一種新型的智能用電抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

目前國(guó)內(nèi)已有多種用于居民用電抄表的產(chǎn)品，從近幾年實(shí)際投入的情況看， IC卡表和電力線載波集抄的應(yīng)用占了較大的比重，但是由于這些產(chǎn)品在節(jié)能降損、提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益方面的實(shí)際作用不大，在供電行業(yè)沒有能夠廣泛地推廣使用。

預(yù)付費(fèi) IC卡電表，其方案僅能單一的解決電費(fèi)回收問題，相比之下投入較大、隱患較多、維護(hù)難、必須專人值班售電管理等，因?yàn)樗痪邆浔O(jiān)察用戶用電的功能，所以很容易發(fā)生解密盜電或其它偷漏電情況，而且難以查覺。預(yù)付費(fèi)本身也容易引起與用戶的糾紛，許多地方已明文限制使用。

低壓載波集中抄表，其技術(shù)方案具有較大的優(yōu)勢(shì)，它利用了現(xiàn)有低壓電力線作為通訊載體實(shí)施計(jì)算機(jī)自動(dòng)抄表，不僅可省去敷設(shè)線路和日后維護(hù)線路的大量工作及費(fèi)用，同時(shí)線路的安全也自然有了保障，運(yùn)行通訊費(fèi)用較低，它可以不更換舊表而是在原表上增裝一個(gè)小的傳感器來完成轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)，這樣可省去大量換表資金。

但它存在的缺點(diǎn)是，電網(wǎng)線路上周期性、持續(xù)性的干擾信號(hào)以及干擾的隨機(jī)突發(fā)性與多變性影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，盡管可采用規(guī)避干擾和中繼技術(shù)能夠提高一些抄收成功率，可是產(chǎn)品的技術(shù)方案（電話線 +載波通訊）從根本上無法適應(yīng)國(guó)內(nèi)各種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，抄收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性又很低，很難穩(wěn)定地保證每天采集到完整的臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)。由于電話線的通訊速率低，而且平常不能總保持連通狀態(tài)（會(huì)發(fā)生大量的通訊費(fèi)用），無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)警功能，因此產(chǎn)品的實(shí)際用途受到很大的限制，其性能價(jià)格比直接影響了產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

GPRS（General Packet Radio Service），即通用分組無線業(yè)務(wù)，這種無線業(yè)務(wù)是在現(xiàn)有 GSM網(wǎng)絡(luò)上開通的一種新型的分組數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，它是利用分封交換（Packet-Switched）的概念所發(fā)展出的一套無線傳輸方式。GPRS采用分組交換技術(shù)，它可以讓多個(gè)用戶共享某些固定的信道資源。GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS相對(duì)有線電話還具有通訊信道安全可靠、速率高、實(shí)時(shí)在線不發(fā)生費(fèi)用、通訊費(fèi)用低、普及面廣、安裝便利等優(yōu)勢(shì)，尤其是它所提供的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無連接型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)非常適合抄表項(xiàng)目。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與總體方案設(shè)計(jì)

基本系統(tǒng)由抄表工作站、數(shù)據(jù)集中器、電表測(cè)控器、參數(shù)設(shè)置器和管理軟件組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

抄表工作站通過局域網(wǎng)或?qū)拵нB入 INTERNET，利用移動(dòng) GPRS基站與相應(yīng)區(qū)域的數(shù)據(jù)集中器（一般每個(gè)臺(tái)區(qū)一個(gè)）通訊，集中器通過專用線路（總線方式）或電力線（載波方式）連接臺(tái)區(qū)電表測(cè)控器 (安裝在電表進(jìn)線座上與電子表輸出口或機(jī)械表傳感器相連)。集中器與測(cè)控器之間始終保持通信狀態(tài)。集中器與 GPRS網(wǎng)絡(luò)之間通常在線狀態(tài)不產(chǎn)生通訊費(fèi)用，在傳遞數(shù)據(jù)時(shí)才發(fā)生流量費(fèi)用。初始時(shí)抄表工作站將日常工作指令分發(fā)到集中器和測(cè)控器存儲(chǔ)，以后每天各測(cè)控器按其指令自動(dòng)將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存（凍結(jié)），集中器按測(cè)控器地址編號(hào)順序依次間隔采集匯總數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送到工作站或由抄表工作站主抄，工作站自動(dòng)檢查補(bǔ)齊傳送到服務(wù)器中。

抄表工作站承擔(dān)數(shù)據(jù)抄收、指令下達(dá)及控制斷合電是實(shí)現(xiàn)用電監(jiān)察管理最基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié),它還負(fù)責(zé)對(duì)臺(tái)區(qū)所有系統(tǒng)設(shè)施的管理、維護(hù)和正常運(yùn)行等。一臺(tái)抄表工作站管理 1至 100個(gè)臺(tái)區(qū)集中器，一臺(tái)集中器連接 1至 1000個(gè)測(cè)控器，一個(gè)測(cè)控器連接一塊電表。整個(gè)系統(tǒng)包含多個(gè)抄表工作站，工作站可集中在同一點(diǎn)也可分散在不同的點(diǎn)并連接到供電企業(yè)的局域網(wǎng)上。系統(tǒng)還有與其它管理系統(tǒng)的接口，如：電費(fèi)管理系統(tǒng)接口，催費(fèi)管理服務(wù)器及管理軟件、用電監(jiān)察與電網(wǎng)配電分析管理工作站等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件主要分為測(cè)控器和集中器兩部分。測(cè)控器主要是用單片機(jī)把計(jì)量表中的數(shù)據(jù)采集過來，并存放在內(nèi)存里，通過 RS-485總線傳送給集中器。集中器是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的，也是最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，它的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖 2所示。

集中器中的微控制器選用W77E58，在其內(nèi)部集成32KB可重復(fù)編程的 Flash RAM、256B片內(nèi)存儲(chǔ)器、1KBMOVX指令訪問的 SRAM、兩個(gè) URAT、三個(gè) 16位定時(shí)器等。兩個(gè) URAT中，一個(gè)用于與 GPRS通信，另一個(gè)用于與測(cè)控器的通信。在很多場(chǎng)合，該單片機(jī)幾乎不用擴(kuò)展外圍芯片就能夠滿足系統(tǒng)要求。

微控制器通過 AT指令初始化 GPRS無線模塊，使之附著在 GPRS網(wǎng)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配給 GPRS集中器的 IP地址并與抄表終端建立連接，通過 RS232串口向客戶系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)或指令，向 TCP/IP模塊收發(fā)數(shù)據(jù)等。

TCP/IP模塊通過 RS232串口與 GPRS無線模塊通信，提供非透明和透明兩種通道。相對(duì)應(yīng)地，該模塊有兩種通信模式：非透明模式和透明模式。通過軟件切換，模塊在處于不同的模式時(shí)，數(shù)據(jù)流向也有所不同。當(dāng)傳送 AT指令集時(shí)，模塊進(jìn)入透明模式，可直接訪問 GPRS無線模塊；當(dāng)模塊進(jìn)入非透明傳輸方式時(shí)，用戶數(shù)據(jù)從串口進(jìn)入 TCP/IP模塊后，先組成 TCP/IP包，再經(jīng)串口發(fā)送給 GPRS模塊，GPRS無線模塊把其封裝成 GPRS分組數(shù)據(jù)包傳到 GPRS網(wǎng)上。

GPRS無線模塊作為 GPRS集中器的無線收發(fā)模塊，把從 TCP/IP模塊接收的 TCP/IP包和從基站接收的 GPRS分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。GPRS模塊采用了西門子公司的 MC35I，此模塊主要由 GSM處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口等六部分組成。它通過 ZIF連接器上的串口與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電路接口，通過串口讀取或發(fā)送 MC35I模塊中的數(shù)據(jù)和 AT指令。

4 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

用電管理主要包括業(yè)擴(kuò)報(bào)裝、計(jì)量管理、電費(fèi)管理和用電監(jiān)察等幾個(gè)方面。用電管理除有較明顯的各內(nèi)部業(yè)務(wù)功能外，還具有較強(qiáng)的業(yè)務(wù)流程性。數(shù)據(jù)信息流向如 3所示。

本系統(tǒng)將其分為用戶增減管理、計(jì)量資產(chǎn)與計(jì)量業(yè)務(wù)管理、配電設(shè)備與安全管理、電費(fèi)管理、用電監(jiān)察、抄表與控制管理、大用戶集中管理等幾個(gè)子系統(tǒng)，按業(yè)務(wù)流程將各子系統(tǒng)有機(jī)地聯(lián)接起來就構(gòu)成完整的用電管理系統(tǒng)。

抄表終端智能用電系統(tǒng)軟件利用 WIN2000/XP作為操作系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，以 VB作為開發(fā)工具，使用 SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，軟件所能管理的用戶數(shù)量幾乎沒有限制。

5 結(jié)束語

本文創(chuàng)新點(diǎn)是：利用 GPRS網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，發(fā)揮了通用無線分組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，同時(shí)利用總線技術(shù)或載波通訊技術(shù)完成集中器與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，改變了過去 IC卡電表、電力線載波集抄產(chǎn)品等產(chǎn)品的不足，在功能和用途上有了實(shí)質(zhì)性的突破，能夠適應(yīng)現(xiàn)代電力行業(yè)供用電管理上多方面的需求。