用電信息多模采集終端的研究

張家口供電公司　楊紅欣　齊火箭　徐海賓

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用電信息多模采集終端的研究

張家口供電公司楊紅欣齊火箭徐海賓

【摘要】本文針對現(xiàn)有采集器終端存在的通信問題，提出一種融合多種通信模式、通信模塊化、適應性強的采集終端，可根據現(xiàn)場環(huán)境需求更換相應的通信模塊以配合系統(tǒng)主站完成信息采集工作的解決方案，同時給出了設備的硬件設計方案，并給出應用效果。

【關鍵詞】多模采集；通信模塊化；GPRS通信；有線通信；載波通信；LTE230通信

0　引言

從20世紀90年代開始，國家電網公司陸續(xù)開展了用電信息采集系統(tǒng)試點建設，包括負荷管理系統(tǒng)、集中抄表系統(tǒng)等相關系統(tǒng)。經過多年營銷信息化的工作推進，用戶用電信息自動采集覆蓋率逐年提高，應用范圍和效果逐步擴大，在公司系統(tǒng)營銷、安全生產和經營管理中已經發(fā)揮了積極作用。按照國家電網規(guī)劃，2014年底用電信息采集系統(tǒng)覆蓋率達到100%，對直供直管區(qū)域內所有用戶實現(xiàn)“全覆蓋、全采集、全費控”。

1　現(xiàn)有采集器終端存在通信的問題

目前的采集器通信接口按照各地用戶的需求出廠指定了通信方式。隨著通信技術的不斷發(fā)展，用戶需要根據現(xiàn)場環(huán)境更換響應速度快，通信效果好，費用低的通信方式，但是由于原有采集器出廠固定了通信接口，用戶只能通過采購新的通信接口采集器或更換設備來轉換通信方式，造成了資源浪費，從而導致用戶的系統(tǒng)建設、運行、維護成本大人增加，而且給施工帶來諸多不便。因此，需要設計一種可現(xiàn)場更換通信接口的通信模塊化采集器。

另一方面，目前采集器本地通信方式采用的電力載波或微功率無線存在著一定的局限性：①低壓電力線路的通信環(huán)境惡劣，載波通信容易受電網阻抗變化、噪聲、諧波等影響，造成通信不可靠，一次實抄成功率僅為80%～90%；②微功率無線通信受傳輸距離、建筑物阻擋、無線干擾等原因影響，抄表成功率也在90%以下。由于這兩種通信方式實時性、準確性得不到保障，對于需要進行主站預付費管理的情況，還需采用支持的直連主站的采集器。

2　多種通信技術簡介

現(xiàn)有技術中電能表數據采集最常用的上行通信通道為無線公網（GPRS或CDMA）電力載波、有線傳輸（光纖、以太網、同軸線）、電力LTE230無線寬帶專網，下行通信通道以RS485線為主。

（1）無線公網GPRS

GPRS是通用分組無線業(yè)務（General PacKet Radio Service）的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種承載業(yè)務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業(yè)務。GPRS理論帶寬可達171.2Kbps，實際應用帶寬大約在10～70Kb/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數據傳輸等應用。

（2）有線通信

有線通信（wire communication），現(xiàn)代的有線通信是指有線電信，即利用金屬導線、光纖等有形媒質傳送信息的方式。光或電信號可以代表聲音，文字，圖象等。

（3）電力載波通信

電力載波通信即PLC，是英文Power line Communication的簡稱。 電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線，就能進行數據傳遞。

（4）LTE230 無線通信

新型230MHz電力無線寬帶通信系統(tǒng)，是基于OFDM、自適應編碼調制、自適應重傳等LTE核心技術，使用電力行業(yè)在230MHz頻段已有授權頻譜資源的無線數據通信系統(tǒng)。

（5）RS485通信

RS485通信方式是指通過導線直接將電能表和采集裝置想連，通過RS485通信協(xié)議進行數據交換。

3　多模電能表采集終端解決方案

多模電能表采集終端可分為以下兩種工作方式：

（1）模式一：采集終端不經過集中器獨立工作模式，系統(tǒng)邏輯框架如圖1所示。

圖1

在此工作模式中，采集終端使用GPRS、有線通信和LTE230模塊，起到“承上啟下”的功能：

下行：通過485接口與三相預付費卡表進行通信（也可以兼容其他智能電能表）。

上行：通過GPRS、有線通信和TD-LTE230網絡通道與用電信息采集系統(tǒng)主站通信。

此工作模式，采集終端的軟件工作流程如圖2所示。

用電信息采集系統(tǒng)主站根據需求發(fā)送請求幀給采集終端 → 采集終端接收到幀后進行幀格式檢驗與格式轉換 → 提取幀里面的命令字段轉發(fā)給電能表 → 電能表應答 → 采集終端對電能表的應答進行幀包裝及數據包格式轉換 → 采集終端發(fā)送應答幀給采集系統(tǒng)主站進行分析統(tǒng)計。上行規(guī)約與下行規(guī)約的適配轉化工作在采集終端內部完成。

圖2

（2）模式二：采集終端配合集中器工作模式，如圖3所示。

圖3

采集終端只有抄表功能，集成多種通信模式，支持向公變集中器上傳數據，采集終端配合集中器使用。

在此工作模式中，采集終端使用載波模塊或微功率模塊，采集終端沒有直接和主站通信的功能，只是起到采集器的作用：

下行：通過485接口與電能表表進行通信。

上行：通過載波或微功率無線與集中器通信。

在此工作模式中，集中器通過GPRS、有線通信和LTE230通信網絡與后臺系統(tǒng)通信，接受后臺系統(tǒng)的指令，向后臺發(fā)送數據；集中器根據后臺指令設置通過載波與采集終端通信模塊雙向通信，向通信模塊發(fā)送指令。

4　采集終端的硬件設計

4.1硬件結構設計

如圖4所示為多模電能表采集終端結構原理圖。

圖4

主要部件說明：

（1）ARM處理器

本系統(tǒng)采用ARM處理器為STM32處理器，STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。時鐘頻率72MHz，內置128K的閃存，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產品，相當于0.5mA/MHz。

（2）保護電路

本系統(tǒng)配置了防靜電、防雷擊、防過壓、防過流等保護電路，防止打雷、電壓不穩(wěn)定等因素會引起系統(tǒng)的癱瘓甚至燒掉，讓系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運行。

（3）電源部分

電源部分起變壓作用，將外接強電轉換成如16V、5V、3.3V等低電壓給系統(tǒng)的各個部分提供電能。

（4）FLASH

采用兩個16M的大容量Flash儲存器，用于存儲程序和數據。

（5）時鐘

時鐘芯片在設備啟動的時候可以提供系統(tǒng)時鐘，在復位的時候內部8MH的晶振可被選用作CPU時鐘。

（6）固件燒錄接口

用于系統(tǒng)固件程序的燒錄，也可以用來系統(tǒng)調試。

（7）備用電池

當系統(tǒng)斷電的時候，用來給時鐘芯片維持工作以儲存當前時間。系統(tǒng)斷電時，時間不會受到影響的。

（8）紅外通信

與外置設備進行紅外通信，通過紅外手持器可設置設備的一些系統(tǒng)信息，如：主站地址、終端IP、終端MAC地址、區(qū)劃碼、集抄器地址、心跳周期、日抄表時間、網頁密碼、廠商編號等，也可以用來召測系統(tǒng)的一些參數，如：集抄器邏輯地址、與主站的連接狀態(tài)、終端IP地址、終端MAC地址、日抄表時間、主站地址、心跳時間、系統(tǒng)時間等，還可以重啟系統(tǒng)、同步時間等等。

4.2設備接口

所有硬件接口位于設備下方，主要有天線接口，220V電源和485接口，如圖5所示：

圖5

4.3硬件特點

設備整體尺寸為112mm X 85mm X 71mm，體積為國網標準采集器的一半大小，設計緊湊，可以利用表箱里的空余空間安裝，無需更換電能計量箱或增加安裝箱；硬件采用模塊化設計，可根據現(xiàn)場網絡環(huán)境更換相應的通信模塊，提高了設備的可用性。

5　解決方案創(chuàng)新點

（1）融合了電信網、電視網、電力網、無線網、信息服務網，使設備信息傳輸方式多樣，可根據業(yè)務需要選擇通信方式，適應性強；

（2）通過對現(xiàn)有多種網絡的充分整合利用，實現(xiàn)了智能用電的功能；

（3）可實現(xiàn)實時采集終端設備的用電信息；

（4）不需要更換電表，避免重復投資；

（5）不需要重新鋪設網絡，充分利用已有的網絡平臺，使建設投入成本數倍降低；信息傳輸迅速，節(jié)約大量人力資源；

（6）方案實施顯著減少中間管理環(huán)節(jié)，向客戶提供更個性化的服務。

6　應用效果

多模電能表采集終端研究成果已經在張家口供電公司成功投入運行，用于解決2萬個三相預付費卡表用電信息采集問題，根據現(xiàn)場通信條件，選用了電力載波、GPRS、LTE230三種通信方式，使三相一般工商業(yè)用戶通過簡單改造，快速達到建設要求，全面實現(xiàn)采集和費控功能，采集的穩(wěn)定性和可靠性也得到充分保障。

7　結論

多模電能表采集終端運用了多種通信技術，硬件上即可以與現(xiàn)網運行的低壓集中器互配安裝，也可以直接與與采集系統(tǒng)主站通信，可很好解決現(xiàn)有采集器存在的通信方面問題，給出采集終端的設計方案，可供電力公司建設用電信息采集系統(tǒng)時借鑒。

楊紅欣（1971—），女，大學本科，工程師，現(xiàn)擔任檢驗檢測班長，主要從事電能表等計量器具檢驗檢測等工作。

齊火箭（1978—），男，大學本科，高級工程師，現(xiàn)擔任電能計量技術高級師，主要從事電能計量專業(yè)技術管理、質量監(jiān)督等工作。

作者簡介：