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基于电力扩频载波的集中抄表系统(AMR)

基于电力扩频载波的集中抄表系统(AMR) 2011年12月04日 来源： 摘 要：我国电力事业的蓬勃发展和人民群众生活水平的不断提高，传统人工抄表已经无法满足电力系统的管理和服务的需求。本文介绍了一种已经市场化的基于电力扩频载波的集中抄表系统。在给出系统框图的基础上分析了该系统四大组成部分即数据采集单元DAU、远程抄表单元MRU（采集器）、区域现场管理单元FMU（集中器）、中央处理系统CPS（主机）的硬件构成、实现过程和系统功能。关键词：集中抄表系统 电力通信 扩频载波 SSC P200An AMR System based on Power SSC CommunicationShenyang Institute of Technology Fu Lijun Qu ZhouqiangLiaoning Beineng Power Network Technology Co. Ltd Chengjie Nan YongxieAbstract: With the development of the Power Enterprise and the improvement of the people's standard of living, the manual meter-reading can't satisfy the management and service of the Power System. The paper introduces an AMR System based on the Power SSC Communication which has been adopted in some place. On the base of system frame, the paper analyses the hardware frame、working fundamental and functions of the four parts of the system: Data Assembly Unit(DAU)、Meter Reading Unit(MRU)、Field Management Unit(FMU)、Central Processing System(CPS).Key words: AMR System Power Line Communication SSC Communication SSC P2000　引言随着我国电力事业的蓬勃发展和人民群众生活水平的不断提高，电力已成为人们生活、工作中必不缺少的组成部分。人们对用电及用电服务质量的要求也越来越高。按照国家电力管理部门的要求，居民用电已逐步实行“一户一表”制，同时电力系统正加速建设现代化的电力营销体系。由于种种原因，目前居民用户电表及公变数据的抄收基本上是人工完成的。随着居民用户电表数量的增加，公变数据采集考核内容的扩大，人工抄表已经无法满足电力系统的管理和服务的需求。人工抄表的工作越来越繁重，效率低、误差大、成本高，数据的统计分析准确率低且滞后，无法实现实时抄表、分时计费、实时监测供用电情况。电力系统迫切需要电力网络技术支持以便及时准确的获得用电管理、收费管理、供用电线损统计、分析及电力安全运行等各方面的信息。为了满足电力部门对电力网络信息系统的要求，现在研究开发集中抄表系统已经成为一个热点，特别是计算机和信息科学的发展，为集中抄表系统的研究开发奠定了良好的基础。一. 集抄系统的整体构架 目前国内许多公司都在开发集抄系统，其实现方式各异。本文介绍的系统基本构架如图1所示。系统分四个部分组成：数据采集单元DAU、远程抄表单元MRU（采集器）、区域现场管理单元FMU（集中器）、中央处理系统CPS（主机）。

二.集抄系统的设计2.1 用户电能表数据采集单元DAU（传统电能表的改造） DAU是整个系统的前端设备，用来将用户电能表的读数转化为电信号，供远程抄表单元MRU读取。现在居民使用的电能表大多为传统电能表，它利用电压、电流产生的磁场驱动表盘转动产生读数。要对如此巨大的消费市场直接换用适合集抄系统的电能表，其费用将难以估算。本系统专门开发数据采集模块，供已有电能表的用户改装使用，它采用长寿命光电转换技术，将电能表转盘的转动数据转换成脉冲信号，供MRU读取，具有电路简单、准确可靠、体积小、安装方便等特点，适合DD862、DD28、DD101、DD201等传统电能表的改造。2.2 远程抄表单元MRU（采集器） 远程抄表单元MRU是微处理器控制的智能设备，是集抄系统的重要设备，其作用是采集、存储、转换和记录多功能电子表输出的数据获将DAU输出的脉冲信号转换成数字数据记录保存，故又称数据采集器。MRU接收FMU发来的命令，向FMU传送所记录的用户电能表数据。MRU也可以通过红外线与在现场的手持机HHU通信，接受HHU的命令，传送MRU所记录的数据。由于采用全开关电源设计及具有特殊的抗电磁干扰EMI滤波技术，使 MRU整机抗干扰能力达到国内同类产品的较高水平。 MRU可以实时记录16路脉冲电能表信号，可以RS-485专线方式、低压电力线扩载方式与FMU通信。其硬件构成如图2所示：

电路采用W78E516B为核心处理器，其与MCS51系列单片机兼容的可多次编程的快速微处理器，它的内部集成有32K的可重复编程的flash ROM、256字节的片内存储器、1K的用MOVX指令访问的SRAM、可编程的看门狗定时器、3个16位定时器、2个增强型的全双工串行口、片内RC振荡器、双16位数据指针等诸多功能。本MRU未扩展外围芯片就能够满足系统要求。由于它采用了全新设计的微处理器内核，去除多余的时钟和存储周期，因此，在相同的晶振频率下，根据不同的指令类型，其运行速度一般比传统8051系列快1.5到3倍，一般情况下，平均可达2.5倍以上。另外，由于W77E58采用全静态CMOS设计，能工作在低速晶振频率下，因此，和普通的8051相比，若W77E58采用低速工作频率，在相同的指令吞吐量下，W77E58的节电性能也将大大提高。MRU采用可编程逻辑器件负责16路脉冲的采集和部分电路的使能控制。FMU通过485专线或扩频载波方式发送命令信息，相关电路检测到信号后，通过可编程逻辑器件向处理器发出中断申请，处理器由串口读入命令数据，核实命令数据中的目标地址为本机后，即通过A0-A3地址线经可编程逻辑器件内部4/16译码器读取16路电能表数据，经串口通过65LBC184 RS-485双向收发器或SSC P200扩频通信模块向FMU发送数据，从而完成电能表数据的采集与传输。处理器通过红外接口与HHU的通信过程基本类似。2.3 区域现场管理单元FMU（集中器）2.3.1概述区域现场管理单元FMU是集中抄表系统中的位于现场的中央控制和通信设备，故又称数据集中器。在现场FMU接收和存储MRU传送过来的DAU数据，并按照预先设定的处理方式进行分解和组合，定时抄收或备份MRU数据，完成FMU-MRU之间的双向通信；CPS以拨号方式经电话线将相关指令传达给FMU，FMU内部E-MODEM模块将指令解调后发送给处理器，处理器按照预先设定的处理方式通过RS-485收发模块或扩频通信载波模块访问MRU读取数据，再通过E-MODEM模块将数据传送给CPS进行汇总统计，完成CPS-FMU之间的双向通信。 集中器是整个AMR系统中最重要、技术含量最高的一环。它起着承上启下的作用。本AMR系统的集中器硬件结构比较复杂，其结构框图如图3所示：

2.3.2 FMU硬件组成简介2.3.2.1 CPU部分： 该电路采用双处理器结构，以80C52为主处理器，对两片SST28SF040 EEPROM 和一片6264 RAM 进行存储读写，80C52的主要控制总线经两片GAL16V8进行逻辑组合，作为各受控模块的使能控制信号。从处理器采用 M82C51主要进行串行通信的控制。2.3.2.2 E-MODEM模块部分：该模块为嵌入式系统，采用conexant公司的L2800-38和R6764芯片组，内嵌贺氏AT指令集。主机通过该模块以拨号方式对FMU进行操控，FMU也通过该模块向主机传送数据信息。2.3.2.3 RS-485收发模块：该模块采用485双向收发器65LBC184完成FMU与MRU的双向485专线通信，通信比特率可达9600bps，通信距离可达3Km（双绞屏蔽线）。2.3.2.4 扩频通信载波模块：模块框图如图4所示：

SSC P200为美国Intellon公司生产的一种基于电力载波的扩频收发通信芯片，其硬件结构见图5，主要特点为：1） 双向收发支持EIA-600标准2） 基于chirps的扩载技术3）持标准串行通信的SPI接口4） 周边元器件最小化5） 20脚SOIC封装。

当FMU向MRU发出指令时，从处理器将指令以串行格式发送给SSC P200，在其内部进行扩载调制，由SSC P111放大信号后经匹配滤波器耦合到电力线发送至下层MRU。MRU接到指令后通过电力载波将相关数据传递过来，经匹配滤波器进入SSC P200进行解扩，P200检测到载波信号后以中断方式]通知处理器，由从处理器接收串行数据，从而完成FMU-MRU之间的载波双向通信。该方式下载波范围50-200KHz，通信速度为4-8Kbps，信号耦合输出幅度VP-P300m。2.3.2.5 RS-232模块：为了方便现场对FMU进行调试，特设了RS-232接口与技术人员的手持机HUU或便携式电脑进行串行通信。该模块采用MAX202进行232信号的收发。技术人员可以方便地利用该接口进行电能数据的抄收和对FMU进行参数设置。RS-232接口通信速度可达9600bps。2.4 中央处理系统CPS（主机）中央处理系统CPS是集系统的中央控制和管理系统，负责控制和管理整个用电区域内各个集中器的运行，并对区域内的用电状况进行监测和记录。CPS是一套由计算机系统、系统管理软件和应用软件、数据库等组成的收费管理和控制系统。应用软件主要包括以下几部分：用户用电管理系统、用户收费管理系统和区域用电监测管理系统。CPS通过电话线与位于现场的FMU进行通信，或通过手持机HHU收集数据；具有完善的远端参数设置和管理功能，可以远程设置MRU、FMU的运行参数；具有良好的数据库接口设计，便于数据查询和共享；支持多种计费方式和类型。三.集抄系统的功能3.1 实时采集和记录电表及公变输出数据可定时、实时和分时段记录电表读数，可采集公用变的有功、无功、电压、频率等数据从而为分析电力配置提供基础数据。3.2 自动/半自动抄表方式供电管理中心计算机通过电话线与位于远端的现场管理单元通信，远程自动抄收用户电表、公变输出数据和系统状态信息。管理人员还可以持HHU到现场配置参数、收集数据，到管理中心汇总。3.3 用户管理和收费管理系统采用数据库对用户数据进行管理，自动生成用户账单和统计报告。与银行联网后，可完成电费银行自动划拨。3.4 线损统计/负荷曲线分析系统配置相关模块，自动定时抄收用户和公变数据，完成日、月负荷曲线分析，定期进行线损统计。3.5用户电表及公变异常报警/远程控制系统配置专用监测模块，当用户电表有异常时（窃电或长时间停走），记录起止时间，可根据具体情况进行远程切合闸控制。四.结束语本文介绍了一种基于电力扩频载波的集中抄表系统（AMR）的设计概况及系统功能，系统的设计符合电力部颁布的《低压电力用户集中抄表技术条件》，已应用于鞍山、本溪等地。实际运行时，预抄成功率可达100%，实时抄表成功率达95%以上，循环补抄可达100%，实现了设计目标，完全可以取代传统的人工抄表，节省了人力、财力，大大提高了电力营销的自动化程度，是一种切实可行的方法。参考文献1. 戴娟,王王景,朱晓峰，集中抄表系统[J]，电子工程师 2000.[7]:37-39Dai Juan, Wang Jing, Zhu Xiaofeng, An Aggregate Manager for Water Meter, Am Meter and Gas Meter[J], Electronic Engineer 2001.[7]:37-392.周游 高新华，国内几种电能表自动抄录系统之比较[J]，广东电力 2002.15[1]:55-58.Zhou You , Gao Xinhua, Comparison of several Automatic kilo watt-hour reading system in China[J], Gong Dong Electric Power 2002.15[1]:55-58(end)

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