智能用电抄表系统的方案设计

     1 引言

      目前国内已有多种用于居民用电抄表的产品，从近几年实际投入的情况看， IC卡表和电力线载波集抄的应用占了较大的比重，但是由于这些产品在节能降损、提升企业经济效益方面的实际作用不大，在供电行业没有能够广泛地推广使用。

      预付费 IC卡电表，其方案仅能单一的解决电费回收问题，相比之下投入较大、隐患较多、维护难、必须专人值班售电管理等，因为它不具备监察用户用电的功能，所以很容易发生解密盗电或其它偷漏电情况，而且难以查觉。预付费本身也容易引起与用户的纠纷，许多地方已明文限制使用。

      低压载波集中抄表，其技术方案具有较大的优势，它利用了现有低压电力线作为通讯载体实施计算机自动抄表，不仅可省去敷设线路和日后维护线路的大量工作及费用，同时线路的安全也自然有了保障，运行通讯费用较低，它可以不更换旧表而是在原表上增装一个小的传感器来完成转换和传输数据，这样可省去大量换表资金。

      但它存在的缺点是，电网线路上周期性、持续性的干扰信号以及干扰的随机突发性与多变性影响了数据传输的稳定性，尽管可采用规避干扰和中继技术能够提高一些抄收成功率，可是产品的技术方案（电话线 +载波通讯）从根本上无法适应国内各种电网结构，抄收数据的实时性又很低，很难稳定地保证每天采集到完整的台区数据。由于电话线的通讯速率低，而且平常不能总保持连通状态（会发生大量的通讯费用），无法实现在线监测和自动报警功能，因此产品的实际用途受到很大的限制，其性能价格比直接影响了产品的推广应用。

      GPRS（General Packet Radio Service），即通用分组无线业务，这种无线业务是在现有 GSM网络上开通的一种新型的分组数据传输业务，它是利用"分封交换"（Packet-Switched）的概念所发展出的一套无线传输方式。GPRS采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS相对有线电话还具有通讯信道安全可靠、速率高、实时在线不发生费用、通讯费用低、普及面广、安装便利等优势，尤其是它所提供的点对多点无连接型网络业务非常适合抄表项目。

      2 系统结构与总体方案设计

      基本系统由抄表工作站、数据集中器、电表测控器、参数设置器和管理软件组成。系统总体结构如图 1所示。

      抄表工作站通过局域网或宽带连入 INTERNET，利用移动 GPRS基站与相应区域的数据集中器（一般每个台区一个）通讯，集中器通过专用线路（总线方式）或电力线（载波方式）连接台区电表测控器 (安装在电表进线座上与电子表输出口或机械表传感器相连)。集中器与测控器之间始终保持通信状态。集中器与 GPRS网络之间通常在线状态不产生通讯费用，在传递数据时才发生流量费用。初始时抄表工作站将日常工作指令分发到集中器和测控器存储，以后每天各测控器按其指令自动将数据储存（冻结），集中器按测控器地址编号顺序依次间隔采集汇总数据定时发送到工作站或由抄表工作站主抄，工作站自动检查补齐传送到服务器中。

      抄表工作站承担数据抄收、指令下达及控制断合电是实现用电监察管理最基础和关键环节,它还负责对台区所有系统设施的管理、维护和正常运行等。一台抄表工作站管理 1至 100个台区集中器，一台集中器连接 1至 1000个测控器，一个测控器连接一块电表。整个系统包含多个抄表工作站，工作站可集中在同一点也可分散在不同的点并连接到供电企业的局域网上。系统还有与其它管理系统的接口，如：电费管理系统接口，催费管理服务器及管理软件、用电监察与电网配电分析管理工作站等。

     3 系统硬件设计

      该系统的硬件主要分为测控器和集中器两部分。测控器主要是用单片机把计量表中的数据采集过来，并存放在内存里，通过 RS-485总线传送给集中器。集中器是整个系统中最重要的，也是最复杂的环节，它的硬件设计框图如图 2所示。

      集中器中的微控制器选用W77E58，在其内部集成32KB可重复编程的 Flash RAM、256B片内存储器、1KBMOVX指令访问的 SRAM、两个 URAT、三个 16位定时器等。两个 URAT中，一个用于与 GPRS通信，另一个用于与测控器的通信。在很多场合，该单片机几乎不用扩展外围芯片就能够满足系统要求。

      微控制器通过 AT指令初始化 GPRS无线模块，使之附着在 GPRS网上，获得网络运营商动态分配给 GPRS集中器的 IP地址并与抄表终端建立连接，通过 RS232串口向客户系统收发数据或指令，向 TCP/IP模块收发数据等。

      TCP/IP模块通过 RS232串口与 GPRS无线模块通信，提供非透明和透明两种通道。相对应地，该模块有两种通信模式：非透明模式和透明模式。通过软件切换，模块在处于不同的模式时，数据流向也有所不同。当传送 AT指令集时，模块进入透明模式，可直接访问 GPRS无线模块；当模块进入非透明传输方式时，用户数据从串口进入 TCP/IP模块后，先组成 TCP/IP包，再经串口发送给 GPRS模块，GPRS无线模块把其封装成 GPRS分组数据包传到 GPRS网上。

      GPRS无线模块作为 GPRS集中器的无线收发模块，把从 TCP/IP模块接收的 TCP/IP包和从基站接收的 GPRS分组数据进行相应的协议处理后再转发。GPRS模块采用了西门子公司的 MC35I，此模块主要由 GSM处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口等六部分组成。它通过 ZIF连接器上的串口与单片机实现电路接口，通过串口读取或发送 MC35I模块中的数据和 AT指令。

      4 系统软件功能设计

      用电管理主要包括业扩报装、计量管理、电费管理和用电监察等几个方面。用电管理除有较明显的各内部业务功能外，还具有较强的业务流程性。数据信息流向如 3所示。

      本系统将其分为用户增减管理、计量资产与计量业务管理、配电设备与安全管理、电费管理、用电监察、抄表与控制管理、大用户集中管理等几个子系统，按业务流程将各子系统有机地联接起来就构成完整的用电管理系统。

      抄表终端智能用电系统软件利用 WIN2000/XP作为操作系统开发平台，以 VB作为开发工具，使用 SQL Server 数据库进行系统开发，软件所能管理的用户数量几乎没有限制。

      5 结束语

     本文创新点是：利用 GPRS网络作为远程无线数据通信平台，发挥了通用无线分组业务数据传输的优势，同时利用总线技术或载波通讯技术完成集中器与监测点之间的数据通信，保证了数据传输的可靠性、稳定性和实时性，改变了过去 IC卡电表、电力线载波集抄产品等产品的不足，在功能和用途上有了实质性的突破，能够适应现代电力行业供用电管理上多方面的需求。