基于智能網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)

引言

電力線(xiàn)載波（Power Line Carrier---PLC）自動(dòng)抄表系統(tǒng)的應(yīng)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(qiáng)度。但隨著日益普及的網(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(tǒng)的方案設(shè)計(jì)為例，試分析了自動(dòng)抄表系統(tǒng)在智能網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)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(jié)點(diǎn)（端節(jié)點(diǎn)、交換節(jié)點(diǎn)、 轉(zhuǎn)接點(diǎn)）及連接各節(jié)點(diǎn)的傳輸鏈路互 相依存的有機(jī)結(jié)合體, 以實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)及多個(gè)規(guī)定點(diǎn)間的通信體系。由通信網(wǎng)的定義可看出, 從物理結(jié)構(gòu)或從硬件設(shè)施方面去看, 它由終端設(shè)備、交換設(shè)備及傳輸鏈路三大要素組成。這里的終端設(shè)備主要包括機(jī)、 PC機(jī)、 移動(dòng)終端等設(shè)備。交換節(jié)點(diǎn)包括程控交換機(jī)、 分組交換機(jī)、 ATM交換機(jī)、移動(dòng)交換機(jī)、 路由器設(shè)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(wèi)星信道及其他無(wú)線(xiàn)傳輸信道等。

智能網(wǎng)是在現(xiàn)有網(wǎng)的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(chǔ)上的一種網(wǎng)絡(luò)。所以，智能網(wǎng)是以計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)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(jī)，用來(lái)識(shí)別用戶(hù)對(duì)智能網(wǎng)的呼叫，把用戶(hù)的請(qǐng)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(jì)算機(jī)和大型數(shù)據(jù)庫(kù)組成，完成各種智能業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。它接受SSP送來(lái)的信息，向數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)并向SSP發(fā)出處理的信令。
圖1智能網(wǎng)與現(xiàn)有通信網(wǎng)的關(guān)系
略（詳見(jiàn)《電工儀表與公用表計(jì)行業(yè)信息》第5期）

2. 基于智能網(wǎng)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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

基于智能網(wǎng)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，是對(duì)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(jì)算機(jī)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(xiàn)場(chǎng)各電能表數(shù)據(jù)科學(xué)采集、上傳、處理、zui終送到管理層，滿(mǎn)足了抄表計(jì)費(fèi)、管理決策、工程分析的需求。我們可以將這一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(qū)的用戶(hù)電能表。電能表除了進(jìn)行尖、峰、平、谷等電量的計(jì)量外，還要將計(jì)量數(shù)據(jù)采集并保存。通過(guò)PLC網(wǎng)絡(luò)將該數(shù)據(jù)進(jìn)行直接傳輸或通過(guò)其它電能表中繼傳輸至數(shù)據(jù)集中采集設(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng)集中器）。集中器將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存。

l 中間層。集中器采集的電能表數(shù)據(jù)要及時(shí)、主動(dòng)地向上一層抄表前置計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)抄表前置機(jī)）上傳。并響應(yīng)抄表前置機(jī)的抄表指令，將抄表數(shù)據(jù)進(jìn)行凍結(jié)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(jì)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(dāng)抄表前置機(jī)采集到電表現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)后，要將該數(shù)據(jù)再送到數(shù)據(jù)分析工作站，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、過(guò)濾，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。然后再將經(jīng)分析后的數(shù)據(jù)送到結(jié)算中心，進(jìn)行電量、電費(fèi)的結(jié)算或送至相應(yīng)的管理部門(mén)做為分析、決策的依據(jù)（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(hào)）將用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布，以實(shí)現(xiàn)與用戶(hù)的互動(dòng)。這一過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的進(jìn)一步交換，我們稱(chēng)為數(shù)據(jù)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(jì)行業(yè)信息》第5期）

總線(xiàn)方式自動(dòng)抄表系統(tǒng)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(shù)據(jù)。這種總線(xiàn)式自動(dòng)抄表系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)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(tǒng)維護(hù)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(jì)行業(yè)信息》第5期）
無(wú)線(xiàn)信道自動(dòng)抄表系統(tǒng)如圖3所示，即在集中器和電能表內(nèi)部裝有無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊，集中器通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將電能表的數(shù)據(jù)抄收并保存。它的不足之處是無(wú)線(xiàn)數(shù)傳的有效距離只能達(dá)到500-m左右，對(duì)于電能表安裝分散的小區(qū)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(tǒng)一般由RS485/RF轉(zhuǎn)換器先以RS485方式將同一樓道單元內(nèi)的電能表數(shù)據(jù)集中起來(lái)，再轉(zhuǎn)調(diào)制為有線(xiàn)電視射頻信號(hào)并送到有線(xiàn)電視網(wǎng)。在每個(gè)有線(xiàn)臺(tái)前端由一個(gè)有線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器將電能表數(shù)據(jù)解調(diào)出來(lái)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳到供電部門(mén)數(shù)據(jù)管理中心。這種自動(dòng)抄表系統(tǒng)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(duì)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(qū)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(shù)據(jù)集中器設(shè)計(jì)

PLC自動(dòng)抄表系統(tǒng)是通過(guò)220V電力線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每一個(gè)載波電能表內(nèi)除有進(jìn)行地電能計(jì)量電路外，還需有載波耦合電路。它的功能是將電能數(shù)據(jù)調(diào)制到電力線(xiàn)上。常見(jiàn)的調(diào)制方式有FSK、ASK和PSK。而處于同一線(xiàn)路上的數(shù)據(jù)集中器則進(jìn)行載波信號(hào)的解調(diào)，接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器中。這樣，以載波電能表為通訊的端節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)接點(diǎn)，以集中器做為通訊的交換節(jié)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(dāng)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?fù)鋱D（略，詳見(jiàn)《電工儀表與公用表計(jì)行業(yè)信息》第5期）

2.3.1 載波電能表的設(shè)計(jì)
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?shù)木嚯x。這就要求處于PLC網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點(diǎn)—電能表除了具備將信號(hào)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(jì)量、電源處理、顯示、通訊等設(shè)計(jì)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(duì)不同于載波通信頻率的信號(hào)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(jì)行業(yè)信息》第5期）

2.3.2 集中器的設(shè)計(jì)
集中器的設(shè)計(jì)原理框架圖如圖6所示。采用PC104工控機(jī)作為數(shù)據(jù)的抄收、處理的核心單元。其優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)展性強(qiáng)，維護(hù)性高。抄表程序可以用語(yǔ)言編寫(xiě)，對(duì)抄收的數(shù)據(jù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理。其閃盤(pán)容量為2M（可擴(kuò)展），后備電池供電，多種通訊端口。這樣確保的數(shù)據(jù)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(jì)行業(yè)信息》第5期）

抄表前置機(jī)通過(guò)PSTN網(wǎng)絡(luò)與集中器的MODEM相連，采用AT指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。集中器載波收發(fā)電路中， MCU集成了的載波調(diào)制解調(diào)芯片，內(nèi)置看門(mén)狗電路設(shè)計(jì)，保證的載波抄表在異常情況下不死機(jī)。另外PC104的多串口特點(diǎn)保證了集中器具備了抄表手持設(shè)置（HUU）通訊、紅外通訊、以及RS485等通訊功能。既滿(mǎn)足了遠(yuǎn)程通訊的需要，又實(shí)現(xiàn)了本地通訊的功能。

集中器硬件高擴(kuò)展性決定的軟件設(shè)計(jì)的便捷性。在PC104的硬件環(huán)境下，采選擇UNIX或DOS等操作系統(tǒng)。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(shù)據(jù)存儲(chǔ)。程序運(yùn)行時(shí)，先初始化通訊串口、檢測(cè)DBF。然后開(kāi)始檢查是否有事先設(shè)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(yīng)上位機(jī)的指令。
相應(yīng)的C程序舉例：
if（receive_ready（0）） //檢測(cè)串口1數(shù)據(jù)
{
if （Com_Receive_Data（0）==1） //檢測(cè)到上位機(jī)指令
{
MyCommand=Receive_Up_Command（）; //識(shí)別該指令
if （MyCommand==0） ReadOne（）; //讀表
if （MyCommand==1） ReadAll（1）; //讀現(xiàn)在凍結(jié)數(shù)據(jù)
if （MyCommand==2） ReadAll（2）; //讀上月凍結(jié)數(shù)據(jù)
if （MyCommand==3） ReadAll（3）; //讀上上月凍結(jié)數(shù)據(jù)
if （MyCommand==4） WriteDown（）; //地址加載
if （MyCommand==5） ReadRTUPara（MyCommand）; //讀集中器參數(shù)
if （MyCommand==6） WritePara（MyCommand）; //寫(xiě)集中器參數(shù)
if （MyCommand==7） WriteMeter（）; //寫(xiě)電表參數(shù)
if （MyCommand==8） ReadFreeze（1,1）; //執(zhí)行自動(dòng)抄表
}
}

具備了上述功能設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)提高了一次抄表成功率，相應(yīng)地延長(zhǎng)了有效通信距離。實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用表明，一次抄表成功率能達(dá)到95%以上，有效通訊距離達(dá)到m.（一次抄表成功率=一次抄表成功次數(shù)/應(yīng)抄表的總次數(shù)*100%）

2.3.3 抄表前置機(jī)設(shè)計(jì)
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(jī)之間數(shù)據(jù)包交換要求。接入方便，通信雙方加上MODEM（調(diào)制解調(diào)器）就可以通信。

圖7：基于PSTN的抄表前置機(jī)與集中器通訊圖（略）

在抄表前置機(jī)與集中器之間是通過(guò)PSTN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，抄表主機(jī)可以通過(guò)MODEM撥叫遠(yuǎn)方的集中器，集中器收到撥號(hào)信號(hào)后，自動(dòng)應(yīng)答，通信雙方握手，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為了能實(shí)時(shí)地采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將故障情況及時(shí)上報(bào)到抄表前置機(jī)，這就要求集中器具備主動(dòng)撥號(hào)功能，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)集中器在同一時(shí)間撥叫同一抄表前置機(jī)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)占線(xiàn)情況。為解決這個(gè)問(wèn)題，抄表前置機(jī)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.4.1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用C/S加B/S式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由數(shù)據(jù)服務(wù)器、抄表前置機(jī)、數(shù)據(jù)管理工作站和營(yíng)業(yè)收費(fèi)工作站組成。服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)一管理，既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的運(yùn)行，又保證了數(shù)據(jù)的安全性和完整性。抄表前置機(jī)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(jì)進(jìn)行通訊，并完成抄收數(shù)據(jù)的科學(xué)管理。數(shù)據(jù)管理機(jī)又稱(chēng)管理終端，是由系統(tǒng)管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)管理部分，有數(shù)據(jù)維護(hù)、系統(tǒng)設(shè)置、權(quán)限分配、電量結(jié)算、數(shù)據(jù)分析等功能。收費(fèi)收費(fèi)機(jī)是面向用電用戶(hù)，進(jìn)行日常電費(fèi)收繳、用戶(hù)查詢(xún)、報(bào)表打印等營(yíng)業(yè)工作。抄表前置機(jī)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(hù)成本。營(yíng)業(yè)收費(fèi)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(fèi)。
圖8（略）

2.4.2系統(tǒng)軟件安全可靠性設(shè)計(jì)
其實(shí)現(xiàn)由四個(gè)方面構(gòu)成：*、采用MS SQL SERVER、DB2等中大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。其安全性高，允許多用戶(hù)同時(shí)使用同一數(shù)據(jù)庫(kù)而不會(huì)破壞完整性，用它來(lái)做抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)引擎可以保證數(shù)據(jù)的安全。第二、系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)實(shí)現(xiàn)分級(jí)授權(quán)管理功能，通過(guò)檢查使用者的名字和授權(quán)密碼，賦予使用者相應(yīng)的操作權(quán)。第三、完善的數(shù)據(jù)備份功能和系統(tǒng)日志功能。第四、完善的系統(tǒng)自檢、故障告警功能。

2.4.3 系統(tǒng)軟件的功能設(shè)計(jì)
l 抄表管理功能。系統(tǒng)兼容了標(biāo)準(zhǔn)MODEM 協(xié)議、TCP/IP協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)可以在設(shè)定的時(shí)段自動(dòng)進(jìn)行抄收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、凍結(jié)數(shù)據(jù)、結(jié)算數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)完整地保存。

遠(yuǎn)程設(shè)置功能。系統(tǒng)不僅可以遠(yuǎn)程設(shè)置集中器的所有參數(shù)，而且可以在相應(yīng)的權(quán)限許可下通過(guò)集中器直接設(shè)置表計(jì)的時(shí)段、表址、費(fèi)率以及時(shí)鐘校時(shí)等。

l 數(shù)據(jù)分析功能。一個(gè)完備的系統(tǒng)不但要快迅地抄收到表計(jì)的數(shù)據(jù)，而且要對(duì)保證抄收數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性。這就要求系統(tǒng)有完備的數(shù)據(jù)分析功能。系統(tǒng)的分析功能有：電量數(shù)據(jù)計(jì)算、電量數(shù)據(jù)分析、線(xiàn)損量分析、電費(fèi)擬結(jié)算、電費(fèi)結(jié)算。zui終將準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳到用電MIS或營(yíng)業(yè)計(jì)算系統(tǒng)等。

l 擴(kuò)展功能。為保證用戶(hù)能及時(shí)地繳費(fèi)，系統(tǒng)有電費(fèi)查詢(xún)功能。如催費(fèi)查詢(xún)系統(tǒng)，當(dāng)用戶(hù)的剩余電量或電費(fèi)不足時(shí)（對(duì)于預(yù)付費(fèi)用戶(hù)），系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過(guò)或短信通知用戶(hù)。

l 強(qiáng)大的兼容功能。系統(tǒng)可獨(dú)立地運(yùn)行，亦可根據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接;系統(tǒng)軟件也預(yù)留了通用接口，用電MIS可以通過(guò)調(diào)用組件（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、控件）等方式實(shí)現(xiàn)。

3.結(jié)論

利用既有PLC、PSTN、Internet網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)抄表系統(tǒng)方案，采用成熟的通信技術(shù)，可靠的通信信道，將分散于現(xiàn)場(chǎng)的電能表數(shù)據(jù)，進(jìn)行了集中抄收，層層上報(bào)，zui終以近100%的準(zhǔn)確率送到供用電管理層。大大增強(qiáng)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(duì)一個(gè)區(qū)域電能表數(shù)據(jù)的集中管理，其、靈活及可擴(kuò)展性又為水、電、氣多表合一提供了可靠的平臺(tái)。所以，該模式具有良好的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)推廣價(jià)值。

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