电力用户用电信息采集终端课件

36935-5A 主编36935-5A 主编1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专变采集终端设计第5章电力用户用电信息采集终端5.1智能电能表5.225.1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5.1.1智能电能表的功能5.1.235.1智能电能表图5-1智能电能表a)实物图b)原理框图5.1智能电能表图5-1智能电能表a)实物图b)原理45.1.1智能电能表的功能1.数据存储2.冻结3.通信4.费控5.1.1智能电能表的功能1.数据存储2.冻结3.通信51.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。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62.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。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73.通信(1)RS-485通信(2)红外通信(3)载波通信(4)公网通信3.通信(1)RS-485通信(2)红外通信(3)8(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。(1)RS-485通信1)RS-485接口与电能表内部9(2)红外通信1)应具备调制型或接触式红外接口，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。(2)红外通信1)应具备调制型或接触式红外接口，默认配10(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。(3)载波通信1)电能表可配置窄带或宽带载波通信模块。11(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)公网通信1)电能表的无线通信接口模块应采用模块化124.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。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135.1.2安全认证1.ESAM模块2.智能电能表信息交换安全认证5.1.2安全认证1.ESAM模块2.智能电能表信息交换141.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。1.ESAM模块对电能表进行参数设置、预存电费、信息返写和下152.智能电能表信息交换安全认证图5-2本地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5-2本地费控电能表信息交162.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175.2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专变及公变采集终端5.2.1专变及公变采集终端简述185.2.1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5.2.1专变及公变采集终端简述图5-4公变采集终端a195.2.2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205.2.2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215.2.2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5.2.2专变及公变采集终端的功能表5-1专变采集终端的225.2.3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。专变及公变采集终端与电能表的通信协议应支持DL/T 6451996。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235.3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集中抄表采集终端5.3.1集中抄表终端简述5.3245.3.1集中抄表终端简述1.集中器2.采集器3.手持抄表器5.3.1集中抄表终端简述1.集中器2.采集器3.手持251.集中器图5-5集中器a)实物图b)通信接口配置框图1.集中器图5-5集中器a)实物图b)通信接口配置框262.采集器图5-6采集器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273.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.手持抄表器手持抄表器的主要功能如下：283.手持抄表器图5-7手持抄表器3.手持抄表器图5-7手持抄表器295.3.2集中抄表终端的功能5.3.2集中抄表终端的功能305.3.2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315.3.2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325.3.3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。5.3.3集中抄表终端的通信协议集中器与主站的通信协议应符335.4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终端软件设计5.4专变采集终端设计5.4.1概述5.4.2终端硬345.4.1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。5.4.1概述基于GPRS的专变采集终端(下称终端)的主要355.4.2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1.系统部分2.接口部分365.4.2终端硬件设计图5-8终端硬件结构框图5.4.2终端硬件设计图5-8终端硬件结构框图371.系统部分(1)CPU(2)存储器1.系统部分(1)CPU(2)存储器38(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I2C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。(1)CPU选用PHILIPHS公司的LPC2220作为主39(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，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)存储器终端存储器硬件包括3部分：外扩RAM、外扩NO402.接口部分(1)GPRS模块接口电路(2)RS-485接口电路2.接口部分(1)GPRS模块接口电路(2)RS-48412.接口部分图5-9GPRS模块与CPU接口电路2.接口部分图5-9GPRS模块与CPU接口电路42(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、UIMCLK、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。(1)GPRS模块接口电路使用中兴公司的ME3000 GP43(2)RS-485接口电路图5-10RS-485接口电路(2)RS-485接口电路图5-10RS-485接口电路445.4.3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5.4.3终端软件设计1.C/OS-II及其在LPC22451.C/OS-II及其在LPC2220系统上的移植图5-11移植框架示意图1.C/OS-II及其在LPC2220系统上的移植图5-1462.应用程序结构(1)数据(2)任务2.应用程序结构(1)数据(2)任务472.应用程序结构图5-12应用程序结构2.应用程序结构图5-12应用程序结构48(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)数据1)收发缓冲区。2)临时数据暂存区。491)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。1)收发缓冲区。GPRS、调试口、红外口数据缓冲区统称为502)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。2)临时数据暂存区。它也被开辟在系统RAM中，存储一些临513)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。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524)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。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53(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。(2)任务1)UART1数据采集任务。2)负控规541)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复用切换，每次切换后进行短时延时，造成整个采集过程拖长。1)UART1数据采集任务。它的作用是通过UART1口采552)负控规约解析2任务。它实现按负控规约冻结数据的功能。负控规约中规定了对数据按时、日、月、抄表日等时间段冻结，冻结规则由用户参数控制，被冻结的数据来自临时数据暂存区，冻结结果保存在FLASH文件系统中。2)负控规约解析2任务。它实现按负控规约冻结数据的功能。563)系统及部分规约功能处理任务。它的流程分为两部分：一是系统功能部分，如喂狗、指示灯状态控制，这些操作与其他任务相对独立，只涉及对少量全局标志位系统的访问；二是实现负控规约的部分功能，如状态量变位处理、终端停/上电处理、心跳包处理等，这些操作需要定时执行。3)系统及部分规约功能处理任务。它的流程分为两部分：一是系574)负控规约解析1任务(下称解析1任务)。它实现终端通信数据准备及分析的功能，与通信调度任务配合实现终端数据通信。解析1任务接收来自通信调度任务的规约数据，根据来帧要求构建回帧，构建过程涉及对各个全局缓冲区及FLASH文件系统的访问，最后将回帧交给通信调度任务。该任务封装了绝大部分负控规约的实现，设计时将其核心功能封装成一个通用模块，实现多种接口方式，并提供接口扩展能力，可在其他应用中复用。4)负控规约解析1任务(下称解析1任务)。它实现终端通信数585)通信调度任务。由于终端有GPRS网络、调试口、红外口多种通信方式，需要一个调度器协调这些数据通道工作。通信调度任务基于会话的处理方式，即监测到某通道一帧有效数据后就立刻将其发送到解析1任务进行处理，并等待将处理结果返回给通道，如果通信过程涉及多帧(即会话式通信)，则处理该通道会话请求直到会话结束，调度器必须保证同一时刻只有一个请求发给解析1任务。5)通信调度任务。由于终端有GPRS网络、调试口、红外口多593.通信软件(1)通信底层硬件操作与串口API(2)GPRS通信(3)多功能电能表通信(4)单总线温度传感器DS18B20通信3.通信软件(1)通信底层硬件操作与串口API(2)G603.通信软件图5-13串口通信软件结构3.通信软件图5-13串口通信软件结构61(1)通信底层硬件操作与串口API根据上述移植框架，FIQ底层处理与串口API相互配合，封装了串口收发的硬件控制，而呈现给上层的是一组与硬件无关的API函数，规约解析层使用硬件驱动层提供的API实现对UART的控制。(1)通信底层硬件操作与串口API根据上述移植框架，FIQ62(2)GPRS通信图5-14GPRS模块软件处理流程(2)GPRS通信图5-14GPRS模块软件处理流程63(3)多功能电能表通信645规约是用于多功能电能表的数据采集规约，终端与电能表之间采用问答式通信，即终端提出数据请求，电能表响应数据。程序处理流程可归纳为发送询问帧、等待应答、解析数据并将其置入缓冲区。(3)多功能电能表通信645规约是用于多功能电能表的数据采64(4)单总线温度传感器DS18B20通信终端通过单总线驱动器DS2480B连接单总线温度传感器DS18B20，实现温度监测功能。DS2480B将单总线网络通过UART1连接到CPU，使得对单总线网络中温度传感器的访问转化成了一组UART操作，并且DS2480B在硬件上对单总线时序做了优化，确保自身与被驱动网络通信的可靠性。(4)单总线温度传感器DS18B20通信终端通过单总线驱动654.负控规约解析(1)接口(2)执行方式4.负控规约解析(1)接口(2)执行方式66(1)接口解析1任务需要与各个全局数据区接口，以获取构建规约帧所需的数据，如图5-15所示。1)负控规约中查询一类数据(实时数据)要求解析1任务与临时数据暂存区接口。2)历史数据查询要求解析1任务与FLASH文件系统接口。3)规约中的参数查询/设置命令要求解析1任务与用户参数区接口。4)解析1任务与全局标志位系统接口是为了完成系统及部分规约功能处理任务的遗留工作，如心跳包的处理。(1)接口解析1任务需要与各个全局数据区接口，以获取构建规67(2)执行方式解析1任务有两组输入/输出，一组是与通信调度器的通信，另一组是对全局数据区的访问。与通信调度器的通信通过一对收发缓冲器来实现，该缓冲器只有一级，意味着只能同时处理来自一个通道的数据。解析1任务所有的输入/输出都是缓冲区形式，其执行方式为查询触发式，即任务轮询接口缓冲区，包括全局标志位系统和单级收发缓冲区，一旦发现需要处理的数据则立刻处理，然后继续轮询过程，如图5-15所示。(2)执行方式解析1任务有两组输入/输出，一组是与通信调度68(2)执行方式解析1任务无限循环执行，一次循环流程为：轮询检查发现待处理数据锁定执行(读写临时数据暂存区、FLASH文件系统、用户参数区，构造数据帧)输出结果(将构造帧填入单级收发缓冲区、将事件存入FLASH文件系统)。任务对单级接收缓冲区的检查实际上就是接收用户数据帧，这些数据帧可能来自GPRS模块、调试口或红外通道，对应负控规约中的参数查询/设置、数据召测指令；对全局标志位系统的检查实际上对应终端事件的处理，系统任务产生的事件标志位置在全局标志位系统中，解析1任务将其发现并构造成负控规约帧进行保存和上报。(2)执行方式解析1任务无限循环执行，一次循环流程为：轮询69图5-15解析1任务图5-15解析1任务70