低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现

湖南大学硕士学位论文低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现姓名：申梅花申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：戴瑜兴20071031低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现摘要传统的点对点人工抄表方式具有很大的局限性：劳动强度大、漏抄误抄率高、抄表不到位且容易掺杂人为因素、由于无法做到同一时间或零点抄表而不能准确反映实际线损、用户电力负荷预测及控制工作难以完成等。本文正是针对这一问题，设计开发了上行信道采用电话线、下行信道采用电力线传输的低压电力用户远程集中抄表系统。（１）经过对集抄系统技术的研究，分析并指出现阶段我国电能计量系统状况及存在的问题，阐述了上行信道采用电话线、下行信道采用电力线传输的远程集中抄表系统的应用优势。（２）根据集抄系统的设计要求，提出低压电力用户远程集中抄表系统总体解决方案。论述了电子式单相载波表、一拖Ｎ采集器以及集中器组成原理和设计实现方法，分析了主站抄表管理平台的功能需求。（３）设计开发了载波表功能模块及集中器功能模块，给出了载波表电能计量模块、载波通信模块、集中器主控模块、集中器电力线通信模块、集中器Ｍｏｄｅｍ通信模块硬件及软件设计与实现方法，分析了其他相关功能模块，并在此基础上构造了利用表中继技术的网络拓扑抄表模型。（４）针对课题所阐述的集抄系统设计了一种切实可行的抄表管理软件，给出了数据库设计、利用ＰＳＴＮ与集中器通信设计以及其他相关功能模块的设计与实现方法，给出了代码实现及相应的程序运行结果。（５）阐述了系统各模块的调试环境，对调试过程中遇到的困难给出了相应的解决方案，给出了系统运行结果及分析。试运行情况表明；上行信道采用电话线、下行信道采用电力线传输的低压电力用户远程集中抄表系统实现了电能计量、载波通信、数据抄读、数据汇总、数据浏览、查询、电费计算等功能，达到了预期的设计要求。关键词：集中抄表；远程抄表；电能计量；载波通信；数据库管理Ⅱ硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｏｉｎｔ・－ｔｏ・・ｐｏｉｎｔｍａｎｕａｌｍｅｔｅｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｌａｂｏｒ，ｅａｓｙｔｏｌｅａｋｏｒｒｅａｄｉｎｇｍｏｄｅ：ｇｒｅａｔｍｉｓｓｒｅａｄｉｎｇ，ｍａｎ－ｍａｄｅｍｉｓｔａｋｅｓ，ｉｎａｃｃｕｒａｔｅａｃｔｕａｌｌｉｎｅｌｏｓｓｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｍｐｏｓｓｉｂｌｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｅｒｔｏｒｅａｄｉｎｇ，ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｉｃｌｏａｄｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ，ｅｔｃ．Ｉｎｏｒｄｅｒｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄｏｎａｎｄａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｃｏｌｌｅｃｔｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇａｓｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｌｉｎｅｃｈａｎｎｅｌ．ＰＳＴＮａｓｔｈｅｕｐｌｉｎｅｃｈａｎｎｅｌｔｈｅｐｏｗｅｒｌｉｎｅｃａｒｒｉｅｒｔｈｅｄｏｗｎＦｉｒｓｔｌｙ，ａｆｔｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｐｏｗｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔＷａＳａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ，ａｎｄｔｈｅｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅｏｆｔｈｅｒｅｍｏｔｅｃｏｌｌｅｃｔｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｅｘｐａｔｉａｔｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎｄｉｃａｔｏｒ，ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｇｉｖｅｎｏｕｔ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｃａｒｒｉｅｒｍｅｔｅｒ，ｔｈｅｏｎｅ－ｔｏ－Ｎｃｏｌｌｅｃｔｏｒａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒｗｅｒｅａｌｓｏｇｉｖｅｎｏｕｔ．Ａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｄｅｍａｎｄｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ．Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｓｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｏｆｔｈｅｍｅｔｅｒ’Ｓｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ’Ｓｏｆｔｈｅｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇｍａｎａｇｅｍｅｎｔｔｅｒｍｉｎａｌｓｏｆｔｗａｒｅｗｅｒｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｃａｒｒｉｅｒｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ．ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔｍｏｄｕｌｅ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｌｉｎｅｃａｒｒｉｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｏｕｔｍｏｄｕｌｅａｎｄｔｈｅＭｏｄｅｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｗｅｒｅｇｉｖｅｎｔｏｐｏｌｏｇｙｍｏｄｅｌｗａｓｂｕｉｌｔｂａｓｅｄｏｎｉｎｄｅｔａｉｌｓ。Ａｎｄａｍｅｔｅｒｒｅｌａｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ｒｅａｄｉｎｇＦｏｕｒｔｈｌｙ，ａｎｄｅｓｉｇｎｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇａｖａｉｌａｂｌｅｔｏｔｈｅｍｅｔｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｔｅｒｍｉｎａｌａｓｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｍａｉｎｍｏｄｕｌｅｓｓｕｃｈｄａｔａｂａｓｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＳＯｏｎｒｅｍｏｔｅＭｏｄｅｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｕｓｉｎｇＰＳＴＮａｎｄｏｔｈｅｒｒｅｌａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｓａｎｄｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｒｕｎｎｉｎｇｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｏｌｖｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｅｂｕｇｇｉｎｇｗｅｒｅｇｉｖｅｎｏｕｔ．Ａｌｓｏｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｇｉｖｅｎｏｕｔａｓｗｅｌｌ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｍｏｔｅｃｏｌｌｅｃｔｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｌｏｗｖｏｌｔａｇｅａｓｕｓｅｒｓｂａｓｅｄｏｎｐｏｗｅｒｌｉｎｅａｎｄＰＳＴＮｈａｖｅｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｓｕｃｈｐｏｗｅｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｃａｒｒｉｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｄａｔａｒｅａｄｉｎｇ，ｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔ，ｄａｔａｂｒｏｗｓｉｎｇＳＯａｎｄＫｅｙｏｎ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｄｅｍａｎｄｓ．Ｗｏｒｄｓ：ｃｏｌｌｅｃｔｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇ；ｒｅｍｏｔｅｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｇ；ｐｏｗｅｒｓｃａｌｃｕｌａｔｅ；ｐｏｗｅｒｌｉｎｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｄａｔａｂａｓｅｄｅｓｉｇｎⅢ湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：蹿掺缸日期：矽７年，，月７日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。本学位论文属于ｌ、保密口，在年解密后适用本授权书。２、不保密口。（请在以上相应方框内打“√”）日期：沙－７年ｆｆ月尹日日期：＇．刁年１１月ｒｏ日硕士学位论文第１章绪论１．１课题背景电能是使用最为广泛的一种能源，涉及到国民经济所有领域和人民生活的方方面面。随着我国经济的高速发展，电力工业得到了迅猛发展，电网的负荷结构越来越复杂，对配网调度自动化和管理自动化提出了新的要求。提高供电质量、提高供电的可靠性、实施高效准确的抄收系统已是当务之急。目前电能无法大量储存，其生产、传输和使用必须在同一时间内进行。因此，电力行业要实现电力计量、负荷控制、继电保护、电力调度、故障检测和故降隔离等综合功能的智能化是电力行业发展的迫切需要，要实现这一系列功能只有采用计算机技术及相关新技术。而电能计量管理系统是其它现代化系统实现的基础。目前在美国、日本已经实施。由于电网不同、国情不同，美、日的先进技术无法在我国电网采用。而且目前国内也还没有成熟的技术提供电力部门使用。因此，电力部门近期提出了“两网改造”和城镇“一户一表”工程的任务。这为我国实现低压电网的管理现代化提供了广阔的空间。随着新的抄表政策的普及，传统的点对点人工抄表方式已表现出很大的局限性：劳动强度大、漏抄误抄率高、抄表不到位且容易掺杂人为因素、由于无法做到同一时间或零点抄表而不能准确反映实际线损、用户电力负荷预测及控制工作难以完成等。因此，研制开发一种电能集中抄收系统，成为电网商业运营的迫切需要。新的抄表方式在这种情况下应运而生：采用多点组合，由电子式采集模块，经电力线传输，将各个用户的用电量数据送至集中器，再利用多种信道，传输至管理中心计算机。管理抄表人员不仅可以知道每个用户的月电量，而且可以知道每个用户的尖、峰、平、谷具体时刻的电量。此外，还可以掌握用户日最大平均功率出现的时间。结合小时电量，能够更精确细致地制定电价政策，达到削峰填谷、优化负荷质量的目的【３】【４１。随着电子技术、通讯技术的发展，这种自动远程集中抄表方式的实现从技术上已经成为可能。它取代了劳动密集型的人工抄表方法，使错抄、漏抄、估抄现象减到几乎为０，提高了抄表的准确度与效率。本课题来源于浙江天正集团低压电器股份有限公司技术改造项目，其目的是：利用低压电力线路，采用电力线载波技术将电子式单相载波表的数据信号传输到集中器中，集中器将这些信号经由上行信道传送到抄表管理平台，完成用户电量汇总及电费计算等功能，实现远程自动集中抄表。同时，抄表管理平台也可对集中器下达命令，实施集中器对各个用户电表的数据抄收，并且对异常用电用户或低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现欠费用户远程控制其电表内继电器的通断。１．２电能计量管理系统的现状及面临的问题１．电能计量管理系统的发展及现状国外集中抄表的发展得益于８０年代计算机技术、超大规模集成电路（ＶＬＳＩ）和通讯技术的飞速发展，使得集中抄表系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信的标准化设计中迈出了坚实的一步，达到了可以大规模推广的实用性阶段。在此之前，对集中抄表系统的投资和获益的权衡始终使企业家感到困惑。现在则由于新技术的采用，使装置的可靠性大大提高，而成本却明显降低，从而使天平向有利于集中抄表系统用户的方向倾斜。进入八十年代中期，许多大规模的集中抄表系统在美国、加拿大等一些发达国家中出现，并有继续扩大之势。比较著名的集中抄表系统技术设备公司有Ｉｔｒｏｎ、Ｍｅｔｓｃａｎ、ＢｎＣａｎ、Ｍｅｔｒｅｔｅｋ、ＢａｄｇｅｒＭｅｔｅｒ、ＡｍｅｒｉｃａｎＭｅｔｅｒ、ＤａｔａＢｅａｍ、Ｈｅｘａｇｒａｍ等。并且在这些国家基本上己实现了抄表自动化、银行联网付费的功能。这些系统内部的信号采集多利用专用接口，如ＬｏｎＷｏｒｋｓ、ＣＡＮ、ＲＳ４８５、Ｍ．Ｂｕｓ等数据采集线路。布线系统一般都存在成本高、安装施工繁杂的困扰。有的地区也有使用无线抄表功能。在低压载波抄表技术方面，以色列、美国、德国的技术起步较早，其技术是在低压电力网结构下形成的。因为国外的低压用户网是根据其居民分散式居住环境而设计的，一般来说，是一个变压器只带一户或几户居民住宅，所以低压电力网特性非常规范，干扰小，载波抄表技术仅采用一般的通信技术就可以实现，用不着像神经元网络等这类高深的技术，因此基本上发达国家的载波抄表产品不适应中国的低压电力线网。如１９９６年以色列产品在中国试装，由于抄表率非常低只得退出中国市场，而东南亚等一些与中国住宅相类似的国家和地区又没有这种技术，所以目前只有中国的低压电力载波抄表技术才能适合中国和东南亚的电力线网。中国的低压电力线载波抄表技术采用的是扩频技术、软件自动中继路由技术、差错控制技术等相结合的技术，这样的抄表系统在国际上是同类产品最先进的。在国内，经过近几年的研究和开发，自动抄表技术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：主站系统己从单机、双机系统发展到网络式的主站系统结构；操作系统己从ＤＯＳ发展到Ｗｉｎｄｏｗｓ／９５／９８／ＮＴ系统功能上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：上行通信信道从单一的电话拨号方式发展到多种通信方式如电话、ＧＰＲＳ＼ＧＳＭ、专线等方式混合应用的局面；下行通信信道从４８５总线发展到电力载波方式；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、复费率载波等。随着低压电力线载波技术的日益提高和成熟，国内对载波抄表产品需求量的硕士学位论文日益增加，国家对发展“集抄”在政策上给予的支持，以及用户对“电能管理”现代化技术的要求，从事载波抄表的厂家越来越多。但是载波抄表技术的难度不可小觑，它涉及到通信、电子、软件、自动控制、编码、编程方法、神经元网络等技术和学科，不是一朝一夕、轻而易举就攻克的难题。现在我国虽然出现了ｌＯＯ多家载波抄表的企业，但只有少数几家能在技术上基本掌握和实现。大部分企业没有自主技术，其载波抄表在抄到率上只能达到８５％－－９５％，这不符合用户或技术的要求。总而言之我国是个人口众多的国家，水电气用量巨大，市场十分广阔，远程抄表技术是一个很有发展前途和市场前景的研究方向【６】。２．电能计量管理系统存在的的问题目前，电能管理系统存在的问题还很多，归纳如下：（１）缺乏实时准确的用电数据采集手段，不能实行用电科学、合理、经济的调度。（２）电网运行质量不高，造成某些线路电压过高，另外一些线路电压过低，线损增大，既浪费能源，又会对用电器具造成一定程度的损害。电能的无序使用使电网有限的调控能力受到冲击，以至于常常导致供电故障和事故。（３）目前部分地区区级及县级的通信系统比较落后，设备陈旧，容量小，传输速率低，性能质量及运行可靠性极差，无法适应电网发展的需要。（４）人工抄表收费手续繁杂，差错率高，耗用大量的人力、、材力，时常延误回收，使电力企业在资金上运转困难。（５）由于现有电表使电力部门无法对用户情况进行及时监控，且无防窃电功能，致使一些地区偷电现象严重，实际线损高达３０％以上，有些小企业甚至将偷电作为利润来源。为弥补损失电力部门便加高地区电价，造成不合理收费，从而导致纠纷不断。１．３采用电话线、电力线作为上下行传输信道的集抄系统远程集中抄表系统分为上行信道和下行信道，上行信道是指集中器与主站抄表管理计算机之间的通信信道，下行信道是指用户电表或采集器与集中器之间的通信信道。信道的选择是远程集中抄表系统设计的首要任务，直接关系到系统性能，它在集中抄表系统投资中占很大一部分。１．上行信道采用电话线传输的优势上行信道通讯方式种类多样，各有所长。各种方式的优缺点比较如下；（１）电话线方式：分为租用电话线方式和拨号方式：租用电话线的优点为投资很少，建设速度很快。缺点为无法对线路及通信质量进行控制，运行费用较高。进行数据通信时，线路续接（包括呼叫应答等）时间较长，通常需几秒到几十秒，低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现＿■●●＿－＿＿－●＿＿＿－＿－＿－＿＿－●一ＩＩＩ－＿●●＿＿＿●●＿＿＿＿＿＿●－＿●＿＿＿＿＿－＿●＿●●＿＿＿－＿－＿＿＿－＿＿＿●＿●＿●＿＿－＿＿＿＿＿－＿＿●＿＿－－＿＿＿当集中器数目较多时，通信效率将大幅度下降，而且租用电话线路多，其租用费用也很可观。因此不适合大容量系统。拨号方式的优点为最适合配电网分散性、大容量的特点，建设速度快，成本低，技术难度小。缺点是监控的实时性不能得到满足。但由于电力系统对低压客户电能消耗情况的统计在实时性上的要求不是很高，所以在电力集中抄表系统中应用拨号电话是一种广泛的选择。（２）ＧＰＲＳ方式：ＧＰＲＳ是一种新型的分组数据传输业务，具有实时性强、运营成本低、通讯速率高、建设成本少的优点，特别适合于间断的、突发性的和频繁的、多点分散的中小流量数据传输。另外，ＯＰＲＳ的双向通讯方式还特别适合对设备进行远程控制，进行参数调解、开关等控制操作，是一种综合性价格比比较高的通讯方式，目前也被很多厂家所采用。（３）ＧＳＭ短信业务通信方式：数据传输短信按条收费，运行费用相对较高；短信传输有一定的延时，实时性较差。（４）光纤通信方式：光纤通信在性能上具有容量大、传输信息质量高、性能稳定、防电磁干扰和保密性强等，非常适合上层通信网的要求。但其安装结构受限制，施工成本投入大，扩展性差，因此目前使用并不是很多。（５）无线电台通信方式：无线电台通信适用于集中器分散切范围广的情况，～般采取装设小型无线电台，在２００ＭＨＺ一４００ＭＨＺ频率范围内的某个频点上以散射通信方式进行无线通信。其特点是传输带较宽，通信容量大，通信距离远。缺点是需申请频点使用权，且如果频点选择不合理，相邻信道会互相干扰，并且一般小型无线电台的通信速率较低，设备安装成本较高，所以这种方式适用于大用户电力负荷的无线电监控及用电管理系统中。另外，此种方式受地形、气候影响较大，稳定性差，日常维护复杂，安装条件苛刻，造价高。从技术角度和经济角度考虑，同时考虑到系统平台类型、规模大小、投资强度等方面的要求，本课题中选用较为保守但成本低廉且通信稳定可靠的电话线实现主站抄表管理平台与集中器之间的通信。２．下行信道采用电力线传输的优势下行信道采用电力线传输是基于电力线载波技术，即ＰＬＣ（ＰｏｗｅｒＬｉｎｅＣａｒｒｉｅｒ）技术。它是利用高压电力线（３５ＫＶ及以上电压等级）、中压电力线（１０ＫＶ电压等级）或低压配电线（３８０／２２０Ｖ电力用户线）作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊的通信方式。近年来，高压电力线载波技术已经突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了数字化时代。中／低压电力线载波通信技术的开发及应用也正是方兴未艾的阶段。电力线载波通信这座被国外传媒喻为“未被挖掘的金山”已经成为一门电力通信领域的热门专业。硕士学位论文（１）无须重新布线。目前全国电力专用通信网已建成数字微波通信电路６４０００ｋｍ，电力线载波６５万话路ｋｍ，光纤通信电路约６０００ｋｍ，卫星通信地球站３６座交换机总容量约６０万门，以及大量的城市电缆系统。电力线载波要做的，就是将这些已经具备的电信基础和遍布全国的电力网连接起来。（２）分布广泛，接入方便，支持“即插即用”。现在我国的电话用户大概在３亿户以内，还有很多地方是民用的通信网无法覆盖的地区。但只要是有电线的地方，电力系统的专用通信网就一定能够到达。（３）电力线的接入成本很低，建设费用也较低，因此可以大大减轻用户的经济负担，在经济投入方面具有很大优势。（４）国内这十年来对电力线载波技术的研究很多，电力线载波技术已经比较成熟，应用非常广泛。应看到电力线载波通信确实己远远不能满足现代电力系统运行控制、保护信息传输的实时性、快速性和可靠性及对其它大量信息传输的要求。为满足现代电力系统发展的需要，适应全球性通信发展的大趋势，使我国电力通信向高速率、宽频带、大容量方向发展，我们提倡大力发展应用更为先进的通信手段。但电力线载波做为电力通信网中一强有力的手段，有着雄厚的发展基础和广阔的市场，仍有其适应的生存和发展的环境和空间，它不会简单地消失或停滞不前。主要体现在：（１）做为电力部门特有的通信资源，不管将来如何发展，电力线载波通信无可比拟的优越性是不会动摇的。它在电力生产中所发挥的强大而独特作用是不可替代的，尤其在抵御台风、洪涝等自然灾害方面，由于它电路的传输线路具有机械强度高、不易受外力破坏的特点，是其它通信手段所无可比拟的。（２）每种通信手段都有其适用的范围和环境。电力线载波适宜于县调、地调等信息需求量小的情形，以及在其它场合做为可靠的备用通信手段。如在覆盖范围远而通道容量需求有限的情况下，电力线载波比使用其它任何传输介质费用都要低。（３）电力线载波通信同其它技术一样，也是不断发展和完善的。对于其固有的弱点和不足，科研工作者一直不断研究出新的技术方法去改进提高。科学的发展无止境，电力线载波做为一门科学也必将会更加完善、可靠。事实上从出现到现在，电力线载波通信也是一直不断发展进步的。１．４课题研究意义及主要内容１．课题研究意义本文研究的对象是低压电力用户集中抄表系统。该系统能实现用电数据的自动抄录，节省了人工抄表的开支，人员费可降低为原来的１０％。系统利用了计算低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现机和通信技术，实现对每块电表数据的准确传送、记录和整理，使用电管理人员坐在办公室中利用该抄表系统及其管理软件就能实现用电数据的自动抄录。用户的用电数据可直接进入计算机管理系统，用电管理人员可随时管理和监测每个电表，发现问题及时处理。而且，随着科学技术的发展，特别是计算机和网络技术的迅猛发展，集中自动抄表系统与银行计算机联网，完成数据的自动抄收、处理、银行转账交费等全套操作，从而给用户提供更完善的服务，真正实现用电管理自动化。在我国，电能管理自动化和电能计费系统的设计和开发工作还处于初级阶段，设计和开发远程集中自动抄表及其管理系统是实现电能管理自动化的要求并且有着广阔的经济市场和发展前景。２．本文的主要内容本文的选题来源于导师戴瑜兴教授主持的校企合作项目“可通信电气智能化技术”，作者承担项目子课题“低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现”。课题的研究工作是作者在浙江天正电器股份有限公司完成。研究成果经天正电器股份有限公司结题验收。设计的低压电力用户远程集中抄表系统已经投入应用。研究内容是该课题的总结与概括。第１章，绪论。经过对集抄系统技术的研究，分析并指出现阶段我国电能计量系统状况及存在的问题，阐述上行信道采用电话线、下行信道采用电力线传输的远程集中抄表系统的应用优势以及本课题研究的意义。第２章，低压电力用户远程集中抄表系统总体设计。根据集抄系统的设计要求，提出低压电力用户远程集中抄表系统总体解决方案。论述电子式单相载波表、一拖Ｎ采集器以及集中器组成原理和设计实现方法，分析主站抄表管理平台的功能需求。第３章，载波表及集中器功能模块设计与实现。设计开发载波表功能模块及集中器功能模块，给出载波表电能计量模块、载波通信模块、集中器主控模块、集中器电力线通信模块、集中器Ｍｏｄｅｍ通信模块硬件及软件设计与实现方法，分析其他相关功能模块，并在此基础上构造利用表中继技术的网络拓扑抄表模型。第４章，主站抄表管理平台的设计及实现。针对课题所阐述的集抄系统设计一种切实可行的抄表管理软件，给出了数据库设计、利用ＰＳＴＮ与集中器通信设计以及其他相关功能模块的设计与实现方法，给出代码实现及相应的程序运行结果。第５章，系统测试与运行。阐述系统各模块的调试环境，对调试过程中遇到的困难给出相应的解决方案，给出系统运行结果及分析。最后，总结与展望。硕士学位论文第２章低压电力用户远程集中抄表系统总体设计２．１设计的相关技术基础２．１．１扩频通信技术扩频通信，即扩展频谱通信技术。它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远远大于信息本身的带宽。根据香农（ｃ．Ｅ．Ｓｈａｎｎｏｎ）在信息论研究中总结出的信道容量公式，即Ｃ＝矿×Ｌｏｇ：ｆ１＋Ｓｌｙ）可知，为了提高信息的信道容量ｃ，有两种途径实现：加大带宽形或提高信噪比Ｓ／Ⅳ。当信号的信道容量Ｃ一定时，信号带宽∥和信噪比Ｓ／Ⅳ是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率可以接近噪声功率，甚至俺没在噪声之下。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信嗓比的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。．扩展频谱通讯系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，再利用相应手段将其压缩，从而获得传输信息的通讯系统。它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽远远大于信息本身的带宽，扩展带宽至少是信息带宽的几十倍甚至是几万倍，其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。扩频函数常用的是伪随机编码信号。１．直接序列扩频通信扩频通信最常用的是直接序列扩频和跳颇／直扩混合系统，其抗干扰能力较强。本课题中所采用的是的直接序列扩展频谱通讯。直接序列通讯的一般方框见图２．１、图２．２。图２．１发射系统低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现图２．２接收系统信号源产生的信息流ｆ鲫｝通过编码器输出二迸制码ｄ（％，），其中Ⅳ用以表示随机变量。二进制码流中所含的两个符号的先验概率相同，均为１／２，且两个符号相互独立，二进制数字信号ｄ（ｕ，ｆ）与一个高速率的二进制伪随机码ｃ（ｕ，ｆ）波形相乘，得到复合信号ｄ（”，ｆ）・ｃ（ｕ，，），这就扩展了传输信息的带宽。，在接收端罚一个和发射端同步的伪随机码，，ｌｕ，ｔ—ｔｌ所调制的本地信号２Ｐ１””“¨，州”）Ｊ与接收到的ｓ（虬，）进行相关处理。相美处理建将两个信号相乘，然后求其数学期望（均值），或求两个信号瞬时值相乘的积分。当两个信号完全相同时（或相关性很好），得到最大的相关峰值，经数据检测后恢复发射端的信号为ｄ’０，ｆ）。若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、人为瞄准式干扰、单频干扰、多径干扰或码分多址信号，他们和有用信号Ｊ（“，ｆ）同时进入接收机【ｌ“，见图２．３。一裂＊图畿：９—丫椭号宙１图２．３接收机输入由于窄带噪声和多径干扰与本地扩频信号不相干，故在相关处理中被削弱（干扰信号与本地扩频码卷积积分起扩频带被扩展），也就是干扰信号的能量被扩展到整个扩频带宽内，降低了干扰电平，见图２．４。硕士学位论文宙图２．４混频器输出相关器后的基带滤波器只输出基带信号ｄ’（甜，，）和处在滤波器同带内的那部分干扰和噪声，这样就大大改善了系统的输出信噪比，见图２．５。图２．５窄帝滤波器输出２．码分多址（ＣＤＭＡ）直序扩频通信码分多址（ＣＤＭＡ）包含二个基本技术：一个是码分技术，另一个是多址技术。码分技术的基础是扩频技术，其目的是解决强干扰下的通信。ＣＤＭＡ中最常用的扩频形式是用一个伪随机码序列与窄带ＰＳＫ信号相乘，这样，有用信号经扩频处理后，，频谱被展宽了。多址，是指利用扩频时使用的一组正交（或准正交）的伪随机码序列（地址码）来实现多个信号同时入网接续的要求。在接收端，利用伪随机码的相关性进行解扩，有用信号被恢复至窄带谱。宽带无用信号与本地伪随机码不相关，不能解扩，仍为宽带谱；窄带无用信号被本地伪随机码扩展成宽带谱。这样，只有有用信号才被压缩、识别和提取出来。扩频技术有如下一些优点：（１）抗干扰性好。它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力。对多径干扰不敏感，如果能再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波器等技术，可以消除多径干扰。（２）由于扩频系统使用码周期很长的伪随机码，所以其调制后的信号类似于随机噪声，而且只有当接收方的伪随机码与发送方完全一致时才可能接收，所低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现以有利于通信保密。（３）扩频技术把被传送的信号带宽展宽，从而降低了系统在单位频宽内的电波“通量密度”，可以解决常规通信中的通信拥挤的问题，其中的码分多址（ＣＤＭＡ）技术有广阔的应用前景。（４）用扩频技术组成多址网时，网同步易于实现，易于实现随机接入。扩频系统为数字系统，易于实现低功耗，小体积。２．１．２外置Ｍｏｄｅｍ工作原理Ｍｏｄｅｍ（调制解调器）能实现计算机之间的数据远程通信，其工作原理为：将发送方的数据经过调制，使数字信号转化为模拟信号，通过电话网传送到接收方，接收方则通过Ｍｏｄｅｍ将信号解调，使模拟信号转化为数字信号，进行接收，以此实现计算机数据之间的通信。Ｍｏｄｅｍ与计算机之间直接通过ＲＳ－２３２Ｃ串行口连接，Ｍｏｄｅｍ与公用电话网通过电话线连接即可。Ｍｏｄｅｍ传输速率指每秒传送的位数，以波特率（ｂｐｓ）计单位，常见的有１２００９６００ｂｐｓ、２４００ｂｐｓ、４８００ｂｐｓ、ｂｐｓ等，一般主机与单片机的Ｍｏｄｅｍ通信常采用９６００ｂｐｓ，可以满足通信计算机通过串行口与Ｍｏｄｅｍ相连，串行口的本质功能是作为ＣＰＵ和串行设要求。备间的编码转换器。当数据从ＣＰＵ经过串行口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。在Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下，串口是系统资源的一部分。应用程序要使用串口进行通信，必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求（打开串口），通信完成后必须释放资源（关闭串口）。Ｍｏｄｅｍ有两种状态：命令状态和联机状态。在命令状态下Ｍｏｄｅｍ接受并执行计算机发给它的命令；在联机状态下，接收数据并传送之。命令状态下Ｍｏｄｅｍ拨号后即等待载波，当检测到线路有载波后郎进入联机状态；联机状态下Ｍｏｄｅｍ检测到线路无载波又返回命令状态。ＡＴ命令是Ｍｏｄｅｍ的命令集，通过它可以控制Ｍｏｄｅｍ的工作，包括检测本地Ｍｏｄｅｍ和远程Ｍｏｄｅｍ、建立数据联系等。常用指令注释如下：＋＋＋：返回命令模式（在联机状态下使用）。ＡＴＤＴ：音频拨号，后接欲拨电话号码。ＡＴＡ：应答命令。ＡＴＨ０：将Ｍｏｄｅｍ挂断【“ｌ。２．１．３数据库访问技术数据库访问方式主要有以下几种：（１）ＢＤＥ：ＢＤＥ是Ｄｅｌｐｈｉ中最传统、最常用、也是最稳定的数据库访问方式。应用程序通过ＢＤＥ使用数据集控件（ＤａｔａＳｅｔ）操纵各种数据库，而数据源控件硕士学位论文是连接数据集和数据控件的桥梁；（２）ＯＤＢＣ：ＯＤＢＣ是操作系统自带，作为标准接口能适应多种数据库；但是连接速度较慢；（３）ＡＤＯ：ＡＤＯ基于ＯＬＥＤＢ技术之上。ＯＬＥＤＢ技术是一种底层的数据访问技术，能够以统一的方式访问存储于不同信息源中的数据。能够访问任何ＩＳＡＭ（索引顺序存取方法）文件，Ｊｅｔ或关系数据源，能够处理任何类型的数据，却无需考虑具体数据对象的格式和存储方法。使用ＡＤＯ访问数据库的流程见图２．６。［】互］Ｔｄａｔａｓｅｔ控件（ＴＡＤＯＴａｂＩｃ，Ｔ＾ＤｏＱＩ・盯ｖ和ＴＡＤＯＳｔｏｒｅｄＰｒｏｃ）●《镕●ｏＬＥＤＢＰｒｏｖｉｄｅｒＩｌ数据库驱动ｌｔ后台。●围２．６ＡＤＯ访问流程图（４）ＩｎｔｅｒＢａｓｅＥｘｐｒｅｓｓ：这不是一个通用的数据库访问方式而是只能用来访问ＩｎｔｅｒＢａｓｅ数据库，如果使用ＩｎｔｅｒＢａｓｅ做后台服务器那么最好的选择就是１１３Ｘ；（５）ＴｃｌｉｅｎｔＤａｔａＳｅｔ：ＴｃｌｉｅｎｔＤａｔａＳｅｔ控件具有强大的功能，无论是两层（ｃ／ｓ）或多层的结构都可以使用，使用ＴｃｌｉｅｎｔＤａｔａＳｅｔ控件进行数据库访问是一个比较好的“瘦客户端”解决方案。ＴｅｌｉｅｎｔＤａｔａＳｅｔ本身不连接到数据库而在程序运行时从别的ＴｄａｔａＳｅｔ控件中复制数据集，它可以将数据集保存到文件中或从文件中读取数据集。在对性能要求不高或者要编制可移植性强的数据库应用程序时可以考虑使ＴｃｌｉｅｎｔＤａｔａＳｅｌ控件，如果和ＤａｔａＳｎａｐ功能合用，更能显示它与运行环境无关的优点。连接数据库是为了访问设置好的数据源：数据源好比仓库，数据库程序可以看作是要使用仓库物资的后勤人员，只有应用程序和数据源建立连接，才能真正访问数据源所代表数据库里的数据。低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现以ＡＤＯ连接方式为例，使用ＴＡＤＯＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎ控件连接数据库，ＴＡＤＯＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎ控件可以通过改变其属性值来控制与数据库之间联系的属性和情况，通过ＴＡＤＯＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎ控件的方法可取得所连接数据库中的数据表名，还可以取得数据库中的存储过程名。连接建立好以后接下来便是访问，ＡＤＯ方式访问数据库时使用ＡＤＯ数据集控件即ＴＡＤＯＴａｂｌｅ控件和ＴＡＤＯＱｕｅｒｙ控件连接到数据库，取得的数据本身都包含一个数据缓冲，数据集为这个数据缓冲区的控件。修改数据都是只对缓冲作修改，缓冲区中有一个记录指针指向当前访问的记录，最后再由数据集控件提交到数据库。２．１．４Ｗｉｎｄｏｗｓ多线程技术进程和线程是两个相对的概念，进程是应用程序的执行实例，每个进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它系统资源组成。进程在运行时创建的资源随着进程的终止而死亡。线程的基本思想很简单，它是一个独立的执行流，是进程内部的一个独立的执行单元，相当于一个子程序。单独一个执行程序运行时，缺省的运行包含的一个主线程，主线程以函数地址的形式，如ｍａｉｎ或ＷｉｎＭａｉｎ函数，提供程序的启动点，当主线程终止时，进程也随之终止，但根据需要，应用程序又可以分解成许多独立执行的线程，每个线程并行的运行在同一进程中。一个进程中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中，使用该进程的全局变量和系统资源。操作系统给每个线程分配不同的ＣＰＵ时间片，在某一个时刻，ＣＰＵ只执行一个时间片内的线程，多个时间片中的相应线程在ＣＰＵ内轮流执行，由于每个时间片的时间很短，所以对用户来说，仿佛各个线程在计算机中是并行处理的。操作系统是根据线程的优先级来安排ＣＰＵ的时间，优先级高的线程优先运行，优先级低的线程则继续等待。线程被分为两种：用户界面线程（ＵＩ）和工作线程（又称为后台线程）。①用户界面线程通常用来处理用户的输入并响应各种事件和消息；②工作线程用来执行程序的后台处理任务，比如计算、调度、对串口的读写操作等。工作线程和用户界面线程启动时要调用同一个函数的不同版本；一个进程中的所有线程共享它们父进程的变量，但同时每个线程可以拥有自己的变量。线程是系统调度的基本单位，是ＣＰＵ的一条执行路径。一个应用程序实例至少有一个线程，即程序的基本线程或主线程。用户可以根据需要同时创建若干个线程，让一个程序在同一时刻运行多个线路。线程间独立运行，每个线程都轮流占用ＣＰＵ的运行时间和资源，即将ＣＰＵ的时间分片，每一个时间片给不同的线程使用。这样，操作系统将不断的将线程挂起、唤醒、再挂起、再唤醒，直至完成整个任务。当程序在运行时，线程被加载到内存中等待执行。每个线程都可能包含该应硕士学位论文用程序的数据、代码或者其他操作系统的资源。一个线程执行程序的一部分，所有线程都能够访问进程的全局变量。一个采用多线程的应用程序允许同一程序的多个部分同时执行，为程序赋予了并行特性，因而可以执行某些实时性或随机性很强的操作，提高对ＣＰＵ的利用率，加快信息处理速度‘１”。２．２集抄系统的总体结构利用电力线载波技术通信的远程集中抄表系统是一个完整的通讯监测控制体系，主要由五部分组成：用户终端、低压电力网、集中器、上行通信信道、主站抄表管理平台，其系统结构见图２．７。圈２。７电力线载波集抄系统基本结构用户终端包括有普通电子式电能表、脉冲表、电子式载波表、一拖Ｎ采集器等。用户终端直接采集用户电量数据，通过电力线载波数据通讯方式向上传输给集中器。本课题设计的集抄系统，是针对新一代电子式单相载波表的远程集中抄收系统。对于正在使用而不必更换的普通电子表，设计了通信原理与电子式单相载波表相同的一拖Ｎ采集器。而老式的机械表正慢慢的退出市场，逐渐被电子表全面取代。低压电力用户远程集中抄袭系统的设计与实现集中器位于３８０Ｖ配电变压器（台区）附近，采集所有用户终端电能表的数据，并进行存储。接受主站上报的要求，转发主站给用户终端的命令，能管理该台区所有的用户电表。集中器作为整个系统的中心层，是连通主站和用户终端的桥梁。一般每一配电变压器低压台区配备一个集中器。上行通信信道指集中器和主站之间进行数据传输的信道，根据需要可采用无线信道如ＧＰＲＳ、ＧＳＭ等，有线信道如电话线（ＰＳＴＮ）和光纤等，具有覆盖面广、传输信道公开、通用的特点，采用的数据交换协议以广域网数据交换协议为主，如ＩＥＣ６０８７０．５．１０２协议。根据１．３节中的分析本课题选用电话线作为上行信道。主站抄表管理平台是抄表操作管理人员与系统直接对话和交流的部分，负责对集中器下达命令，并将集中器传输上来的用户电量信息汇总、保存和费用计算等。另外，台区三相考核总表通过ＲＳ４８５总线与集中器通信，所被集中器采集的用电量数据及相关用电信息，用于线损计算。２。３电子式单相载波表原理及设计要求１．电子式单相载波表原理载波表主要完成电能计量、电能数据存储和电力线载波通信功能，其原理图见图２．８：｝蚴筹蝴吲皴－４；同电等等块ｌ｛多１产’与卜线耦合电路ｆ卜脉冲输出电路ｌ．ＩＩｌ电黼采｝ｌ圈２．８载波襄组成原理由电流采样电路对用户电量取样，得到用电量的电流样值，再由电压采样电路采样电压样值后，送电能计量模块计算用户用电量，并转换成电脉冲，由微处理器对该脉冲计量、存储后，一方面送给显示电路（驱动步进式计度器或液晶屏），另一方面由脉冲输出电路输出校表脉冲。电力线载波电路将微处理器及外围电路计量的用户用电量数据二进制信号扩频、调制成ＤＰＳＫ信号后，经电力线耦合电路馈送到低压电力线上，再传输到集＿Ｉ＿＿＿－－－●＿●＿－＿＿●＿Ｉ＿＿＿＿＿＿●＿－＿＿＿－－－＿＿－＿＿－－－＿●＿＿＿＿－＿＿＿＿＿＿＿－●－－－－—＿－●＿＿＿＿●＿－－＿＿＿●—●＿－＿＿＿＿＿硕士学位论文中器。。．电力线耦合电路和电力线载波电路同时还接收来自集中器的ＤＰＳＫ信号（通常为命令、控制信号），并将其解调为二迸制信号后，再送到微处理器处理、控制。电能计量和载波通信是实现集中抄表的重要因素，本课题在电子式单相载波表的设计中，采用了在电力载波通信方面具有优越性能的微处理器ＰＬ３２０１。ＰＬ３２０１是北京福星晓程电子科技有限公司专为面向未来的开放式自动抄表、智能信息家电以及远程监控系统而设计的单芯片片上系统，具有如下特点：（１）（２）采用０．３Ｓｕｍ超大规模数／模混合ＣＭＯＳ制造工艺：内置高精度数字多功能电能计量电路，计量精度达到在１０００：ｌ的动电流通道内置可程序设定增益放大器（ＰＧＡ），方便电能计量的多种态范围内误差小于０．１％；（３）采样方式；（４）（５）（６）（７）（８）（９）（１０）（１１）内置双通道电流采样，具备防窃电功能；内置有功功率和无功功率计量电路：内置电压／电流有效值、相电压频率测量电路；内嵌增强型８０５ｌ兼容微处理器；内置扩频通信调制／解调电路，兼容ＰＬ３１０５通讯方式；内置６０ＫＥ２ＰＲＯＭ程序存储器；内置６０ｂｙｔｅｓＥ２ＰＲＯＭ数据存储器；内置三个８／１６位定时／计数器，一个看门狗定时器以及三个外部中断源：（１２）内置可对电能计量精度和实时始终精度进行温度分段线性补偿的温度传感器；（１３）内置完善的电源电压监测电路；２．电子式单相载波表的设计要求（１）（２）（３）（４）（５）（６）（７）（８）计量精度达１．０级。对于２．０级电表，可按１．０调校；具实时点抄功能；轻载误差稳定；抗干扰能力强，性能稳定，失效率低；精确计量正负方向有功功率，且以同一方向计量电能；具有逻辑防潜功能，防窃电功能和反向报警功能，并容易起动；隔离数字地、模拟地、载波模块地；提供自动中继链路功能；低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现（９）可为配变线损计算提供准确数据；（１０）可现场设置电表各种数据；（１１）抄表成功率应达１００％。２．４一拖Ｎ采集器原理及功能特点１．一拖Ｎ采集器原理传统的人工抄表方式逐渐被自动集中抄表方式取代，为了实现这种转变，需要把用户正在使用的普通电子式电能表换成具有载波功能的电子式电能表，但若全体更换，必然是一笔极大的浪费，也不是一种很好的过渡，所以采用了一种外置载波模块的方法，不必更换用户正在使用的电能表，只需把若干电能表的脉冲输出线接到一块载波抄表采集器上，用采集器接收这些电能表的用电信息，再用载波通信方式通过电力线将用电信息经过集中器，最终传递到抄表管理中心。载波采集器的使用为自动远程集中抄表系统的电力行业的推广普及提供了一种价格低廉而又切实可行的途径，是一种过渡时期很好的更新换代产品。一拖Ｎ采集器的组成原理框图见图２．９。田２．９一拖Ｎ采集器组成原理如图所示，由带有Ｎ对脉冲线的Ｉ／Ｏ口扩展电路采集Ｎ只脉冲表或普通电子式电能表的用电量数据。每一个脉冲表的用电量脉冲经Ｉ／Ｏ口和Ｉ／Ｏ口扩展电路，在单片机的选通控制线的控制下，依次送入单片机进行计量并处理、存储后，最后由电力篮载波电路、电力线耦合电路，在集中器的操作下分别将Ｎ只脉冲表的用电量传输到集中器。２．一拖Ｎ采集器的功能特点以单片机为中心构成的计数、载波通讯模块，可以同时采集２、４、８、１６路硕士学位论文电表的脉冲输出，各路可以使用不同的电表常数分别计数、适应霍尔计数、全电子电表的有源／无源脉冲输入。．（１）可方便的实现远程控制功能。（２）计数精度高、抗高频干扰。（３）满度９９９９９时自动归零。（４）可与单用户载波表混合使用。（５）停电时能保存采集器内所有的设置和记录的数据。（６）可提供中继链路功能。（７）载波抄表成功率可达１００％。２．５集中器原理及设计要求１．集中器原理集中器内部组成原理见图２．１０。图２．１０集中器组成原理图各部分主要功能如下：（１）集成Ｍｏｄｅｍ：实现用电管理中心计算机经公用电话网（ＰＳＴＮ）／ＧＳＭ／光纤等方式与集中器连接。（２）微处理器１、２、３：在指定的抄表时刻采集用户载波电能表或采集器所采集的用户用电量数据。（３）主控器及其非易失性存储器：低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现主控器和ＰＳＴＮ组成系统的上行信道，它在主站抄表软件和时钟电路的控制下，在指定的抄表时刻，将微处理器ｌ、２、３经下行信道所采集的用户载波电能表或采集器的用户用电量数据，存储于非易失性存储器中，并根据主站抄表软件发出的抄读命令，将存储于非易失性存储器中的用户用电量数据上传到系统的用电管理中心计算机。（４）电力线载波电路：内含电力线调制解调器，是系统的关键芯片，采用直接扩频，调制方式为ＤＰＳＫ。（５）电力线耦合电路：其功能是将高频载波信号耦合到电力线上，并阻挡５０ＨＺ，２２０Ｖ工频信号进入集中器。其电路结构采用了低等效内阻电路，有效的降低了由于负载变化大而介入的插入损耗。扩频与解扩、自动中继、差错控制、模糊识别等功能，均是由微处理器ｌ、２、３及电力线载波电路完成。２．集中器的设计要求１２３可根据设定的抄读间隔自动采集各用户电表的累计用电量。可根据设定的抄收间隔和抄表周期自动生成用户电表的累计用电量。在规定时间内抄读失败时，应具有补抄功能。可设置初始参数、抄读间隔及自动抄表日，具有防止非授权人员操作的功能。（（４））５６７内置时钟电路，可由系统校时。采用直接序列扩频通信方式和ＤＰＳＫ调制进行电力线载波通信。具有软件自动中继功能，中继深度达５级。采用低压电力线作为数据下行通信通道，公用电话网作为上行通信信道。（（８））２．６主站抄表管理平台功能需求所有用户用电量数据最终将在管理中心保存、累计或费用计算，管理中心除了对用户的耗能数据进行全面的抄收、管理之外，还需要很方便地对每个用户电表运行状态进行监控检查，以保证系统的正常运行。抄表管理终端应满足以下的功能：（１）设置功能：可设置集抄系统运行参数，即可对集中器设置抄表周期，抄收间隔，电表参数等，并有防止非授权人员操作的措施。硕士学位论文（２）远程抄表功能：按设定抄收间隔以及抄表周期自动抄收集中器中各用户电能表的带时标的电能量数据及相关用电信息，并具有实时直抄任一电能表功能。（３）校时功能：系统校时以主站时间为基准，有主站．集中器．用户终端逐级进行，以确保系统时间准确。（４）监测功能：主站系统能够监测设备通信和电能表运行是否正常，当出现异常情况（电能表停止计量或窃电时），能自动提示并报警。（５）远程断、送电功能：根据具体用电情况，可以由主站发出断电指令，切断用户负载回路，或发出送电指令，接通用户负载回路，起到远程控制断送电作用。（６）数据存储及处理功能：存储用户终端各种数据，包括定时表底数据、冻结表底数据、日冻结表底数据、月冻结表底数据、历史表底数据、点抄表底数据等，并计算线损，绘制电量曲线，以及生成报表。（７）数据安全保障功能：通过密码实现用户及系统管理，并进行权限设置，可防止非授权人员操作。（８）自诊断、分析功能：可提示可能有故障或有窃电嫌疑的用户，以及负荷越限报警和用电量异常报警。（９）与营销系统接口功能：与电力公司营销系统接口，实现电量数据自动转入到营销系统中实现营业收费，取代人工输入工作。接口的实现并不影响原来营销系统功能的正常运行。低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现第３章载波表功能模块及集中器功能模块设计与实现３．１电子式单相载波表功能模块设计在第２章中已提到，本课题中设计的载波表主芯片是集电能计量及载波通信功能于一体的芯片ＰＬ３２０１，它的功能特点已在上一章中有所说明。目前，传统的抄表模块目前仍沿用通用处理器（ＭＣＵ）＋功能简单的通信集成电路（载波或红外等），设计较为复杂，外围元器件较多。而基于片上系统ＳｏＣ的ＰＬ３２０１多功能数字抄表模块解决方案，主要单元均集成于单芯片上，更为重要的是它首次在载波通信模块设计中使用了码分多址ＣＤＭＡ技术，很好地解决了多台区抄表的串扰问题。ＰＬ３２０１的内部逻辑框图见图３．１。电压监测电路刨睦增强型８０５１ＭＣＵ１ＫＢ＋２５６ＢＳＲＡｌ４定时计数器串行通信接口ＩＳＰ接口扩频通信单元ＩＩ１６髓ＦＬＡＳＨＰＲＯＧＰ，ＡＭＬｃＤ驱动接口６０ＢＤＡＴＡＥＰＲｏＭ计量单元ｌｌＲ伽围３．１ＰＬ３２０１内部逻辑框图３．１．１电能计量模块硬件设计ＰＬ３２０１内部集成了电能计量模块，外部电路只需要添加与ＰＬ３２０１接口匹配的电压电流取样电路。常用的电压电流取样方式有：电压／电流互感器取样、锰铜电阻片取样。锰铜电阻片取样方式的电路图见图３．２。互感器采样电路见图３．３。３．１．２载波通信模块硬件设计载波通信电路主要包括载波通信集成电路、功率放大器和电力线耦合器。通信集成电路将数据信息调制成可在电力线上传输的高频载波信号，其频率一般为５０ｋ～５００ｋＨｚ。这些高频载波信号通过功率放大和耦合电路与低压电力线接口。载波通信的成功率主要取决于接收载波信号的信噪比和通信芯片的接收灵敏度。载波信号衰减和电力线路噪声干扰决定着低压电力线载波通道的传输特性。电力线的阻抗很小，因此其自身阻抗不是产生衰减的主要原因。主要原因是电力线上●－ｌ＿●＿＿＿＿ｌｌ＿＿＿－－－＿＿＿＿＿＿－－ｌ－●ｌ＿－＿＿＿●＿－＿●＿－●ｌｌ－＿＿＿＿＿＿－ｌ●ｌ－＿＿●－＿＿＿＿＿＿－＿＿＿＿＿ＩＩ－－●＿＿Ｉ硕士学位论文轻——瓿≯剖馨——１端≯型・一干一牟嚣—］ｕ晶；凶・，苗ｙ—ｊ堂１而ｌＬ－２２０ｉａ丁‘’分电片・一午一阿ｏｌ必一，ｌ一嘤．．—受…磺～凳ｌ＾～熙？‘一．一．口。图３．２锰铜电阻片取样电路仃］““罗一ｒ］图３．３互露器采样电路有大量的用电负载和电力设备，其高频等效阻抗的变化范围很大。实验表明，信号的衰减是距离的函数，．一般为４０～１００ｄＢ／ｋｍ。综上所述，低压电力线载波通信的客观环境非常恶劣，要达到稳定通信的效果必须采用先进的技术手段克服这些困难。如２．１．１节中分析所示，载波通信直接序列扩频单元，具有如下优点：（１）（２）扩频通信技术可以在较低信噪比下实现可靠通信：由于在扩频通信中使用伪随机码作为扩频码，扩频码的一个很重要特点是其有足够的独立地址数实现码分多址的要求。低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现ＰＬ３２０１集成了ＣＤＭＡ电力线载波扩频通信内核，恰当地适应了抄表系统码分多址的特性。通过设置ＰＬ３２０１的内部通信寄存器，可以选择扩频使用的码地址。这样做的好处是：在规划集抄网络时，同一片台区的集中器和终端可以采用同一扩频码址，而相邻台区采用另一扩频码址。设置了不同扩频码址的设备之间的通信完全透明，彼此只相当于噪声干扰，因此只要在安装规划时统一设置不同的扩频码，不同台区之间就可以同时进行各自的抄收通信而无冲突影响。在进行载波通信时，必须将通信双方的伪随机码序列、速率、地址设置成一致，才能正常通信。载波表通信模块使用的扩频单元为ＤＰＳＫ直序扩频，并拥有可变伪随机码速率（带宽）的多地址通信技术。其载波中心频率为１２０ｋＨｚ，伪随机码速率可达到３０ｋｂｐｓ和１５ｋｂｐｓ。根据伪随机码的速率不同，数据速率可达到ｌｋｂｐｓ和５００ｂｐｓ。由于该芯片采用了６３位的Ｇｏｌｄ／Ｋａｓａｍｉ序列，从而实现了码分多址，其地址数目最多可达４０个，其中３２个Ｇｏｌｄ序列，８个Ｋａｓａｍｉ序列，由于使用了扩频技术，可使各地址之间的干扰减到最小。其载波通信电路见图３．４。图３．４载波通信电路ＳＩＧＩＮ为ＰＬ３２０１载波接收端，ＰＳＫＯＵＴ为ＰＬ３２０１载波发送端，Ｌ－２２０Ｖ、Ｎ２２０Ｖ为电力线。载波信号发射端由ＰＬ３２０１内部调制扩频电路完成，载波发送端波形大致为Ｏ～５Ｖ方波，并包含有丰富的谐波信号，经过放大和滤波整形电路后，耦合到电力线上。陶瓷滤波器为通频带，在中频４￥０ｋＨｚ附近，载波信号接收端经过信号衰减，谐振电路完成对有用信号的带通滤波。进入到ＳＩＧＩＮ端为１２０ｋＨｚ、幅值为Ｏ．７ｖ左右的有用信号，接收信号进入芯片后进行混频处理。芯硕士学位论文片内部将接收到的１２０ｋＨｚ有用信号与６００ｋＨｚ的内部本振信号进行混频，得到４８０ｋＨｚ的中频带宽的差频信号。混频信号经过陶瓷滤波器滤波后再进入芯片进行内部解扩和有效数据的还原。３。１．３其他模块工作方式１．存储电路载波表需要存储一定时间的用电量数据，但ＰＬ３２０１的ＥＥＰＲＯＭ只有１６ＫＢ的大小，还要存储电表的应用程序，留给数据存储的空问很小，因此扩展外部存储电路是必要的。考虑到载波表有断电和掉电的可能性发生，选用非易失性存储器才可行，非易失性存储器主要有ＦＬＡＳＨ和ＥＥＰＲＯＭ，每种非易失性的存储器的数据存取方式又分为并行数据存取和串行数据存取两种方式，并行数据存取和串行数据存取的最大区别就是数据存取的速度，但对载波表来说，速度性能不是最重要的，所以本载波表选用的是串行存取数据的ＥＥＰＲＯＭ器件，具体的型号是ＡＴ２４Ｃ１６，存储容量是２ＫＢ。存储电路的电路图见图３．５。图３．５存储电路ＡＴ２４Ｃ１６是通过１２Ｃ总线实现串行存取数据，１２Ｃ总线是一种双线串行通信方式，ＰＬ３２０１有三根线和ＡＴ２４Ｃ１６连接，分别是，ＳＤＡ（卑行数据线）、ＳＣＬ（串行时钟线）、ＷＰ（读写保护选择。２．电源电路电源电路的可靠是电表能够稳定工作的重要保障，本文设计的载波表，外部使用交流电源供电，内部电源电路通过交流变压器Ｔ１首先将将引入的交流电转换为１２Ｖ～２４Ｖ低压交流电，然后使用集成整流器ＤＢｌ０４将交流电整流为１２～２４Ｖ直流电压输出，此时的直流电压还是脉动的直流电压，因此还需要使用集成线性稳压芯片将脉动的直流电压转化成稳定的直流电压输出供给载波表的各个功能模低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现块，此电源电路选用的直流温压器件是７８Ｌ０５。电源电路的电路图见图３．６。图３．６电源电路３．１．４电子式单相载波表软件设计１．主程序流程采用ＰＬ３２０１设计的载波表主程序流程见图３．７。图３．７载波表主程序流程２．载波通信流程载波表的数据收发和转发子程序功能在中断中实现。过程如下：硕士学位论文（１）载波通信发送过程：载波单元在每次置为发送状态后，硬件会自动首先发送４０个伪码周期的全“ｌ”序列，用于使接收端与发送端伪随机码同步，通过配置载波发送前导序列寄存器的值来改变发送全“ｌ”序列的个数。将数据根据协议组织完成后，按字节方式写入ＳＳＣ．ＢＵＦ寄存器后，载波单元自动发送该字节，当判断到载波通信状态寄存器的收发状态指示位为“ｌ”时（上ｌ字节数据发送完后产生的指示标志），可以发送下ｌ字节数据，直到全部数据发送完成。（２）载波通信接收过程：载波通信单元置为接收态后，硬件会在每次伪随机码同步后，开始从数据流中搜寻帧头序列，当检出帧头序列后，才真正开始接收数据。通过置帧头标志（ＦＨＦ）与数据终端准备好标志（ＤＩｉＴ）相配合，完成数据的接收和识别。流程图见图３．８。图３．８载波通信的中断接收流程在进行载波通信时，必须将通信双方的伪随机码序列、速率、地址设置成一致，才能正常通信。实际应用中将使载波通信具有较高的保密性，同时可以彻底解决多台区间的通信串扰。３．２集中器功能模块设计集中器位于３８０Ｖ配电变压器（台区）附近，采集所有用户终端电能表的数据。并进行存储。接受主站上报的要求。转发主站给用户终端的命令，能管理该低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现ＩＩ台区所有的用户电表。集中器作为整个系统的中心层，是连通主站和用户终端的桥梁。一般每一配电变压器低压台区配备一个集中器。３．２．１主控电路硬件设计主芯片采用ＰＨＩＬＩＰＳ公司的改进型的５ｌ系列单片机Ｐ８９Ｃ６６９ＦＡ。它是基于ＰＨＩＬＩＰＳ半导体新５１ＭＸ内核的首类Ｆｌａｓｈ微控制器代表，包含９６ｋ字节的Ｆｌａｓｈ程序存储器、２｜（字节的数据ＳＲＡＭ、１个可编程计数器阵列（ＰＣＡ）、可配置成不同时间范围的看门狗定时器、２个增强型ＵＡＲＴ以及字节型１２Ｃ总线串行接口．ＰＨＩＬＩＰＳ半导体的５１ＭＸ内核是一种加速的８０Ｃ５１结构，指令执行速度２倍于标准的８０Ｃ５ｌ器件。５１ＭＸ的线性地址经扩展后可支持高达８Ｍ字节的程序存储器和８Ｍ字节的数据存储器。它兼容全部程序代码，使设计者可继续使用８０Ｃ５ｌ的开发工具，无需移植到一个新的，不习惯的结构上。５１ＭＸ内核还保留了８０Ｃ５１总线的兼容性，使８０Ｃ５１接口外围电路和专用集成电路（ＡＳＩＣ）得以继续使用。Ｐ８９Ｃ６６９包括１个非易失性Ｆｌａｓｈ程序存储器，可用于并行编程以及串行在系统编程和在应用中编程。在系统编程（ＩＳＰ）允许用户在微控制器正在使用时下载新的代码。在应用中编程意味着微控制器可在系统中取新程序代码和对自身进行重编程。这样可实现调制解调器连接范围内的远程编程。对于在系统编程，可利用ＲＯＭ中的默认串行装载（引导装载程序）程序通过ＵＡＲＴ来实现，而无需使用Ｆｌａｓｈ的装载程序。而在应用中编程则是使用ＲＯＭ中的标准程序来完成对Ｆｌａｓｈ存储器的擦写和重编程的。主控器电路图见图３．９。鲴３．９集中器主控电路硕士学位论文主控电路中采用１１．０５９２ＭＨｚ晶振，满足系统要求。外部复位电路采用可靠的ＲＣ复位电路，由于Ｐ８９Ｃ６６９ＦＡ内部电路支持上电复位，所以其复位端口外接一个电容到ＶＣＣ。同时，复位电路还提供了手动复位功能。由于本系统对时间精度要求较高，所以采用了使用外部实时时钟的方法即使用集成芯片ＲＸ－８０２５来实现此功能。ＲＸ－８０２５内部集成了晶振，使用起来更加方便可靠，并且可以输出３２．７６８ＫＨｚ的实时脉冲（本系统未用到）。ＲＸ一８０２５与Ｐ８９Ｃ６６９ＦＡ的通信采用１２Ｃ总线通信方式，通信速率４００Ｋ。３．２．２电力线载波通信电路硬件设计集中器电力线通信线路即下行线路。由于集中器需要采集变电站出口的三相电压，所以和载波表的载波通信电路不同的是集中器有三路相同的电力载波通信电路，每路均采用ＰＬ３２０１做为信号的处理核心。ＰＬ３２０１做为载波信号的收发模块通过串口和单片机使用串行通信，通信方式为半双工。通信电路见图３．１０。图３．１０集中器电力线载波通信电路３．２．３集中器Ｍｏｄｅｍ通信电路硬件设计所有载波电表数据都要通过ＰＳＴＮ（公用电话网）传送给主站抄表管理平台。集中器通过Ｍｏｄｅｍ与抄表管理计算机通信，Ｍｏｄｅｍ有两种方式：外置式和内嵌式。考虑到集中器的小型化、集成化的要求，系统在此选择了嵌入式集成Ｍｏｄｅｍ，型号为ＮＩ．ＥＭ５６Ｒ．２。ＮＩ．ＥＭ５６Ｒ．２的基本参数如下：（１）５６Ｋｂｐｓ／５Ｖ直流输入／ＴＴＬ电平／并口传输ＭＯＤＥＭ（兼容其它ｍｏｄｅｍ）：低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现（２）通讯及数据协议：ＩＴＵ．ＴＶ．９０／Ｋ５６Ｆｌｅｘ，Ｖ．３４，Ｖ．３２ｂｉｓ，Ｖ．３２，Ｖ．２２ｂｉｓ，ｖ．２２，ｖ．２３和ｖ．２１；Ｂｅｌｌ２１２Ａ和１０３：（３）（４）（５）（６）（７）（８）（９）传真协议：Ｖ．１７ｖ拨号方式：数据纠错：工作模式：数据压缩：指令系统：流控方式：ｖ．２９ｖ．２９ＴｅｒａｎｄＶ２１Ｃｈａｎｎｅｌ２传真速度１４４００ｂｐｓ；音频、脉冲；Ｖ．４２ＬＡＰＭａｎｄＭＮＰ２．４：全双工和半双工模式；Ｖ．４２ｂｉｓａｎｄＭＮＰ５：ＥＩＡ／ＴＩＡ５７８Ｃｌａｓｓ１Ｃｌａｓｓ２，兼容ＨａｙｓＡＴ指令集；软件（ＸＯＮ／ＸＯＦＦ）或硬件（ＲＴＳ／ＣＴＳ）流控；Ｍｏｄｅｍ通信电路见图３．１１。ｋ警ＩＩＺＤ－ＴＺｌ．－５知…啦啦Ｊ苎墼§匡鎏忙啦一：＿ｏＨ”ｒ旷垆伊围３．１１簟中器Ｍｏｄｅｍ通信电路主控器与ＮＩ．ＥＭ５６Ｒ．２采用串行通信的方式传输数据，外部电话线接口直接接在ＮＩ－ＥＭ５６Ｒ．２的电话接口。３．２．４集中器软件设计１．主控器工作流程集中器应完成的抄表功能主要有三种：（１）与主站抄表管理计算机通讯，接受其指令，做应答式的处理；（２）依据上位机下发的抄表间隔时间，定时的自主对用户电表进行抄收；（３）根据冻结指令的时间下发冻结指令。主控器的工作流程见图３．１２。硕士学位论文田３．１２主控器工作流程２．集中器电力线载波通信流程集中器与载波电表的通信信道是低压电力线，通信采用固定的帧格式，除去预同步头的长度，帧长度为１２个字节。集中器首先向载波表发送读表指令帧，载波表收到读表指令后向集中器发送确认帧和电量数据。如果其间有没有指令返回的情况，将向上一级发出错误信息，系统维护人员可根据具体情况进行处理。流程见图３．１３。图３．１３集中器电力线载波通信流程低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现３．集中器Ｍｏｄｅｍ通信流程集中器与计算机的通信模型如果用ＯＳＩ参考模型来划分可以化分成３层：物理层、数据链路层和应用层。物理层和数据链路层由硬件规定，协议中不体现。协议中只包括应用层的内容。集中器与抄表管理计算机之间的通信规约采用定长帧格式，帧长度除去数据域为可变长度外，其余为１４字节的定长格式。抄表管理计算机与集中器的通信采用应答方式以提高可靠性。抄表管理计算机的每一条指令集中器都给予回应。集中器Ｍｏｄｅｍ通信流程见图３．１４。围３．１４集中器Ｍｏｄｅｍ通信流程４．集中器全抄工作方式流程该工作方式用于将集中器列表内的全部信息上传至主站抄表管理计算机，为避免由于一次上传数据量过大而产生的错误，全抄指令是分段执行的，也就是每次上传一定的数据量。该指令包含一个电表的表号（ＲＡＭ地址），集中器将这个地址后的内容（即该电表的数据）全部上传。集中器全抄工作方式流程见图３．１５。硕士学位论文图３．１５集中器全抄工作方式流程５．集中器点抄工作方式流程主站抄表管理计算机通过集中器进行实时抄表，该指令包含了所要抄收的电表号，集中器收到该指令后，随即在其内存查找该表号，一旦找到马上对其进行抄收，并将抄收回的数据加上时间信息保存在内存中，并上传至主站抄表管理计算机。点抄指令的流程见图３．１６。图３．１６集中器点抄工作方式流程低压电力用户远程集中抄袭系统的设计与实现６．集中器定时抄工作方式流程集中器的定时抄工作方式也就是自主抄收功能，这是为提高抄表成功率而采用的方法，根据现场的具体情况，抄表操作员可对集中器的抄表时间间隔进行小时为单位的任意设定。当上位机与集中器进行通讯并下发指令后，计数器将清零，平时集中器则按照设定好的间隔时间，定时抄收电表数据，抄收到的数据存放于外部ＲＡＭ内，等待主站抄表管理计算机取走。定时抄工作方式流程见图３．１７。图３．１７集中器定时抄工作方式流程３．３远程集抄网络拓扑结构设计电力线载波集中抄表系统只能工作在同一个变电站的低压侧，当距离比较近、用电负载变化不大时，可以只通过载波表和集中器实现集中抄表，示意图见图３．１８。实际上情况并非如此理想，因为面临低压载波信道高衰减、强干扰、波动范围大的复杂的通信环境；现在又不能期望一次回路采取隔离阻波等技术措施；国内外载波通信芯片与模块的物理层通信能力不能满足现场使用要求。所以通过网络拓扑分析，采用表中继技术，几乎成了我们唯一的选择，这种技术命为拓扑中继技术。硕士学位论文豳３．１８集中抄表系统示意圈拓扑中继技术系统的最大优势在于：通过先验网络拓扑分析，准确选择实时可靠抄收的中继节点，从而最有效地利用载波通信芯片或模块的物理层通信能力，以几何级数提高接收信噪比，既提高了整个系统抵御电网衰减的能力，又增强了系统的抗干扰能力，不仅可以大大提高抄收成功率，而且最大限度缩短了系统抄收时间。由于系统具有天文数字的系统冗余，所以可以确保系统任何时刻，都能实现１００％抄收。３３．１表中继通信技术在低压载波通信自动抄表系统中，所有的电能表与集中器一样，同时具有发生信号与接收信号的能力，也就是具有中继通信能力。这种通过电能表中继的通信方式，称之为表中继通信。表中继通信将载波通信自动抄表系统的通信模式，从物理层通信扩展到网络层通信。从资源利用角度分析，表中继通信充分利用了两个人们忽略的资源。一是时间资源。现在的自动集中抄表系统是一个非实时系统，对抄收的实时性要求不高，但具有数据同时性的要求。所以我们在做系统方案设计时，在解决了数据同时性要求以后，就有充足的时间资源可以利用。我们可以通过中继广播通信，进行表底电量冻结、分别中继采集的方法，基本实现数据的准实时采集。数据采集的同时性误差一般只有几分钟，用户是可以接受的。当然中继通信时间，比纯物理层的直接通信，是成倍延长了，但中继通信可以借助中继重发，按几何级数提高接收设备的接收信噪比，大大提高通信成功率与可靠性。二是系统资源。低压载波集抄系统上的通信节点数量是巨大的，安装是密集的。每个通信节点都可以作为后面更远通信节点的中继器。只要能够实现系统的低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现网络拓扑分析，合理选择中继节点，在“以上端为绝对主动方的、点对多点的半双工”通信制式下，实现系统２４小时１００％准实时通信是可能的。３．３．２拓扑结构模型构建拓扑结构的选择往往与传输媒体的选择及媒体访问控制方法的确定紧密相关。在选择网络拓扑结构时，应该考虑的主要因素有下列几点：（１）可靠性。尽可能提高可靠性，以保证所有数据流能准确接收。还要考虑系统的可维护性，使故障检测和故障隔离较为方便。（２）（３）费用。建网时需考虑适合特定应用的信道费用和安装费用。灵活性。需要考虑系统在今后扩展或改动时，能容易地重新配置网络拓扑结构，能方便地处理原有站点的删除和新站点的加入。（４）响应时间和吞吐量。要为用户提供尽可能短的响应时间和最大的吞吐量。考虑到载波抄表系统网络具有以下特点：（１）载波抄表系统网络的基本结构：集中器为三相供电（三相四线制），电力线载波通讯信号可以分别在三相Ａ—－Ｎ、Ｂ—－Ｎ、ｃ—＿Ｎ上传输。集中器一般安装在配电变压器的低压侧，从配电变压器低压侧发散出来的三相四线进入到其管辖的每家每户：单相供电的载波表在其所在相位进行载波信号传输，三相供电的载波表一般选取某一相作为载波信号传输的通道。整个低压电力网拓扑结构为无固定规律的发散状的星形结构或树状结构。（２）载波抄表系统所应具有的基本功能：系统所有电表（节点）安装后，集中器能够启动系统初始化过程，在系统初始化完成后，集中器能够访问系统中的所有电表（节点）。系统正常运行时增加一个新的电表（节点），集中器可以自动搜索并配置该新的电表（节点）。当低压电力线网络通信状态改变时，集中器可以启动系统自适应功能进行网络的自动调整以保证整个系统的通信顺畅。（３）电力载波通信媒介的局限性：低压电力线网络是非常恶劣的通信媒介，主要表现为：高能量的随机噪音，随机且不可预测的电力线负载变化、电力线负载变化具有很大的动态范围。上述因素决定了低压电力线通信信道的严重噪音、载波信号的高衰减和高失真的特点，以及载波信号的衰减、失真和噪音强度具有时变的特点。低压电力线网络的这些特点导致了以下情况的发生：（１）某些电表（节点）不能被集中器直接访问到，或者有时能被集中器直接访问到，有时又不能被集中器直接访问。硕士学位论文（２）低压电力网时变的特性导致了采用专门的固定位置的路由，中继器不能很好解决系统通讯的问题。（３）低压载波抄表系统的通信物理媒介（集中器和电表（节点）构成的网络）是单一的总线型的低压电力网，因此整个网络上会存在回传信号和冲突及相撞的问题（计算机网络中的路由器一般上行和下行的物理媒介不同，因此网络中不会存在信号回传的问题，不用担心信号冲突）。基于上述分析我们选择树型拓扑结构做为载波抄表网络的基本拓扑结构，树形拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支。树根接收各站点发送的数据，然后再广播发送到全网。载波表树型网络拓扑结构见图３．１９。图３．１９载波表树型网络拓扑结构低压电力用户远程集中抄表系统的设计与实现第４章主站抄表管理平台设计及实现４．１抄表软件的功能模块及数据流向主站抄表管理计算机的所有通讯都是针对操作集中器而言，通过对集中器的操作可以实现各类数据以及指令的上下传递等控制操作。用户电表的数据传输至数据库后，需实现对原始数据的各种处理，完成在第２章２．６节中所要求的功能。主站抄表软件的功能模块及下达抄表命令时数据流向图见图４．１。图４．１抄表软件功能模块及下达命令时的数据流向４．２开发工具的选择现在的软件开发是一种庞大的集成，包括跨平