1、摘要I集抄系统应用研究摘 要随着信息化社会建设的推进，各行各业都需要提高自动化程度和信息化程度。电力行业中，抄表是项复杂而繁琐的工作，实现集中抄表可以大大提高电力营销的信息化管理。同时，随着科学技术的发展，抄表中也逐步引进各种新技术，给抄表带来了革命性的变化。由于各种原因，目前国内的集抄应用范围还不是很广泛，和国外有一定的差距。目前电费管理方式主要有三种，分别是传统的手工抄表、预付费系统和集抄系统。手工抄表方式工作量大而出错率高，但是一定范围内还继续存在；预付费系统解决了收电费难的问题，但是应用范围不广，稳定性有待提高，且售电模式在法律上存在一定争议；集抄系统大大提高了信息化程度，数据量丰富而
2、实时性强，结合后台管理系统和网络化管理，可以实现功能强大的电力营销模式，将是电力营销的发展方向。集抄系统的方式多种多样，主要是电力线载波集抄、短消息集抄方式、GPRS/CDMA 网络集抄和 Zigbee 等无线网络集抄方式。目前来说，无线集抄暂不如电力载波集抄成熟，GPRS/CDMA 等公共网络集抄实现了实时在线和信息化管理，逐渐取代短消息集抄方式。Zigbee 凭借强大的功能和自身诸多优点，发展迅速，前景广阔。关键词 集抄系统，电力线载波，GPRS/CDMA 网络，Zigbee 网络，信息化集抄系统应用研究II目 录摘 要 .I1 绪论 .11.1 售电管理模式概述 .11.2 集中抄表的基
3、本方式和意义 .21.3 集抄系统国内外现状 .21.4 本论文主要工作 .32 电能表数据格式及其采集器 .42.1 电能表的格式 .42.2 电表数据采集器 .42.3 DL/T645 电能表通信规约 .53 集抄系统组网方式 .73.1 电力线载波集抄系统 .73.2 短消息方式集抄系统 .83.3 GPRS 方式集抄系统 .103.4 ZIGBEE 无线网络集抄系统 .113.5 本章总结 .134 集抄系统前景展望 .14参考文献 .15集抄系统应用研究-1-1 绪论随着我国电力的市场化运作，急需提高电力自动化和提升服务质量。在电力营销中，电费的收缴和管理是一项工作量很大而又复杂的任
4、务。同时，随着科学技术的发展，特别是电力电子技术，电子技术，信息技术和无线网络技术的发展和成熟，电力行业也逐步体会到科技进步带来的便利。高新技术在电力行业的应用往往带来很好的效益。在抄表行业中，也经历了几个时代的发展，传统的手工抄表发展到预付费系统再到远程自动抄表系统，再往后的信息化抄表和管理一体化的新的营销方式。1.1 售电管理模式概述目前，比较多的售电管理方式主要有三种：（1）传统的人工抄表模式。这是一种挨家挨户的抄表方式，工作量大，对居民用户的影响大，出错率高，因此而容易引起纠纷。后来出现了一些手持红外抄表器，利用红外数据传输用手持仪器对电表进行抄表，虽然减少了出错率也可以在离电表几米远
5、的地方抄表而节省了时间，但是还需要一家一户进行，没有发生根本性的进步。（2）预付费系统模式。这是一种先交费后用电的电力营销模式。该系统主要由三个部分构成，分别是后台售电管理系统、电卡、预付费控制器终端。其工作过程为：用户需要持电卡到供电部门去买电，供电部门收费后利用后台软件将相应的电量数据写入到用户的电卡。控制器终端安装在用户的计量箱内，通过485 总线或者脉冲方式读取多功能电能表的读数。控制器内置继电器，继电器的接点引出到外部，用于控制外部的接触器，以便控制用户的电源。控制器内带有读卡器，用户持保存有电量数据的电卡到控制器的读卡器处将电量数据输入到控制器内。同时，电卡上的电量数据将被清零。当
6、控制器检测到存储的电量数据快要被用完时，就会发出提示信息，当电量递减到零时就会发出停电信号，给用户停电。预付费系统也经历好几个时代的发展，有采用红外接口作为数据传输模式的；也有采用电卡传输数据的，而电卡又有非接触式射频卡 RFID 卡，也有接触式 IC卡。电子式预付费电能表作为新一代电能表, 其读卡、通断控制、通断开关等单元中关键部件的使用寿命、抗干扰能力、过负荷能力及长期运行能力等指标还有集抄系统应用研究-2-待于时间考验。目前只适用于特殊对象, 如临时用电、电费回收困难的工商企业, 可有针对性地装用安全且质量过关的预付费电能表, 并做到按月抄表到位。预付费系统由于先交费后用电，彻底解决了收
7、电费难的问题，为电力部门带来了便利，是一种新颖的营销模式。但是，正是这种先交费后用电的模式在法律上并没有得到保证和许可，往往存在很多争议。技术上，预付费采集的信息量有限，而且只有在买电和充电的时候进行少量的数据交换，无法做到数据的大量采集，更无法做到实时采集，要做到信息化管理就无从谈起。（3）集中抄表模式。集抄系统，也称自动抄表系统，是指利用现代电子技术、信息技术等实现电表、水表、气表等表计仪器的自动化集中抄送和处理的系统。集抄系统不但是技术的进步、生产力的提高的表现，也是实现信息化发展和管理的一种营销模式，具有重要意义。随着科学技术特别是电子技术的发展数字化社会建设的进行，抄表也同样发生了革
8、命性的进步，出现了载波电表集抄系统、短消息集抄系统和无线网络集抄系统等功能强大而成本较低的信息化抄表系统。1.2 集中抄表的基本方式和意义如图 1.1 所示，集中抄表的基本方式为：每个电表或者每个电表箱安装一个采集器，通过一定的数据接口和通信协议，从电表上采集电能量等数据，一个区域内（比如一个小区或者一个台区）所有的采集器采集到的数据集中到集中器，然后通过一定的网络将数据传送到后台管理机。系统的组成部件有：电能表，采集器，集中器，网络和后台管理系统。集中抄表是目前电力营销现代化的手段之一，集抄系统可以利用现有的功能强大的电力线路网络或者中国移动中国联通和中国电信等无线网络以及 Internet
9、互联网进行数据采集和实时监测，安装方便，维护简单，建设成本低，建设周期短。集抄系统实现了抄表的自动化的同时也向信息化迈进了一大步。网 络采 集 器数 据 接 口和 通 信 协 议 后 台 管 理 机电 表 采 集 器数 据 接 口和 通 信 协 议电 表 集 中 器图 1.1 集抄系统基本结构图集抄系统应用研究-3-1.3 集抄系统国内外现状集抄系统的研究领域主要集中在采集和传输两个方面。目前，电力系统自动抄表方式主要有：485 总线、无线、红外、普通电力载波、扩频电力载波等。其中，使用电力线本身作为传输介质的方式由于不用重复线路投资，不产生新的使用费等特点，成为研究的重点。1.3.1 国外研
10、究现状20 世纪 30 年代，国外就进行了载波通信技术的研究。我国则起步于 60 年代，80 年代我国已经可以自主生产高压载波机。但低压载波信道由于技术难题而滞后，近年随着电子技术与通信技术发展，科研工作取得重大突破低压电力线载波技术也逐步成熟。因此，在国外，远程电力抄表系统的研究比国内要早十几年，应用也很广泛，目前已经在向利用电力线载波通信实现家庭自动化的方向上发展了。1.3.2 国内研究现状相对于发达国家，在国内，远程电力抄表系统的研究相对落后一些，集抄系统应用也较少，目前处于理论转化为实际应用的时期。集抄系统的应用效果也不是很好，有的地方甚至退回到人工抄表的方式。目前主要存在着一下问题：
11、（1）电能表具有先天不足。目前使用的电表有很大一部分是传统的机械式电表，还有很多的脉冲式电表。这些电表的数据格式复杂，需要转换为数字数据，采集和转换过程中容易出错。（2）电能数据传输中容易受干扰。由于电力线上接有很多大功率的用电器，启动和停止都会对电力线产生波形影响，从而对载波数据也有一定的影响。（3）管理模式有待进一步完善。一项好技术要有很好的管理模式与之密切配合才能收到相应的效益。1.4 本论文主要工作本论文的主要工作有：（1）总结抄表的各种方式及其它们的优缺点；（2）讨论集抄系统的国内外发展现状；（3）研究电能表的电能采集方式和数据接口；（4）重点研究和讨论电力线载波集抄系统、Zigbe
12、e 集抄系统、短消息集抄集抄系统应用研究-4-系统和 GPRS/CDMA DTU 集抄系统的结构原理和组网方式，比较总结它们的优缺点；（5）概述集抄系统的发展和前景。集抄系统应用研究-5-2 电能表数据格式及其采集器集抄系统中，电能表作为电能计量元件，是最重要的组成部分。应该说，集抄系统的快速发展的基础是数字化电表。2.1 电能表的格式目前来说，电表的形式大概可以分为几种：（1）传统机械式电表。这种电表已很少在新安装项目中使用，但是仍然有一部分已在用。机械式电表是通过电场产生磁场，对转盘产生一个力矩而计量电能的，它是通过机械转轮来计量电量。这种电表计数直观，但是数据是视觉上的而非电子式，与其它
13、电子仪器无法直接接口。（2）脉冲式电表。这种电表分为电能测量部件和脉冲部件。电能测量部件是感应式的，测量到的电量的数据和机械式类同，数据接口则是采用脉冲的方式输出。当电表有电流流过，相应的元件转动，触发脉冲输出。对脉冲进行计数即可采集到电量等数据。（3）红外接口的电能表。这种电表是电子式电表，测量到的数据保存到非易失性存储器中，通过红外调制信号输出。用手持仪器或者其它对应的红外数传仪器可以与这种电表进行通信，读取数据并可以设置参数。（4）485 通信接口电子式电表。这是种新型的工业级的电表，电压和电流通过表内的互感器降压，小信号经过处理后送到模数转换部分，经过采样保持和模数转换，把模拟量转换为
14、数字量，再经过表内的微型处理器计算和处理，算出有功无功等电量数据，并保存到非易失性存储器中。这种表功能强大，数据量丰富，可以实现复费率，可记录波峰波谷。数据接口采用工业级的 485 接口，稳定可靠，通信数据量大而方便，通用性高。2.2 电表数据采集器针对以上几种电表以及他们不同的数据接口，采集器的方式也不尽相同。（1）对于机械式电表，由于没有电子式数据，需要把视觉上的数据转换为电子系统能够识别和存储的数字式数据。这种转换的方式主要有三种，光感元件、霍尔元件和干簧管。机械式电表上有一个转盘，有电量流过则会转动，而转盘的集抄系统应用研究-6-转速是和功率成正比的。比如有的电表标示 1600R/kW
15、h，表示每走一度电电表要转 1600 转。电表的转盘上有一个黑点，每次转动都会经过电表表面。因此，要采集机械式电表数据量，可以使用光感元件。在电表转盘表面处安装一个传感器，传感器的一侧发射一定频率的光线，一般为不可见的红外线，另一侧则为接收部分。由于转盘是易于反光的铝盘，对光线有反射，而黑点处则不会反光，因此可以根据这个特点自动计量电表转盘的转数。也有的是在电表转盘上安装一个小型的磁性元件，在表外安装一个霍尔元件或者干簧管，当磁性元件经过霍尔元件或者干簧管时触发一次，这样就可以记下电表的转数。这种采集器虽然技术比较成熟，但是转盘的黑点和反光部分比较难以区别，很容易造成计数错误而读错数据。并且要
16、有专门的处理器或者计数器对转数进行计量，系统消耗较大。对于不同厂家的电表，其电量常数不一样，即每用一度电，转盘的转数是不一样的。这就要求针对不同的电表也要有不同的专门采集器来采集数据。（2）脉冲式电表，其接口输出的是一种脉冲。脉冲数据类似于机械式电表的转盘。例如电表上标示着 6000imp/kWh，表示接口每输出 6000 个脉冲就走了一度电。由于脉冲接口的电压不是普通的 5V 级别的电子系统电压，而且为了减少各个仪器之间的干扰，需要有一个光电耦合隔离。采集器中需要安装一个光点耦合隔离器，防止电磁干扰。同样，这种采集器也需要专门的计数器或者微处理器进行计量脉冲数，要求附加器件多。同样，脉冲式电
17、表的电量常数也不同，也需要针对不同厂家的电表而对采集器做相应的调整。（3）红外接口的电表，多用于手持抄表器，在远程自动集抄系统中应用不多。（4）485 接口的电表是全电子式的电表，数据通用性强。485 电表已经形成了成熟的电子式电能表通信规约，应用范围广。对 485 电表进行数据采集很简单，只要增加一个 485 接口即可，而采集器和电表之间的数据接线也只有两根低压线。由于 485 是差分信号，往往采用双绞线。2.3 DL/T645 电能表通信规约485 通信的电气连接较简单，采用 485 转换芯片与单片机的串行口连接，用一个 I/O 口选择接收或发送即可。新型的电子式电表应用越来越多，国家也发
18、布了相应的通信规约，这就是 DL/T645 电能表通信规约。电能表通信部颁规约有1997 版和 2007 版。目前大部分用 1997 版，而新产品启用 2007 版。鉴于该通信规约的重要性，做详细讨论。DL/T645 规约的字节格式为：每字节含 8 位二进制码，传输时加上一个起始位（0） 、一个偶校验位和一个停止位(1)共 11 位。D0 是字节的最低有效位，D7集抄系统应用研究-7-是字节的最高有效位。先传低位，后传高位。初始速率采用 1200bpd。如图 2.1所示。读取电表数据还有固定的帧格式，以 68H 开头，68H=01101000B。比如，读取电表点总电量的指令为：68 DF 01
19、 23 45 5D DF 68 01 02 43 C3 5D 16HDF 01 23 45 5D DF 为电能表地址。在新出的部颁规约 DL/T645-2007 中，初始通信速率采用 2400 bpd，数据标识由 1997 版的 2 个字节变为 4 个字节。以上的读表指令在 2007 版规约中则应该为：68 DF 01 23 45 5D DF 68 01 04 33 33 33 33 26 16HDF 01 23 45 5D DF 为电能表地址。DL/T645 电能表通信规约的颁布和实施，必将大大促进 485 接口的电子式电能表的长足发展和各种电表数据的统一，方便数据采集和处理，也为集抄系统的
20、大力推广做好了铺垫。说 明 代码帧起始符 68H地址域A0A1A2A3A4A5帧起始符 68H控制码 C数据长度域 L数据域 DATA校验码 CS结束符 16H0D2D413 PD765D0 18位 数 据 停止位起 始 位 偶 校验 位图 2.1 电表通信字节格式和帧格式power meterpower meter集抄系统应用研究-8-3 集抄系统组网方式集抄系统中，最重要的数据采集和数据传输。同时，为了实现信息化管理，要求数据是双向传输的，数据采集的同时具备远程控制和监控作用。目前，集抄系统的组网方式多样，主要有：电力线载波、GSM 网络短消息、Zigbee 等短程无线网络、GPRS/CD
21、MA 等公共无线网络等。3.1 电力线载波集抄系统电力线载波（Power Line Carrier，PLC）通信是利用电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。电力线载波通信是电力系统特有的通信方式，它是利用现有电力线，通过载波方式高速传输模拟或数字信号的技术，由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输介质，因此具有信息传输稳定可靠、路由合理特点，是唯一不需要线路投资的有线通信方式。电力线通信是先将数据调制成载波信号或扩频信号，然后通过耦合器耦合到220V 或其他交/直流电力线甚至是没有电力的双绞线上。电力线载波通信不仅提供了实用的新兴通信手段，而且具有现有物理链路、易维护、易推广、易使用、低成本等优点，显示出了良好的前景和巨大的市场潜力。 3.1.1 系统结构如图 3.1 所示，电力线载波集抄系统主要组成部分有：电能表、采集终端和后台管理系统。采集终端具备与电表的通信功能和载波调制解调功能。采集器将从电表采集到的数据经过编码，调制后加载到电力线上，数据信号通过调制的高频信号沿电力线传输，像广播一样发送数据。集中器是一个台区的总站，收集整图 3.1 电力线载波集抄系统基本结构图电 表 采 集 器数 据 接 口和 通 信 协 议 后 台 管 理 机电 力 线 电 力 线 载 波 集 中 器 网 络 或中 转 器
