电力用户用电信息采集系统及装置设计与选型实用技术
周志兵++严婧婷
[摘 要]针对电力用户信息采集的信息化需求，提出一种基于远程用户电力信息采集系统，从而改变传统的以人工对电力用户用电情况进行采集的状况。对此，文章结合现有的硬件技术和信息化技术，对远程采集系统整体架构进行设计。然后分别就用户信息采集的硬件方案和软件方案进行设计。最后，重点就该电力用户用电数据信息采集的通信方案进行了设计。
[关键词]远程采集；数据采集；RS-485；载波通信；硬件方案
中图分类号：O587 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0093-02
随着我国经济技术水平的提高和电力系统的不断完善，原始的人工抄表方式越来越不能满足电力系统发展的需求，電力远程自动抄表系统因其效率高、差错率小等优点应运而生。因此，加强对远程自动抄表系统的研究，对电力企业具有非常重要的现实价值。
1 远程抄表系统框架结构
电力远程抄表系统是自动化程度较高的系统，它具有采集智能电表数据、传输抄读的数据和指令、存储各种实时和历史数据、处理各种数据以及远程控制用户通断电等功能。电力远程抄表系统能让电力部门很方便的掌握用户的用电情况，及时发现用户窃电行为，并根据电力控制的需要对用户进行供电控制操作（如长期不缴纳或拖欠电费而需要断电处理）。因此该自动抄表系统的运用可大大节省人力物力资源。
远程抄表系统组成总体来说包括：供电管理系统（服务器）、远程抄表系统中的数据集中器、数据采集器、智能表和传输数据信道组成。通过调研发现目前九江湖口采用的集抄系统有两种方案，一种是集中器直接采集载波智能表，另一种是电能数据集中器+采集器+485智能表。前者主要用在电表集中安装少的情况中，适合农村用户采用；后者适合8户以上的表箱，采集器每个表箱一个，适合小区集中安装的用户；集中器配置方法是每个变压器安装一个。系统组成框图如图1所示。
（1）智能表。采用先进的集成电路设计和SMT工艺制造，其特点是高精度、宽负载、低功耗、抗干扰能力强。配有红外、RS-485和载波通信接口。是一款具有电能量计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能的电能表。
（2）采集器。采集器是自动抄表系统的组成模块，提供载波/无线数据传输信道，通过内部的RS-485接口同智能表的RS485接口通信，采集到智能表的相关数据后，通过其载波/无线信道，将采集到的数据传送至电能数据集中器，最终传至后台系统。
（3）电能数据集中器。电能数据集中器是自动抄表系统中的核心部件。它是一个数据集中处理器，是多对象自动抄表系统的通信桥梁，通过低压电力载波和RS-485 等通信方式对各智能表的数据进行集中采集、存储和管理，并通过电话线、GPRS 等信道及时有效地向上位机传输数据，同时执行上位机发送的指令。
（4）服务器（电能数据管理系统）。电能数据管理系统是整个自动抄表系统的管理设备，通常由抄表软件、通信网络和计算机构成，利用电话线等公用数据网，将电能数据集中器所集中的数据收集回服务器并进行相关处理。
2 硬件方案设计
硬件设计方案必须要考虑到集中器需要实现的功能，由以上所述可知集中器硬件首先要具有通信功能，考虑到不同的应用环境，上行信道通信设计三种可供选择方式。下行信道则采用RS-485方式或载波方式连接到智能表。因此系统必须具有一些外围通信电路，如网络通信和串口通信电路等。除此之外，集中器还应具有对抄读的数据进行存储的功能，在内部存储空间不够大的情况下，可扩展闪存、SD卡来负责数据的存储，同时为了完善集中器的功能，使它能及时控制和了解当前系统的运行状态，硬件设计中可增加按键输入模块和数码管指示灯显示模块。综上所述，集中器硬件设计方案至少应包括电源电路模块、ARM处理器模块、上行通信模块、下行抄表模块和存储模块四大部分的设计，其结构框图如图2所示：
（1）电源模块：负责对整个系统的供电，为各单元电路提供各种电源接口，本文电源模块将采用三相整流滤波电路将三相交流电整流成直流电源并通过7805稳压模块进行稳压，为各单元电路提供不同大小的直流电源；
（2）ARM处理器模块：负责协议转换和存储数据信息，由于AT91SAM7X256是片上集成了很多设备的控制器，利用它的丰富外设资源构造一个集中器硬件平台，将使外围电路的设计变得较为简单；
（3）通信模块：集中器上行信道设计一个Modem通信接口，负责主站和集中器之间的数据传输工作；一个RS-232串口，主要负责集中器调试工作；一个红外接收端，主要用于近距离集中器参数的设置；集中器下行信道采用标准RS485串口和载波接口，负责集中器和电表之间的数据传输。
（4）存储模块：处理器内部存储资源非常有限，利用存储扩展来满足系统参数和各种数据存储的需求。本文采用 25LC6401 存储芯片和 SD 卡来进行存储扩展。
3 系统通信设计
3.1 载波通信设计
载波通信模块电路如图3所示，本文中采用 PL3105 中的 P30 作为 zb TX 的数据输入端，P31 作为 zb RX 的数据输出端，并通过 IDC18 接口与主板相连通。载波信号从 PL3105 芯片载波信号输出端 P17 输出经功放放大后由变压器耦合至电表，而电表的电能数据经滤波、带选频的放大电路后输出至 PL3105 苾片的模拟信号输入端。其中 A、B、C 三路电表的选抄由 CTR_A、CTR_B、CTR_C 信号控制继电器动作来完成，而控制信号可由程序来产生。
3.2 RS-485 设计
在电力通讯方案的设计中，下行通讯除了采用低压电力载波通讯方式以外，还经常利用 RS-485 总线通讯方式。因为这样组网方式就较为灵活，既可使用RS-485 总线和低压电力载波混合的方式组网，也可以使用可靠性比较高的全 485方案组网。RS-485 电路总体上可以分为隔离型与非隔离型。其中隔离型因其系统稳定性较好、抗干扰能力较强等优点较为常见，特别是在节点间共模电压可能超过 RS-485接收器的极限接收电压的场合，隔离型更具优势，它可避免因高的共模电压而烧毁芯片和仪器的情况发生，另一方面，隔离器通过对电源及信号的隔离，能有效的抵制共模干扰，比纯粹的采用差分传输方式来抗共模干扰更为有效。隔离型电路主要有用光耦、带隔离的 DC-DC 及 RS-485 芯片组成的电路和采用 ADM2483、ADM2587E 等集成芯片构成的电路两种方式。根据本课题实际情况，我们采用传统方式隔离型 RS-485 通讯方案，RS-485 通讯模块电路如图4所示。
4 系统软件设计方案
本文中软件的设计方案亦是采用“将大化小”的设计思路，用 C语言编写主函数，以它为程序入口，调用相应的子函数（子函数还可调用其它子函数）来完成自动抄表功能，集中器软件设计部分主要要完成上行通信方式的建立、上行数据的接收与校验、协议处理、自动抄表、数据结构和存储等模块的设计。具体的模块设计方案如下：
（1）主函数模块：主函数做为程序的入口，在集中器软件设计中非常重要，
通过主函数的执行及相应子函数的调用，来实现集中器的全部功能。主要有如何判别上行通信方式并进行相应的系统参数设置；何时调用协议处理函数进行相应命令执行；何时调用抄表时间控制函数来判断是否应启动定时抄表子函数进行抄表。
（2）上行通信方式建立模块：三种上行通信方式的建立过程是本模块研究的重点。根据通信方式建立流程图来编写相应子函数程序代码，如查询猫是否在网、对猫是否在网的状态处理、关闭猫及上行通信模块控制子函数。
（3）上行数据的接收及校验：编写串口中断服务子程序来接收上行数据，并对接收到的数据进行校验，根据校验结果对上行通信中接收数据帧标志置位。
（4）协议处理：对接收到的上行数据进得协议解析，编写协议处理函数实现不同的协议代码执行不同的操作，在整个集中器软件中起到承上启下的作用。
（5）自动抄表：主要分为实时点抄和定时抄表两大部分。分别编写对应点抄485、载波表和定时抄表子函数代码，并通过主函数的适时调用来实现自动抄表功能。
（6）数据结构和存储：根据参数及存储载体不同，设计不同的数据结构，对集中器参数、载波表参数、485 表参数、重点用户参数和 485 转载波表参数进行分类存储。
5 系统实现
通过上述的设计，可以得到如图5所示的数据采集页面。
6 结束语
综上所述，使用本文设计的电力用户远程集中抄表系统，可以有效提高抄表工作的效率，节约一定的人力资源，降低抄表失误率，这对保证线损统计的可靠性有十分重要的现实意义。因此，加大对电力用户远程集中抄表系统的研究力度，提高设计水平，不仅可以为用户提供更好的电力服务，还可以保障电力企业的经济效益，这是电力企业工作的重中之重。endprint
