預付費遠程抄表系統在工業(yè)用電中的設計與應用

摘要：文章根據遠程管理原理，設計了工業(yè)用電預付費遠程管理終端及管理系統，該系統以AVR單片機為核心硬件，通過(guò)手機短信和無(wú)線(xiàn)通訊模塊進(jìn)行遠程管理，并實(shí)現了電網(wǎng)異常告警等功能。

關(guān)鍵詞：遠程抄表；ATmega32L; RS-485

一、前言

隨著(zhù)我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，工業(yè)用電在整個(gè)供電中的比重越來(lái)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(zhù)分散、用電量龐大等特點(diǎn)，傳統的后付費用電模式、單一計費模式和人工抄表方式正面臨著(zhù)諸多挑戰：如何防范用電大戶(hù)拖欠電費、如何減少突發(fā)性電網(wǎng)失常給企業(yè)帶來(lái)的損失、如何鼓勵企業(yè)參與調荷用電。目前普遍采用的傳統手工抄表方法存在著(zhù)速度慢、可靠性差、浪費人力資源等問(wèn)題，近幾年出現電卡式電表和IC卡電表，雖然技術(shù)含量高、功能多,但存在著(zhù)一旦出現操作失誤不可更改，且交完電費后仍需人工操作等缺點(diǎn)。根據上述種種實(shí)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。

預付費遠程管理系統是將數據自動(dòng)采集、傳輸和處理應用于電能供用與管理系統中的一項新技術(shù)，采用無(wú)線(xiàn)通訊和計算機網(wǎng)絡(luò )等新技術(shù)自動(dòng)讀取和處理表計數據。該系統不僅能實(shí)現傳統意義上的基本抄表功能，還可以從根本上克服傳統的人工抄表模式的弊端,給電能管理的現代化創(chuàng )造了良好的條件。

二、系統的組成分析

文章所談的抄表管理系統，不但能采集遠程工業(yè)電度表電度數，實(shí)現抄表自動(dòng)化，還能對新型工業(yè)電表完成遠程參數設置，針對突然停電會(huì )對企業(yè)的生產(chǎn)造成不良影響、電網(wǎng)異?？赡軙?huì )對企業(yè)的設備造成損害的情況，本系統中的遠程管理終端可以在當用戶(hù)的預付電費即將用盡時(shí)給予提示，預付電費用盡時(shí)及時(shí)斷電并通知用戶(hù)，當電網(wǎng)出現缺相等異常情況時(shí)及時(shí)向用戶(hù)發(fā)出告警信息。整個(gè)系統的組成如圖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 具有應用范圍廣泛、不受地理條件限制等特點(diǎn)，利用現有的蜂窩移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)GSM/GPRS系統，將一層和二曾之間的數據傳輸設計成無(wú)線(xiàn)數據傳輸方式:中心控制微型計算機可以通過(guò)移動(dòng)通訊網(wǎng)通過(guò)各個(gè)遠程管理終端連接，實(shí)現一對一或一對多的數據通信。二層和三層之間數據傳輸采用RS-485總線(xiàn)方式。

圖1 系統組成圖

帶有微處理器的新型工業(yè)電表是集電度表、脈沖表、分時(shí)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(guò)RS-485通信接口，可對其用編程器編程,用抄表器抄表。在本系統中，首先由中心控制微機發(fā)出TA短消息指令，經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊模塊控制遙控遠程管理終端，后者通過(guò)RS-485總線(xiàn)接口，對電度表實(shí)現遠程編程和抄表并傳回中心控制微機。

三、系統主要部件設計要點(diǎn)

3.1系統的管理

系統的管理分為兩類(lèi)：中心控制微型計算機分布于不同位置的各個(gè)電表參數資料的管理、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(hù)檔案管理、數據管理(時(shí)段和費率設置、預交電費更新、余額查詢(xún))等。系統運行時(shí)，在輸入正確的身份信息后，即可進(jìn)入主菜單,根據具體要求，選擇所要運行的條目以及對應的參數。

中心微機對遠程管理終端的管理要指中心臺與下屬多個(gè)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(wú)線(xiàn)通信在一起。

為實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的數據傳輸，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(guò)手機碼來(lái)判斷;所有的通信都釆用GSM的短消息點(diǎn)方式進(jìn)行；電度表的數據格式應盡量統一，以便于設置和維護。

3.2通訊方式的選擇

本系統中，中心臺與遠終端單元Rtu的通訊采用移動(dòng)通信網(wǎng)SMS短信息平臺。目前實(shí)際應用中常見(jiàn)的主要有線(xiàn)遠程抄表、電力載波遠程抄表、有線(xiàn)電視網(wǎng)(CATV)遠程抄表、電纜線(xiàn)遠程抄表、寬帶遠程抄表、無(wú)線(xiàn)遠程抄表這幾種方式，前幾種在實(shí)際應用不同程度地存在著(zhù)初期投入費用較高，通信線(xiàn)路易受人為損壞等缺點(diǎn)。而無(wú)線(xiàn)遠程抄表，利用小功率無(wú)線(xiàn)發(fā)送器和接收器即可實(shí)現數據的傳輸，系統簡(jiǎn)單，不需外拉電纜或線(xiàn)，投入成本不高，后期維護費用幾乎為零，目前無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)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(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)GSM覆蓋面幾乎已遍及全國，網(wǎng)絡(luò )覆蓋問(wèn)題基本得到解決，只需在每個(gè)設備中都配備一個(gè)無(wú)線(xiàn)通訊終端的即可投入使用。

遠程管理終端一側的通訊選用芯片來(lái)實(shí)現，其主要目的一是降低系統的總成本，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(wú)線(xiàn)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(guò)短信息發(fā)送AT命令對模塊進(jìn)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據(已用電量、用電負荷等)并進(jìn)行處理，將數據由由短消息方式經(jīng)移動(dòng)通信網(wǎng)傳輸至中心控制微型計算機;二是能夠根據中心控制微型計算機的命令，設置下屬電度表的參數(如分時(shí)用電費率、電表常數等);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(hù)。

為實(shí)現控制微機和多個(gè)電表之間點(diǎn)對點(diǎn)的數據傳輸，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(guò)手機模塊及SIM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(shí)，也需要遵守以下約定:遠程管理終端為主動(dòng)端，所屬電度表為被動(dòng)端，平時(shí)處于接收狀態(tài)；所有的通信都采用串行異步半雙工方式；電度表的數據格式應根據具體的電度表型號來(lái)確定。

根據上述要求，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(xiàn)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(kāi)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(wú)線(xiàn)通訊模塊M22A的控制是利用RTU中的MCUATmega32L對其控制。在設計時(shí)，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(guò)RS485接口實(shí)現。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(gè)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(wú)線(xiàn)通訊模塊的控制，并與中心臺通信的子程序，主要實(shí)現短信息傳輸協(xié)，它又包括無(wú)線(xiàn)通 訊模塊的發(fā)送子程序和無(wú)線(xiàn)通訊模塊的接收子程序；三是遠程管理終端對所屬工業(yè)電度表的數據采集、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及現場(chǎng)硬件選型

4.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)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(shí)間控制及RS485通信等功能，性能指標符合標準。該表是改革傳統用電體制、實(shí)現電能商品化解決收費難、調節電網(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《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(wú)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(shí)鐘脈沖輸出；

通訊功能：支持紅外通訊和兩路RS485通訊，同時(shí)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(shí)間；

支持按電價(jià)購電和按時(shí)間購電；

具備報警功能，當剩余電量不足時(shí)，電表背光常亮提醒用戶(hù)購電；

具備科學(xué)的控制功能，如超負荷自動(dòng)斷電功能，單次灌溉時(shí)間斷電功能。

余額為0時(shí)電表自動(dòng)跳閘斷電；

超過(guò)設定使用時(shí)間的余額會(huì )自動(dòng)存入電表，隨時(shí)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 平臺結構 

圖3 遠程抄表系統整體架構

4.5 系統簡(jiǎn)介

集中抄表服務(wù)程序包含三大模塊，除了常年運行的定時(shí)對所有儀表進(jìn)行集中遠程抄表以外，還集成了報警短信發(fā)送服務(wù)，能將電費金額預警和欠費預警自動(dòng)生成手機短信自發(fā)送給對應的租戶(hù)租戶(hù)，該功能需要與硬件配合使用。

系統默認半小時(shí)對所有表進(jìn)行一次遠程集中抄表，時(shí)間間隔支持個(gè)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現場(chǎng)回路電流大小等選擇配置，安裝、接線(xiàn)等由甲方負責。

五、結束語(yǔ)

文章分析的工業(yè)電能表數據采集和管理系統是一個(gè)完整的用電自動(dòng)抄表和管理系統，具有自動(dòng)化程度高、電量抄集準確、不受用戶(hù)地理條件限制、用戶(hù)負荷大小的限制、兼容性強等特點(diǎn)。由于A(yíng)tmega32L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(zhù)對其功能的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用將會(huì )促進(jìn)遠程抄表管理系統功能進(jìn)一步完善，更好的服務(wù)于電力部門(mén)，實(shí)現用電管理自動(dòng)化。

參考文獻：

[1] 師明，孫旋，工業(yè)用電預付費遠程抄表管理系統.

[2] 李泓，AVR單片機入門(mén)與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué) 岀版社,2008.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2020.06版

[4] 安科瑞用戶(hù)測電能計量與預付費管理解決方案手冊 2020.02版