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基于智能网络的自动抄表系统
2006/06/19 来自： 我要仪器网
引言
电力线载波（Power Line Carrier---PLC）自动抄表系统的应用大大提高了供电部门抄表工作效率，减轻了工作人员的抄表工作强度。但随着日益普及的网络时代的来临，网络化管理将使抄表技术具备更高的效率和生产力。本文以一基于智能网络的自动抄表系统的方案设计为例，试分析了自动抄表系统在智能网络中的应用。
1. 通信网和智能网络
所谓通信网, 是指由各种通信节点（端节点、交换节点、 转接点）及连接各节点的传输链路互 相依存的有机结合体, 以实现两点及多个规定点间的通信体系。由通信网的定义可看出, 从物理结构或从硬件设施方面去看, 它由终端设备、交换设备及传输链路三大要素组成。这里的终端设备主要包括电话机、 PC机、 移动终端等设备。交换节点包括程控交换机、 分组交换机、 ATM交换机、移动交换机、 路由器设备等等。传输链路即为各种传输信道, 如电缆信道、光缆信道、 微波、卫星信道及其他无线传输信道等。
智能网是在现有电话网的基础上发展起来的，能方便、灵活地向用户提供和处理各种智能化通信新业务的一个网络体系。
智能网是建立在通信网之上的一种体系结构化的概念, 它可以为各种通信网提供增值业务, 是叠加在各种通信网基础上的一种网络。所以，智能网是以计算机和数据库为核心的，它的主要组成部分有：业务交换点（SSP）——它是用户进入智能网的接入点，它是一个交换机，用来识别用户对智能网的呼叫，把用户的请求传送给业务控制点。业务控制点（SCP）——是智能网的中心，通常是由大、中型计算机和大型数据库组成，完成各种智能业务的实现。它接受SSP送来的信息，向数据库查询并向SSP发出处理的信令。
图1智能网与现有通信网的关系
略（详见《电工仪表与公用表计行业信息》第5期）
2. 基于智能网的自动抄表系统的设计
2.1 基于智能网的自动抄表系统网络架构
基于智能网的自动抄表系统，是对建立在电力线载波（PLC）通讯网络、公共交换电话网络（PSTN）、计算机网络（Intranet/Internet）三大网络，利用多种通讯方式，将分散在用户现场各电能表数据科学采集、上传、处理、最终送到管理层，满足了抄表计费、管理决策、工程分析的需求。我们可以将这一网络架构分为三层。分别为用户层、中间层和管理层。
l 用户层。用户层即分散在各小区的用户电能表。电能表除了进行尖、峰、平、谷等电量的精确计量外，还要将计量数据采集并保存。通过PLC网络将该数据进行直接传输或通过其它电能表中继传输至数据集中采集设备（简称集中器）。集中器将接收的数据进行处理和保存。
l 中间层。集中器采集的电能表数据要及时、主动地向上一层抄表前置计算机（简称抄表前置机）上传。并响应抄表前置机的抄表指令，将抄表数据进行冻结或更新。这一通讯方式常常是基于PSTN、ISDN、GPRS等。考虑到抄表的经济性和可靠性，常常采用较成熟的PSTN或ISDN网络。
l 管理层。当抄表前置机采集到电表现场的数据后，要将该数据再送到数据分析工作站，对数据进行分析、过滤，以保证数据的准确性。然后再将经分析后的数据送到结算中心，进行电量、电费的结算或送至相应的管理部门做为分析、决策的依据（如线电损分析等）。甚至还要通过Internet或95598电话网(电力部门电话查询专号)将用户数据进行发布，以实现与用户的互动。这一过程通过计算机网络实现了数据的进一步交换，我们称为数据的管理层。
2.2 常见的抄表网络比较
2.2.1 总线式网
图2： 总线方式自动抄表方式（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第5期）
总线方式自动抄表系统如图2所示，即在集中器与电能表之间增加了RS485通讯方式进行连接。集中器可以实时地抄收所管辖的电能表数据。这种总线式自动抄表系统具有数据采集一次读成功率高，可靠性好的优点，但需穿墙打孔，布线麻烦，给工程安装和系统维护造成很大困难。
2.2.2 无线信道网络
图3略（详见《电工仪表与公用表计行业信息》第5期）
无线信道自动抄表系统如图3所示，即在集中器和电能表内部装有无线数传模块，集中器通过无线方式将电能表的数据抄收并保存。它的不足之处是无线数传的有效距离只能达到500-800m左右，对于电能表安装分散的小区不宜使用。
2.2.3 有线电视宽带网
基于有线电视宽带网的自动抄表系统一般由RS485/RF转换器先以RS485方式将同一楼道单元内的电能表数据集中起来，再转调制为有线电视射频信号并送到有线电视网。在每个有线台前端由一个有线调制解调器将电能表数据解调出来，再通过计算机网络传到供电部门数据管理中心。这种自动抄表系统的优点是传输速率高、一次抄读成功率高、传输可靠，但对有线电视网必须是双向通信的要求，这与目前实际的情况尚有差距，目前在一些城市或小区还不完全具备此条件。
常见通讯方式 |
通信信道 |
传输距离 |
通讯效果（一次抄收成功率） |
安装成本 |
总线 |
RS485 |
1000M |
100% |
较高 |
无线 |
RF |
500-800M |
约90% |
较高 |
有线电视 |
有线电视网 |
>1000M |
100% |
低 |
电力线载波 |
电力线 |
1000M |
95% |
低 | 表1：常见的抄表方式比较
2.3 基于PLC网络的载波电能表和数据集中器设计
PLC自动抄表系统是通过220V电力线进行数据传输。每一个载波电能表内除有进行精确地电能计量电路外，还需有载波耦合电路。它的功能是将电能数据调制到电力线上。常见的调制方式有FSK、ASK和PSK。而处于同一线路上的数据集中器则进行载波信号的解调，接收到数据后将数据保存到存储器中。这样，以载波电能表为通讯的端节点和转接点，以集中器做为通讯的交换节点，以220V电力线做为通讯的传输链路，就形成了PLC通讯网络。当载波电能表及集中器挂网之时，就是PLC通讯网络建成之际。
图4：PLC网络拓扑图（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第5期）
2.3.1 载波电能表的设计
由于电力线存在大噪音、高衰减的特点，这就限制了通讯传输的距离。这就要求处于PLC网络的通讯节点—电能表除了具备将信号进行中继功能外，还需具备一定的噪音阻隔能力。如图5所示，除有电能计量、电源处理、显示、通讯等设计外，在载波收发电路与电力线之间还有一噪音阻隔电路，它可以对不同于载波通信频率的信号进行阻隔。
图5：载波电能表原理图（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第5期）
2.3.2 集中器的设计
集中器的设计原理框架图如图6所示。采用PC104工控机作为数据的抄收、处理的核心单元。其优点是扩展性强，维护性高。抄表程序可以用高级语言编写，对抄收的数据采用关系数据库管理。其闪盘容量为2M（可扩展），后备电池供电，多种通讯端口。这样确保的数据处理的高可靠性、安全性。
图6：集中器原理框架简图（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第5期）
抄表前置机通过PSTN网络与集中器的MODEM相连，采用AT指令实现数据的交换。集中器载波收发电路中， MCU集成了专用的载波调制解调芯片，内置看门狗电路设计，保证的载波抄表在异常情况下不死机。另外PC104的多串口特点保证了集中器具备了抄表手持设置（HUU）通讯、红外通讯、以及RS485等通讯功能。既满足了远程通讯的需要，又实现了本地通讯的功能。
集中器硬件高扩展性决定的软件设计的便捷性。在PC104的硬件环境下，采选择UNIX或DOS等操作系统。编程语言可选用C语言，直接访问DBF文件进行数据存储。程序运行时，先初始化通讯串口、检测DBF。然后开始检查是否有事先设定的抄表任务，如有要进行进行抄表，如果没有则处理待命状态，随时响应上位机的指令。
相应的C程序举例：
if(receive_ready(0)) //检测串口1数据
{
if (Com_Receive_Data(0)==1) //检测到上位机指令
{
MyCommand=Receive_Up_Command(); //识别该指令
if (MyCommand==0) ReadOne(); //读指定表
if (MyCommand==1) ReadAll(1); //读现在冻结数据
if (MyCommand==2) ReadAll(2); //读上月冻结数据
if (MyCommand==3) ReadAll(3); //读上上月冻结数据
if (MyCommand==4) WriteDown(); //地址加载
if (MyCommand==5) ReadRTUPara(MyCommand); //读集中器参数
if (MyCommand==6) WritePara(MyCommand); //写集中器参数
if (MyCommand==7) WriteMeter(); //写电表参数
if (MyCommand==8) ReadFreeze(1,1); //执行自动抄表
}
}
具备了上述功能设计后，系统提高了一次抄表成功率，相应地延长了有效通信距离。实验和应用表明，一次抄表成功率能达到95%以上，有效通讯距离达到800m.（一次抄表成功率=一次抄表成功次数/应抄表的总次数*100%）
2.3.3 抄表前置机设计
公共交换电话网络（PSTN）是一种全球语音通信电路交换网络，包括商业的和政府拥有的。它也指简单老式电话业务（POTS）。它是自Alexander Graham Bell发明电话以来所有的电路交换式电话网络的集合。它具有可靠性高、成本低廉的特点。其最高速率为56kbps，实际速率为20－50kbps，其速率完全满足集中器与抄表前置机之间数据包交换要求。接入方便，通信双方加上MODEM（调制解调器）就可以通信。
图7：基于PSTN的抄表前置机与集中器通讯图（略）
在抄表前置机与集中器之间是通过PSTN网络进行连接，抄表主机可以通过MODEM拨叫远方的集中器，集中器收到拨号信号后，自动应答，通信双方握手，进行数据通信。为了能实时地采集现场数据，并将故障情况及时上报到抄表前置机，这就要求集中器具备主动拨号功能，当现场多个集中器在同一时间拨叫同一抄表前置机时，就会出现占线情况。为解决这个问题，抄表前置机须与MODEM POOL相连，可以满足同时多个集中器的通信要求。
2.4 基于Intranet/Internet技术的系统软件设计
2.4.1网络架构设计
系统采用C/S加B/S式网络架构，由数据服务器、抄表前置机、数据管理工作站和营业收费工作站组成。服务器进行数据库的统一管理，既实现了系统的高效运行，又保证了数据的安全性和完整性。抄表前置机又称通讯工作站，是进行全天候、无人值守地与集中器及管理表计进行通讯，并完成抄收数据的科学管理。数据管理机又称管理终端，是由系统管理人员进行数据管理部分，有数据维护、系统设置、权限分配、电量结算、数据分析等功能。收费收费机是面向用电用户，进行日常电费收缴、用户查询、报表打印等营业工作。抄表前置机的通讯部分采用Visual C++ 工具开发，具有通讯的可靠性和高效性。管理终端采用Borland公司的Delphi工具开发，具有良好的用户界面和较低的开发与维护成本。营业收费工作站用ASP开发，通过IE或NetScape浏览器方便了用户的查询和交费。
图8（略）
2.4.2系统软件安全可靠性设计
其实现由四个方面构成：第一、采用MS SQL SERVER、DB2等中大型网络数据库。其安全性高，允许多用户同时使用同一数据库而不会破坏完整性，用它来做抄表系统的数据引擎可以保证数据的安全。第二、系统对用户实现分级授权管理功能，通过检查使用者的名字和授权密码，赋予使用者相应的操作权。第三、完善的数据备份功能和系统日志功能。第四、完善的系统自检、故障告警功能。
2.4.3 系统软件的功能设计
l 抄表管理功能。系统兼容了标准MODEM 协议、TCP/IP协议，可以实现多种通讯方式。所以，集中器的通讯方式可以灵活地选择。可采用GPRS/GSM、CDMA、电话线、Ethenet等。系统可以在设定的时段自动进行抄收实时数据、冻结数据、结算数据，并将数据完整地保存。
远程设置功能。系统不仅可以远程设置集中器的所有参数，而且可以在相应的权限许可下通过集中器直接设置表计的时段、表址、费率以及时钟校时等。
l 数据分析功能。一个完备的系统不但要快迅地抄收到表计的数据，而且要对保证抄收数据的完整性、准确性。这就要求系统有完备的数据分析功能。系统的分析功能有：电量数据计算、电量数据分析、线损量分析、电费拟结算、电费结算。最终将准确的数据传到用电MIS或营业计算系统等。
l 扩展功能。为保证用户能及时地缴费，系统有电费查询功能。如催费查询系统，当用户的剩余电量或电费不足时（对于预付费用户），系统会自动通过电话或短信通知用户。
l 强大的兼容功能。系统可独立高效地运行，亦可根据供电公司的实际管理需要，与用电MIS进行兼容或资源共享。系统数据库有标准的数据接口，可以实现数据的无缝对接;系统软件也预留了通用接口，用电MIS可以通过调用组件（动态链接库、控件）等方式实现。
3.结论
利用既有PLC、PSTN、Internet网络自动抄表系统方案，采用成熟的通信技术，可靠的通信信道，将分散于现场的电能表数据，进行了集中抄收，层层上报，最终以近100%的准确率送到供用电管理层。大大增强了管理部门的抄收效率，提高了与用户切实的信息互动，适用于对一个区域电能表数据的集中管理，其高效、灵活及可扩展性又为水、电、气多表合一提供了可靠的平台。所以，该模式具有良好的应用前景和现实推广价值。
参考文献
1. 游红俊 等 网络环境下信息系统集成技术研究 ，计算机工程与应用，2002（38）
2. 杨育红 网络控制技术及应用 西安电子科技大学出版社 ，1999
3. DL/T698 低压电压电力用户集中抄表系统技术条件
4. 南京宇能PLC网络管理系统软件设计手册，南京宇能仪表有限公司,2005
5. 岑贤道，安常青 网络管理协议及其应用开发 清华大学出版社，1998
作者简介：
卢鸿滨（1978-），男，南京宇能仪表有限公司，从事PLC网络管理系统的研究与开发工作。
(罗春) |
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