電子電能表與電能測(cè)量技術(shù)講座--電力用戶自動(dòng)抄
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電子電能表與電能測(cè)量技術(shù)講座--電力用戶自動(dòng)抄表系統(tǒng)
綜合介紹電力用戶自動(dòng)抄表系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、采集終端、集中器和相關(guān)的通信信道。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)抄表系統(tǒng)；集中器；采集終端
1引言
前面17講介紹了許多新型電子電能表和有線、無(wú)線抄表系統(tǒng)。本講將以前講過(guò)的內(nèi)容疏理一下，幫助讀者對(duì)講座內(nèi)容有個(gè)全面的了解。與此同時(shí)，對(duì)抄表系統(tǒng)中的采集終端和集中器的典型設(shè)計(jì)方案也作較詳細(xì)介紹。
前面17講介紹了許多新型電子電能表和有線、無(wú)線抄表系統(tǒng)。本講將以前講過(guò)的內(nèi)容疏理一下，幫助讀者對(duì)講座內(nèi)容有個(gè)全面的了解。與此同時(shí)，對(duì)抄表系統(tǒng)中的采集終端和集中器的典型設(shè)計(jì)方案也作較詳細(xì)介紹。
? 一種可采集多個(gè)用戶的終端原理電路見(jiàn)圖2。它由單片機(jī)、小鍵盤(pán)、顯示器、串行通信電路、存貯器等構(gòu)成。經(jīng)程序控制，此終端具有遠(yuǎn)方自動(dòng)抄表和人工就地抄表雙重功能；具有設(shè)置用電常數(shù)，采集、處理、存儲(chǔ)各用戶用電量及與一級(jí)設(shè)備通信的功能。
由電子電能表的工作原理知，一段時(shí)間之內(nèi)用戶消耗的有功電能EP為：
式中，Δt為采樣時(shí)間間隔；Ui、Ii為電壓、電流的第i個(gè)采樣值；n為這段時(shí)間內(nèi)的采樣次數(shù)。表內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換電路將Ui、Ii轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；表內(nèi)單片機(jī)或DSP對(duì)它們作數(shù)字乘法運(yùn)算，產(chǎn)生此時(shí)刻的有功功率；邊采集處理邊累加，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后即得到這段時(shí)間內(nèi)用戶消耗的有功電能。
電子電能表通過(guò)串行口(RS485或RS232)接采集終端，并按事先約定的通信規(guī)約接受采集終端的訪問(wèn)，輸出積算周期的用電量等。
為保證掉電時(shí)不丟失信息，采集終端采用E2PROM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶的用電數(shù)據(jù)(用戶號(hào)、年月、用電量等)。為防止終端死機(jī)，圖2中設(shè)有看門(mén)狗電路。單片機(jī)定時(shí)發(fā)脈沖給看門(mén)狗，使它內(nèi)部的計(jì)數(shù)器清零；如果在預(yù)定時(shí)間內(nèi)看門(mén)狗沒(méi)有收到單片機(jī)發(fā)來(lái)的脈沖，則主動(dòng)發(fā)一脈沖給單片機(jī)，使其復(fù)位。
由電子電能表的工作原理知，一段時(shí)間之內(nèi)用戶消耗的有功電能EP為：
式中，Δt為采樣時(shí)間間隔；Ui、Ii為電壓、電流的第i個(gè)采樣值；n為這段時(shí)間內(nèi)的采樣次數(shù)。表內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換電路將Ui、Ii轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；表內(nèi)單片機(jī)或DSP對(duì)它們作數(shù)字乘法運(yùn)算，產(chǎn)生此時(shí)刻的有功功率；邊采集處理邊累加，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后即得到這段時(shí)間內(nèi)用戶消耗的有功電能。
電子電能表通過(guò)串行口(RS485或RS232)接采集終端，并按事先約定的通信規(guī)約接受采集終端的訪問(wèn)，輸出積算周期的用電量等。
為保證掉電時(shí)不丟失信息，采集終端采用E2PROM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶的用電數(shù)據(jù)(用戶號(hào)、年月、用電量等)。為防止終端死機(jī)，圖2中設(shè)有看門(mén)狗電路。單片機(jī)定時(shí)發(fā)脈沖給看門(mén)狗，使它內(nèi)部的計(jì)數(shù)器清零；如果在預(yù)定時(shí)間內(nèi)看門(mén)狗沒(méi)有收到單片機(jī)發(fā)來(lái)的脈沖，則主動(dòng)發(fā)一脈沖給單片機(jī)，使其復(fù)位。
圖3是一種以單片機(jī)89C52為核心構(gòu)成的集中器硬件電路［1］。它主要由振鈴檢測(cè)電路、DTMF(雙音多頻)信號(hào)收發(fā)電路、載波通信模塊、存儲(chǔ)器和時(shí)鐘電路等5部分組成。
集中器與主站之間采用電話信道通信。集中器以振鈴檢測(cè)電路及時(shí)響應(yīng)主站發(fā)出的抄表指令。雙音多頻電話信號(hào)的接收和發(fā)送采用HT9170D和HT9200A及相關(guān)電路實(shí)現(xiàn)。HT9170D是一款具有解碼和濾波功能的DTMF接收芯片，它利用數(shù)字計(jì)算方法來(lái)識(shí)別雙音頻信號(hào)，對(duì)16種DTMF輸入進(jìn)行解碼。實(shí)際通信時(shí)，雙音頻信號(hào)從L1、L2端輸入，經(jīng)C3、C4隔直后送入9170的第1腳和第2腳。HT9170D接收到有效的DTMF信號(hào)則在DV端輸出高電平；將OE端置高，單片機(jī)就可以從D0～D3端口讀入解碼的輸出。圖3中OE端接+5V，因此，只要用單片機(jī)的P3.3不斷檢測(cè)DV端電平的變化就能準(zhǔn)確地接收DTMF信號(hào)。
DTMF信號(hào)、D0～D3及電話按鍵信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。
集中器與主站之間采用電話信道通信。集中器以振鈴檢測(cè)電路及時(shí)響應(yīng)主站發(fā)出的抄表指令。雙音多頻電話信號(hào)的接收和發(fā)送采用HT9170D和HT9200A及相關(guān)電路實(shí)現(xiàn)。HT9170D是一款具有解碼和濾波功能的DTMF接收芯片，它利用數(shù)字計(jì)算方法來(lái)識(shí)別雙音頻信號(hào)，對(duì)16種DTMF輸入進(jìn)行解碼。實(shí)際通信時(shí)，雙音頻信號(hào)從L1、L2端輸入，經(jīng)C3、C4隔直后送入9170的第1腳和第2腳。HT9170D接收到有效的DTMF信號(hào)則在DV端輸出高電平；將OE端置高，單片機(jī)就可以從D0～D3端口讀入解碼的輸出。圖3中OE端接+5V，因此，只要用單片機(jī)的P3.3不斷檢測(cè)DV端電平的變化就能準(zhǔn)確地接收DTMF信號(hào)。
DTMF信號(hào)、D0～D3及電話按鍵信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。
?DATA、CLK分別接單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2，X1、X2接3.58MHz晶振(C1、C2為20pF電容)，DTMF端雙音多頻輸出端接驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)用P1.0控制HT9200A的工作狀態(tài)，置低電平時(shí)允許發(fā)送數(shù)據(jù)。此時(shí)，在P1.1端串行輸出待編碼的5位二進(jìn)制碼，D0在前，D4在后，并在P1.2端輸出的同步時(shí)鐘信號(hào)的下降沿鎖存這些數(shù)據(jù)。HT9200A接收到這些代碼后，經(jīng)內(nèi)部處理從DTMF端輸出雙音頻信號(hào)，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后送到電話線上。單片機(jī)對(duì)HT9200A的驅(qū)動(dòng)時(shí)序見(jiàn)圖4。
圖3中的載波通信模塊的作用與采集終端的載波模塊的作用大同小異。圖中24C256是串行E2PROM存儲(chǔ)器，用來(lái)存儲(chǔ)用戶的數(shù)據(jù)；因集中器保存的用戶數(shù)多、時(shí)間長(zhǎng)，因此選用的存儲(chǔ)器容量一般都很大。圖中PCF8583是一款帶I2C總線、低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片；DS1232為看門(mén)狗芯片，所起的作用與采集終端中所起的作用相同。
圖3中的載波通信模塊的作用與采集終端的載波模塊的作用大同小異。圖中24C256是串行E2PROM存儲(chǔ)器，用來(lái)存儲(chǔ)用戶的數(shù)據(jù)；因集中器保存的用戶數(shù)多、時(shí)間長(zhǎng)，因此選用的存儲(chǔ)器容量一般都很大。圖中PCF8583是一款帶I2C總線、低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片；DS1232為看門(mén)狗芯片，所起的作用與采集終端中所起的作用相同。
? 圖3所示的集中器通過(guò)電話網(wǎng)與主站管理中心通信。若集中器較多，則租用的電話線比較多；而且，線路續(xù)接還影響通信的實(shí)時(shí)性。為克服上述不足，文獻(xiàn)［2］給出了一種基于CAN總線的解決方案。將位置相對(duì)集中的多個(gè)集中器用CAN總線連接成一個(gè)主多從的局域網(wǎng)，一個(gè)局域網(wǎng)只需一部電話與主站通信，大大減少了集中器租用電話線的數(shù)目，降低了通信成本；而且，利用CAN總線的廣播通信方式，還有效提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信能力。除有線通信外，集中器還常以無(wú)線信道(包括中繼)與主站管理中心通信。
主站管理中心的計(jì)算機(jī)是整個(gè)抄表系統(tǒng)的核心。由它發(fā)布抄表指令，匯總、存儲(chǔ)用戶用電數(shù)據(jù)；同時(shí)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析，打印報(bào)表，發(fā)出相關(guān)的控制指令等。
為了實(shí)現(xiàn)抄表、繳表、查詢一體化，主站用電管理中心可與定點(diǎn)收費(fèi)銀行聯(lián)網(wǎng)。每到繳費(fèi)時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)抄掉用戶繳費(fèi)卡上的本月電費(fèi)。另一方面，管理中心還可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與用戶手機(jī)聯(lián)系起來(lái)，如發(fā)現(xiàn)繳費(fèi)卡上的金額低于某一值，可通過(guò)短信息的方式通知用戶等。
主站管理中心的計(jì)算機(jī)是整個(gè)抄表系統(tǒng)的核心。由它發(fā)布抄表指令，匯總、存儲(chǔ)用戶用電數(shù)據(jù)；同時(shí)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析，打印報(bào)表，發(fā)出相關(guān)的控制指令等。
為了實(shí)現(xiàn)抄表、繳表、查詢一體化，主站用電管理中心可與定點(diǎn)收費(fèi)銀行聯(lián)網(wǎng)。每到繳費(fèi)時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)抄掉用戶繳費(fèi)卡上的本月電費(fèi)。另一方面，管理中心還可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與用戶手機(jī)聯(lián)系起來(lái)，如發(fā)現(xiàn)繳費(fèi)卡上的金額低于某一值，可通過(guò)短信息的方式通知用戶等。
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