預付費遠程抄表系統(tǒng)在工業(yè)用電中的設計與應用

時間：2021-04-16作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：1265

摘要：文章根據(jù)遠程管理原理，設計了工業(yè)用電預付費遠程管理終端及管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以AVR單片機為核心硬件，通過手機短信和無線通訊模塊進行遠程管理，并實現(xiàn)了電網(wǎng)異常告警等功能。 

關鍵詞：遠程抄表；ATmega32L; RS-485
 
一、前言
隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(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，傳統(tǒng)的后付費用電模式、單一計費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、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，且交完電費后仍需人工操作等缺點。根據(jù)上述種種實際情況，文章設計了工業(yè)電度表預付費遠程抄表管理系統(tǒng)。
預付費遠程管理系統(tǒng)是將數(shù)據(jù)自動采集、傳輸和處理應用于電能供用與管理系統(tǒng)中的一項新技術，采用無線通訊和計算機網(wǎng)絡等新技術自動讀取和處理表計數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)不僅能實現(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)，不但能采集遠程工業(yè)電度表電度數(shù)，實現(xiàn)抄表自動化，還能對新型工業(yè)電表完成遠程參數(shù)設置，針對突然停電會對企業(yè)的生產(chǎn)造成不良影響、電網(wǎng)異常可能會對企業(yè)的設備造成損害的情況，本系統(tǒng)中的遠程管理終端可以在當用戶的預付電費即將用盡時給予提示，預付電費用盡時及時斷電并通知用戶，當電網(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(586以上微機)、短信平臺、遠程管理終端 (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，二層是遠程管理終端，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) 具有應用范圍廣泛、不受地理條件限制等特點，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)傳輸設計成無線數(shù)據(jù)傳輸方式:中心控制微型計算機可以通過移動通訊網(wǎng)通過各個遠程管理終端連接，實現(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發(fā)出TA短消息指令，經(jīng)過無線通訊模塊控制遙控遠程管理終端，后者通過RS-485總線接口，對電度表實現(xiàn)遠程編程和抄表并傳回中心控制微機。
 
三、系統(tǒng)主要部件設計要點
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對遠程管理終端的管理。
中心控制微機對各電表資料的管理包括用戶檔案管理、數(shù)據(jù)管理(時段和費率設置、預交電費更新、余額查詢)等。系統(tǒng)運行時，在輸入正確的身份信息后，即可進入主菜單,根據(jù)具體要求，選擇所要運行的條目以及對應的參數(shù)。
中心微機對遠程管理終端的管理要指中心臺與下屬多個遠程管理終端的通信管理。在中心臺和遠程管理終端之間,是由無線通信聯(lián)系在一起。
為實現(xiàn)點對點或點對多點的數(shù)據(jù)傳輸，中心臺與遠程管理終端間需要遵守以下約定中心微機辨別不同管理終端的方式是通過手機碼來判斷;所有的通信都釆用GSM的短消息點方式進行；電度表的數(shù)據(jù)格式應盡量統(tǒng)一，以便于設置和維護。
3.2通訊方式的選擇
本系統(tǒng)中，中心臺與遠終端單元Rtu的通訊采用移動通信網(wǎng)SMS短信息平臺。目前實際應用中常見的主要有電話線遠程抄表、電力載波遠程抄表、有線電視網(wǎng)(CATV)遠程抄表、電纜線遠程抄表、寬帶遠程抄表、無線遠程抄表這幾種方式，前幾種在實際應用不同程度地存在著初期投入費用較高，通信線路易受人為損壞等缺點。而無線遠程抄表，利用小功率無線發(fā)送器和接收器即可實現(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，后期維護費用幾乎為零，目前無線通信技術已經(jīng)非常成熟，此種抄表更適合應用于分散的工業(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)絡覆蓋問題基本得到解決，只需在每個設備中都配備一個無線通訊終端的即可投入使用。
遠程管理終端一側(cè)的通訊選用**芯片來實現(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命令對模塊進行控制。
3.3遠程終端單元(RTU)的設計
遠程終端單元主要功能：一是在中心微機控制下收集下屬電表的數(shù)據(jù)(已用電量、用電負荷等)并進行處理，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;二是能夠根據(jù)中心控制微型計算機的命令，設置下屬電度表的參數(shù)(如分時用電費率、電表常數(shù)等);三是用Atmega32L單片機及附屬電路完成對電網(wǎng)三相交流電供電狀態(tài)的檢測和預付費余額的檢測，一旦發(fā)現(xiàn)有預交電費不足或電網(wǎng)缺相等情況，立即發(fā)告警短信息給用 戶。
為實現(xiàn)控制微機和多個電表之間點對點的數(shù)據(jù)傳輸，遠程管理終端還應具有以下通信功能:一是與控制微機的通信，它通過手機模塊及SIM手機卡完成連接。二是與下屬的帶有通信接口的工業(yè)電表通信。遠程管理終端在與它們通信時，也需要遵守以下約定:遠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)格式應根據(jù)具體的電度表型號來確定。
根據(jù)上述要求，遠程終端單元RTU的硬件設計，如圖2所示。
①微處理器MCU選用ATmega32L八位FLASH單片機，外掛一片RS-485總線接口器件MAX485負責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。在設計時，是把M22A的TXD.RXD分別連接單片機的RXD.TXD端。③單片機與電度表之間的連接通過RS485接口實現(xiàn)。RTU的軟件設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對外設的管理子程序；二是遠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 遠程終端單元RTU的硬件設計


四、安科瑞預付費管理系統(tǒng)及現(xiàn)場硬件選型
4.1 產(chǎn)品簡介
三相預付費電能表分別用于計量額定頻率50Hz的三相交流有功電能，具有預付費控制、負載控制、時間控制及RS485通信等功能，性能指標符合GB/T17215.321-2008標準。該表是改革傳統(tǒng)用電體制、實現(xiàn)電能商品化解決收費難、調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷狀態(tài)以及提高用電管理水平的理想計表。產(chǎn)品符合企業(yè)標準Q31/0114000129C035-2017《導軌式安裝電能表企業(yè)標準》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
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，當剩余電量不足時，電表背光常亮提醒用戶購電；
具備科學的控制功能，如負荷自動斷電功能，單次灌溉時間斷電功能。
余額為0時電表自動跳閘斷電；
過設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 遠程抄表系統(tǒng)整體架構(gòu)
 
4.5 系統(tǒng)簡介
集中抄表服務程序包含三大模塊，除了常年運行的定時對所有儀表進行集中遠程抄表以外，還集成了報警短信發(fā)送服務，能將電費金額預警和欠費預警自動生成手機短信自發(fā)送給對應的租戶租戶，該功能需要與硬件短信貓配合使用。
系統(tǒng)默認半小時對所有表進行一次遠程集中抄表，時間間隔支持個性化配置。 
4.6 設備選型
 
注：預付費儀表、電流互感器等應根據(jù)現(xiàn)場回路電流大小等選擇配置，安裝、接線等由甲方負責。


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、電量抄集準確、不受用戶地理條件限制、用戶負荷大小的限制、兼容性強等特點。由于Atmega32L的功能十分強大，文中所探討程管理終端并未充分發(fā)揮Atmega32L應有的性能，相信隨著對其功能的進一步開發(fā)和利用將會促進遠程抄表管理系統(tǒng)功能進一步完善，更好的服務于電力部門，實現(xiàn)用電管理自動化。

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