電力用戶用電信息采集終端

1、36935-5A 主編第5章電力用戶用電信息采集終端5.1智能電能表5.2專變及公變采集終端5.3集中抄表采集終端5.4專變采集終端設(shè)計5.1智能電能表5.1.1智能電能表的功能5.1.2安全認證5.1智能電能表圖5-1智能電能表a)實物圖b)原理框圖5.1.1智能電能表的功能1.數(shù)據(jù)存儲2.凍結(jié)3.通信4.費控1.數(shù)據(jù)存儲1) 智能電能表至少應(yīng)能存儲上12個結(jié)算日的單向或雙向總電能量和各費率電能量累計值；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存分界時刻為月末的24時，即下個月1日零時，或在每月的1日至28日內(nèi)任意一日的任意整點時刻。2) 智能電能表至少應(yīng)能存儲上12個結(jié)算日的單向或雙向最大需量、各費率最大需量及其出現(xiàn)的日期

2、和時間數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存分界時刻為月末的24時，即下個月1日零時，或在每月的1日至28日內(nèi)的整點時刻。3) 在電能表電源斷電的情況下，所有與結(jié)算有關(guān)的數(shù)據(jù)應(yīng)至少保存10年，其他數(shù)據(jù)至少保存3年。2.凍結(jié)1) 定時凍結(jié)：按照約定的時刻及時間間隔凍結(jié)電能量數(shù)據(jù)；每個凍結(jié)量至少應(yīng)保存12次。2) 瞬時凍結(jié)：主站認為需要凍結(jié)當(dāng)前數(shù)據(jù)時下發(fā)瞬時凍結(jié)命令，凍結(jié)當(dāng)前的日歷、時間、所有電能量和重要測量量的數(shù)據(jù)；瞬時凍結(jié)量應(yīng)保存最后3次的數(shù)據(jù)。3) 日凍結(jié)：凍結(jié)并存儲每日00時00分的電能量，應(yīng)可存儲2個月的數(shù)據(jù)量。4) 約定凍結(jié)：在新老兩套費率/時段轉(zhuǎn)換、階梯電價轉(zhuǎn)換或電力公司認為有特殊需要時，凍結(jié)轉(zhuǎn)換時刻的電能

3、量以及其他重要數(shù)據(jù)。5) 整點凍結(jié)：存儲整點時刻或半點時刻的有功總電能，考慮節(jié)假日、集抄系統(tǒng)故障處理速度等因素，應(yīng)可存儲254個數(shù)據(jù)。3.通信(1) RS-485通信(2) 紅外通信(3) 載波通信(4) 公網(wǎng)通信(1) RS-485通信1) RS-485接口與電能表內(nèi)部電路實行電氣隔離，并具有失效保護電路。2) RS-485接口的通信速率可設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)速率為1200bit/s、2400bit/s、4800bit/s、9600bit/s，默認值為2400bit/s。(2) 紅外通信1) 應(yīng)具備調(diào)制型或接觸式紅外接口，默認配置調(diào)制型紅外接口。2) 調(diào)制型紅外接口的默認通信速率為1200bit/s。

4、(3) 載波通信1) 電能表可配置窄帶或?qū)拵лd波通信模塊。2) 在載波通信時，電能表的計量性能、存儲的計量數(shù)據(jù)和參數(shù)不受影響和改變。3) 采用外置即插即用型載波通信模塊的電能表，其載波通信接口應(yīng)有失效保護電路，即在未接入、接入或更換通信模塊時，不會對電能表自身的性能、運行參數(shù)以及正常計量造成影響。(4) 公網(wǎng)通信1) 電能表的無線通信接口模塊應(yīng)采用模塊化設(shè)計。2) 可主動向主站上報發(fā)生的重要事件。3) 具有能將主站命令轉(zhuǎn)發(fā)給所連接的其他智能裝置，以及將其他智能裝置的返回信息傳送給主站的功能。4) 無線GPRS/CDMA等通信模塊支持TCP與UDP兩種通信方式，通信方式由主站設(shè)置，默認為TCP方

5、式。5) 公網(wǎng)通信底層協(xié)議應(yīng)符合DL/T 6452007及其備案文件的要求。4.費控1) 費控功能的實現(xiàn)分為本地和遠程兩種方式：本地方式通過CPU卡、射頻卡等固態(tài)介質(zhì)實現(xiàn)；遠程方式通過公網(wǎng)、載波等虛擬介質(zhì)和遠程售電系統(tǒng)實現(xiàn)。2) 遠程費控電能表是主站/售電系統(tǒng)借助虛擬介質(zhì)進行充值及參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)費控功能的。3) 當(dāng)剩余金額小于或等于設(shè)定的報警金額時，電能表以聲、光或其他方式提醒用戶；透支金額可實時記錄，當(dāng)透支金額高于設(shè)定的透支門限金額時，電能表發(fā)出斷電信號，控制負荷開關(guān)中斷供電；當(dāng)電能表接收到有效的續(xù)交電費信息后，首先扣除透支金額，當(dāng)剩余金額大于設(shè)定值時，方可通過遠程或本地方式使電能表處于允許合

6、閘狀態(tài)，由人工本地恢復(fù)供電。5.1.2安全認證1.ESAM模塊2.智能電能表信息交換安全認證1.ESAM模塊對電能表進行參數(shù)設(shè)置、預(yù)存電費、信息返寫和下發(fā)遠程控制命令操作時，需通過嚴(yán)格的密碼驗證或ESAM(Embed Safe Application Module)模塊等安全認證，以確保數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。ESAM模塊嵌在設(shè)備內(nèi)，實現(xiàn)安全存儲、數(shù)據(jù)加/解密、雙向身份認證、存取權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)劝踩刂乒δ堋?.智能電能表信息交換安全認證圖5-2本地費控電能表信息交換過程2.智能電能表信息交換安全認證圖5-3遠程費控電能表信息交換過程5.2專變及公變采集終端5.2.1專變及公變采集終端簡述5

7、.2.2專變及公變采集終端的功能5.2.3專變及公變采集終端的通信協(xié)議5.2.1專變及公變采集終端簡述圖5-4公變采集終端a)實物圖b)組成框圖5.2.2專變及公變采集終端的功能5.2.2專變及公變采集終端的功能5.2.2專變及公變采集終端的功能表5-1專變采集終端的功能配置5.2.3專變及公變采集終端的通信協(xié)議專變及公變采集終端與主站的通信協(xié)議應(yīng)符合Q/GDW 1302005的要求。專變及公變采集終端與電能表的通信協(xié)議應(yīng)支持DL/T 6451996。5.3集中抄表采集終端5.3.1集中抄表終端簡述5.3.2集中抄表終端的功能5.3.3集中抄表終端的通信協(xié)議5.3.1集中抄表終端簡述1.集中器

8、2.采集器3.手持抄表器1.集中器圖5-5集中器a)實物圖b)通信接口配置框圖2.采集器圖5-6采集器a)實物圖b)通信接口配置框圖3.手持抄表器手持抄表器的主要功能如下：1) 設(shè)置功能。通過本地通信信道對集中器或采集器進行參數(shù)設(shè)置。2) 抄收功能。通過本地通信信道抄收集中器、采集器或電能表的電能數(shù)據(jù)。3) 導(dǎo)入功能。通過有線RS-232接口將現(xiàn)場設(shè)置的參數(shù)和抄收的用戶電能數(shù)據(jù)導(dǎo)入主站數(shù)據(jù)庫。3.手持抄表器圖5-7手持抄表器5.3.2集中抄表終端的功能5.3.2集中抄表終端的功能表5-2集中抄表終端的功能配置5.3.2集中抄表終端的功能表5-2集中抄表終端的功能配置5.3.3集中抄表終端的通信

9、協(xié)議集中器與主站的通信協(xié)議應(yīng)符合Q/GDW 376.12009的要求。集中器與本地通信模塊的通信協(xié)議應(yīng)支持Q/GDW 376.22009。電能表的載波模塊與電能表的通信協(xié)議應(yīng)符合DL/T 6452007及其備案文件的要求。5.4專變采集終端設(shè)計5.4.1概述5.4.2終端硬件設(shè)計5.4.3終端軟件設(shè)計5.4.1概述基于GPRS的專變采集終端(下稱終端)的主要功能是對專用配電變壓器(下稱專變)進行抄表和監(jiān)測，并與主站監(jiān)測計算機依照Q/GDW 1302005電力負荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約(下稱負控規(guī)約)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與主站進行數(shù)據(jù)交換。專變使用的三相三/四線制電子式多功能電能表具備RS-485通

10、信接口，數(shù)據(jù)傳輸遵循DL/T 6451996規(guī)約(下稱645規(guī)約)。終端基于645規(guī)約抄讀電能量、需量、需量發(fā)生時間、參數(shù)、實時數(shù)據(jù)等，并根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)監(jiān)測電能表及配變運行狀況。5.4.2終端硬件設(shè)計1.系統(tǒng)部分2.接口部分5.4.2終端硬件設(shè)計圖5-8終端硬件結(jié)構(gòu)框圖1.系統(tǒng)部分(1) CPU(2) 存儲器(1) CPU選用PHILIPHS公司的LPC2220作為主CPU。該CPU基于ARM7TDMI 32位內(nèi)核；采用三級流水線以提高指令吞吐量；具備開放式結(jié)構(gòu)總線，能與8位/16位/32位存儲器接口，最大尋址空間為4GB；同時集成有通用輸入/輸出GPIO(General Purpose I

11、/O)、UART、PWM、I2C、SPI、定時器、A/D轉(zhuǎn)換等外設(shè)。終端主要的工作是通過RS-485接口抄讀電能表、通過GPRS模塊連接網(wǎng)絡(luò)、通過單總線網(wǎng)絡(luò)采集溫度傳感器，這些功能均依賴CPU的UART功能；終端的紅外通信接口利用PWM模塊實現(xiàn)；RTC芯片通過I2C總線連接；狀態(tài)量監(jiān)測以隔離電路配合GPIO實現(xiàn)?？傊?，LPC2220在滿足終端功能要求的同時其資源也得到了充分利用，并且由于其最高運行速度達到60MHz，性能裕量適中。(2) 存儲器終端存儲器硬件包括3部分：外擴RAM、外擴NOR FLASH程序存儲器和外擴NAND FLASH數(shù)據(jù)存儲器。LPC2220內(nèi)部集成了一定數(shù)量的RAM、F

12、LASH，使用內(nèi)部存儲器的好處是訪問速度相對較快，成本低廉；但其容量受限制，不同型號芯片的內(nèi)部存儲器容量不同(甚至地址空間也不同)，使得軟件設(shè)計需要更多地考慮可移植性問題，因此設(shè)計中不使用片內(nèi)存儲器。終端外擴256KB SRAM芯片IS61LV25616AL，作為程序的運行空間。采用高性能靜態(tài)存儲器，一來減少CPU總線延遲，提高性能；二來靜態(tài)存儲器相對于動態(tài)存儲器DRAM功耗低很多。終端外擴1MB NOR FLASH SST39VF800A，作為程序存儲器；外擴32MB NAND FLASH K9F5608，用于存儲應(yīng)用中需要保存的大量用戶數(shù)據(jù)。2.接口部分(1) GPRS模塊接口電路(2)

13、RS-485接口電路2.接口部分圖5-9GPRS模塊與CPU接口電路(1) GPRS模塊接口電路使用中興公司的ME3000 GPRS通信模塊，該模塊通過TTL電平的UART與CPU接口，電路如圖5-9所示。UIMRST、UIMDAT、UIMCLK、UIMVDD是模塊與SIM卡的接口線；RESET是模塊復(fù)位引腳，由CPU的MTMS引腳通過晶體管放大驅(qū)動，實現(xiàn)對GPRS模塊復(fù)位；/RTS、/DTR分別是模塊的UART控制信號，因為設(shè)計中使用兩線模式(TXD、RXD)與CPU通信，故將它們均直接拉低；ON/OFF是模塊上/下電控制引腳，由CPU的MP引腳通過晶體管放大驅(qū)動，需要在該引腳施加一定寬度的

14、高/低電平信號控制GPRS的上/下電。(2) RS-485接口電路圖5-10RS-485接口電路5.4.3終端軟件設(shè)計1.C/OS-II及其在LPC2220系統(tǒng)上的移植2.應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)3.通信軟件4.負控規(guī)約解析1.C/OS-II及其在LPC2220系統(tǒng)上的移植圖5-11移植框架示意圖2.應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)(1) 數(shù)據(jù)(2) 任務(wù)2.應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖5-12應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)(1) 數(shù)據(jù)1) 收發(fā)緩沖區(qū)。2) 臨時數(shù)據(jù)暫存區(qū)。3) 用戶參數(shù)區(qū)。4) 標(biāo)志位系統(tǒng)。1) 收發(fā)緩沖區(qū)。GPRS、調(diào)試口、紅外口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)統(tǒng)稱為收發(fā)緩沖區(qū)，一般為先進先出(First In First Out，F(xiàn)IFO)結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形

15、隊列實現(xiàn)，開辟在系統(tǒng)RAM中，通信調(diào)度任務(wù)負責(zé)操作這些緩沖區(qū)。每個緩沖區(qū)均由收、發(fā)兩個子緩沖區(qū)組成。2) 臨時數(shù)據(jù)暫存區(qū)。它也被開辟在系統(tǒng)RAM中，存儲一些臨時數(shù)據(jù)或中間變量，如電能表抄讀數(shù)據(jù)、溫度采集數(shù)據(jù)、當(dāng)前累計值等，這些數(shù)據(jù)會根據(jù)用戶設(shè)置進行凍結(jié)，凍結(jié)過程由負控規(guī)約解析2任務(wù)執(zhí)行。臨時數(shù)據(jù)暫存區(qū)在程序開始運行時被創(chuàng)建，可將其實現(xiàn)為多個結(jié)構(gòu)體，采集任務(wù)完成一次采集后對其更新。3) 用戶參數(shù)區(qū)。它用于保存負控規(guī)約全部的設(shè)置參數(shù)，這些參數(shù)控制著終端的運行。運行時，用戶參數(shù)區(qū)存在于RAM中，并以結(jié)構(gòu)體的形式被訪問。參數(shù)區(qū)數(shù)據(jù)更新時其最新狀態(tài)被保存到FLASH中，并在終端啟動時再次載入到RAM。4

16、) 標(biāo)志位系統(tǒng)。它是一個全局標(biāo)志位的集合，實現(xiàn)某些任務(wù)間通信功能。(2) 任務(wù)1) UART1數(shù)據(jù)采集任務(wù)。2) 負控規(guī)約解析2任務(wù)。3) 系統(tǒng)及部分規(guī)約功能處理任務(wù)。4) 負控規(guī)約解析1任務(wù)(下稱解析1任務(wù))。5) 通信調(diào)度任務(wù)。1) UART1數(shù)據(jù)采集任務(wù)。它的作用是通過UART1口采集數(shù)據(jù)，采集對象包括電能表、溫度傳感器，以電子開關(guān)切換的方式實現(xiàn)UART1硬件復(fù)用。軟件流程為混合采集方式，即電能表按數(shù)據(jù)塊方式采集，在采集電能表數(shù)據(jù)塊間隔內(nèi)采集溫度傳感器。這樣做的好處是溫度采集時間分辨率較高，缺點是需要頻繁進行UART復(fù)用切換，每次切換后進行短時延時，造成整個采集過程拖長。2) 負控規(guī)約解

17、析2任務(wù)。它實現(xiàn)按負控規(guī)約凍結(jié)數(shù)據(jù)的功能。負控規(guī)約中規(guī)定了對數(shù)據(jù)按時、日、月、抄表日等時間段凍結(jié)，凍結(jié)規(guī)則由用戶參數(shù)控制，被凍結(jié)的數(shù)據(jù)來自臨時數(shù)據(jù)暫存區(qū)，凍結(jié)結(jié)果保存在FLASH文件系統(tǒng)中。3) 系統(tǒng)及部分規(guī)約功能處理任務(wù)。它的流程分為兩部分：一是系統(tǒng)功能部分，如喂狗、指示燈狀態(tài)控制，這些操作與其他任務(wù)相對獨立，只涉及對少量全局標(biāo)志位系統(tǒng)的訪問；二是實現(xiàn)負控規(guī)約的部分功能，如狀態(tài)量變位處理、終端停/上電處理、心跳包處理等，這些操作需要定時執(zhí)行。4) 負控規(guī)約解析1任務(wù)(下稱解析1任務(wù))。它實現(xiàn)終端通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及分析的功能，與通信調(diào)度任務(wù)配合實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)通信。解析1任務(wù)接收來自通信調(diào)度任務(wù)的規(guī)約

18、數(shù)據(jù)，根據(jù)來幀要求構(gòu)建回幀，構(gòu)建過程涉及對各個全局緩沖區(qū)及FLASH文件系統(tǒng)的訪問，最后將回幀交給通信調(diào)度任務(wù)。該任務(wù)封裝了絕大部分負控規(guī)約的實現(xiàn)，設(shè)計時將其核心功能封裝成一個通用模塊，實現(xiàn)多種接口方式，并提供接口擴展能力，可在其他應(yīng)用中復(fù)用。5) 通信調(diào)度任務(wù)。由于終端有GPRS網(wǎng)絡(luò)、調(diào)試口、紅外口多種通信方式，需要一個調(diào)度器協(xié)調(diào)這些數(shù)據(jù)通道工作。通信調(diào)度任務(wù)基于會話的處理方式，即監(jiān)測到某通道一幀有效數(shù)據(jù)后就立刻將其發(fā)送到解析1任務(wù)進行處理，并等待將處理結(jié)果返回給通道，如果通信過程涉及多幀(即會話式通信)，則處理該通道會話請求直到會話結(jié)束，調(diào)度器必須保證同一時刻只有一個請求發(fā)給解析1任務(wù)。3

19、.通信軟件(1) 通信底層硬件操作與串口API(2) GPRS通信(3) 多功能電能表通信(4) 單總線溫度傳感器DS18B20通信3.通信軟件圖5-13串口通信軟件結(jié)構(gòu)(1) 通信底層硬件操作與串口API根據(jù)上述移植框架，F(xiàn)IQ底層處理與串口API相互配合，封裝了串口收發(fā)的硬件控制，而呈現(xiàn)給上層的是一組與硬件無關(guān)的API函數(shù)，規(guī)約解析層使用硬件驅(qū)動層提供的API實現(xiàn)對UART的控制。(2) GPRS通信圖5-14GPRS模塊軟件處理流程(3) 多功能電能表通信645規(guī)約是用于多功能電能表的數(shù)據(jù)采集規(guī)約，終端與電能表之間采用問答式通信，即終端提出數(shù)據(jù)請求，電能表響應(yīng)數(shù)據(jù)。程序處理流程可歸納為發(fā)送詢問幀、等待應(yīng)答、解析數(shù)據(jù)并將其置入緩沖區(qū)。(4) 單總線溫度傳感器DS18B20通信終端通過單總線驅(qū)動器DS2480B連接單總線溫度傳感器DS18B20，實現(xiàn)溫度監(jiān)測功能。DS2480B將單總線網(wǎng)絡(luò)通過UART1連接到CPU，使得對單總線網(wǎng)絡(luò)中溫度傳感器的訪問轉(zhuǎn)化成了一組UART操作，并且DS2480B在硬件上對單總線時序做了優(yōu)化，確保自身與被驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。4.負控規(guī)約解析(1) 接口(2) 執(zhí)行方式(1)