安科瑞 鮑靜君

　　摘要：文章根據(jù)遠(yuǎn)程管理原理，設(shè)計了工業(yè)用電預(yù)付費(fèi)遠(yuǎn)程管理終端及管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為核心硬件，通過手機(jī)短信和無線通訊模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，并實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)異常告警等功能。

　　關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程抄表；ATmega32L; RS-485

　　一、前言

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，工業(yè)用電在整個供電中的比重越來越大，近幾年幾乎每年都有很大的供電缺口，由于工業(yè)用電普遍存在著分散、用電量龐大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的后付費(fèi)用電模式、單一計費(fèi)模式和人工抄表方式正面臨著諸多挑戰(zhàn)：如何防范用電大戶拖欠電費(fèi)、如何減少突發(fā)性電網(wǎng)失常給企業(yè)帶來的損失、如何鼓勵企業(yè)參與調(diào)荷用電。目前普遍采用的傳統(tǒng)手工抄表方法存在著速度慢、可靠性差、浪費(fèi)人力資源等問題，近幾年出現(xiàn)電卡式電表和IC卡電表，雖然技術(shù)含量高、功能多,但存在著一旦出現(xiàn)操作失誤不可更改，且交完電費(fèi)后仍需人工操作等缺點(diǎn)。根據(jù)上述種種實(shí)際情況，文章設(shè)計了工業(yè)電度表預(yù)付費(fèi)遠(yuǎn)程抄表管理系統(tǒng)。

　　預(yù)付費(fèi)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)是將數(shù)據(jù)自動采集、傳輸和處理應(yīng)用于電能供用與管理系統(tǒng)中的一項(xiàng)新技術(shù)，采用無線通訊和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)自動讀取和處理表計數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的基本抄表功能，還可以從根本上克服傳統(tǒng)的人工抄表模式的弊端,給電能管理的現(xiàn)代化創(chuàng)造了良好的條件。

　　二、系統(tǒng)的組成分析

　　文章所談的抄表管理系統(tǒng)，不但能采集遠(yuǎn)程工業(yè)電度表電度數(shù)，實(shí)現(xiàn)抄表自動化，還能對新型工業(yè)電表完成遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，針對突然停電會對企業(yè)的生產(chǎn)造成不良影響、電網(wǎng)異?？赡軙ζ髽I(yè)的設(shè)備造成損害的情況，本系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程管理終端可以在當(dāng)用戶的預(yù)付電費(fèi)即將用盡時給予提示，預(yù)付電費(fèi)用盡時及時斷電并通知用戶，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)缺相等異常情況時及時向用戶發(fā)出告警信息。整個系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要由中心控制微型計算機(jī)(586以上微機(jī))、短信平臺、遠(yuǎn)程管理終端 (RTU)、帶有微處理器的新型工業(yè)電度表等部分組成。如圖1所示，該遠(yuǎn)程抄表管理系統(tǒng)有三層組成一層是中心控制微型計算機(jī)，二層是遠(yuǎn)程管理終端，三層是帶有微處理器和通訊接口的新型工業(yè)電表。為使該系統(tǒng) 具有應(yīng)用范圍廣泛、不受地理?xiàng)l件限制等特點(diǎn)，利用現(xiàn)有的蜂窩移動無線網(wǎng)GSM/GPRS系統(tǒng)，將一層和二曾之間的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計成無線數(shù)據(jù)傳輸方式:中心控制微型計算機(jī)可以通過移動通訊網(wǎng)通過各個遠(yuǎn)程管理終端連接，實(shí)現(xiàn)一對一或一對多的數(shù)據(jù)通信。二層和三層之間數(shù)據(jù)傳輸采用RS-485總線方式。

圖1 系統(tǒng)組成圖

　　帶有微處理器的新型工業(yè)電表是集電度表、脈沖表、分時表、需量表于一體,并帶有RS-485通信接口的多功能電度表。通過RS-485通信接口，可對其用編程器編程,用抄表器抄表。在本系統(tǒng)中，首先由中心控制微機(jī)發(fā)出TA短消息指令，經(jīng)過無線通訊模塊控制遙控遠(yuǎn)程管理終端，后者通過RS-485總線接口，對電度表實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和抄表并傳回中心控制微機(jī)。

　　三、系統(tǒng)主要部件設(shè)計要點(diǎn)

　　3.1系統(tǒng)的管理

　　系統(tǒng)的管理分為兩類：中心控制微型計算機(jī)分布于不同位置的各個電表參數(shù)資料的管理、中心控制微型計算機(jī)對遠(yuǎn)程管理終端的管理。

　　中心控制微機(jī)對各電表資料的管理包括用戶檔案管理、數(shù)據(jù)管理(時段和費(fèi)率設(shè)置、預(yù)交電費(fèi)更新、余額查詢)等。系統(tǒng)運(yùn)行時，在輸入正確的身份信息后，即可進(jìn)入主菜單,根據(jù)具體要求，選擇所要運(yùn)行的條目以及對應(yīng)的參數(shù)。

　　中心微機(jī)對遠(yuǎn)程管理終端的管理要指中心臺與下屬多個遠(yuǎn)程管理終端的通信管理。在中心臺和遠(yuǎn)程管理終端之間,是由無線通信聯(lián)系在一起。

　　為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，中心臺與遠(yuǎn)程管理終端間需要遵守以下約定中心微機(jī)辨別不同管理終端的方式是通過手機(jī)碼來判斷;所有的通信都釆用GSM的短消息點(diǎn)方式進(jìn)行；電度表的數(shù)據(jù)格式應(yīng)盡量統(tǒng)一，以便于設(shè)置和維護(hù)。

　　3.2通訊方式的選擇

　　本系統(tǒng)中，中心臺與遠(yuǎn)終端單元Rtu的通訊采用移動通信網(wǎng)SMS短信息平臺。目前實(shí)際應(yīng)用中常見的主要有電話線遠(yuǎn)程抄表、電力載波遠(yuǎn)程抄表、有線電視網(wǎng)(CATV)遠(yuǎn)程抄表、電纜線遠(yuǎn)程抄表、寬帶遠(yuǎn)程抄表、無線遠(yuǎn)程抄表這幾種方式，前幾種在實(shí)際應(yīng)用不同程度地存在著初期投入費(fèi)用較高，通信線路易受人為損壞等缺點(diǎn)。而無線遠(yuǎn)程抄表，利用小功率無線發(fā)送器和接收器即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)簡單，不需外拉電纜或電話線，投入成本不高，后期維護(hù)費(fèi)用幾乎為零，目前無線通信技術(shù)已經(jīng)非常成熟，此種抄表更適合應(yīng)用于分散的工業(yè)電表。目前蜂窩移動無線網(wǎng)GSM覆蓋面幾乎已遍及全國，網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題基本得到解決，只需在每個設(shè)備中都配備一個無線通訊終端的即可投入使用。

　　遠(yuǎn)程管理終端一側(cè)的通訊選用芯片來實(shí)現(xiàn)，其主要目的一是降低系統(tǒng)的總成本，二是兼顧RTU中的微處理器的控制能力，使RTU中微處理器能對其控制。通訊芯片可選用無線通訊模塊M22A連接SIM卡，若是利用微處理器和模塊通訊，則模塊的RXD可以直接連接MCU的TXD,模塊的TXD可以直接連接微處理器的RXD。若是模塊和中心臺通訊，中心臺可以通過短信息發(fā)送AT命令對模塊進(jìn)行控制。

　　3.3遠(yuǎn)程終端單元(RTU)的設(shè)計

　　遠(yuǎn)程終端單元主要功能：一是在中心微機(jī)控制下收集下屬電表的數(shù)據(jù)(已用電量、用電負(fù)荷等)并進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)由由短消息方式經(jīng)移動通信網(wǎng)傳輸至中心控制微型計算機(jī);二是能夠根據(jù)中心控制微型計算機(jī)的命令，設(shè)置下屬電度表的參數(shù)(如分時用電費(fèi)率、電表常數(shù)等);三是用Atmega32L單片機(jī)及附屬電路完成對電網(wǎng)三相交流電供電狀態(tài)的檢測和預(yù)付費(fèi)余額的檢測，一旦發(fā)現(xiàn)有預(yù)交電費(fèi)不足或電網(wǎng)缺相等情況，立即發(fā)告警短信息給用 戶。

　　為實(shí)現(xiàn)控制微機(jī)和多個電表之間點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，遠(yuǎn)程管理終端還應(yīng)具有以下通信功能:一是與控制微機(jī)的通信，它通過手機(jī)模塊及SIM手機(jī)卡完成連接。二是與下屬的帶有通信接口的工業(yè)電表通信。遠(yuǎn)程管理終端在與它們通信時，也需要遵守以下約定:遠(yuǎn)程管理終端為主動端，所屬電度表為被動端，平時處于接收狀態(tài)；所有的通信都采用串行異步半雙工方式；電度表的數(shù)據(jù)格式應(yīng)根據(jù)具體的電度表型號來確定。

　　根據(jù)上述要求，遠(yuǎn)程終端單元RTU的硬件設(shè)計，如圖2所示。

　?、傥⑻幚砥鱉CU選用ATmega32L八位FLASH單片機(jī)，外掛一片RS-485總線接口器件MAX485負(fù)責(zé)MCU和工業(yè)電能表之間的通訊，1片2路4選1的模擬電子開關(guān)4052用于檢測三相交流電的用電及供電狀態(tài)，主要檢測三相電是否缺相。②無線通訊模塊M22A的控制是利用RTU中的MCUATmega32L對其控制。在設(shè)計時，是把M22A的TXD.RXD分別連接單片機(jī)的RXD.TXD端。③單片機(jī)與電度表之間的連接通過RS485接口實(shí)現(xiàn)。RTU的軟件設(shè)計除主程序外其流程圖如圖3所示，主要包括以下幾個子程序：一是MCU對外設(shè)的管理子程序；二是遠(yuǎn)程管理終端對無線通訊模塊的控制，并與中心臺通信的子程序，主要實(shí)現(xiàn)短信息傳輸協(xié)，它又包括無線通 訊模塊的發(fā)送子程序和無線通訊模塊的接收子程序；三是遠(yuǎn)程管理終端對所屬工業(yè)電度表的數(shù)據(jù)采集、處理子程序。

圖2 遠(yuǎn)程終端單元RTU的硬件設(shè)計

　　四、安科瑞預(yù)付費(fèi)管理系統(tǒng)及現(xiàn)場硬件選型

　　4.1 產(chǎn)品簡介

　　三相預(yù)付費(fèi)電能表分別用于計量額定頻率50Hz的三相交流有功電能，具有預(yù)付費(fèi)控制、負(fù)載控制、時間控制及RS485通信等功能，性能指標(biāo)符合GB/T17215.321-2008標(biāo)準(zhǔn)。該表是改革傳統(tǒng)用電體制、實(shí)現(xiàn)電能商品化解決收費(fèi)難、調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷狀態(tài)以及提高用電管理水平的理想計表。產(chǎn)品符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q31/0114000129C035-2017《導(dǎo)軌式安裝電能表企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

　　4.2 基本功能

　　電能計量：正反向有功、無功電能計量以及三相分相正向有功電能；

　　電量測量：基本電參量測量U、I、P、Q、S、PF、F；

　　脈沖輸出：有功脈沖輸出、時鐘脈沖輸出；

　　通訊功能：支持紅外通訊和兩路RS485通訊，同時支持Modbus、DL/T645-07。

　　4.3 主要特點(diǎn)

　　具備射頻功能，使用非接觸式射頻卡購電；

　　刷卡取電，再次刷卡停電并取回剩余金額/時間；

　　支持按電價購電和按時間購電；

　　具備報警功能，當(dāng)剩余電量不足時，電表背光常亮提醒用戶購電；

　　具備科學(xué)的控制功能，如超負(fù)荷自動斷電功能，單次灌溉時間斷電功能。

　　余額為0時電表自動跳閘斷電；

　　超過設(shè)定使用時間的余額會自動存入電表，隨時可以刷卡取回自己的余額；

　　支持一表多卡，一卡多表使用；

　　卡內(nèi)可記錄本次充值后的近10條用電記錄，再次充值后清除。

　　4.4 平臺結(jié)構(gòu)

圖3 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)整體架構(gòu)

　　4.5 系統(tǒng)簡介

　　集中抄表服務(wù)程序包含三大模塊，除了常年運(yùn)行的定時對所有儀表進(jìn)行集中遠(yuǎn)程抄表以外，還集成了報警短信發(fā)送服務(wù)，能將電費(fèi)金額預(yù)警和欠費(fèi)預(yù)警自動生成手機(jī)短信自發(fā)送給對應(yīng)的租戶租戶，該功能需要與硬件配合使用。

　　系統(tǒng)默認(rèn)半小時對所有表進(jìn)行一次遠(yuǎn)程集中抄表，時間間隔支持個性化配置。

　　4.6 設(shè)備選型

　　注：預(yù)付費(fèi)儀表、電流互感器等應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場回路電流大小等選擇配置，安裝、接線等由甲方負(fù)責(zé)。

　　五、結(jié)束語

　　文章分析的工業(yè)電能表數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)是一個完整的用電自動抄表和管理系統(tǒng)，具有自動化程度高、電量抄集準(zhǔn)確、不受用戶地理?xiàng)l件限制、用戶負(fù)荷大小的限制、兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)。由于Atmega32L的功能十分強(qiáng)大，文中所探討程管理終端并未充分發(fā)揮Atmega32L應(yīng)有的性能，相信隨著對其功能的進(jìn)一步開發(fā)和利用將會促進(jìn)遠(yuǎn)程抄表管理系統(tǒng)功能進(jìn)一步完善，更好的服務(wù)于電力部門，實(shí)現(xiàn)用電管理自動化。