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集抄系统应用研究毕业论文
集抄系统应用研究毕业论文
摘要
随着信息化社会建设的推进，各行各业都需要提高自动化程度和信息化程度。
电力行业中，抄表是项复杂而繁琐的工作，实现集中抄表可以大大提高电力营销的信息化管理。
同时，随着科学技术的发展，抄表中也逐步引进各种新技术，给抄表带来了革命性的变化。
由于各种原因，目前国的集抄应用围还不是很广泛，和国外有一定的差距。
目前电费管理方式主要有三种，分别是传统的手工抄表、预付费系统和集抄系统。
手工抄表方式工作量大而出错率高，但是一定围还继续存在；预付费系统解决了收电费难的问题，但是应用围不广，稳定性有待提高，且售电模式在法律上存在一定争议；集抄系统大大提高了信息化程度，数据量丰富而实时性强，结合后台管理系统和网络化管理，可以实现功能强大的电力营销模式，将是电力营销的发展方向。
集抄系统的方式多种多样，主要是电力线载波集抄、短消息集抄方式、GPRS/CDMA网络集抄和Zigbee等无线网络集抄方式。
目前来说，无线集抄暂不如电力载波集抄成熟，GPRS/CDMA等公共网络集抄实现了实时在线和信息化管理，逐渐取代短消息集抄方式。
Zigbee凭借强大的功能和自身诸多优点，发展迅速，前景广阔。
关键词集抄系统，电力线载波，GPRS/CDMA网络，Zigbee网络，信息化
1绪论
随着我国电力的市场化运作，急需提高电力自动化和提升服务质量。
在电力营销中，电费的收缴和管理是一项工作量很大而又复杂的任务。
同时，随着科学技术的发展，特别是电力电子技术，电子技术，信息技术和无线网络技术的发展和成熟，电力行业也逐步体会到科技进步带来的便利。
高新技术在电力行业的应用往往带来很好的效益。
在抄表行业中，也经历了几个时代的发展，传统的手工抄表发展到预付费系统再到远程自动抄表系统，再往后的信息化抄表和管理一体化的新的营销方式。
1.1售电管理模式概述
目前，比较多的售电管理方式主要有三种：
（1）传统的人工抄表模式。
这是一种挨家挨户的抄表方式，工作量大，对居民用户的影响大，出错率高，因此而容易引起纠纷。
后来出现了一些手持红外抄表器，利用红外数据传输用手持仪器对电表进行抄表，虽然减少了出错率也可以在离电表几米远的地方抄表而节省了时间，但是还需要一家一户进行，没有发生根本性的进步。
（2）预付费系统模式。
这是一种先交费后用电的电力营销模式。
该系统主要由三个部分构成，分别是后台售电管理系统、电卡、预付费控制器终端。
其工作过程为：
用户需要持电卡到供电部门去买电，供电部门收费后利用后台软件将相应的电量数据写入到用户的电卡。
控制器终端安装在用户的计量箱，通过485总线或者脉冲方式读取多功能电能表的读数。
控制器置继电器，继电器的接点引出到外部，用于控制外部的接触器，以便控制用户的电源。
控制器带有读卡器，用户持保存有电量数据的电卡到控制器的读卡器处将电量数据输入到控制器。
同时，电卡上的电量数据将被清零。
当控制器检测到存储的电量数据快要被用完时，就会发出提示信息，当电量递减到零时就会发出停电信号，给用户停电。
预付费系统也经历好几个时代的发展，有采用红外接口作为数据传输模式的；也有采用电卡传输数据的，而电卡又有非接触式射频卡RFID卡，也有接触式IC卡。
电子式预付费电能表作为新一代电能表,其读卡、通断控制、通断开关等单元中关键部件的使用寿命、抗干扰能力、过负荷能力与长期运行能力等指标还有待于时间考验。
目前只适用于特殊对象,如临时用电、电费回收困难的工商企业,可有针对性地装用安全且质量过关的预付费电能表,并做到按月抄表到位。
预付费系统由于先交费后用电，彻底解决了收电费难的问题，为电力部门带来了便利，是一种新颖的营销模式。
但是，正是这种先交费后用电的模式在法律上并没有得到保证和许可，往往存在很多争议。
技术上，预付费采集的信息量有限，而且只有在买电和充电的时候进行少量的数据交换，无法做到数据的大量采集，更无法做到实时采集，要做到信息化管理就无从谈起。
（3）集中抄表模式。
集抄系统，也称自动抄表系统，是指利用现代电子技术、信息技术等实现电表、水表、气表等表计仪器的自动化集中抄送和处理的系统。
集抄系统不但是技术的进步、生产力的提高的表现，也是实现信息化发展和管理的一种营销模式，具有重要意义。
随着科学技术特别是电子技术的发展数字化社会建设的进行，抄表也同样发生了革命性的进步，出现了载波电表集抄系统、短消息集抄系统和无线网络集抄系统等功能强大而成本较低的信息化抄表系统。
1.2
集中抄表的基本方式和意义
如图1.1所示，集中抄表的基本方式为：
每个电表或者每个电表箱安装一个采集器，通过一定的数据接口和通信协议，从电表上采集电能量等数据，一个区域（比如一个小区或者一个台区）所有的采集器采集到的数据集中到集中器，然后通过一定的网络将数据传送到后台管理机。
系统的组成部件有：
电能表，采集器，集中器，网络和后台管理系统。
集中抄表是目前电力营销现代化的手段之一，集抄系统可以利用现有的功能强大的电力线路网络或者中国移动中国联通和中国电信等无线网络以与Internet互联网进行数据采集和实时监测，安装方便，维护简单，建设成本低，建设周期短。
集抄系统实现了抄表的自动化的同时也向信息化迈进了一大步。
1.3集抄系统国外现状
集抄系统的研究领域主要集中在采集和传输两个方面。
目前，电力系统自动抄表方式主要有：
485总线、无线、红外、普通电力载波、扩频电力载波等。
其中，使用电力线本身作为传输介质的方式由于不用重复线路投资，不产生新的使用费等特点，成为研究的重点。
1.3.1国外研究现状
20世纪30年代，国外就进行了载波通信技术的研究。
我国则起步于60年代，80年代我国已经可以自主生产高压载波机。
但低压载波信道由于技术难题而滞后，近年随着电子技术与通信技术发展，科研工作取得重大突破低压电力线载波技术也逐步成熟。
因此，在国外，远程电力抄表系统的研究比国要早十几年，应用也很广泛，目前已经在向利用电力线载波通信实现家庭自动化的方向上发展了。
1.3.2国研究现状
相对于发达国家，在国，远程电力抄表系统的研究相对落后一些，集抄系统应用也较少，目前处于理论转化为实际应用的时期。
集抄系统的应用效果也不是很好，有的地方甚至退回到人工抄表的方式。
目前主要存在着一下问题：
（1）电能表具有先天不足。
目前使用的电表有很大一部分是传统的机械式电表，还有很多的脉冲式电表。
这些电表的数据格式复杂，需要转换为数字数据，采集和转换过程中容易出错。
（2）电能数据传输中容易受干扰。
由于电力线上接有很多大功率的用电器，启动和停止都会对电力线产生波形影响，从而对载波数据也有一定的影响。
（3）管理模式有待进一步完善。
一项好技术要有很好的管理模式与之密切配合才能收到相应的效益。
1.4本论文主要工作
本论文的主要工作有：
（1）总结抄表的各种方式与其它们的优缺点；
（2）讨论集抄系统的国外发展现状；
（3）研究电能表的电能采集方式和数据接口；
（4）重点研究和讨论电力线载波集抄系统、Zigbee集抄系统、短消息集抄系统和GPRS/CDMADTU集抄系统的结构原理和组网方式，比较总结它们的优缺点；
（5）概述集抄系统的发展和前景。
2电能表数据格式与其采集器
集抄系统中，电能表作为电能计量元件，是最重要的组成部分。
应该说，集抄系统的快速发展的基础是数字化电表。
2.1电能表的格式
目前来说，电表的形式大概可以分为几种：
（1）传统机械式电表。
这种电表已很少在新安装项目中使用，但是仍然有一部分已在用。
机械式电表是通过电场产生磁场，对转盘产生一个力矩而计量电能的，它是通过机械转轮来计量电量。
这种电表计数直观，但是数据是视觉上的而非电子式，与其它电子仪器无法直接接口。
（2）脉冲式电表。
这种电表分为电能测量部件和脉冲部件。
电能测量部件是感应式的，测量到的电量的数据和机械式类同，数据接口则是采用脉冲的方式输出。
当电表有电流流过，相应的元件转动，触发脉冲输出。
对脉冲进行计数即可采集到电量等数据。
（3）红外接口的电能表。
这种电表是电子式电表，测量到的数据保存到非易失性存储器中，通过红外调制信号输出。
用手持仪器或者其它对应的红外数传仪器可以与这种电表进行通信，读取数据并可以设置参数。
（4）485通信接口电子式电表。
这是种新型的工业级的电表，电压和电流通过表的互感器降压，小信号经过处理后送到模数转换部分，经过采样保持和模数转换，把模拟量转换为数字量，再经过表的微型处理器计算和处理，算出有功无功等电量数据，并保存到非易失性存储器中。
这种表功能强大，数据量丰富，可以实现复费率，可记录波峰波谷。
数据接口采用工业级的485接口，稳定可靠，通信数据量大而方便，通用性高。
2.2电表数据采集器
针对以上几种电表以与他们不同的数据接口，采集器的方式也不尽一样。
（1）对于机械式电表，由于没有电子式数据，需要把视觉上的数据转换为电子系统能够识别和存储的数字式数据。
这种转换的方式主要有三种，光感元件、霍尔元件和干簧管。
机械式电表上有一个转盘，有电量流过则会转动，而转盘的转速是和功率成正比的。
比如有的电表标示1600R/kWh，表示每走一度电电表要转1600转。
电表的转盘上有一个黑点，每次转动都会经过电表表面。
因此，要采集机械式电表数据量，可以使用光感元件。
在电表转盘表面处安装一个传感器，传感器的一侧发射一定频率的光线，一般为不可见的红外线，另一侧则为接收部分。
由于转盘是易于反光的铝盘，对光线有反射，而黑点处则不会反光，因此可以根据这个特点自动计量电表转盘的转数。
也有的是在电表转盘上安装一个小型的磁性元件，在表外安装一个霍尔元件或者干簧管，当磁性元件经过霍尔元件或者干簧管时触发一次，这样就可以记下电表的转数。
这种采集器虽然技术比较成熟，但是转盘的黑点和反光部分比较难以区别，很容易造成计数错误而读错数据。
并且要有专门的处理器或者计数器对转数进行计量，系统消耗较大。
对于不同厂家的电表，其电量常数不一样，即每用一度电，转盘的转数是不一样的。
这就要求针对不同的电表也要有不同的专门采集器来采集数据。
（2）脉冲式电表，其接口输出的是一种脉冲。
脉冲数据类似于机械式电表的转盘。
例如电表上标示着6000imp/kWh，表示接口每输出6000个脉冲就走了一度电。
由于脉冲接口的电压不是普通的5V级别的电子系统电压，而且为了减少各个仪器之间的干扰，需要有一个光电耦合隔离。
采集器中需要安装一个光点耦合隔离器，防止电磁干扰。
同样，这种采集器也需要专门的计数器或者微处理器进行计量脉冲数，要求附加器件多。
同样，脉冲式电表的电量常数也不同，也需要针对不同厂家的电表而对采集器做相应的调整。
（3）红外接口的电表，多用于手持抄表器，在远程自动集抄系统中应用不多。
（4）485接口的电表是全电子式的电表，数据通用性强。
485电表已经形成了成熟的电子式电能表通信规约，应用围广。
对485电表进行数据采集很简单，只要增加一个485接口即可，而采集器和电表之间的数据接线也只有两根低压线。
由于485是差分信号，往往采用双绞线。
2.3DL/T645电能表通信规约
485通信的电气连接较简单，采用485转换芯片与单片机的串行口连接，用一个I/O口选择接收或发送即可。
新型的电子式电表应用越来越多，国家也发布了相应的通信规约，这就是DL/T645电能表通信规约。
电能表通信部颁规约有1997版和2007版。
目前大部分用1997版，而新产品启用2007版。
鉴于该通信规约的重要性，做详细讨论。
DL/T645规约的字节格式为：
每字节含8位二进制码，传输时加上一个起始位（0）、一个偶校验位和一个停止位
（1）共11位。
D0是字节的最低有效位，D7是字节的最高有效位。
先传低位，后传高位。
初始速率采用1200bpd。
如图2.1所示。
读取电表数据还有固定的帧格式，以68H开头，68H=01101000B。
比如，读取电表点总电量的指令为：
68DF0123455DDF68010243C35D16H
DF0123455DDF为电能表地址。
在新出的部颁规约DL/T645-2007中，初始通信速率采用2400bpd，数据标识由1997版的2个字节变为4个字节。
以上的读表指令在2007版规约中则应该为：
68DF0123455DDF680104333333332616H
DF0123455DDF为电能表地址。
DL/T645电能表通信规约的颁布和实施，必将大大促进485接口的电子式电能表的长足发展和各种电表数据的统一，方便数据采集和处理，也为集抄系统的大力推广做好了铺垫。
3集抄系统组网方式
集抄系统中，最重要的数据采集和数据传输。
同时，为了实现信息化管理，要求数据是双向传输的，数据采集的同时具备远程控制和监控作用。
目前，集抄系统的组网方式多样，主要有：
电力线载波、GSM网络短消息、Zigbee等短程无线网络、GPRS/CDMA等公共无线网络等。
3.1电力线载波集抄系统
电力线载波（PowerLineCarrier，PLC）通信是利用电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。
电力线载波通信是电力系统特有的通信方式，它是利用现有电力线，通过载波方式高速传输模拟或数字信号的技术，由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输介质，因此具有信息传输稳定可靠、路由合理特点，是唯一不需要线路投资的有线通信方式。
电力线通信是先将数据调制成载波信号或扩频信号，然后通过耦合器耦合到220V或其他交/直流电力线甚至是没有电力的双绞线上。
电力线载波通信不仅提供了实用的新兴通信手段，而且具有现有物理链路、易维护、易推广、易使用、低成本等优点，显示出了良好的前景和巨大的市场潜力。
3.1.1
系统结构
如图3.1所示，电力线载波集抄系统主要组成部分有：
电能表、采集终端和后台管理系统。
采集终端具备与电表的通信功能和载波调制解调功能。
采集器将从电表采集到的数据经过编码，调制后加载到电力线上，数据信号通过调制的高频信号沿电力线传输，像广播一样发送数据。
集中器是一个台区的总站，收集整个台区的所有信号，经过解调后恢复为数字信号，经过一定的网络传给后台管理系统。
这种方式主要以一个小区或者一个台区为集合，统一集合数据后传输给后台。
目前，随着技术的进步，已经实现了垮台区数据传输。
3.1.2组网方式
由于一个台区的围比较小，组网灵活，有时也不使用电力线而专门架设其它的通信线路进行数据传输。
根据电能表和采集器的数据通信方式的不同可以分为：
（1）RS485总线方式集抄方案。
该方案的集中器和采集器之间通过RS485通信。
这种方案抄表速度快，通信可靠，可以保证实时通信，工作稳定。
该系统需要在采集器和集中器之间架设RS485双绞线网络，适合于用户集中的场合。
（2）电力线载波方案。
该方案无需架设额外的通信线路，适合于电表比较分散的场合。
（3）485和电力线载波相结合。
这是一种融合以上两种方案的优点的方案。
在比较集中的用户群中架设485通信网络，数据汇总到一个分集中器。
各个分集中器再把数据经过调制而通过电力线传输给总集中器。
（4）其它方案。
其它方案有很多组合，比如485与无线网络的组合等等，各有优缺点。
3.1.3电力载波集抄系统的不足和改进
电力线载波集抄系统的不足之处主要存在于电表到采集器之间和采集器到集中器之间的环节。
目前来说，电能计量元件大多为脉冲式电表。
由于受外界干扰，表计脉冲输出不稳定而造成电度数等数据读取不准确。
电力线载波调制解调中也存在诸多问题而有时导致数据传输不准确。
目前，485接口的电子式电表被广泛采用，大大提高了数据采集的可靠性和准确率。
电力线调制解调中增加一定的算法和跟踪，可以消除各种强干扰电器对电力线的干扰而是数据传输稳定可靠。
3.2短消息方式集抄系统
短消息模式也称短信模式，或者称基于GSM网络模式。
以前，电力系统抄表中，对实时性和数据传输量和传输速度要求都不高，因此GSM短消息业务（ShortMessageService，SMS）便应运而生。
SMS具有随时随地获取信息的功能,且通信费用低,应用系统相对简单,易于推广使用。
而用于SMS的GSM无线调制解调器有中兴的ZXGM18和西门子的TC35I模块等。
3.2.1
系统结构
如图3.2所示，该系统主要包括后台管理中心、总台短信模块和远端短信模块三个组成部分。
远程短信模块集成了读电表功能和短信收发功能，可以对电表进行数据采集，发送信息并可接收信息而对电表做一定的设置。
总台短信模块是一个无线信号收发总机，所有远程短信模块与后台管理系统之间的数据往来都是通过总台短信模块。
后台管理系统是整个集抄系统的大脑和数据中心，收发数据并可实现一定的监视。
后台管理中心主要完成启动抄表、电力数据的显示、存储和分析以与接收远端模块的其它信息等工作。
而远端短信模块则在收到启动抄表命令后进行读表工作,并将电力数据组织成自定义格式后通过短消息发送到后台管理中心。
同时，远程短信模块还对电表箱的状态进行监控,可以起到防窃电等辅助功能。
系统中采用的短消息业务是GSM系统提供给用户的一种数字业务，具有双向通信能力。
SMS利用了短消息服务中心（SMSC）的存储和转发机制,当接收端关机或不在服务区时，SMSC会暂存短消息;当接收端开机并处在服务区后（一般在24小时）,SMSC立即把该短消息发给接收端。
每条短消息可以传送160个7位编码数据或140个8位编码数据,或70个UNICODE码。
如果超过这个长度则需分多条短消息发送。
在系统中，可以对短消息容进行一定的加密和数据格式设置，加强数据可靠性和安全性。
远程短信模块，这里是一种总称，它包括收发短信的无线模块和抄集电表数据的读表功能，并对数据做一定的编码和解码。
远程短信模块一般利用异步串行通信UART接口与电能表进行通信,还可以扩展一定的开关量输入输出对开关等状态信息进行采集。
3.2.2软件设计
系统软件主要包括后台管理系统程序、远程短信模块程序等。
远程短信模块的程序是下位机程序，主要完成读表程序和发送接收短消息的功能。
后台管理系统程序主要完成各个采集终端的电表的注册、注销等管理工作和启动读表操作以与电表数据的存储、显示和分析工作，同时对远程采集器进行监视和控制。
短信模块采用的数据传输都是采用AT指令，由于这些指令都是以字符AT开头，所以统称为AT指令。
不同的GSM无线短信模块有各自不同的AT指令集。
远程终端短信模块的工作方式为：
一经上电就进行自检，读取非易失性存储器中的参数对系统进行初始化设置。
根据设置，定时对电表进行抄表并向总机发送读取结果。
在接收到总机的指令后，即时完成读表等指定任务。
应该说，终端短信模块的功能可以任意配置，实现多种附加功能。
3.2.3系统评价
基于GSM网络短消息业务的电力远程抄表系统具有良好的移动性,不需要建立专用无线通信网络,同时可靠性也得到保证。
但是，短消息模式集抄系统存在着一定的延时，实时性不够强。
而且传输的数据量有限，总机的工作量很大，系统大时会造成堵塞。
新出现的实时在线的GPRS/CDMADTU数据传输模式采用了比GSM网络优越的网络而实现了功能强大的系统，因此，短消息方式集抄系统正逐步被淘汰。
3.3GPRS方式集抄系统
无线网络DTU（DataTerminalUnit数据终端单元）功能强大，采用GPRS、CDMA等公共无线网络实现网络的建立和数据的传输。
这样的系统以GPRS系统为最具代表性。
无线GPRS电力集抄营销系统具备如下特点：
不需要为多表集抄专门布线，前期投资少、见效快，后期升级、维护成本低；无论在多远的地方，只要可以上网就可以完成对集抄的控制和管理；基本硬件平台扩展潜力巨大，可以方便的扩展到水、燃气等设备的集抄；无需担心传输网络扩容和服务，中国移动为此提供保障。
3.3.1系统结构
如图3.3所示，这是GPRSDTU的主要结构图。
它具有串行数据总线，包括TTL电平的数据接口和RS232、RS485协议的数据接口。
通过该接口从电表读取数据后，经过TCP/IP协议打包后形成一定格式的数据包。
该数据包具有通用的网络协议，可以在网络上传输。
数据包通过GPRS模块拨号上网而被传送到Internet网络上，再通过互联网与数据中心相连接。
GPRS电力集抄系统利用中国移动现有的GPRS/GSM网络，电表和后台系统的所有交换信息通过中国移动的数据通信网关，电力公司配电中心申请固定IP地址，在移动的数据通信网关和供电局配电中心之间申请VPN，并在电力局配电中心建立数据中心，所有电表经过无线智能集中器通过GPRS网络连至该数据中心，实现电表数据和数据中心系统的实时在线连接。
居民用户的用电数据由复费率电表通过485传到无线智能集中器，集中器通过RS232口将数据传至GPRS终端并通过GPRS网络传送至电力公司数据中心电力集抄营销系统。
3.3.2软件设计
GPRSDTU模式中，最重要的是上网的实现。
GPRS上网完全类似于手机上网。
对于DTU终端，需要控制GPRS模块上网，包括TCP/IP协议栈的实现。
后台管理系统同样要实现上网功能，后台相当于一个服务器，而每一台DTU终端是一台客户端机器。
后台系统除了实时上网外，还要实现与短消息模式一样的数据注册和管理，对系统实时监控。
3.4Zigbee无线网络集抄系统
Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。
它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。
最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。
ZigBee是2004年底通过的IEEE802.15.4标准，主要用于自动、远程控制领域与家用设备联网。
ZigBee依据IEEE802.15.4标准，在节点间相互协调实现通信。
它可由多到65000个无线模块组成1个无线网络，每个网络节点间的距离可以从标准的75m到扩展后的几百米，甚至几千米。
无线数据传输速率高达76.8Kb/s。
ZigBee技术采用直接序列扩频（DSSS）技术，主要工作在无需注册的2.4GHz频段。
当前比较流行的几种无线技术有Zigbee、蓝牙、HomeRF和Wi-Fi等。
而ZigBee的主要特点：
低功耗；低成本；时延短；网络容量大；安全可靠。
尤其是ZigBee的低功耗是其他无线设备望尘莫与的，因为ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式。
据测算，ZigBee设备仅依靠2节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。
3.4.1Zigbee通信协议和网络拓扑
ZigBee网络中的设备分为全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD）2种，其中，FFD设备也可作为协调器（Coordinator）使用。
FFD是具有路由与中继功能的网络节点，可以与RFD节点通信也可以与别的FFD节点通信；RFD节点作为网络终端节点，相互间不能直接通信，只能通过FFD节点发送和接收信息，不具有路由和中继功能。
RFD和FFD的硬件结构完全一样，只是网络层不一样；协调器是网络组织者，负责网络组建和信息路由。
ZigBee网络支持星型网（Star）、集群树状网（Cluster）和网状网（Mesh）3种拓扑。
其中，星形网由一个协调器节点和多个网络终端节点组成，终端节点通过协调器实现彼此间的通信；集群树状网是由一个协调器组织的多个星型网，扩大了网络的覆盖围，网络终端节点不但可以接入协调器节点，也可任意接入具有路由功能的FFD节点，但具有路由功能的FFD节点相互之间不能直接通信，只能通过协调器节点的路由功能完成相互间的通信。
网状网是一种高可靠性的网络，与集群树状网不同的是具有路由功能的FFD节点相互间可以直接路由信
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