電子電能表與電能測量技術(shù)講座--電力用戶(hù)自動(dòng)抄
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電子電能表與電能測量技術(shù)講座--電力用戶(hù)自動(dòng)抄表系統
綜合介紹電力用戶(hù)自動(dòng)抄表系統的系統結構、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；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(xiàn)、無(wú)線(xiàn)抄表系統。本講將以前講過(guò)的內容疏理一下，幫助讀者對講座內容有個(gè)全面的了解。與此同時(shí)，對抄表系統中的采集終端和集中器的典型設計方案也作較詳細介紹。
前面17講介紹了許多新型電子電能表和有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)抄表系統。本講將以前講過(guò)的內容疏理一下，幫助讀者對講座內容有個(gè)全面的了解。與此同時(shí)，對抄表系統中的采集終端和集中器的典型設計方案也作較詳細介紹。
? 一種可采集多個(gè)用戶(hù)的終端原理電路見(jiàn)圖2。它由單片機、小鍵盤(pán)、顯示器、串行通信電路、存貯器等構成。經(jīng)程序控制，此終端具有遠方自動(dòng)抄表和人工就地抄表雙重功能；具有設置用電常數，采集、處理、存儲各用戶(hù)用電量及與一級設備通信的功能。
由電子電能表的工作原理知，一段時(shí)間之內用戶(hù)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)間內的采樣次數。表內A/D轉換電路將Ui、Ii轉換為對應的數字量；表內單片機或DSP對它們作數字乘法運算，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)間內用戶(hù)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約接受采集終端的訪(fǎng)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存儲器存儲用戶(hù)的用電數據(用戶(hù)號、年月、用電量等)。為防止終端死機，圖2中設有看門(mén)狗電路。單片機定時(shí)發(fā)脈沖給看門(mén)狗，使它內部的計數器清零；如果在預定時(shí)間內看門(mén)狗沒(méi)有收到單片機發(fā)來(lái)的脈沖，則主動(dòng)發(fā)一脈沖給單片機，使其復位。
由電子電能表的工作原理知，一段時(shí)間之內用戶(hù)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)間內的采樣次數。表內A/D轉換電路將Ui、Ii轉換為對應的數字量；表內單片機或DSP對它們作數字乘法運算，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)間內用戶(hù)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約接受采集終端的訪(fǎng)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存儲器存儲用戶(hù)的用電數據(用戶(hù)號、年月、用電量等)。為防止終端死機，圖2中設有看門(mén)狗電路。單片機定時(shí)發(fā)脈沖給看門(mén)狗，使它內部的計數器清零；如果在預定時(shí)間內看門(mén)狗沒(méi)有收到單片機發(fā)來(lái)的脈沖，則主動(dòng)發(fā)一脈沖給單片機，使其復位。
圖3是一種以單片機89C52為核心構成的集中器硬件電路［1］。它主要由振鈴檢測電路、DTMF(雙音多頻)信號收發(fā)電路、載波通信模塊、存儲器和時(shí)鐘電路等5部分組成。
集中器與主站之間采用電話(huà)信道通信。集中器以振鈴檢測電路及時(shí)響應主站發(fā)出的抄表指令。雙音多頻電話(huà)信號的接收和發(fā)送采用HT9170D和HT9200A及相關(guān)電路實(shí)現。HT9170D是一款具有解碼和濾波功能的DTMF接收芯片，它利用數字計算方法來(lái)識別雙音頻信號，對16種DTMF輸入進(jìn)行解碼。實(shí)際通信時(shí)，雙音頻信號從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信號則在DV端輸出高電平；將OE端置高，單片機就可以從D0～D3端口讀入解碼的輸出。圖3中OE端接+5V，因此，只要用單片機的P3.3不斷檢測DV端電平的變化就能準確地接收DTMF信號。
DTMF信號、D0～D3及電話(huà)按鍵信號的對應關(guān)系見(jiàn)表1。
集中器與主站之間采用電話(huà)信道通信。集中器以振鈴檢測電路及時(shí)響應主站發(fā)出的抄表指令。雙音多頻電話(huà)信號的接收和發(fā)送采用HT9170D和HT9200A及相關(guān)電路實(shí)現。HT9170D是一款具有解碼和濾波功能的DTMF接收芯片，它利用數字計算方法來(lái)識別雙音頻信號，對16種DTMF輸入進(jìn)行解碼。實(shí)際通信時(shí)，雙音頻信號從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信號則在DV端輸出高電平；將OE端置高，單片機就可以從D0～D3端口讀入解碼的輸出。圖3中OE端接+5V，因此，只要用單片機的P3.3不斷檢測DV端電平的變化就能準確地接收DTMF信號。
DTMF信號、D0～D3及電話(huà)按鍵信號的對應關(guān)系見(jiàn)表1。
?DATA、CLK分別接單片機的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動(dòng)電路。單片機用P1.0控制HT9200A的工作狀態(tài)，置低電平時(shí)允許發(fā)送數據。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)鐘信號的下降沿鎖存這些數據。HT9200A接收到這些代碼后，經(jīng)內部處理從DTMF端輸出雙音頻信號，再經(jīng)驅動(dòng)放大后送到電話(huà)線(xiàn)上。單片機對HT9200A的驅動(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存儲器，用來(lái)存儲用戶(hù)的數據；因集中器保存的用戶(hù)數多、時(shí)間長(cháng)，因此選用的存儲器容量一般都很大。圖中PCF8583是一款帶I2C總線(xiàn)、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存儲器，用來(lái)存儲用戶(hù)的數據；因集中器保存的用戶(hù)數多、時(shí)間長(cháng)，因此選用的存儲器容量一般都很大。圖中PCF8583是一款帶I2C總線(xiàn)、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(huà)網(wǎng)與主站管理中心通信。若集中器較多，則租用的電話(huà)線(xiàn)比較多；而且，線(xiàn)路續接還影響通信的實(shí)時(shí)性。為克服上述不足，文獻［2］給出了一種基于CAN總線(xiàn)的解決方案。將位置相對集中的多個(gè)集中器用CAN總線(xiàn)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(huà)與主站通信，大大減少了集中器租用電話(huà)線(xiàn)的數目，降低了通信成本；而且，利用CAN總線(xiàn)的廣播通信方式，還有效提高了系統的實(shí)時(shí)通信能力。除有線(xiàn)通信外，集中器還常以無(wú)線(xiàn)信道(包括中繼)與主站管理中心通信。
主站管理中心的計算機是整個(gè)抄表系統的核心。由它發(fā)布抄表指令，匯總、存儲用戶(hù)用電數據；同時(shí)，通過(guò)對數據庫中數據的統計、分析，打印報表，發(fā)出相關(guān)的控制指令等。
為了實(shí)現抄表、繳表、查詢(xún)一體化，主站用電管理中心可與定點(diǎn)收費銀行聯(lián)網(wǎng)。每到繳費時(shí)間，系統自動(dòng)抄掉用戶(hù)繳費卡上的本月電費。另一方面，管理中心還可通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與用戶(hù)手機聯(lián)系起來(lái)，如發(fā)現繳費卡上的金額低于某一值，可通過(guò)短信息的方式通知用戶(hù)等。
主站管理中心的計算機是整個(gè)抄表系統的核心。由它發(fā)布抄表指令，匯總、存儲用戶(hù)用電數據；同時(shí)，通過(guò)對數據庫中數據的統計、分析，打印報表，發(fā)出相關(guān)的控制指令等。
為了實(shí)現抄表、繳表、查詢(xún)一體化，主站用電管理中心可與定點(diǎn)收費銀行聯(lián)網(wǎng)。每到繳費時(shí)間，系統自動(dòng)抄掉用戶(hù)繳費卡上的本月電費。另一方面，管理中心還可通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與用戶(hù)手機聯(lián)系起來(lái)，如發(fā)現繳費卡上的金額低于某一值，可通過(guò)短信息的方式通知用戶(hù)等。
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