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深圳资江实业有限公司

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无线远程抄表系统


        1 系统应用背景
         挨家挨户敲门查电表的方式,无论是对敲门的人来讲,还是对被敲门的人来讲,都是一件麻烦的事情。现在已有许多住宅用户都用上了预付费电卡,省去了查表的麻烦,但对电力部门来说,数据统计和实时监测仍然是一个有待解决的问题。通过远程抄表系统,电力部门可将工业和民用电表采集的电力系统数据实时传递到地、市、省级的集中监控中心,以实现对电力监测设备的统一监控和分布式管理。

         2 系统概述
         集中抄表系统是指由主站通过传输媒体(无线、有线、电力线载波等信道或ic卡卡等介质)将多个电能表电能量的记录值(窗口值)的信息集中抄读的系统。该系统主要由采集用户电能表电能量信息的采集终端(或采集模块)、集中器、信道和主站等设备组成。集中器数据可通过信道远距离传送到主站或经IC卡等介质集中抄收后输入到主站计算机。居民小区的所有电表首先连接到电表集中器,居民用户的用电数据由复费率电表通过RS485、RS232传到电表集中器,电表集中器通过RS232、RS485、以太网、电话线等透明数据传输终端连接,电表数据经过协议封装后发送到数据网络,数据网络将数据传送至配电数据中心,实现电表数据和数据中心系统的实时在线连接。
系统的功能
        1、定时抄表(周期可调)。
  2、可以同时抄到多块表的数据。
  3、传输速率为9600bPS,
  4、能识别表是否正常工作,如果用户的表有异常错误时本系统有自动上报功能 。
  5、可以远程冻结用户的表。
  6、可以实时跟踪某块表。
  7、定时上报。
  8、可以随时抄取某块表的某项。

3 系统组成
         集中抄表系统由分布在全市、县各地的电表数据采集点,无线/有线的通讯网络和建在省、市、县的电力部门的配电中心站及电力管理部门的数据应用平台组成。
1、电表数据采集点:

  电表数据采集点位于居民小区的信息中心,居民用户的用电数据由复费率电表首先通过RS485接口通过双绞线连接到位于小区信息中心的电表集中器,电表集中器再通过RS232接口与GPRS透明数据传输终端相连。通过GPRS透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到GSM网络,通过 GPRS网络传送至电力公司数据中心电力远程抄表系统,实现电表数据和数据中心系统的实时在线连接。
  电表集中器通过RS485接口直接连接到电表上,既可支持单个电表,也可以同时支持多个电表,实现对电表参数的采集、存储、预处理或并将采集到的电表数据实时传送到配电中心;同时,电表集中器还可将配电中心发送的遥控指令传给电表控制模块,对电表进行控制操作。
2、配电中心

   配电中心服务器申请配置固定IP地址,采用省移动通信公司提供的DDN专线,与GPRS/电话网络相连。由于DDN专线可提供较高的带宽,当电表数据采集点数量增加,中心不用扩容即可满足需求。
  配电中心RADIUS服务器接受到网络传来的数据后先进行AAA认证,后传送到配电中心计算机主机,通过系统软件对数据进行还原显示,并进行数据处理。
  配电中心计算机主机可进行业务管理和计费管理,对电力数据进行校验、计算、存储、分析、管理等,可对异常情况进行告警,同时对用户使用情况实时监控,保证电力局的合法收益。
3、数据传输网络:

  电表集中器采集的数据经网络接口功能模块同时对数据进行解码处理,转换成在公网数据传送的格式,通过数据网络进行传输,最终传送到配电中心IP地址。
 由于通信是基于IP地址的数据分组通信网络,配电中心计算机主机配置固定的IP地址,各个电表数据采集点采用模块和该主机进行通信。


4 系统总体设计
4.1 系统完整性设计
1、系统成套性设计,系统由各类电表系统采集点和中心站及电力部门管理用户应用终端构成。
2、系统软件完整性设计,提供中心站电表采集点组网监控软件一套,包括:数据传输、处理、入库、监控子系统,资料实时显示、历史资料统计查询、故障报警子系统。该软件基于GIS地理信息系统和SQLSERVER数据库开发。另提供采集点数据应用分析软件一套,该软件安装在电力部门管理用户处,提供电网实况监控、资料实时显示、历史资料查询、故障报警和数据分析等功能。
3、防护性能设计。参照相关标准,进行三防性能设计,使自动抄表数据采集设备能相应的电力环境下长期正常稳定地工作。
4、防干扰设计。考虑到仪器全天候无人值守作业,完善可靠的设备防干扰设计是非常重要的。自动采集点配备的防干扰组件提供了涵盖全套设备等一整套保护功能。并具有损坏远程主动报警功能,易于用户及时维护。
5、系统扩充性设计。可扩充性体现在中心站软件和自动站硬件上,现有中心站软件采用GIS地理信息系统,支持5000套以上自动数据采集点的接入与管理。稍加改动,原则上数量不受限制。采用独特的数据库引擎,提供数据的共享和发布。系统中的自动数据采集点,方便今后进行系统的扩充。
4.2 系统先进性设计
1、追求先进的技术指标,其中内控指标应优于客户要求。
2、采用先进的元器件,采用最新的低功耗MCU和高集成度、高性能的若干模块。
3、采用先进的通讯技术,本系统设计可采用均线的GPRS/CDMA1X和SMS短信热备份通讯技术或有线的电话线技术。
4、采用先进的软件技术,采用新的软件开发平台、独特的数据库引擎技术、商用主流地理信息系统。
5、采用先进的数据处理方法,采用数字、数字界限剔除、数字校验与修复技术,提高数据的抗干扰能力,确保数据的正确性。
6、先进的电磁兼容设计。采用新颖的滤波器开关电源,自动站采集器进行电磁兼容设计。
7、先进的防雷技术,电源系统采用3级防雷(交流供电中提供),信号采用2级防雷。
8、先进的结构设计,安装维护简单。
4.3 系统经济性设计
1. 采用具有先进性的成熟产品,自动抄表系统均采用了成熟产品,稳定可靠,减少了技术风险。
2. 采用北京硕人时代的STEC系列数据采集器采用模块化设计,减少维护时备品备件的周转量。
3. 统扩充性强,方便各种子站的接入,减少了系统以后扩容的难度和成本。
4. 完全自主研发,降低了软件费用和硬件成本。
4.4 系统可靠性设计
1、可靠性设计是保证系统质量的关键,决定了产品的固有质量水平。系统硬件和软件均重视可靠性设计。
2、所有自动站都是经过可靠性设计且经过长时间现场业务运行充分验证。
3、重视元器件的可靠性,选用著名品牌的元器件、机壳。如STEC数据采集器的CPU选用美国Motorola公司powerpc32位CPU主频达66MHz,实时Linux操作系统,才用屏闭的外壳设计。
4、通讯可靠性。由推广进入正常商用阶段的无线或有线。通讯承载系统可靠性可以得到保证。通讯组件采用适合恶劣环境的工业级产品。
5、中心站软件可靠性设计。针对电力远程抄表系统的特点,对软件运行中的关键语句进行异常捕捉并记录日志。
6、运行ISO9001-2000质量管理体系,全方位保证产品设计、制造、安装和售后服务的可靠性。

5 系统硬件
5.1 硕人时代ARKA系列的性能

  ARKA系列可编程控制器是北京硕人时代科技有限公司开发生产的基于CAN总线的可编程控制器。ARKA系列控制器采用美国菲斯卡尔PLC专用芯片为主CPU,采用CAN总线作为模块间通讯总线,支持C语言和脚本编程。CPU主频达20MHz16位的,提供48KB的用户程序区、16KB的数据存储区。ARKA系列可编程控制器可以提供一个CAN总路线接口、一个232接口、一个485接口、支持MODBUS协议、CDMA/GPRS通讯等等多种通讯方式。

5.2 系统构成

  ARKA数据采集器是远程抄表系统的核心部分,采集器的性能、稳定性将关系到整个自动站的的性能和稳定性,因此我们结合自动站的要求和现场传感器的实际情况在这两个方面进行了有针对性的加强,在硬件条件已基本确定的情况下,在编程上使用一些措施以弥补硬件的不足和满足自动站的要求。

根据抄表对向的不同我们设计以下三种抄表模式:
5.2.1居民用户抄表系统
1、电表:1.0级单相静止式(电子式)电度表,具有光耦脉冲输出功能。
2、带GPRS功能的采集器(内置Saro-3130P的GPRS-DTU):
(1)24个I/O口,可带24户电度表
  (2)停电数据保护
  (3)带后备电源,停电后仍可抄表
3、抄表内容:(1)电量 (2)其他
  4、抄表形式: (1)自动抄表 (2)定时上报
5、告警内容: (1)开箱告警 (2)停电告警
1)可增加远程控制拉闸功能,电能表要增加内置继电器
  2)技术指标:
  (1)系统容量: 采集器容量:最多接24块电表; 系统容量:原则上不受限制,实际可根据需要和主站电脑的容量确定;
  (2) 通信距离: 采集器与电表:采用双芯多股线,对于机械表,距离≤500m;对于电子式电表,距离≤50m。
  主站与采集器:采用无线或电话网络作为通信介质,距离不受限制;
(3)通信成功率:
  主站与采集器之间,采用基于可靠连接的TCP/IP协议,通信成功率为100%。
5.2.2大集团用户抄表系统
  1、电表:
  A)三相有功无功多功能表,有功0.5级、无功2级,具有RS-485通讯接口,电力部DL/T645通讯规约。或者使用:
  B)三相有功复费率表,有功1级,具有RS-485通讯接口,电力部DL/T645通讯规约。
  实现电能量(有功、无功)的计量和功率因数、电压、电流、频率等参数的测量。
  2、带GPRS功能的采集器(内置Saro-3130P的GPRS-DTU):
  (1)带一个与电能表通讯的RS-485接口,一个与主站系统通信的GPRS接口,三个用于报警监测的开关量输入口和三个用于远程控制的模拟量输出口。
  (2)支持部标通信规约
  (3)停电数据保护
  (4)控制输出(用于远程控制拉闸或其他功能)
  (5)带后备电源,停电后仍可抄表
  3、系统功能
  (1)设置电能表的参数,读取各种计量和管理数据;
  (2)抄表数据的统计、查询、备份、报表、图表生成;
  (3)厂站管理;
  (4)自动抄表、定时上报、实时查询等;
  (5)掉电数据保存;
  (6)瞬时量数据的综合处理;
  (7)系统数据备份、存档和向外输出数据;
  (8)历史数据事件记录功能;
  (9)实时报警;
  (10)根据线路上的表计关系计算线路损耗;
  (11)可提供多路模拟量、开关量输入,实现开箱告警、停电告警、逆相告 警、超温告警、过压告警、过流告警、过载告警、倾斜或移动报警等其他功 能;
  (12)远程控制断电功能;
  (13)采集的参数丰富,如: 当前、上月、正向有功、反向有功、无功四象 限的总及尖、峰、平、谷四费率电量;正向、反向、有功、无功的最大需量 及最大需量发生时间; 有功功率、无功功率、三相电压、三相电流、功率 因数;感想失压累计次数、失压累计时间、集抄器停电起止时间等;单位时 间负荷曲线、三相电流曲线、三相电压曲线、有功功率曲线、无功功率曲线、 功率因数曲线。
7、技术指标:
  (1)系统容量: 采集器容量:最多接255块电表; 系统容量:原则上不受限制每表一号,实际可根据需要和主站电脑的容量确定;
  (2)通信距离: 采集器与电表:采用RS-485接口及屏蔽双绞线,距离≤500m。主站与采集器:采用GPRS网络作为通信介质,距离不受限制;
  (3)通信成功率: 主站与采集器之间,采用基于可靠连接的TCP/IP协议,通信成功率为100%;
  (4)完全符合IEC1107标准及国电公司DL/T645《多功能电能表通讯规约》;
  (5)工作电源:交流220V±20%,50Hz;
  (6)通信速率:1200bps~33.6kbps;
  (7)采集器功耗:≤1.5W
  (8)工作环境条件:温度:-10℃~50℃,相对湿度:≤90%;
  (9)耐压强度:2KV;绝缘电阻:2M欧姆;
  (10)电表数据抄收率、可靠性和读数准确率达到100%。
5.2.3变电站抄表系统
1、电表:三相有功无功多功能表。
2、带GPRS功能的采集器(内置Saro-3130P的GPRS-DTU):
  (1)带一个485口,三个开关量和三个模拟量;
  (2)支持部标通信规约;
  (3)停电数据保护;
  (4)控制输出;
  (5)带后备电源,停电后仍可抄表。

  3、抄表内容:
  (1)电压、电流;
  (2)有功正、反向分时电量;无功四象限分时电量;
  (3)有功正、反向分时最大需量及发生时间;
  (4)无功正、反向分时最大需量及发生时间;
  (5)断相时间、次数及断相期间用电量;
  (6)负荷曲线。
  4、抄表形式:
  (1)自动抄表;
  (2)定时上报;
  (3)实时查询。
  5、告警内容:
  (1)开箱告警;
  (2)停电告警;
  (3)逆相告警;
  (4)超温告警;
  (5)过压告警;
  (6)过流告警;
  (7)过载告警;
  (8)倾斜或移动报警等其他功能。
  6、技术指标:
  (1)系统容量: 采集器容量:最多接255块电表; 系统容量:原则上不受限制每表一号,实际可根据需要和主站电脑的容量确定;
  (2)通信距离: 采集器与电表:采用RS-485接口及屏蔽双绞线,距离≤500m。主站与采集器:采用GPRS网络作为通信介质,距离不受限制;
  (3)通信成功率: 主站与采集器之间,采用基于可靠连接的TCP/IP协议,通信成功率为100%。 2.4系统软件 GPRS自动抄表系统的核心部分是系统软件,它遵循DL/T645部标通讯规约,并有扩展性。

5.3 硬件系统的组成

  该系统由数据采集器与通讯系统和中心控制系统三个主要部分组成。
  ARKA数据采集器是系统的关键部分,它由 CPU 、模拟测量通道、数字测量通道、智能通讯口、数据存储器、以太网接口、电源、防雷保护等装置组成。该系统能够准确的采集数据并及时上传,提供智能判断是否报警,并主动上传报警信息。它可支持 Ethernet、GSM、GPRS 无线等各种通信方式,有效地解决了设备安装的地域问题,提高了组网的灵活性。
  电度表:计量并显示用户的用电情况,将用电信息传输到数据采集器。
  中心站可以选用组态软件,也可以根据用户要求进行定制。方便交管部门在调度中心进行监测。

6 系统软件设计
6.1远程抄表软件设计
远程抄表系统是一个可编程控制器系统,我公司有多年嵌入式软件开发经验,所开发软件满足电力部门的业务规范,有多套软件在可靠运行。嵌入式软件的设计,基于商用RTOS,采用结构化设计方法。并在以下几个方面进行可靠性设计:
(1)RTOS实时多任务操作系统。采用多任务操作系统后,各任务相对独立,互不影响。即使某任务出现故障,也不会影响系统其他任务的正常运行。
(2)软件陷阱。硬件设计中已提供了watchdog电路,软件设计定时进行喂狗处理。在程序的适当地方,编入无条件跳转指令,在程序跑飞后予以捕捉。使软件系统提高其抗干扰能力。
(3)数据抗干扰设计。采用数字滤波、数字界限剔除、数字校验与修复技术,提高数据的抗干扰能力,确保数据的正确性。
(4)科学的软件工程思想指导。在嵌入式软件设计过程中,遵循软件工程规范,进行科学管理,确保软件质量。
6.2 自动站中心站软件功能设计
本软件的设计,遵循软件工程思想:采用面向对象思想进行系统分析与设计,软件实施过程采用project2000和vss项目管理工具进行管理,涵盖了需求分析、系统设计、详细设计、编码、测试、软件实施等环节。软件开发基于windows平台,采用面向对象的VISUAL STUDIO 6.0编程工具和RATIOINAL ROSE UML 分析工具,软件产品成熟而先进。支持常见的大型数据库:ORACLE、SYBASE、DB2、SQL SERVER等,具有良好的扩充性。
高速公路气象监测网系统包含以下多个子系统,各子系统间采用消息通讯机制,既保障各子系统的相对独立性,又可保障系子统之间通讯的实时性。总体设计,基于B/S架构,B/S架构有界面友好、实时性高的特点。
6.2.1 数据传输通讯子系统
这是系统的核心之一,完成通讯链路的监测、建立和维护、数据的双向传输功能。该子系统基于TCP/IP协议,采用多线程设计,根据负载,自动派生线程服务,以提高系统的响应速度,可以支持5000套以上采集点通讯的并发连接。
6.2.2 数据处理子系统
针对每个电度表,都有对应的审核规则,根据规则对接收到的数据进行审核。如有异常的数据,将记录在日志窗口与日志文件中。这些规则可以进行人工编辑,以满足当地特定的需求。
6.2.3 数据入库子系统
该系统对经审核后的数据进行入库工作。后台数据库支持目前主流数据库:SQL SERVER、ORACLE、SYBASE、DB2等。同时,针对第三方的自动气象站与数据,经审核后可以同样完成入库工作,保障数据的完整性。
6.2.4 监控子系统
主要完成硬件的实时监控与通讯质量的监控。
对电度表、通讯设备、数据采集点运行情况进行监控,并在基于GIS的地图上显示,不同的硬件有不同的颜色,并可以对抄表系统和时间段进行故障率统计。
监测资料的传输,根据时次、时段并结合台站进行报到率查询,并在界面上动态显示。
6.2.5 资料实时显示子系统
该子系统主要是采用GIS地图,结合各自动气象站在地图上的分布情况,进行气象数据和报警数据的多种显示功能与查询统计功能。
采用同一显示界面,底图采用GIS精确地图,可进行无级放大或分县(区)显示,主显示界面为常规资料填图方式,可单一要素显示。单一要素可进行等值线分析,有故障出现不同颜色的报警闪烁,不同的功能通过鼠标右键、或在工具栏上按钮实现。
数据可实时自动更新(无需手工刷新),可单要素、多要素分别显示;点击单站点,可显示该站点所有电度表的相应情况。
可切换到站点分布图,在此状态下,可以用小圆球来表示站点的运行状况:红的表示站点运行不正常,绿的表示站点运行正常。鼠标移到圆球上显示站点的系统信息以及最近正常数据的时间。
6.2.6 历史资料统计查询子系统
提供各电力部门,在任意时段,任意要素的查询。在界面上输入查询条件后,
可查询任意电表的历史资料的数据查询。
6.2.7 日志监控功能
在界面上,动态显示、记录当前的主要操作,包括:修改参数、通讯过程、报警信息。同时将这些数据保存到日志文件或者入库,以方便查询。
6.2.8 报警子系统
可以设置报警条件,满足报警值后,该子系统将在界面上进行声光报警,在平面图上用不同颜色的表示不同报警等级,点击站点可显示详细信息。
6.4 软件可靠性设计          
软件可靠性的定义是:软件按规定的条件,在规定的时间内运行而不发生故障的能力。软件的故障是由于它固有的缺陷导致错误,进而使系统的输出不满足预定的要求,造成系统的故障。
为保证软件的可靠性,应在软件的生命周期的各个阶段采取措施,以减少缺陷。
6.5 软件持续改进设计
整套软件各部分功能均为模块化设计,可根据用户实际要求和系统特点进行改进。



7 系统内产品介绍
7.1 概述
对于电力部门来说,远程抄表一直是一件非常头疼的事情,需要投入大量的人力、物力和财力。因为数量众多,地理位置分散,给工作人员带来极大的不便。如今电力公司可利用远程抄表系统对各重要电力节点、大用户电表进行监控,自动读取相关数据并加以分析,还可进一步进行远程控制或设备维护,可减少人力资源、缩短修护时间并节省专线建设成本。
7.2 技术特点
系统的功能与特点有:
  (一)安全可靠:安全性由三方面构成:第一,数据库是大型的、多用户的数据库,它的安全性高,允许多用户同时使用同一数据库而不会破坏完整性,用它来做抄表系统的数据引擎可以保证数据的安全;第二,系统对用户实现分级授权管理功能,通过检查使用者的名字和授权密码,赋予使用者相应的操作权,借鉴银行系统的密码管理模式限制无关人员改变数据库和硬件设置。第三,防火墙功能及完善的数据备份功能,防备系统受到人为的恶意攻击,数据备份功能确保在硬件系统故障时,也能随时在新的硬件设备上数据无丢失地启动抄表系统。
  (二)完善的系统日志:系统日志记录了进入系统,离开系统,收费,设置硬件,改变运行参数操作等及操作者,操作时间,凡是改变数据库的操作都被记录下来。
  (三)抄表速度快:抄表快、数据准确,抄表时PC机只读采集器的数据,数据传输采用1200波特率,传输速度快,并对每个数据块都有效验码,保证了传输的准确性。
  (四)广播对时功能:该功能使得系统中的所有电能表的时间基准与PC机保持一致,对时成功后,由电池供电的电能表内部时钟,不再需要PC机的干预。因此,只要保证在对时时刻,PC机的时间是正确的,以后在运行的过程中,改变PC机的时钟并不会影响电能表的时间。
  (五)自动抄表功能:按照设置的抄表开始时间和抄表间隔,到预定的抄表时刻,系统便会依次拨号去抄采集器或电表内的数据。对于抄不上数据,系统会自动补抄或人工发命令补抄。
  (六)电量冻结功能:可以方便地定义总表,安装和删除总表,给总表分配分表。通过安装适当的总表,结合抄冻结数据功能,就可得某一特定的时刻的总表读数,各分表的读数(由此得到读数和),就可以计算出某部分电路的电能损耗,为确定电费提供依据。
  (七)电费管理功能:收电费前,统一抄录一次电费数据。当确保数据库内的数据反映最近的电表读数后,利用程序中的功能自动计算出当月用电量和电费。交纳电费时,只需输入用户号,当月用电量和电费由程序填写。每笔电费都有详细记录,便于对帐。
  (八)设备管理功能,如告警:开箱告警、停电告警、逆相告警、超温告警、过载告警、倾斜或移动报警等;控制:对欠费用户进行拉闸等。并提供停电数据保护功能,在停电48--72小时内仍可抄表和监控。本系统结合移动公司的短信平台,在告警时,可根据具体内容发短信给相关的管理人员。
  本系统适应范围广泛,单相版的软件可用于小区管理,网络版的软件可用于供电公司实现一座城市或地区的用电管理。 

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