研究对城网、农网的低压配电网技术改造，对提高电网负荷的管理水平，对提高售电收费工作的效率有广泛的实用性，是一项与现代电力生产过程紧密结合的课题。而系统的总体设计对系统的功效影响巨大。1、系统组成及功能1.1设计思想电能计量自动化系统采用分层分布式结构，共分为级:管理中心计算机、集中器、采集器和智能电度表。其中，智能电度表中的采集模块是在机械式电度表中加装智能计数模块，主要完成计数存储及通讯功能，以减小成木、功耗和体积。采集器位于一栋住宅楼或者其中一个单元的电表集中处，用于定时采集该楼或单元的所有电表数据。而集中器则安置在一个住宅小区公共变压器范围内，负责该小区所有用户电表量的汇总。而管理中心则由供电局营业所进行管理，按要求定时抄表，也可以随时抄录所管辖区域内各用户的电度表读数，分时计费查询，并且形成各种报表曲线。1.2系统组成在电能计量自动化系统中，要完成电表的改造、采集器和集中器的软硬件设计和中心计算机管理软件的设计。系统组成如图所示。图1 系统组成图2 上下级功能模块通讯规则管理中心位于供电局，对整个系统中各用户用电量进行抄录、存储、查询、统计、分析等。集中器可以安装在公共变压器范围内的任何地方，向下通过电力线收集各采集模块的数据，进行处理存储以后，再通过电话线将数据向上传至管理中心。采集器则响应集中器的召唤采集各个电表的数值。2、通信协议在网络中，要进行数据交换，就需要实现不同系统中各个实体之间的通信。为进行网络中的数据交换而建立的规则的集合称之为协议。协议的关键成分有:(1）语法:包括数据格式、编码及信号电平等。(2）语义:包括用于协调和差错处理的控制信息。(3）定时:包括速度匹配和排序，即事件实现顺序的详细说明，只有通信各节点。遵循相同的协议，才能有条不紊地交换数据。2.1报文格式通信各方必须采用标准化的数据传输规约，本系统参考国家电力部颁布的循环式远动规约，现对本系统中各种通信方式所采用的命令及数据帧格式说明如下:（1）电力线通信报文格式，如表所示。在电力线通信接口芯片SSCP300进行数据传输时，自动将数据打包，并且加上帧头、帧尾和CRC校验码，故采用上述报文格式。（2）RS232通信及电话线通信报文格式，如表所示。检验方法为CRC校验，帧头为77H,76H(与部颁协议中的同步字相符)，帧尾为DH和OAH，另外，由于RS232通信为一对一通信，不需要源地址和目的地址，而电话线通信则是先拨号建立好通信线路之后，双方再进行通信，同样不需要源地址和目的地址。各种通信方式中，由于信道或采用通信接口的不同，报文格式各异，但统一采用相同的特征码，如表3所示。2.2通信规则除了广播命令以外，上、下级功能模块严格按照以下规则进行通信，如图所示。其中特征码如表所示。3、CRC校验3.1 CRC法的原理在通信过程中，通信信道上的数据和控制信号受到通信介质周围各种干扰信号的影响很大，严重时造成误码以至阻断通信。传统的差错检测方法有:奇偶校验法、校验和法、行列冗余码校验法等。这些方法都是在数据信息后面增加一定数量的冗余位同时发送出去，在接受端对数据信息进行比较、判别或简单地求和运算，然后将所得结果同接受到的冗余位比较，若二者相同则认为接受正确；否则就判定有误码出现。由于所加的冗余位仅仅能够反映数据信息行与列的奇偶情况，所以这类检测方法对于行与列的偶数个错误不敏感，漏判的几率很高。由于循环码的编码和检错方法简单，容易实现，而且找到了许多有效的纠错方法所以循环码得到了广泛的应用，特别是在工业系统中常采用循环码来作为抗干扰编码。在许多通信接口芯片中都使用了硬件来产生CRC校验码，如电力线扩频接口芯片SSCP300,CAN总线接口芯片82(200等。由于软件差错检测不增加硬件，本系统的串口通信中使用软件实现CRC校验。CRC(Cyclic Redundancy Check）检验法的指导思想也是增加冗余位，但是它的冗余位是通过将传送的数据流多项式除以CRC多项式得到的，在实际应用中CRC多项式预先给定。就是被除多项式的系数，除法用模2减(无借位)实现，而且余数作为冗余位。接收端将被传输的余数(即检验码)与它自己计算的余数相比较，相等则表示没有错误发生，不相等则表示有错。由于这种方法取得兀余位的方式具有很强的信息覆盖能力，所以它是一种效率极高的错误检验法，当采用16位长的检验值时，其错误发现率如下:单个位错误:100%双位错误:100%比16位短的突发性错误:100%所有其他的突发性错误:99.9984%由此可见，CRC法善于发现各种类型的错误，特别是一些突发性错误。3.2 CRC法的数学模型假设有一个(n,k)循环码，它有2k个码字，根据循环码的特点，它的任意一个码字的每一次移位得到的是本空间的另外一个码字，从中取一个前K-1位为零的码字以g(X)表示。则g(X)，Xg(X)，Xk-1g(X)都是码字，且这K个码字显然都是独立的，所以可以作为码的一组生成基底。除了全是零的码字以外，其它码字中不可能找到连续K位均为。的码字，即连续为0的长度只有K-1位，至少g(X)的首项和常数项的这两项系数必定为1。也就是说，g(X)是常数项不为0的n-k次多项式。更为重要的是，g(X)是码中次数为n-k的唯一的一个多项式。因为如果有两个的话，则把这2个码字相加也应该是一个码宇，而此码字的多项式的次数将小于n-k次。一旦确定了g(X)，则整个(n,k)循环码就被确定了。码的生成矩阵G(X)的k行可以用g(X)的循环移位构成，即:因此,所有用G(X)生成的码字都是g(X)的倍式。换句话说，凡是码多项式都可以被g(X)除尽。这些码等效于如下编码，如果用多项式m(X)表示信息组，而且次数小于k，则Xn-km(X)的次数就小于n。用g(X)去除Xn-km(X)，得到余式r(X)，其次数小于n-k，把此余式作为校验码元附加在信息组后面，就得到一个必能被g(X)除尽的多项式，故必是码字多项式，这可以由下式表示:或C(X)=Xn-km(X)+r(X)=q(X)g(X)q(X)是g(X)除Xn-kn(X)后所得之商。上式即是CRC法的数学模型。用这种方法所编出的码字，前面是原来未变的k个信息码元，后面则为r个校验码元。在通信方式中有同步通信和异步通信方式之分，CRC是一种多用于同步通信方式中的差错检出方式。在这种方式中，将所传数据系列看为高次多项式，也成为位序列多项式G(X)，将此多项式用预先规定的生成多项式P(X)(Checking Pocynomial)去除，再将其余数码BCC(Block Check Code)附加在所传数据的尾部一并传送;在接收方，用同样的生成多项式去除，如果除得的结果余数值为零，则可以判断所接收到的数据是正确的。现在结合图例来说明CRC校验的数学原理。(1)首先将欲传送的序列G(x)乘以xn-k，其中n-k为余数码(BCC)的位数。(2)将乘得的结果用生成多项式去除。(3)忽略其商，仅将其余数C(X)(即BCC)取出，并且将其与相加，形成k+(n-k)=n位数据序列F(X)，如下式所示:即有F(X)=Xn-k*G(X)+C(X)3.3软件实现方法生成多项式有多种，这里系统采用CRC-CCITT类，生成多项式P(X)=X16+X12+X5+1。其余数码BCC为16位。上位机(PC机)的计算能力强，可以直接采用计算的方法产生校验码。而下位机(单片机)运算能力有限，可以采用查表的方法生成校验码。具体的方法如下:首先建立个单字节信息循环码的余式编码表(512字节)。在发送信息的过程当中，利用这个编码表同时进行R(X)的计算和信息位的发送。当信息位的发送完成以后，接着发送R(X)，在接收端通过同样