水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)設計

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(1.國網(wǎng)湖北省電力公司計量中心，武漢 430077； 2.湖北華中電力科技開發(fā)有限責任公司，武漢 430077)

0 引言

隨著無線網(wǎng)絡在我國不斷普及，信息化的問題受到了國家政府高度重視，信息化的發(fā)展水平于一定程度上說明了某個國家、企業(yè)的社會生存和競爭能力以及科技水平強弱[1]。信息化涉及了社會的方方面面，其中，公共事業(yè)局的電、水、氣多表合一的自動化集抄系統(tǒng)，也就是水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的設計，作為公共事業(yè)局以及千家萬戶基礎平臺，是公共事業(yè)局信息化建設的關鍵內(nèi)容[2]。

在我國，水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集技術與世界基本是同步的，上個世紀的80年代末，國內(nèi)開始對自動化抄表系統(tǒng)進行試點工作[3]。在1989年全國的第一套跨省電量計費系統(tǒng)于我國的華北電網(wǎng)運行，而后北京供電局電話抄表系統(tǒng)于90年代投入運行。從2005年至2007年各個電力公司已經(jīng)實現(xiàn)發(fā)電側(cè)，供電側(cè)和終端側(cè)，在全國估計有幾十萬AMR采集終端得以應用，目前是世界發(fā)展比較快的AMR市場之一[4]。

目前市場上有很多公司已經(jīng)開發(fā)了三表抄收系統(tǒng)，但是這些公司只做三表抄收以及其他智能系統(tǒng)，對這些資源不能夠做到整合以及合理利用[5]。隨著大眾生活水平不斷提高，當前的抄表方式中存在的弊端越來越突出，收費難成為了水電氣部門在管理上的關鍵問題[6]，主要原因有以下幾點：進入用戶家抄表的難度較大，因為居民的生活水平日漸提高，財產(chǎn)安全問題越來越受到居民的重視，同時用戶也不希望受到打擾，抄表人員可利用的時間較短；水電氣部門負擔重，尤其是抄表效率低，周期較長，成本回籠慢，手工抄表收費結算方式給管理部門的經(jīng)營帶來了很大的困難，管理費成本過高，如果燃氣公司共有10萬用戶，抄表與管理人員就需要60至70人，可能會更多，則人員成本將近100萬，隨著城市化的不斷發(fā)展，城市用戶越來越多，這對相關單位是一種牽制；抄表的工作以及勞動強度比較大，抄表與收費人員的工作條件較差，誤差大，存在的問題與隱患比較多，抄表收費人員遭搶，或者犯罪分子時常冒充收費人員強行入室作案，嚴重影響社會的穩(wěn)定發(fā)展，很難適應信息化發(fā)展的要求[7]。綜上所述，水電多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的設計迫在眉睫。

針對當前預付水費時需要用戶帶著預付水卡在指定的營業(yè)點進行水費充值的方式，張呈鈺[8]等人設計并實現(xiàn)了一種帶有移動支付，與數(shù)據(jù)索引功能的智能水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，依據(jù)水表預付費用的業(yè)務需求，構建基于NFC的水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構，并完成軟硬件的設計，然后，提出一種對外部磁場進行檢測進而降低水表數(shù)據(jù)采集功耗的機制，與NFC安全協(xié)議相結合，分析水表移動支付的安全性。該方法具有及時性，但所設計的系統(tǒng)運行效率低。王鵬[9]等人提出利用集中器對四表合一的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行設計，并提出了采用自組網(wǎng)實現(xiàn)大規(guī)模表計構架的組建，將智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡當作計量裝置虛擬專用網(wǎng)，設計了基于IPv6的水電氣數(shù)據(jù)采集協(xié)議，對原型系統(tǒng)進行了實驗。實驗表明，該方法數(shù)據(jù)采集精度高，但穩(wěn)定性較差。郭亮[10]等人提出了利用多模柔性融合通訊技術，對居民家庭的水電氣熱四類表計進行采集，結合家庭能耗系統(tǒng)的管理云平臺，利用大數(shù)據(jù)分析和對比，完成家庭能耗實時監(jiān)控以及能效診斷，憑此用戶能夠?qū)崟r檢索能耗數(shù)據(jù)，實時接收電網(wǎng)所推送的電價，節(jié)能信息以及節(jié)能方案，為家庭用戶的需求提供了支撐，但存在安全性較低的問題。

1 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)整體框架

通過圖1可知，水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)整體構造，利用的是三層結構以CAN總線以及以太網(wǎng)通信形式設計實現(xiàn)，底層是對水電氣多表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分電路的規(guī)劃，利用管理中心來處理計費等操作，在客戶端界面，客戶可用手機或者平板等設備對水電氣數(shù)據(jù)進行隨時的查閱以及費用的計算，下面主要對水電氣數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的各個部件進行詳細的設計與介紹。

圖1 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)整體構造

2 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)硬件設計

2.1 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)主電路圖

在水電氣數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的設計過程中，主要的目的就是對水電氣多表合一的數(shù)據(jù)進行采集，所以該節(jié)主要對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主電路進行構造。在圖2中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主電路的設計考慮到了有些用戶利用三相電的可能，比如大功率的空調(diào)等，其水電氣數(shù)據(jù)的采集能夠利用計量芯片—ATT7022B實現(xiàn)。其中最大10 A的電流信號，經(jīng)過10 A/5 mA的電流互感器與20 Ω電阻并接獲得0.1 V電壓信號，額定的220 V電壓信號與110 K電阻串聯(lián)形成2 mA電流，經(jīng)過2 mA/2 mA的電流互感器與240 Ω的電阻并聯(lián)形成0.48 V電壓信號。這時，ATT7022B內(nèi)部的電流與電壓通道的線性誤差基本小于0.5%，且電能的線性誤差基本小于0.1%。如果用戶使用的是單相電，僅需接入相對應的電壓以及電流信號，或者改用單相的電計量芯片ADE7763。

圖2 數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)主電路圖

2.2 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)控制電路

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制電路圖

(1)

那么用戶的總電量表達式為：

(2)

2.3 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)接口設計

在圖4的接口設計中，接口將水電氣多表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個模塊和電路進行連接，保障了系統(tǒng)的正常運行。其中，接口設計中還與LED進行了連接，可以實時觀察水電氣多表在接口處的狀態(tài)。

圖4 數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)接口設計

2.4 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)電源電路

圖5中的電源電路中，主供電源電路利用的是3種，共有三組5 V的電源輸出。圖中的電路全部是通過全橋整流電路，歷經(jīng)整流濾波以及穩(wěn)壓之后，獲取了水電氣多表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的5 V主電源。其中，一組是給水電氣多表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的CPU、顯示器以及存儲電路等其它外圍接口電路進行供電，主要能耗來源于供電為正常時LED的顯示，因為它不僅要顯示用戶號信息，還包含3種能耗信息。額外兩組直流5 V輸出是通信隔離使用的芯片供電。假設此時水電氣多表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的波動使采集系統(tǒng)運行的不夠穩(wěn)定，則7805的散熱器要選擇有足夠裕量的，進而保障7805所輸出的5 V電源具有連續(xù)性。

圖5 數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)電源電路

3 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)軟件設計

在上述硬件的基礎上，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序應該處于待接收狀態(tài)。PC機發(fā)出命令，集中器結束接收。當采集系統(tǒng)成功接收PC機命令時，中斷裝置將會收到PC機成功的標志。則在水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)主程序中，檢測到該標志時，則調(diào)用數(shù)據(jù)采集處理的子程序。采集系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序流程圖

圖6中，主程序處于等待狀態(tài)，處理成功后，調(diào)用集中器向PC機應答的子程序，如果需要集中器繼續(xù)將PC機傳送來的命令向采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)時，那么就調(diào)用集中器向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出命令子程序，在一定時間內(nèi)還沒有成功，則再次向采集系統(tǒng)發(fā)送命令，假設發(fā)送再次失敗，則需要做故障處理，假設成功，調(diào)用向PC機應答的子程序。PC機應答之后，又回到主程序等待PC機命令。

鑒于水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的復雜度較高，但抄表流程基本一致，在此以電表的數(shù)據(jù)自動采集為例，假設定時時間為半小時，在電量的采集中，當達到定時時間后，采集系統(tǒng)向DF多用戶的電能表發(fā)出抄電表的命令，然后等待電表應答，如果沒有應答，則重新發(fā)送命令。當接收成功時，將電量存儲在24LC16B存儲器中，采集系統(tǒng)定時中斷電能抄表子程序流程圖如圖7所示。

圖7 電能抄表子程序流程圖

電能抄表程序如圖7所示，其它的水、氣、采暖等能耗數(shù)據(jù)采集程序與上圖基本一致。

4 實驗步驟結果與分析

4.1 實驗步驟

(1)通過多次抄表測試及抗干擾振幅的測量實現(xiàn)抗干擾能力的對比；

(2)在0.5小時內(nèi)通過多次數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)本文方法、文獻[8]文獻[10]方法抄表頻數(shù)的對比；

(3)對本文方法與文獻[9]方法在供電、維護與安裝、采樣原理等方面的性能進行實驗對比研究。

4.2 實驗參數(shù)與環(huán)境

在PC機上進行一系列設置，其中包括參數(shù)、電量、暖氣量、水量、燃氣量等。參數(shù)設置中，對于水，暖氣，燃氣三表，因為系統(tǒng)最小的計量單位是0.01噸，所以對這三類表脈沖常數(shù)的設置不可超過100，設置為10，100，進而避免出現(xiàn)誤差累計的現(xiàn)象。鑒于實驗條件限制，對DF電能的消耗實施定時抄取，對于遠傳水表以及遠傳燃氣表利用的是串聯(lián)方式。將不同多表數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)設計方法應用于該實驗環(huán)境，實驗平臺搭建在MATLAB R2015b上，實驗數(shù)據(jù)取自于某小區(qū)的水電氣多表抄取中心，進行連續(xù)一個月的運轉(zhuǎn)觀察，觀察不同方法的整體效果，具體的實驗試點模型如圖8所示。

圖8 實驗試點模型

4.3 實驗結果

水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的抗干擾能力是評價其優(yōu)良的重要指標，圖9為不同方法抗干擾能力對比。

圖9 不同方法抗干擾性能對比

分析圖9可知，文獻[9]方法抗干擾性能稍優(yōu)于文獻[8]方法的抗干擾性能，利用本文方法設計的水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)抗干擾性能最優(yōu)。文獻[8]方法提出一種對外部磁場進行檢測進而降低水表采集功耗機制，但該機制中并沒有設置抗干擾裝置，降低了系統(tǒng)抗干擾能力。文獻[9]方法提出了采用自組網(wǎng)實現(xiàn)大規(guī)模表計構架的組建，將智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡當作計量裝置虛擬專用網(wǎng)，該計量裝置虛擬專用網(wǎng)中存在大量干擾元素，屬于不可控范圍。而本文方法設計的水電氣多表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制電路不僅可以提高水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且還具有抗干擾性能。圖10為不同方法抄表頻數(shù)(次)對比。

通過圖10可知，本文方法的查表頻數(shù)最多，本文方法水電氣數(shù)據(jù)的采集可根據(jù)電能計量芯片—ATT7022B實現(xiàn)，由此增加了數(shù)據(jù)采集頻數(shù)，也就抄表頻數(shù)。文獻[10]方法中，利

圖10 不同方法抄表頻數(shù)對比

用多模柔性融合通訊技術，對居民家庭的水電氣熱四類表計進行采集，采集效率低，頻數(shù)少。文獻[8]中依據(jù)水表預付費用的業(yè)務需求，構建基于NFC的水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構，雖然只是對水表采集系統(tǒng)進行構建，但是依據(jù)水表預付費用業(yè)務需求建立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會具有一定程度的主觀意識，導致單一的水表采集系統(tǒng)也無法達到高效率地數(shù)據(jù)采集。該對比證明了本文方法的有效性要強于文獻所提方法。下表為不同方法在各方面的性能對比。

表1 不同方法在不同性能方面的對比結果

分析上表可知，本文方法在各方面均優(yōu)于文獻方法。本文方法在水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)設計中，硬件部分由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主電路圖、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制電路圖、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口設計、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電源電路等組合而成，軟件部分利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序流程圖，和抄表子程序流程圖等構成，所設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比文獻方法中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更為完善且具體，進一步證明了本文方法具有可靠性。

5 結束語

鑒于目前國內(nèi)水電氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計技術日漸成熟，保障了采集系統(tǒng)前端采集的可靠性，但還是存在類似于穩(wěn)定性差等問題，而利用本文方法可以對水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)進行有效設計。

多表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以成功地采集熱能表、電能表等基表所發(fā)出的脈沖信息，而且不會丟失脈沖，但有以下幾個方面需要做進一步研究：

對數(shù)據(jù)的通信方式做進一步討論，進而提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性；進一步完善數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)統(tǒng)計分析性能，為水電氣等管理部門決策提供全面支持；可以在系統(tǒng)中安裝自動語言回復等功能；將系統(tǒng)進行逐步推廣，在實踐中進行完善以及改進，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的采集與控制。

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