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1、36935-5A,主编,第5章 电力用户用电信息采集终端,5.1 智能电能表 5.2 专变及公变采集终端 5.3 集中抄表采集终端 5.4 专变采集终端设计,5.1 智能电能表,5.1.1 智能电能表的功能 5.1.2 安全认证,5.1 智能电能表,图5-1 智能电能表 a)实物图 b)原理框图,5.1.1 智能电能表的功能,1.数据存储 2.冻结 3.通信 4.费控,1.数据存储,1) 智能电能表至少应能存储上12个结算日的单向或双向总电能量和各费率电能量累计值；数据转存分界时刻为月末的24时，即下个月1日零时，或在每月的1日至28日内任意一日的任意整点时刻。 2) 智能电能表至少应能存储上
2、12个结算日的单向或双向最大需量、各费率最大需量及其出现的日期和时间数据；数据转存分界时刻为月末的24时，即下个月1日零时，或在每月的1日至28日内的整点时刻。 3) 在电能表电源断电的情况下，所有与结算有关的数据应至少保存10年，其他数据至少保存3年。,2.冻结,1) 定时冻结：按照约定的时刻及时间间隔冻结电能量数据；每个冻结量至少应保存12次。 2) 瞬时冻结：主站认为需要冻结当前数据时下发瞬时冻结命令，冻结当前的日历、时间、所有电能量和重要测量量的数据；瞬时冻结量应保存最后3次的数据。 3) 日冻结：冻结并存储每日00时00分的电能量，应可存储2个月的数据量。 4) 约定冻结：在新老两套
3、费率/时段转换、阶梯电价转换或电力公司认为有特殊需要时，冻结转换时刻的电能量以及其他重要数据。 5) 整点冻结：存储整点时刻或半点时刻的有功总电能，考虑节假日、集抄系统故障处理速度等因素，应可存储254个数据。,3.通信,(1) RS-485通信 (2) 红外通信 (3) 载波通信 (4) 公网通信,(1) RS-485通信,1) RS-485接口与电能表内部电路实行电气隔离，并具有失效保护电路。 2) RS-485接口的通信速率可设置，标准速率为1200bit/s、2400bit/s、4800bit/s、9600bit/s，默认值为2400bit/s。,(2) 红外通信,1) 应具备调制型或
4、接触式红外接口，默认配置调制型红外接口。 2) 调制型红外接口的默认通信速率为1200bit/s。,(3) 载波通信,1) 电能表可配置窄带或宽带载波通信模块。 2) 在载波通信时，电能表的计量性能、存储的计量数据和参数不受影响和改变。 3) 采用外置即插即用型载波通信模块的电能表，其载波通信接口应有失效保护电路，即在未接入、接入或更换通信模块时，不会对电能表自身的性能、运行参数以及正常计量造成影响。,(4) 公网通信,1) 电能表的无线通信接口模块应采用模块化设计。 2) 可主动向主站上报发生的重要事件。 3) 具有能将主站命令转发给所连接的其他智能装置，以及将其他智能装置的返回信息传送给主
5、站的功能。 4) 无线GPRS/CDMA等通信模块支持TCP与UDP两种通信方式，通信方式由主站设置，默认为TCP方式。 5) 公网通信底层协议应符合DL/T 6452007及其备案文件的要求。,4.费控,1) 费控功能的实现分为本地和远程两种方式：本地方式通过CPU卡、射频卡等固态介质实现；远程方式通过公网、载波等虚拟介质和远程售电系统实现。 2) 远程费控电能表是主站/售电系统借助虚拟介质进行充值及参数设置实现费控功能的。 3) 当剩余金额小于或等于设定的报警金额时，电能表以声、光或其他方式提醒用户；透支金额可实时记录，当透支金额高于设定的透支门限金额时，电能表发出断电信号，控制负荷开关中
6、断供电；当电能表接收到有效的续交电费信息后，首先扣除透支金额，当剩余金额大于设定值时，方可通过远程或本地方式使电能表处于允许合闸状态，由人工本地恢复供电。,5.1.2 安全认证,1.ESAM模块 2.智能电能表信息交换安全认证,1.ESAM模块,对电能表进行参数设置、预存电费、信息返写和下发远程控制命令操作时，需通过严格的密码验证或ESAM(Embed Safe Application Module)模块等安全认证，以确保数据传输安全可靠。ESAM模块嵌在设备内，实现安全存储、数据加/解密、双向身份认证、存取权限控制、数据加密传输等安全控制功能。,2.智能电能表信息交换安全认证,图5-2 本地
7、费控电能表信息交换过程,2.智能电能表信息交换安全认证,图5-3 远程费控电能表信息交换过程,5.2 专变及公变采集终端,5.2.1 专变及公变采集终端简述 5.2.2 专变及公变采集终端的功能 5.2.3 专变及公变采集终端的通信协议,5.2.1 专变及公变采集终端简述,图5-4 公变采集终端 a)实物图 b)组成框图,5.2.2 专变及公变采集终端的功能,5.2.2 专变及公变采集终端的功能,5.2.2 专变及公变采集终端的功能,表5-1 专变采集终端的功能配置,5.2.3 专变及公变采集终端的通信协议,专变及公变采集终端与主站的通信协议应符合Q/GDW 1302005的要求。专变及公变采
8、集终端与电能表的通信协议应支持DL/T 6451996。,5.3 集中抄表采集终端,5.3.1 集中抄表终端简述 5.3.2 集中抄表终端的功能 5.3.3 集中抄表终端的通信协议,5.3.1 集中抄表终端简述,1.集中器 2.采集器 3.手持抄表器,1.集中器,图5-5 集中器 a)实物图 b)通信接口配置框图,2.采集器,图5-6 采集器 a)实物图 b)通信接口配置框图,3.手持抄表器,手持抄表器的主要功能如下： 1) 设置功能。通过本地通信信道对集中器或采集器进行参数设置。 2) 抄收功能。通过本地通信信道抄收集中器、采集器或电能表的电能数据。 3) 导入功能。通过有线RS-232接口
9、将现场设置的参数和抄收的用户电能数据导入主站数据库。,3.手持抄表器,图5-7 手持抄表器,5.3.2 集中抄表终端的功能,5.3.2 集中抄表终端的功能,表5-2 集中抄表终端的功能配置,5.3.2 集中抄表终端的功能,表5-2 集中抄表终端的功能配置,5.3.3 集中抄表终端的通信协议,集中器与主站的通信协议应符合Q/GDW 376.12009的要求。集中器与本地通信模块的通信协议应支持Q/GDW 376.22009。电能表的载波模块与电能表的通信协议应符合DL/T 6452007及其备案文件的要求。,5.4 专变采集终端设计,5.4.1 概述 5.4.2 终端硬件设计 5.4.3 终端软
10、件设计,5.4.1 概述,基于GPRS的专变采集终端(下称终端)的主要功能是对专用配电变压器(下称专变)进行抄表和监测，并与主站监测计算机依照Q/GDW 1302005电力负荷管理系统数据传输规约(下称负控规约)，通过GPRS网络与主站进行数据交换。专变使用的三相三/四线制电子式多功能电能表具备RS-485通信接口，数据传输遵循DL/T 6451996规约(下称645规约)。终端基于645规约抄读电能量、需量、需量发生时间、参数、实时数据等，并根据所获得的数据监测电能表及配变运行状况。,5.4.2 终端硬件设计,1.系统部分 2.接口部分,5.4.2 终端硬件设计,图5-8 终端硬件结构框图,
11、1.系统部分,(1) CPU (2) 存储器,(1) CPU,选用PHILIPHS公司的LPC2220作为主CPU。该CPU基于ARM7TDMI 32位内核；采用三级流水线以提高指令吞吐量；具备开放式结构总线，能与8位/16位/32位存储器接口，最大寻址空间为4GB；同时集成有通用输入/输出GPIO(General Purpose I/O)、UART、PWM、I2C、SPI、定时器、A/D转换等外设。终端主要的工作是通过RS-485接口抄读电能表、通过GPRS模块连接网络、通过单总线网络采集温度传感器，这些功能均依赖CPU的UART功能；终端的红外通信接口利用PWM模块实现；RTC芯片通过I2
12、C总线连接；状态量监测以隔离电路配合GPIO实现。总之，LPC2220在满足终端功能要求的同时其资源也得到了充分利用，并且由于其最高运行速度达到60MHz，性能裕量适中。,(2) 存储器,终端存储器硬件包括3部分：外扩RAM、外扩NOR FLASH程序存储器和外扩NAND FLASH数据存储器。 LPC2220内部集成了一定数量的RAM、FLASH，使用内部存储器的好处是访问速度相对较快，成本低廉；但其容量受限制，不同型号芯片的内部存储器容量不同(甚至地址空间也不同)，使得软件设计需要更多地考虑可移植性问题，因此设计中不使用片内存储器。终端外扩256KB SRAM芯片IS61LV25616AL
13、，作为程序的运行空间。采用高性能静态存储器，一来减少CPU总线延迟，提高性能；二来静态存储器相对于动态存储器DRAM功耗低很多。终端外扩1MB NOR FLASH SST39VF800A，作为程序存储器；外扩32MB NAND FLASH K9F5608，用于存储应用中需要保存的大量用户数据。,2.接口部分,(1) GPRS模块接口电路 (2) RS-485接口电路,2.接口部分,图5-9 GPRS模块与CPU接口电路,(1) GPRS模块接口电路,使用中兴公司的ME3000 GPRS通信模块，该模块通过TTL电平的UART与CPU接口，电路如图5-9所示。UIMRST、UIMDAT、UIMC
14、LK、UIMVDD是模块与SIM卡的接口线；RESET是模块复位引脚，由CPU的MTMS引脚通过晶体管放大驱动，实现对GPRS模块复位；/RTS、/DTR分别是模块的UART控制信号，因为设计中使用两线模式(TXD、RXD)与CPU通信，故将它们均直接拉低；ON/OFF是模块上/下电控制引脚，由CPU的MP引脚通过晶体管放大驱动，需要在该引脚施加一定宽度的高/低电平信号控制GPRS的上/下电。,(2) RS-485接口电路,图5-10 RS-485接口电路,5.4.3 终端软件设计,1.C/OS-II及其在LPC2220系统上的移植 2.应用程序结构 3.通信软件 4.负控规约解析,1.C/O
15、S-II及其在LPC2220系统上的移植,图5-11 移植框架示意图,2.应用程序结构,(1) 数据 (2) 任务,2.应用程序结构,图5-12 应用程序结构,(1) 数据,1) 收发缓冲区。 2) 临时数据暂存区。 3) 用户参数区。 4) 标志位系统。,1) 收发缓冲区。,GPRS、调试口、红外口数据缓冲区统称为收发缓冲区，一般为先进先出(First In First Out，FIFO)结构，采用环形队列实现，开辟在系统RAM中，通信调度任务负责操作这些缓冲区。每个缓冲区均由收、发两个子缓冲区组成。,2) 临时数据暂存区。,它也被开辟在系统RAM中，存储一些临时数据或中间变量，如电能表抄读
16、数据、温度采集数据、当前累计值等，这些数据会根据用户设置进行冻结，冻结过程由负控规约解析2任务执行。临时数据暂存区在程序开始运行时被创建，可将其实现为多个结构体，采集任务完成一次采集后对其更新。,3) 用户参数区。,它用于保存负控规约全部的设置参数，这些参数控制着终端的运行。运行时，用户参数区存在于RAM中，并以结构体的形式被访问。参数区数据更新时其最新状态被保存到FLASH中，并在终端启动时再次载入到RAM。,4) 标志位系统。,它是一个全局标志位的集合，实现某些任务间通信功能。,(2) 任务,1) UART1数据采集任务。 2) 负控规约解析2任务。 3) 系统及部分规约功能处理任务。 4) 负控规约解析1任务(下称解析1任务)。 5) 通信调度任务。,1) UART1数据采集任务。,它的作用是通过UART1口采集数据，采集对象包括电能表、温度传感器，以电子开关切换的方式实现UART1硬件复用。软件流程为混合采集方式，即电能表按数据块方式采集，在采集电能表数据块间隔内采集温度传感器。这样做的好处是温度采集时间分辨率较高，缺点是需要频繁进行UART复用
