基于智能網絡的自動抄表系統

引言

電力線載波（Power Line Carrier---PLC）自動抄表系統的應用大大提高了供電部門抄表工作效率，減輕了工作人員的抄表工作強度。但隨著日益普及的網絡時代的來臨，網絡化管理將使抄表技術具備更高的效率和生產力。本文以一基于智能網絡的自動抄表系統的方案設計為例，試分析了自動抄表系統在智能網絡中的應用。

1. 通信網和智能網絡

所謂通信網, 是指由各種通信節點（端節點、交換節點、 轉接點）及連接各節點的傳輸鏈路互 相依存的有機結合體, 以實現兩點及多個規定點間的通信體系。由通信網的定義可看出, 從物理結構或從硬件設施方面去看, 它由終端設備、交換設備及傳輸鏈路三大要素組成。這里的終端設備主要包括機、 PC機、 移動終端等設備。交換節點包括程控交換機、 分組交換機、 ATM交換機、移動交換機、 路由器設備等等。傳輸鏈路即為各種傳輸信道, 如電纜信道、光纜信道、 微波、衛星信道及其他無線傳輸信道等。

智能網是在現有網的基礎上發展起來的，能方便、靈活地向用戶提供和處理各種智能化通信新業務的一個網絡體系。

智能網是建立在通信網之上的一種體系結構化的概念, 它可以為各種通信網提供增值業務, 是疊加在各種通信網基礎上的一種網絡。所以，智能網是以計算機和數據庫為核心的，它的主要組成部分有：業務交換點（SSP）——它是用戶進入智能網的接入點，它是一個交換機，用來識別用戶對智能網的呼叫，把用戶的請求傳送給業務控制點。業務控制點（SCP）——是智能網的中心，通常是由大、中型計算機和大型數據庫組成，完成各種智能業務的實現。它接受SSP送來的信息，向數據庫查詢并向SSP發出處理的信令。
圖1智能網與現有通信網的關系
略（詳見《電工儀表與公用表計行業信息》第5期）

2. 基于智能網的自動抄表系統的設計

2.1 基于智能網的自動抄表系統網絡架構

基于智能網的自動抄表系統，是對建立在電力線載波（PLC）通訊網絡、公共交換網絡（PSTN）、計算機網絡（Intranet/Internet）三大網絡，利用多種通訊方式，將分散在用戶現場各電能表數據科學采集、上傳、處理、zui終送到管理層，滿足了抄表計費、管理決策、工程分析的需求。我們可以將這一網絡架構分為三層。分別為用戶層、中間層和管理層。
l 用戶層。用戶層即分散在各小區的用戶電能表。電能表除了進行尖、峰、平、谷等電量的計量外，還要將計量數據采集并保存。通過PLC網絡將該數據進行直接傳輸或通過其它電能表中繼傳輸至數據集中采集設備（簡稱集中器）。集中器將接收的數據進行處理和保存。

l 中間層。集中器采集的電能表數據要及時、主動地向上一層抄表前置計算機（簡稱抄表前置機）上傳。并響應抄表前置機的抄表指令，將抄表數據進行凍結或更新。這一通訊方式常常是基于PSTN、ISDN、GPRS等?？紤]到抄表的經濟性和可靠性，常常采用較成熟的PSTN或ISDN網絡。

l 管理層。當抄表前置機采集到電表現場的數據后，要將該數據再送到數據分析工作站，對數據進行分析、過濾，以保證數據的準確性。然后再將經分析后的數據送到結算中心，進行電量、電費的結算或送至相應的管理部門做為分析、決策的依據（如線電損分析等）。甚至還要通過Internet或95598網（電力部門查詢專號）將用戶數據進行發布，以實現與用戶的互動。這一過程通過計算機網絡實現了數據的進一步交換，我們稱為數據的管理層。

2.2 常見的抄表網絡比較
2.2.1 總線式網

圖2： 總線方式自動抄表方式（略，詳見《電工儀表與公用表計行業信息》第5期）

總線方式自動抄表系統如圖2所示，即在集中器與電能表之間增加了RS485通訊方式進行連接。集中器可以實時地抄收所管轄的電能表數據。這種總線式自動抄表系統具有數據采集一次讀成功率高，可靠性好的優點，但需穿墻打孔，布線麻煩，給工程安裝和系統維護造成很大困難。

2.2.2 無線信道網絡

圖3略（詳見《電工儀表與公用表計行業信息》第5期）
無線信道自動抄表系統如圖3所示，即在集中器和電能表內部裝有無線數傳模塊，集中器通過無線方式將電能表的數據抄收并保存。它的不足之處是無線數傳的有效距離只能達到500-m左右，對于電能表安裝分散的小區不宜使用。

2.2.3 有線電視寬帶網

基于有線電視寬帶網的自動抄表系統一般由RS485/RF轉換器先以RS485方式將同一樓道單元內的電能表數據集中起來，再轉調制為有線電視射頻信號并送到有線電視網。在每個有線臺前端由一個有線調制解調器將電能表數據解調出來，再通過計算機網絡傳到供電部門數據管理中心。這種自動抄表系統的優點是傳輸速率高、一次抄讀成功率高、傳輸可靠，但對有線電視網必須是雙向通信的要求，這與目前實際的情況尚有差距，目前在一些城市或小區還不*具備此條件。

常見通訊方式 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 RS485 1000M 100% 較高
無線 RF 500-M 約90% 較高
有線電視 有線電視網 >1000M 100% 低
電力線載波 電力線 1000M 95% 低

表1：常見的抄表方式比較

2.3 基于PLC網絡的載波電能表和數據集中器設計

PLC自動抄表系統是通過220V電力線進行數據傳輸。每一個載波電能表內除有進行地電能計量電路外，還需有載波耦合電路。它的功能是將電能數據調制到電力線上。常見的調制方式有FSK、ASK和PSK。而處于同一線路上的數據集中器則進行載波信號的解調，接收到數據后將數據保存到存儲器中。這樣，以載波電能表為通訊的端節點和轉接點，以集中器做為通訊的交換節點，以220V電力線做為通訊的傳輸鏈路，就形成了PLC通訊網絡。當載波電能表及集中器掛網之時，就是PLC通訊網絡建成之際。

圖4：PLC網絡拓撲圖（略，詳見《電工儀表與公用表計行業信息》第5期）

2.3.1 載波電能表的設計
由于電力線存在大噪音、高衰減的特點，這就限制了通訊傳輸的距離。這就要求處于PLC網絡的通訊節點—電能表除了具備將信號進行中繼功能外，還需具備一定的噪音阻隔能力。如圖5所示，除有電能計量、電源處理、顯示、通訊等設計外，在載波收發電路與電力線之間還有一噪音阻隔電路，它可以對不同于載波通信頻率的信號進行阻隔。
圖5：載波電能表原理圖（略，詳見《電工儀表與公用表計行業信息》第5期）

2.3.2 集中器的設計
集中器的設計原理框架圖如圖6所示。采用PC104工控機作為數據的抄收、處理的核心單元。其優點是擴展性強，維護性高。抄表程序可以用語言編寫，對抄收的數據采用關系數據庫管理。其閃盤容量為2M（可擴展），后備電池供電，多種通訊端口。這樣確保的數據處理的高可靠性、安全性。
圖6：集中器原理框架簡圖（略，詳見《電工儀表與公用表計行業信息》第5期）

抄表前置機通過PSTN網絡與集中器的MODEM相連，采用AT指令實現數據的交換。集中器載波收發電路中， MCU集成了的載波調制解調芯片，內置看門狗電路設計，保證的載波抄表在異常情況下不死機。另外PC104的多串口特點保證了集中器具備了抄表手持設置（HUU）通訊、紅外通訊、以及RS485等通訊功能。既滿足了遠程通訊的需要，又實現了本地通訊的功能。

集中器硬件高擴展性決定的軟件設計的便捷性。在PC104的硬件環境下，采選擇UNIX或DOS等操作系統。編程語言可選用C語言，直接訪問DBF文件進行數據存儲。程序運行時，先初始化通訊串口、檢測DBF。然后開始檢查是否有事先設定的抄表任務，如有要進行進行抄表，如果沒有則處理待命狀態，隨時響應上位機的指令。
相應的C程序舉例：
if（receive_ready（0）） //檢測串口1數據
{
if （Com_Receive_Data（0）==1） //檢測到上位機指令
{
MyCommand=Receive_Up_Command（）; //識別該指令
if （MyCommand==0） ReadOne（）; //讀表
if （MyCommand==1） ReadAll（1）; //讀現在凍結數據
if （MyCommand==2） ReadAll（2）; //讀上月凍結數據
if （MyCommand==3） ReadAll（3）; //讀上上月凍結數據
if （MyCommand==4） WriteDown（）; //地址加載
if （MyCommand==5） ReadRTUPara（MyCommand）; //讀集中器參數
if （MyCommand==6） WritePara（MyCommand）; //寫集中器參數
if （MyCommand==7） WriteMeter（）; //寫電表參數
if （MyCommand==8） ReadFreeze（1,1）; //執行自動抄表
}
}

具備了上述功能設計后，系統提高了一次抄表成功率，相應地延長了有效通信距離。實驗和應用表明，一次抄表成功率能達到95%以上，有效通訊距離達到m.（一次抄表成功率=一次抄表成功次數/應抄表的總次數*100%）

2.3.3 抄表前置機設計
公共交換網絡（PSTN）是一種語音通信電路交換網絡，包括商業的和政府擁有的。它也指簡單老式業務（POTS）。它是自Alexander Graham Bell發明以來所有的電路交換式網絡的集合。它具有可靠性高、成本低廉的特點。其zui高速率為56kbps，實際速率為20－50kbps，其速率*集中器與抄表前置機之間數據包交換要求。接入方便，通信雙方加上MODEM（調制解調器）就可以通信。

圖7：基于PSTN的抄表前置機與集中器通訊圖（略）

在抄表前置機與集中器之間是通過PSTN網絡進行連接，抄表主機可以通過MODEM撥叫遠方的集中器，集中器收到撥號信號后，自動應答，通信雙方握手，進行數據通信。為了能實時地采集現場數據，并將故障情況及時上報到抄表前置機，這就要求集中器具備主動撥號功能，當現場多個集中器在同一時間撥叫同一抄表前置機時，就會出現占線情況。為解決這個問題，抄表前置機須與MODEM POOL相連，可以滿足同時多個集中器的通信要求。

2.4 基于Intranet/Internet技術的系統軟件設計

2.4.1網絡架構設計
系統采用C/S加B/S式網絡架構，由數據服務器、抄表前置機、數據管理工作站和營業收費工作站組成。服務器進行數據庫的統一管理，既實現了系統的運行，又保證了數據的安全性和完整性。抄表前置機又稱通訊工作站，是進行全天候、無人值守地與集中器及管理表計進行通訊，并完成抄收數據的科學管理。數據管理機又稱管理終端，是由系統管理人員進行數據管理部分，有數據維護、系統設置、權限分配、電量結算、數據分析等功能。收費收費機是面向用電用戶，進行日常電費收繳、用戶查詢、報表打印等營業工作。抄表前置機的通訊部分采用Visual C++ 工具開發，具有通訊的可靠性和性。管理終端采用Borland公司的Delphi工具開發，具有良好的用戶界面和較低的開發與維護成本。營業收費工作站用ASP開發，通過IE或NetScape瀏覽器方便了用戶的查詢和交費。
圖8（略）

2.4.2系統軟件安全可靠性設計
其實現由四個方面構成：*、采用MS SQL SERVER、DB2等中大型網絡數據庫。其安全性高，允許多用戶同時使用同一數據庫而不會破壞完整性，用它來做抄表系統的數據引擎可以保證數據的安全。第二、系統對用戶實現分級授權管理功能，通過檢查使用者的名字和授權密碼，賦予使用者相應的操作權。第三、完善的數據備份功能和系統日志功能。第四、完善的系統自檢、故障告警功能。

2.4.3 系統軟件的功能設計
l 抄表管理功能。系統兼容了標準MODEM 協議、TCP/IP協議，可以實現多種通訊方式。所以，集中器的通訊方式可以靈活地選擇?？刹捎肎PRS/GSM、CDMA、線、Ethenet等。系統可以在設定的時段自動進行抄收實時數據、凍結數據、結算數據，并將數據完整地保存。

遠程設置功能。系統不僅可以遠程設置集中器的所有參數，而且可以在相應的權限許可下通過集中器直接設置表計的時段、表址、費率以及時鐘校時等。

l 數據分析功能。一個完備的系統不但要快迅地抄收到表計的數據，而且要對保證抄收數據的完整性、準確性。這就要求系統有完備的數據分析功能。系統的分析功能有：電量數據計算、電量數據分析、線損量分析、電費擬結算、電費結算。zui終將準確的數據傳到用電MIS或營業計算系統等。

l 擴展功能。為保證用戶能及時地繳費，系統有電費查詢功能。如催費查詢系統，當用戶的剩余電量或電費不足時（對于預付費用戶），系統會自動通過或短信通知用戶。

l 強大的兼容功能。系統可獨立地運行，亦可根據供電公司的實際管理需要，與用電MIS進行兼容或資源共享。系統數據庫有標準的數據接口，可以實現數據的無縫對接;系統軟件也預留了通用接口，用電MIS可以通過調用組件（動態鏈接庫、控件）等方式實現。

3.結論

利用既有PLC、PSTN、Internet網絡自動抄表系統方案，采用成熟的通信技術，可靠的通信信道，將分散于現場的電能表數據，進行了集中抄收，層層上報，zui終以近100%的準確率送到供用電管理層。大大增強了管理部門的抄收效率，提高了與用戶切實的信息互動，適用于對一個區域電能表數據的集中管理，其、靈活及可擴展性又為水、電、氣多表合一提供了可靠的平臺。所以，該模式具有良好的應用前景和現實推廣價值。

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