電力用戶用電信息采集終端

電力用戶用電信息采集終端2024/3/11電力用戶用電信息采集終端第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(jì)電力用戶用電信息采集終端5.1智能電能表5.1.1智能電能表的功能

5.1.2安全認(rèn)證電力用戶用電信息采集終端5.1智能電能表圖5-1智能電能表

a)實(shí)物圖b)原理框圖電力用戶用電信息采集終端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(fèi)控電力用戶用電信息采集終端1.數(shù)據(jù)存儲1)智能電能表至少應(yīng)能存儲上12個(gè)結(jié)算日的單向或雙向總電能量和各費(fèi)率電能量累計(jì)值；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存分界時(shí)刻為月末的24時(shí)，即下個(gè)月1日零時(shí)，或在每月的1日至28日內(nèi)任意一日的任意整點(diǎn)時(shí)刻。

2)智能電能表至少應(yīng)能存儲上12個(gè)結(jié)算日的單向或雙向最大需量、各費(fèi)率最大需量及其出現(xiàn)的日期和時(shí)間數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存分界時(shí)刻為月末的24時(shí)，即下個(gè)月1日零時(shí)，或在每月的1日至28日內(nèi)的整點(diǎn)時(shí)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。電力用戶用電信息采集終端2.凍結(jié)1)定時(shí)凍結(jié)：按照約定的時(shí)刻及時(shí)間間隔凍結(jié)電能量數(shù)據(jù)；每個(gè)凍結(jié)量至少應(yīng)保存12次。

2)瞬時(shí)凍結(jié)：主站認(rèn)為需要凍結(jié)當(dāng)前數(shù)據(jù)時(shí)下發(fā)瞬時(shí)凍結(jié)命令，凍結(jié)當(dāng)前的日歷、時(shí)間、所有電能量和重要測量量的數(shù)據(jù)；瞬時(shí)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(shí)00分的電能量，應(yīng)可存儲2個(gè)月的數(shù)據(jù)量。

4)約定凍結(jié)：在新老兩套費(fèi)率/時(shí)段轉(zhuǎn)換、階梯電價(jià)轉(zhuǎn)換或電力公司認(rèn)為有特殊需要時(shí)，凍結(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)刻的電能量以及其他重要數(shù)據(jù)。

5)整點(diǎn)凍結(jié)：存儲整點(diǎn)時(shí)刻或半點(diǎn)時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)。電力用戶用電信息采集終端3.通信(1)RS-485通信

(2)紅外通信

(3)載波通信

(4)公網(wǎng)通信電力用戶用電信息采集終端(1)RS-485通信1)RS-485接口與電能表內(nèi)部電路實(shí)行電氣隔離，并具有失效保護(hù)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(rèn)值為2400bit/s。電力用戶用電信息采集終端(2)紅外通信1)應(yīng)具備調(diào)制型或接觸式紅外接口，默認(rèn)配置調(diào)制型紅外接口。

2)調(diào)制型紅外接口的默認(rèn)通信速率為1200bit/s。電力用戶用電信息采集終端(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(shí)，電能表的計(jì)量性能、存儲的計(jì)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(hù)電路，即在未接入、接入或更換通信模塊時(shí)，不會對電能表自身的性能、運(yùn)行參數(shù)以及正常計(jì)量造成影響。電力用戶用電信息采集終端(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(jì)。

2)可主動向主站上報(bào)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(rèn)為TCP方式。

5)公網(wǎng)通信底層協(xié)議應(yīng)符合DL/T645—2007及其備案文件的要求。電力用戶用電信息采集終端4.費(fèi)控1)費(fèi)控功能的實(shí)現(xiàn)分為本地和遠(yuǎn)程兩種方式：本地方式通過CPU卡、射頻卡等固態(tài)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)；遠(yuǎn)程方式通過公網(wǎng)、載波等虛擬介質(zhì)和遠(yuǎn)程售電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

2)遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表是主站/售電系統(tǒng)借助虛擬介質(zhì)進(jìn)行充值及參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)費(fèi)控功能的。

3)當(dāng)剩余金額小于或等于設(shè)定的報(bào)警金額時(shí)，電能表以聲、光或其他方式提醒用戶；透支金額可實(shí)時(shí)記錄，當(dāng)透支金額高于設(shè)定的透支門限金額時(shí)，電能表發(fā)出斷電信號，控制負(fù)荷開關(guān)中斷供電；當(dāng)電能表接收到有效的續(xù)交電費(fèi)信息后，首先扣除透支金額，當(dāng)剩余金額大于設(shè)定值時(shí)，方可通過遠(yuǎn)程或本地方式使電能表處于允許合閘狀態(tài)，由人工本地恢復(fù)供電。電力用戶用電信息采集終端5.1.2安全認(rèn)證1.ESAM模塊

2.智能電能表信息交換安全認(rèn)證電力用戶用電信息采集終端1.ESAM模塊對電能表進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、預(yù)存電費(fèi)、信息返寫和下發(fā)遠(yuǎn)程控制命令操作時(shí)，需通過嚴(yán)格的密碼驗(yàn)證或ESAM(EmbedSafeApplicationModule)模塊等安全認(rèn)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(shí)現(xiàn)安全存儲、數(shù)據(jù)加/解密、雙向身份認(rèn)證、存取權(quán)限控制、數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)劝踩刂乒δ?。電力用戶用電信息采集終端2.智能電能表信息交換安全認(rèn)證圖5-2本地費(fèi)控電能表信息交換過程電力用戶用電信息采集終端2.智能電能表信息交換安全認(rèn)證圖5-3遠(yuǎn)程費(fèi)控電能表信息交換過程電力用戶用電信息采集終端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

5.2.2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)議電力用戶用電信息采集終端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(shí)物圖b)組成框圖電力用戶用電信息采集終端5.2.2專變及公變采集終端的功能電力用戶用電信息采集終端5.2.2專變及公變采集終端的功能電力用戶用電信息采集終端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電力用戶用電信息采集終端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/GDW130—2005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/T645—1996。電力用戶用電信息采集終端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)議電力用戶用電信息采集終端5.3.1集中抄表終端簡述1.集中器

2.采集器

3.手持抄表器電力用戶用電信息采集終端1.集中器

圖5-5集中器

a)實(shí)物圖b)通信接口配置框圖電力用戶用電信息采集終端2.采集器

圖5-6采集器

a)實(shí)物圖b)通信接口配置框圖電力用戶用電信息采集終端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(jìn)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。電力用戶用電信息采集終端3.手持抄表器圖5-7手持抄表器電力用戶用電信息采集終端5.3.2集中抄表終端的功能電力用戶用電信息采集終端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電力用戶用電信息采集終端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電力用戶用電信息采集終端5.3.3集中抄表終端的通信協(xié)議集中器與主站的通信協(xié)議應(yīng)符合Q/GDW376.1—2009的要求。集中器與本地通信模塊的通信協(xié)議應(yīng)支持Q/GDW376.2—2009。電能表的載波模塊與電能表的通信協(xié)議應(yīng)符合DL/T645—2007及其備案文件的要求。電力用戶用電信息采集終端5.4專變采集終端設(shè)計(jì)5.4.1概述

5.4.2終端硬件設(shè)計(jì)

5.4.3終端軟件設(shè)計(jì)電力用戶用電信息采集終端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(jìn)行抄表和監(jiān)測，并與主站監(jiān)測計(jì)算機(jī)依照Q/GDW130—2005電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約(下稱負(fù)控規(guī)約)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與主站進(jìn)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通信接口，數(shù)據(jù)傳輸遵循DL/T645—1996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(shí)間、參數(shù)、實(shí)時(shí)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(yùn)行狀況。電力用戶用電信息采集終端5.4.2終端硬件設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)部分

2.接口部分電力用戶用電信息采集終端5.4.2終端硬件設(shè)計(jì)圖5-8終端硬件結(jié)構(gòu)框圖電力用戶用電信息采集終端1.系統(tǒng)部分(1)CPU

(2)存儲器電力用戶用電信息采集終端(1)CPU選用PHILIPHS公司的LPC2220作為主CPU。該CPU基于ARM7TDMI32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(shí)集成有通用輸入/輸出GPIO(GeneralPurposeI/O)、UART、PWM、I2C、SPI、定時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。總之，LPC2220在滿足終端功能要求的同時(shí)其資源也得到了充分利用，并且由于其最高運(yùn)行速度達(dá)到60MHz，性能裕量適中。電力用戶用電信息采集終端(2)存儲器終端存儲器硬件包括3部分：外擴(kuò)RAM、外擴(kuò)NORFLASH程序存儲器和外擴(kuò)NANDFLASH數(shù)據(jù)存儲器。LPC2220內(nèi)部集成了一定數(shù)量的RAM、FLASH，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(jì)需要更多地考慮可移植性問題，因此設(shè)計(jì)中不使用片內(nèi)存儲器。終端外擴(kuò)256KBSRAM芯片IS61LV25616AL，作為程序的運(yùn)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(kuò)1MBNORFLASHSST39VF800A，作為程序存儲器；外擴(kuò)32MBNANDFLASHK9F5608，用于存儲應(yīng)用中需要保存的大量用戶數(shù)據(jù)。電力用戶用電信息采集終端2.接口部分(1)GPRS模塊接口電路

(2)RS-485接口電路電力用戶用電信息采集終端2.接口部分圖5-9GPRS模塊與CPU接口電路電力用戶用電信息采集終端(1)GPRS模塊接口電路使用中興公司的ME3000GPRS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。UIM—RST、UIM—DAT、UIM—CLK、UIM—VDD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(shí)現(xiàn)對GPRS模塊復(fù)位；/RTS、/DTR分別是模塊的UART控制信號，因?yàn)樵O(shè)計(jì)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高/低電平信號控制GPRS的上/下電。電力用戶用電信息采集終端(2)RS-485接口電路圖5-10RS-485接口電路電力用戶用電信息采集終端5.4.3終端軟件設(shè)計(jì)1.μC/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(fù)控規(guī)約解析電力用戶用電信息采集終端1.μC/OS-II及其在LPC2220系統(tǒng)上的移植圖5-11移植框架示意圖電力用戶用電信息采集終端2.應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)(1)數(shù)據(jù)

(2)任務(wù)電力用戶用電信息采集終端2.應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖5-12應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)電力用戶用電信息采集終端(1)數(shù)據(jù)1)收發(fā)緩沖區(qū)。

2)臨時(shí)數(shù)據(jù)暫存區(qū)。

3)用戶參數(shù)區(qū)。

4)標(biāo)志位系統(tǒng)。電力用戶用電信息采集終端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(jìn)先出(FirstInFirstOut，F(xiàn)IFO)結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，開辟在系統(tǒng)RAM中，通信調(diào)度任務(wù)負(fù)責(zé)操作這些緩沖區(qū)。每個(gè)緩沖區(qū)均由收、發(fā)兩個(gè)子緩沖區(qū)組成。電力用戶用電信息采集終端2)臨時(shí)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(shí)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(jì)值等，這些數(shù)據(jù)會根據(jù)用戶設(shè)置進(jìn)行凍結(jié)，凍結(jié)過程由負(fù)控規(guī)約解析2任務(wù)執(zhí)行。臨時(shí)數(shù)據(jù)暫存區(qū)在程序開始運(yùn)行時(shí)被創(chuàng)建，可將其實(shí)現(xiàn)為多個(gè)結(jié)構(gòu)體，采集任務(wù)完成一次采集后對其更新。電力用戶用電信息采集終端3)用戶參數(shù)區(qū)。它用于保存負(fù)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(yùn)行。運(yùn)行時(shí)，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(shí)其最新狀態(tài)被保存到FLASH中，并在終端啟動時(shí)再次載入到RAM。電力用戶用電信息采集終端4)標(biāo)志位系統(tǒng)。它是一個(gè)全局標(biāo)志位的集合，實(shí)現(xiàn)某些任務(wù)間通信功能。電力用戶用電信息采集終端(2)任務(wù)1)UART1數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

2)負(fù)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(fù)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)。電力用戶用電信息采集終端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(shí)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(shí)間分辨率較高，缺點(diǎn)是需要頻繁進(jìn)行UART復(fù)用切換，每次切換后進(jìn)行短時(shí)延時(shí)，造成整個(gè)采集過程拖長。電力用戶用電信息采集終端2)負(fù)控規(guī)約解析2任務(wù)。它實(shí)現(xiàn)按負(fù)控規(guī)約凍結(jié)數(shù)據(jù)的功能。負(fù)控規(guī)約中規(guī)定了對數(shù)據(jù)按時(shí)、日、月、抄表日等時(shí)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(shí)數(shù)據(jù)暫存區(qū)，凍結(jié)結(jié)果保存在FLASH文件系統(tǒng)中。電力用戶用電信息采集終端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(dú)立，只涉及對少量全局標(biāo)志位系統(tǒng)的訪問；二是實(shí)現(xiàn)負(fù)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(shí)執(zhí)行。電力用戶用電信息采集終端4)負(fù)控規(guī)約解析1任務(wù)(下稱解析1任務(wù))。它實(shí)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(shí)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(gè)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(fù)控規(guī)約的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)將其核心功能封裝成一個(gè)通用模塊，實(shí)現(xiàn)多種接口方式，并提供接口擴(kuò)展能力，可在其他應(yīng)用中復(fù)用。電力用戶用電信息采集終端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(gè)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(jìn)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(shí)刻只有一個(gè)請求發(fā)給解析1任務(wù)。電力用戶用電信息采集終端3.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通信電力用戶用電信息采集終端3.通信軟件圖5-13串口通信軟件結(jié)構(gòu)電力用戶用電信息采集終端(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(shí)現(xiàn)對UART的控制。電力用戶用電信息采集終端(2)GPRS通信圖5-14GPRS模塊軟件處理流程電力用戶用電信息采集終端(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)。電力用戶用電信息采集終端(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(shí)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(shí)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。電力用戶用電信息采集終端4.負(fù)控規(guī)約解析(1)接口