基于智能網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)抄表系統

引言

電力線(xiàn)載波（Power Line Carrier---PLC）自動(dòng)抄表系統的應用大大提高了供電部門(mén)抄表工作效率，減輕了工作人員的抄表工作強度。但隨著(zhù)日益普及的網(wǎng)絡(luò )時(shí)代的來(lái)臨，網(wǎng)絡(luò )化管理將使抄表技術(shù)具備更高的效率和生產(chǎn)力。本文以一基于智能網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)抄表系統的方案設計為例，試分析了自動(dòng)抄表系統在智能網(wǎng)絡(luò )中的應用。

1. 通信網(wǎng)和智能網(wǎng)絡(luò )

所謂通信網(wǎng), 是指由各種通信節點(diǎn)（端節點(diǎn)、交換節點(diǎn)、 轉接點(diǎn)）及連接各節點(diǎn)的傳輸鏈路互 相依存的有機結合體, 以實(shí)現兩點(diǎn)及多個(gè)規定點(diǎn)間的通信體系。由通信網(wǎng)的定義可看出, 從物理結構或從硬件設施方面去看, 它由終端設備、交換設備及傳輸鏈路三大要素組成。這里的終端設備主要包括機、 PC機、 移動(dòng)終端等設備。交換節點(diǎn)包括程控交換機、 分組交換機、 ATM交換機、移動(dòng)交換機、 路由器設備等等。傳輸鏈路即為各種傳輸信道, 如電纜信道、光纜信道、 微波、衛星信道及其他無(wú)線(xiàn)傳輸信道等。

智能網(wǎng)是在現有網(wǎng)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，能方便、靈活地向用戶(hù)提供和處理各種智能化通信新業(yè)務(wù)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )體系。

智能網(wǎng)是建立在通信網(wǎng)之上的一種體系結構化的概念, 它可以為各種通信網(wǎng)提供增值業(yè)務(wù), 是疊加在各種通信網(wǎng)基礎上的一種網(wǎng)絡(luò )。所以，智能網(wǎng)是以計算機和數據庫為核心的，它的主要組成部分有：業(yè)務(wù)交換點(diǎn)（SSP）——它是用戶(hù)進(jìn)入智能網(wǎng)的接入點(diǎn)，它是一個(gè)交換機，用來(lái)識別用戶(hù)對智能網(wǎng)的呼叫，把用戶(hù)的請求傳送給業(yè)務(wù)控制點(diǎn)。業(yè)務(wù)控制點(diǎn)（SCP）——是智能網(wǎng)的中心，通常是由大、中型計算機和大型數據庫組成，完成各種智能業(yè)務(wù)的實(shí)現。它接受SSP送來(lái)的信息，向數據庫查詢(xún)并向SSP發(fā)出處理的信令。
圖1智能網(wǎng)與現有通信網(wǎng)的關(guān)系
略（詳見(jiàn)《電工儀表與公用表計行業(yè)信息》第5期）

2. 基于智能網(wǎng)的自動(dòng)抄表系統的設計

2.1 基于智能網(wǎng)的自動(dòng)抄表系統網(wǎng)絡(luò )架構

基于智能網(wǎng)的自動(dòng)抄表系統，是對建立在電力線(xiàn)載波（PLC）通訊網(wǎng)絡(luò )、公共交換網(wǎng)絡(luò )（PSTN）、計算機網(wǎng)絡(luò )（Intranet/Internet）三大網(wǎng)絡(luò )，利用多種通訊方式，將分散在用戶(hù)現場(chǎng)各電能表數據科學(xué)采集、上傳、處理、zui終送到管理層，滿(mǎn)足了抄表計費、管理決策、工程分析的需求。我們可以將這一網(wǎng)絡(luò )架構分為三層。分別為用戶(hù)層、中間層和管理層。
l 用戶(hù)層。用戶(hù)層即分散在各小區的用戶(hù)電能表。電能表除了進(jìn)行尖、峰、平、谷等電量的計量外，還要將計量數據采集并保存。通過(guò)PLC網(wǎng)絡(luò )將該數據進(jìn)行直接傳輸或通過(guò)其它電能表中繼傳輸至數據集中采集設備（簡(jiǎn)稱(chēng)集中器）。集中器將接收的數據進(jìn)行處理和保存。

l 中間層。集中器采集的電能表數據要及時(shí)、主動(dòng)地向上一層抄表前置計算機（簡(jiǎn)稱(chēng)抄表前置機）上傳。并響應抄表前置機的抄表指令，將抄表數據進(jìn)行凍結或更新。這一通訊方式常常是基于PSTN、ISDN、GPRS等?？紤]到抄表的經(jīng)濟性和可靠性，常常采用較成熟的PSTN或ISDN網(wǎng)絡(luò )。

l 管理層。當抄表前置機采集到電表現場(chǎng)的數據后，要將該數據再送到數據分析工作站，對數據進(jìn)行分析、過(guò)濾，以保證數據的準確性。然后再將經(jīng)分析后的數據送到結算中心，進(jìn)行電量、電費的結算或送至相應的管理部門(mén)做為分析、決策的依據（如線(xiàn)電損分析等）。甚至還要通過(guò)Internet或95598網(wǎng)（電力部門(mén)查詢(xún)專(zhuān)號）將用戶(hù)數據進(jìn)行發(fā)布，以實(shí)現與用戶(hù)的互動(dòng)。這一過(guò)程通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)現了數據的進(jìn)一步交換，我們稱(chēng)為數據的管理層。

2.2 常見(jiàn)的抄表網(wǎng)絡(luò )比較
2.2.1 總線(xiàn)式網(wǎng)

圖2： 總線(xiàn)方式自動(dòng)抄表方式（略，詳見(jiàn)《電工儀表與公用表計行業(yè)信息》第5期）

總線(xiàn)方式自動(dòng)抄表系統如圖2所示，即在集中器與電能表之間增加了RS485通訊方式進(jìn)行連接。集中器可以實(shí)時(shí)地抄收所管轄的電能表數據。這種總線(xiàn)式自動(dòng)抄表系統具有數據采集一次讀成功率高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，但需穿墻打孔，布線(xiàn)麻煩，給工程安裝和系統維護造成很大困難。

2.2.2 無(wú)線(xiàn)信道網(wǎng)絡(luò )

圖3略（詳見(jiàn)《電工儀表與公用表計行業(yè)信息》第5期）
無(wú)線(xiàn)信道自動(dòng)抄表系統如圖3所示，即在集中器和電能表內部裝有無(wú)線(xiàn)數傳模塊，集中器通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將電能表的數據抄收并保存。它的不足之處是無(wú)線(xiàn)數傳的有效距離只能達到500-m左右，對于電能表安裝分散的小區不宜使用。

2.2.3 有線(xiàn)電視寬帶網(wǎng)

基于有線(xiàn)電視寬帶網(wǎng)的自動(dòng)抄表系統一般由RS485/RF轉換器先以RS485方式將同一樓道單元內的電能表數據集中起來(lái)，再轉調制為有線(xiàn)電視射頻信號并送到有線(xiàn)電視網(wǎng)。在每個(gè)有線(xiàn)臺前端由一個(gè)有線(xiàn)調制解調器將電能表數據解調出來(lái)，再通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )傳到供電部門(mén)數據管理中心。這種自動(dòng)抄表系統的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速率高、一次抄讀成功率高、傳輸可靠，但對有線(xiàn)電視網(wǎng)必須是雙向通信的要求，這與目前實(shí)際的情況尚有差距，目前在一些城市或小區還不*具備此條件。

常見(jiàn)通訊方式 通信信道 傳輸距離 通訊效果（一次抄收成功率） 安裝成本
總線(xiàn) RS485 1000M 100% 較高
無(wú)線(xiàn) RF 500-M 約90% 較高
有線(xiàn)電視 有線(xiàn)電視網(wǎng) >1000M 100% 低
電力線(xiàn)載波 電力線(xiàn) 1000M 95% 低

表1：常見(jiàn)的抄表方式比較

2.3 基于PLC網(wǎng)絡(luò )的載波電能表和數據集中器設計

PLC自動(dòng)抄表系統是通過(guò)220V電力線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸。每一個(gè)載波電能表內除有進(jìn)行地電能計量電路外，還需有載波耦合電路。它的功能是將電能數據調制到電力線(xiàn)上。常見(jiàn)的調制方式有FSK、ASK和PSK。而處于同一線(xiàn)路上的數據集中器則進(jìn)行載波信號的解調，接收到數據后將數據保存到存儲器中。這樣，以載波電能表為通訊的端節點(diǎn)和轉接點(diǎn)，以集中器做為通訊的交換節點(diǎn)，以220V電力線(xiàn)做為通訊的傳輸鏈路，就形成了PLC通訊網(wǎng)絡(luò )。當載波電能表及集中器掛網(wǎng)之時(shí)，就是PLC通訊網(wǎng)絡(luò )建成之際。

圖4：PLC網(wǎng)絡(luò )拓撲圖（略，詳見(jiàn)《電工儀表與公用表計行業(yè)信息》第5期）

2.3.1 載波電能表的設計
由于電力線(xiàn)存在大噪音、高衰減的特點(diǎn)，這就限制了通訊傳輸的距離。這就要求處于PLC網(wǎng)絡(luò )的通訊節點(diǎn)—電能表除了具備將信號進(jìn)行中繼功能外，還需具備一定的噪音阻隔能力。如圖5所示，除有電能計量、電源處理、顯示、通訊等設計外，在載波收發(fā)電路與電力線(xiàn)之間還有一噪音阻隔電路，它可以對不同于載波通信頻率的信號進(jìn)行阻隔。
圖5：載波電能表原理圖（略，詳見(jiàn)《電工儀表與公用表計行業(yè)信息》第5期）

2.3.2 集中器的設計
集中器的設計原理框架圖如圖6所示。采用PC104工控機作為數據的抄收、處理的核心單元。其優(yōu)點(diǎn)是擴展性強，維護性高。抄表程序可以用語(yǔ)言編寫(xiě)，對抄收的數據采用關(guān)系數據庫管理。其閃盤(pán)容量為2M（可擴展），后備電池供電，多種通訊端口。這樣確保的數據處理的高可靠性、安全性。
圖6：集中器原理框架簡(jiǎn)圖（略，詳見(jiàn)《電工儀表與公用表計行業(yè)信息》第5期）

抄表前置機通過(guò)PSTN網(wǎng)絡(luò )與集中器的MODEM相連，采用AT指令實(shí)現數據的交換。集中器載波收發(fā)電路中， MCU集成了的載波調制解調芯片，內置看門(mén)狗電路設計，保證的載波抄表在異常情況下不死機。另外PC104的多串口特點(diǎn)保證了集中器具備了抄表手持設置（HUU）通訊、紅外通訊、以及RS485等通訊功能。既滿(mǎn)足了遠程通訊的需要，又實(shí)現了本地通訊的功能。

集中器硬件高擴展性決定的軟件設計的便捷性。在PC104的硬件環(huán)境下，采選擇UNIX或DOS等操作系統。編程語(yǔ)言可選用C語(yǔ)言，直接訪(fǎng)問(wèn)DBF文件進(jìn)行數據存儲。程序運行時(shí)，先初始化通訊串口、檢測DBF。然后開(kāi)始檢查是否有事先設定的抄表任務(wù)，如有要進(jìn)行進(jìn)行抄表，如果沒(méi)有則處理待命狀態(tài)，隨時(shí)響應上位機的指令。
相應的C程序舉例：
if（receive_ready（0）） //檢測串口1數據
{
if （Com_Receive_Data（0）==1） //檢測到上位機指令
{
MyCommand=Receive_Up_Command（）; //識別該指令
if （MyCommand==0） ReadOne（）; //讀表
if （MyCommand==1） ReadAll（1）; //讀現在凍結數據
if （MyCommand==2） ReadAll（2）; //讀上月凍結數據
if （MyCommand==3） ReadAll（3）; //讀上上月凍結數據
if （MyCommand==4） WriteDown（）; //地址加載
if （MyCommand==5） ReadRTUPara（MyCommand）; //讀集中器參數
if （MyCommand==6） WritePara（MyCommand）; //寫(xiě)集中器參數
if （MyCommand==7） WriteMeter（）; //寫(xiě)電表參數
if （MyCommand==8） ReadFreeze（1,1）; //執行自動(dòng)抄表
}
}

具備了上述功能設計后，系統提高了一次抄表成功率，相應地延長(cháng)了有效通信距離。實(shí)驗和應用表明，一次抄表成功率能達到95%以上，有效通訊距離達到m.（一次抄表成功率=一次抄表成功次數/應抄表的總次數*100%）

2.3.3 抄表前置機設計
公共交換網(wǎng)絡(luò )（PSTN）是一種語(yǔ)音通信電路交換網(wǎng)絡(luò )，包括商業(yè)的和政府擁有的。它也指簡(jiǎn)單老式業(yè)務(wù)（POTS）。它是自Alexander Graham Bell發(fā)明以來(lái)所有的電路交換式網(wǎng)絡(luò )的集合。它具有可靠性高、成本低廉的特點(diǎn)。其zui高速率為56kbps，實(shí)際速率為20－50kbps，其速率*集中器與抄表前置機之間數據包交換要求。接入方便，通信雙方加上MODEM（調制解調器）就可以通信。

圖7：基于PSTN的抄表前置機與集中器通訊圖（略）

在抄表前置機與集中器之間是通過(guò)PSTN網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接，抄表主機可以通過(guò)MODEM撥叫遠方的集中器，集中器收到撥號信號后，自動(dòng)應答，通信雙方握手，進(jìn)行數據通信。為了能實(shí)時(shí)地采集現場(chǎng)數據，并將故障情況及時(shí)上報到抄表前置機，這就要求集中器具備主動(dòng)撥號功能，當現場(chǎng)多個(gè)集中器在同一時(shí)間撥叫同一抄表前置機時(shí)，就會(huì )出現占線(xiàn)情況。為解決這個(gè)問(wèn)題，抄表前置機須與MODEM POOL相連，可以滿(mǎn)足同時(shí)多個(gè)集中器的通信要求。

2.4 基于Intranet/Internet技術(shù)的系統軟件設計

2.4.1網(wǎng)絡(luò )架構設計
系統采用C/S加B/S式網(wǎng)絡(luò )架構，由數據服務(wù)器、抄表前置機、數據管理工作站和營(yíng)業(yè)收費工作站組成。服務(wù)器進(jìn)行數據庫的統一管理，既實(shí)現了系統的運行，又保證了數據的安全性和完整性。抄表前置機又稱(chēng)通訊工作站，是進(jìn)行全天候、無(wú)人值守地與集中器及管理表計進(jìn)行通訊，并完成抄收數據的科學(xué)管理。數據管理機又稱(chēng)管理終端，是由系統管理人員進(jìn)行數據管理部分，有數據維護、系統設置、權限分配、電量結算、數據分析等功能。收費收費機是面向用電用戶(hù)，進(jìn)行日常電費收繳、用戶(hù)查詢(xún)、報表打印等營(yíng)業(yè)工作。抄表前置機的通訊部分采用Visual C++ 工具開(kāi)發(fā)，具有通訊的可靠性和性。管理終端采用Borland公司的Delphi工具開(kāi)發(fā)，具有良好的用戶(hù)界面和較低的開(kāi)發(fā)與維護成本。營(yíng)業(yè)收費工作站用ASP開(kāi)發(fā)，通過(guò)IE或NetScape瀏覽器方便了用戶(hù)的查詢(xún)和交費。
圖8（略）

2.4.2系統軟件安全可靠性設計
其實(shí)現由四個(gè)方面構成：*、采用MS SQL SERVER、DB2等中大型網(wǎng)絡(luò )數據庫。其安全性高，允許多用戶(hù)同時(shí)使用同一數據庫而不會(huì )破壞完整性，用它來(lái)做抄表系統的數據引擎可以保證數據的安全。第二、系統對用戶(hù)實(shí)現分級授權管理功能，通過(guò)檢查使用者的名字和授權密碼，賦予使用者相應的操作權。第三、完善的數據備份功能和系統日志功能。第四、完善的系統自檢、故障告警功能。

2.4.3 系統軟件的功能設計
l 抄表管理功能。系統兼容了標準MODEM 協(xié)議、TCP/IP協(xié)議，可以實(shí)現多種通訊方式。所以，集中器的通訊方式可以靈活地選擇?？刹捎肎PRS/GSM、CDMA、線(xiàn)、Ethenet等。系統可以在設定的時(shí)段自動(dòng)進(jìn)行抄收實(shí)時(shí)數據、凍結數據、結算數據，并將數據完整地保存。

遠程設置功能。系統不僅可以遠程設置集中器的所有參數，而且可以在相應的權限許可下通過(guò)集中器直接設置表計的時(shí)段、表址、費率以及時(shí)鐘校時(shí)等。

l 數據分析功能。一個(gè)完備的系統不但要快迅地抄收到表計的數據，而且要對保證抄收數據的完整性、準確性。這就要求系統有完備的數據分析功能。系統的分析功能有：電量數據計算、電量數據分析、線(xiàn)損量分析、電費擬結算、電費結算。zui終將準確的數據傳到用電MIS或營(yíng)業(yè)計算系統等。

l 擴展功能。為保證用戶(hù)能及時(shí)地繳費，系統有電費查詢(xún)功能。如催費查詢(xún)系統，當用戶(hù)的剩余電量或電費不足時(shí)（對于預付費用戶(hù)），系統會(huì )自動(dòng)通過(guò)或短信通知用戶(hù)。

l 強大的兼容功能。系統可獨立地運行，亦可根據供電公司的實(shí)際管理需要，與用電MIS進(jìn)行兼容或資源共享。系統數據庫有標準的數據接口，可以實(shí)現數據的無(wú)縫對接;系統軟件也預留了通用接口，用電MIS可以通過(guò)調用組件（動(dòng)態(tài)鏈接庫、控件）等方式實(shí)現。

3.結論

利用既有PLC、PSTN、Internet網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)抄表系統方案，采用成熟的通信技術(shù)，可靠的通信信道，將分散于現場(chǎng)的電能表數據，進(jìn)行了集中抄收，層層上報，zui終以近100%的準確率送到供用電管理層。大大增強了管理部門(mén)的抄收效率，提高了與用戶(hù)切實(shí)的信息互動(dòng)，適用于對一個(gè)區域電能表數據的集中管理，其、靈活及可擴展性又為水、電、氣多表合一提供了可靠的平臺。所以，該模式具有良好的應用前景和現實(shí)推廣價(jià)值。

了解更多可移步到http://www.dgkd.net