电耗数据远程管理系统在选煤厂中的研究与应用.docx

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电耗数据远程管理系统在选煤厂中的研究与应用

目录

前言1

第1章概况2

1.1新桥选煤厂电耗数据远程管理系统概况2

1.2电耗数据远程管理系统的解决方案2

1.3国内外技术研究现状及发展趋势3

1.4智能电耗数据远程管理系统5

1.5电耗数据远程管理采用低压电力线载波通信网6

第2章研究目的及意义7

第4章电耗数据远程管理系统的构成及功能8

4.1电耗数据远程管理系统的组成结构8

4.2电耗数据远程管理系统的通信应用技术18

第5章系统的软件设计23

5.1数据采集器的软件设计23

5.2数据集中器的软件设计27

第6章实施方案和步骤29

6.1改造的总体思路29

6.2技术方案29

6.3系统创新点33

第7章研究成果效果评价34

第8章分析与总结35

8.1经济效益分析35

8.2社会效益分析35

前言

信息化社会在逐步改变人们的生活方式与工作习惯的同时，也对一些传统的理念提出了挑战。

电耗数据远程管理系统是为了计量和管理对水、电、气等能源、资源的消费状况，并为收费提供依据而产生的。

同时，随着生活水平的提高，人们对资源的消费日益增长，资源消费的计量、管理和收费工作日益繁杂，提高管理层次和自动化水平的产品必然会应运而生。

为了解决传统的抄表方式费用流失、管理费用庞大、数据统计和计算的工作量大、计费的精度难以保障以及人为的统计错误给用户带来极大不便等问题，实现自动抄表、自动计费，已成为新型现代化工业生产数字化管理的必备条件。

远程智能抄表系统的问世，彻底改变了传统的费时费力的人工抄表方式。

管理部门足不出户，通过电脑网络自动抄表系统就能准确知道各级用户的水、电、气等的使用情况。

可以实现自动抄表、计费、统计，体现了高科技、智能化的科学管理模式。

在国外，对电耗数据远程管理技术的研究起步较早且比较深入，从标准的制定到抄表专用芯片的生产都已经比较成熟，多种电耗数据远程管理技术得到了相对广泛的、成功的应用。

在我国由于国情不同，不能照抄照搬。

只能在利用国外先进技术的基础上，走自己的发展道路，各种电耗数据远程管理技术虽有应用，但量不大，成功的较少，电耗数据远程管理技术的研究有较大的发展空间。

第1章概况

1.1新桥选煤厂电耗数据远程管理系统概况

新桥选煤厂电耗数据远程管理系统是指利用传感技术、自动控制技术和计算机网络技术自动读取和处理电、气、水表数据，并将信息加以综合处理的系统，随着无线通信数字网络的发展，电耗数据远程管理已成为发展的必然趋势。

新桥选煤厂开发应用的电耗数据远程管理系统通过在全厂七个配电室中安装多功能电力仪表实现数据采集，通过无线传输模块将数据传输至服务器，系统软件进行综合智能处理，生成统计图、报表等，经过授权的客户端即可访问查询有关信息，实现数据共享，便于用电管理，有效避免了前期人工抄表不经济、不准确、不及时等弊端，极大地提高了工作效率，使新桥选煤厂用电管理和经营管理更加科学化。

1.2电耗数据远程管理系统的解决方案

电耗数据远程管理系统的工作原理：

电耗数据远程管理系统是采用计算机和网络技术，通过专用现场设备进行远距离的表头数据自动抄录。

一般通过数据采集器对表头输出的数字信号进行采集，经过数据转换后传输给单片机对数据进行处理，并监控表头是否正常工作，单片机将处理好的信号通过网络传输到远程终端，由计算机对数据进行处理、显示、存储、打印，再通过与银行网络互连，实现自动付费。

控制中心可显示小区内主要设备的运行状况，并可远程控制这些设备，使设备运行于最佳模式。

当设备发生故障时，控制中心发出警报并通知运行人员处理事故。

而整个电耗数据远程管理系统的关键在于采取哪种方式进行数据传输，目前国内外主要流行以下三种传输方式。

1.2.1通过电信运营商的无线网络进行数据传输

现场设备把数据通过电信运营商的GSM或者GPRS网络进行远程传输，这种技术优点是无需敷设线路，信号覆盖面广，通讯可靠性高、可对电表设备进行远程控制。

缺点是建筑部分区域（如地下室等）信号不能覆盖，而且网络通讯时需要按流量或者次数支付给电信运营商一定的费用，长期使用成本高。

1.2.2通过电力载波技术进行数据传输

电力载波通讯是指利用现有电力线缆，通过载波方式将信号进行高速传输的技术。

最大特点是不需要重新架设网络，节省通信线路架设费用，只要有电缆，就能进行数据通信。

但是缺点也较明显，对系统的可靠性要求比较高，线路噪声大，传输容量相对比较小，传输频带受限，技术门槛较高。

1.2.3通过有线局域网进行数据传输

数据通过敷设的有线通信电缆进行通信，这种通信方式数据延迟低，传输速率快，前期投入比电力载波低，后期运行只需要少量的资金进行设备维护，传输信号质量比电力载波和GPRS网络好，没有信号盲点。

缺点就是需要重新敷设通信线路，可能会损坏原有的装修，不过对于新建筑来说可以预留线孔，影响相对较小。

所以本设计采用通信成本低廉，通信速率最快，稳定性好，技术门槛低的有线局域网进行数据的远程传输。

而有线传输方案中CAN总线有明显的技术优势，所以系统总线协议采用CAN总线，CAN总线的直接通信距离能达到10km，而且CAN总线对通信介质无特殊要求，可以采用价格低廉的双绞线进行通信，完全可以满足小区内电耗数据远程管理的需求。

1.3国内外技术研究现状及发展趋势

电力公司为了商业收费而进行的抄表工作可以追溯到l00多年前。

早期的力一法是抄表员走家串户，读取用户表计的数据，并记录在抄表记录本上由此生成用户缴费所需的帐单。

当抄表系统采用通信、网络和计算机技术后，使得抄表系统可实现手持终端抄表，车载无线电抄表以及全自动抄表（AMR,AutomaticMeterReading）。

到日前为止，常见的抄表方式有如下几种：

1.3.1人工抄表

由抄表员人工读取用户表计的数据并记录在抄表记录本上。

早期，是人工计算用户的用电量、用水量或用气量并生成帐单。

后来，随着电脑的广泛应用，采用电脑来加速帐单的生成和防止人为的错误。

这种基本的方式100多年来一直在使用。

1.3.2手持终端（手持电脑）人工抄表

这种方法可以将表计的数据人工读出并录入手持终端，生成帐单。

有些手持终端还够“聪明”可以向抄表员批示抄表路线，指示与表计有关的特殊信息（如某个院子有恶狗），提示抄表员可能出现错误（如用电量超出正常范围、电表反转）等功能。

1.3.3手持终端（手持电脑）自动抄表

当各表计具有红外通信、无线电通信、RS-232C,RS-485、电力线载波通信等接口时，手持终端可以通过通信接口自动读取表计的数据。

这种方式在表计难以接近（如表计被锁在室内、表计附近有恶狗）时特别有用。

1.3.4车载无线电抄表

通过小功率无线电收发器进行表计和手持电脑或车载电脑的通信，抄读表计的数据，降低了抄表过程的工作量。

1.3.5自动抄表（AutomaticMeterReading）

全自动抄表是指抄表主站（MasterStation）通过通信通道（如电话网、无线电通信、电力线载波（PLC）通信、有线电视电缆通信、光纤电缆通信、专用线路通信等）自动地读取每一只表计的数据，通过遥测、传输和计算机系统汇总到营业部门，代替人工抄表及一连串后续工作。

用于电力系统的自动抄表系统按其用途分类，主要有用于抄读低压电力用户表计的抄表系统和用于抄读变电站（发电厂）关口及大用户表计的抄表系统。

目前低压用户集中抄表系统主要完成电能量数据的自动采集和处理，为电能量计费和用电管理系统提供准确的数据。

1.4智能电耗数据远程管理系统

智能电耗数据远程管理系统基本解决了人工抄表和一般自动抄表系统的难题，不但能够实现水、电、气表的远程查抄、计量和收费等功能，还具有通断控制功能（控制中心需取得通断控制的合法权限），同时在系统中增加了各种防护措施，包括防断线、防强磁干扰、防开启等，能够自动检测断线、强磁干扰、非法检修等状态，并由管理中心计算机显示。

此外智能采集器预留多个数字采集端口，可采集住户的若干报警信息并通过软件处理报警信息，为其他系统的集成进入（如安全防护系统）留有接口。

智能电耗数据远程管理系统的优越性在于:

只要有用水、电、气的地方，就需要计费结算，通过集中计费系统，可以在不必进入住户住宅的情况下实现完整、合理的分摊与结算，并降低抄取数据的费用;由于从读数设备到帐单打印全部采用严密的电子数据传输，避免了人为读数错误，增强用户对计费计算的信任度，避免了烦琐的走访式抄表，减少了对用户的干扰。

1.5电耗数据远程管理采用低压电力线载波通信网

自动抄表系统中的通信系统，有很多方式,本论文采用低压电力载波通信方式.

低压电力线载波通信网,利用低压电力线作为AMR系统的底层数据通道运行成本低,无疑是很方便的。

其通信的基本原理如图1-1所示。

图1-1低压电力线载波通信基本原理220vAC

在发送数据时，发送器先将数据调制到一高频载波上，再经过功率放大后通过藕合电路藕合到电力线上。

信号频带一般为50KHz-300KHz，峰值电压不超过l0V，因此不会对电力线路造成不良影响。

此高频信号经线路传输到接收方，接收机通过藕合电路将高频信号分离出来，滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号。

低压电力线载波通信网的系统结构同RS-485系统结构，采用总线结构。

在同一变压器台区下，一个集中器采集若干个采集器或电能表的数据，构成一个总线型网。

第2章研究目的及意义

开展此次研究和应用的主要目的，一是为适应集团公司科技创新的需要，将原先的电表分散管理到电耗数据远程管理系统集中管理水平的转变来带动整体管理水平的提高，达到技术共享平台，以达到集中化、标准化、集成化管理的目标，为全厂电量合理控制、节能减排管理提供有力保障。

二是通过该项目的研究和应用，实现全厂配电室电表数据的自动读取，数据传输和综合处理，避免了人工抄表的弊端，使企业自动化水平得到进一步提升。

此次研究与应用的意义在于，应用先进的远程数据管理系统，提高对全厂电耗数据的管理水平，减轻员工人工抄表的工作量和出错率，完善新桥选煤厂现代化的管理模式。

通过给厂各生产区域配电室加装测量仪表，将各种用电仪表统一建设归纳到远程自动抄表系统平台。

通过电耗数据远程管理系统开发实现抄表自动化、用电数据信息自动分析等目标。

第4章电耗数据远程管理系统的构成及功能

4.1电耗数据远程管理系统的组成结构

电耗数据远程管理主要是通过远程智能终端的计量和数据采集，并通过网络或其他传输方式传送到特定系统的一种抄表方式，并在系统中完成其他形式的操作。

它具有精确、快速、实时等特点，能完成整个抄表的任务。

电耗数据远程管理系统一般主要由手持终端或中心站计算机、集中器、采集终端（或载波电表）和计量表组成的网络系统，据调查研究，大多数电耗数据远程管理系统在结构上大同小异。

图4-1电耗数据远程管理系统结构框图

4.1.1集中器

数

据集中器在抄表系统中起着很重要的作用，工作原理如下图。

图4-2集中器工作原理框图

集中器根据已设置好的不同的抄表方案对各载波电表实现双向数据传送，具有内部硬时钟可与系统进行广播校时，并实施定时抄表命令，存储抄表数据，可通过各种网络媒介与主站完成数据交换。

集中器的作用是将配变台区载波电能表连成本地网络，能自动抄录数据采集终端及载波单表的数据，集中并存储。

通过抄表器或电话线将数据传输给电力局的计算机中心。

从图4-2可看出，数据集中器是由CPU,RAM、直流电源、指示电路及接口组成，是一个能通过载波接口及RS232接口与外界通信的单片机系统。

下面简要介绍各组成部分:

（1）直流电源:

利用220V交流电降压后，经整流、滤波、稳压后分别得到+24V,+5V.

（2）指示电路:

指出数据集中器工作是否正常、欠压。

（3）主机:

由CPU,RAM以及附加电路组成运行程序，完成各项功能。

（4）接口电路:

具有RS232接口、载波通信接口、RS485接口两个接口电路。

其中RS232接口和RS485接口是通过电缆进行抄表器通信、计算机通信。

载波通信接口是利用电力线与载波单表、采集终端进行载波通信。

工作原理，CPU与RAM的工作原理与一般的计算机系统类似，这里主要介绍接口的工作原理。

（1）RS232接口

由9脚D型插座与外部设备联系，D型插座所有脚上的信号电平都是EIA电平:

“0”（+3V—+15V）,“1”（-3V—15V）。

这种电平，经过几十米导线传输衰减后，仍能区分“1”或“0”，而TTL/CMOS电平经导线传输衰减后很难区分“1”或“0”。

所以，凡是数据集中器输出到D型插座的信号（RTS,TD,DTR）需将TTL/CMOS电平转换成EIA电平，凡从D型插座输入给数据集中器的信号（DCD,RD,RI，CTS）需将EIA电平转换成TTL/CMOS电平。

电平转换是RS232接口的第一个功能。

RS232接口的第二个功能是传递通信的应答信号，以便步调一致，顺利地通信。

（2）MODEM功能

EIA电平在30m距离内传输，衰减后仍能辨认，所以数据集中器与抄表器之间通信，只需通过D型插座将它们相连就行了。

由于直接相连，应答信号可以免去，只需发送数据、接收数据、地线三根线相连就可以了。

超过30m距离就不用专用线了、一般借用电话线。

但电话线只能传输模拟信号，通带很窄（30-3kHz），而数据集中器与计算机中传递的都是数字信号“1”与“0”其跳变部分含有很高的频率成分。

如在电话线上直接传输数字信号，将产生很大的失真，无法区分“1”与“0”造成数据传输出错。

为了能用电话线传输数字信号，在发送端必须先将数字信号“1”与“0”转换成2kHz与1kHz的音频信号（属于模拟信号，在电话线的通带范围之内），再调制到电话系统的载波上，沿电话线传输出去，在接收端再进行反变换，将模拟信号还原成数字信号“1”与“0”数据集中器将数据传送计算机。

这个任务是MODEM来完成。

发送端的MODEM是将数字信号变换成模拟信号、接收端的MODEM是将模拟信号变换成数字信号。

（3）载波通信接口

本接口的核心是电力线载波通信集成电路。

在发送状态时，它把数字信号调制成调频信号而发送到电力线上。

在接收状态时，它能从电力线上接收微弱的调频信号，经限幅放大后，解调成数字信号，滤去高频谐波噪声等，再整形成数字信号。

A、发送电路

当TXIRX输入端为“1”时，集成电路处于发送状态，其框图如图4-3所示。

数字信号经调制器去控制电流控制振荡器，将“1”和“0”分别变成65kHz与67.9kHz的三角波，经正弦波发生器整形成正弦波，经自动电平控制（ALC）到功放输出。

电流控制振荡器的中心频率fo=65kHz，由Co粗调，Ro细调。

ALC实现输出幅度自动调节，当负载阻抗很高时，ALC将减少驱动，当负载阻抗低时，ALC提供大的驱动，本芯片发送电流可达60mAP-Pe输出电压幅度由负载阻抗和输出电流决定。

如输出电流不够（在传输距离远，负载阻抗低时）可外接功率放大器。

B、接收电路。

当TXIRX端输入“0”时，集成电路处于接收状态。

框图如图4-4所示。

4.1.2数据采集终端

数据采集终端是一个测量电表用电量的单片机系统，如下图4-5所示。

其中主机是核心，程序存在主机CPU中。

由于单元式公寓一个单元大多为10-14户，所以数据采集终端设计为16户。

表计输出的采样脉冲，经过输入电路实现信号电平转换，再经施密特电路整形变换成方波，以满足单片机对输入信号的要求。

因为单片机的P门只能通8路数据，所以16路脉冲，要采用分时制，先通1-8路，再通9-16路，故需要经过一个选通电路。

图4-5数据采集终端

附加电路,为确保数据采集终端安全可靠地运行，除上述主要组成部分之外，还有许多附加电路，如看门狗、掉电检测、实时时钟、状态指示电路、蜂鸣器、片外EPROM等。

数据保护是数据采集终端的关键问题之一。

采用看门狗电路、系统复位电路和上、掉电检测电路，就是为了保护数据。

实时时钟电路提供时间（年、月、日、时、分、秒）。

状态指示电路，用以指示数据采集终端的运行状态，分三种:

A,正常运行时，短路片断开，“底度”指示灯闪烁。

B、常亮（设置参数时除外）或常暗，表示数据采集终端工作不正常。

C、设置参数时，短路片接通，“底度”指示灯常亮。

数据采集终端内装有备份电池，停电时为时钟芯片供电，以保持时间正确。

“欠压”指示灯亮时，表示电池电压低，应换新电池。

片外EPROM各户的表号、电表常数、底度、功率限额等参数及整数值用电量，都保存于这个EPROM中。

停电时，这些数据也能长期保持。

数据采集终端的线路示意图如图4-6所示。

此电路有两套供电工作系统，即正常供电情况下的供电和断电情况下的供电。

在正常情况下，由市电转化后的电源供给单片机89C51和单片机89C2051工作。

在这里，两个单片机都不断检测用户电表电平，当检测到某个用户电表电平发生由高到低的变化时，单片机89C51将把记录用户电表度数的相应存储区内的用户电表度数加一，若单片机89C2051检测电平发生由高到低的变化，在把存储器X25045内的电表度数加一之前，还需要检测一个标志位的电平，当这个标志位的电平为低时，不进行计数。

图4-6采集器线路示意图

而正常供电情况下，这个标志位的电平一直为低。

所以正常供电情况下，单片机89C2051只能检测脉冲变化，而不能进行计数。

与此同时，单片机还不断检测按键电平情况，当按键电平发生有高到低变化时，单片机把对应用户的存储区内的数据取出并送至数码管显示。

除此之外，单片机还不断检测中断接收电路中的标志位，若标志位变真，表示集中器要求该采集器发送用户数据，之后单片机通过发送电路将用户数据发送到集中器去。

在断电情况下，由后备电源（充电电源）工作，此时单片机89C51不能工作，一次用户数据显示和发送工作都不能进行，此时单片机89C2051负责完成用户电表脉冲的检测和计数工作。

当由断电情况下的工作变为正常供电情况下的工作时，单片机89C51首先将存储器X25045内的数据读出并与存储器28C256内的数据相加，然后将X25045内的数据清零，这样即可完成断电检测工作。

4.1.3载波电表

载波电能表的工作原理如图4-7所示。

载波电表的组成，以CPU为核心，由RAM、电量转换电路、接口、直流电源等构成一个单片机系统，如下图4-8所示。

（1）直流电源，从220V交流电压经变压器降压，整流、滤波及稳压后得到+24V,+5V,+24V供载波电路用，+5V供其他电路用电。

（2）主机，程序存在CPU内的E-PROM中，RAM用于存放用户的用电数据。

其任务是:

A,每当电表正转转过一圈，CPU就累计电量，并存入EPROM.

B,接收抄表器发来的参数、表号，存入EPROM.

C,与数据集中器进行载波通信。

接口介绍，

（1）电量转换电路它的作用是电能表每正转一圈，发出一个脉冲，供CPU计数。

如图4-9所示:

A,B为光电头，由它采样脉冲。

遮光片经过槽一次产生一个脉冲，CPU计数。

而电表反转时（由潜动、抖动等因素造成），计度器也反转使数采集终端读数比表计窗口示值大，造成多计，读数不准。

为了解决因潜动等造成的多计。

采用双光电头采样电路来判别是正转还是反转，正转产生的脉冲计数，反转产生的脉冲便记下个数（<=300个），待表计正转后将反转的脉冲个数除之后再计数，这样使能保证读数始终对得准。

但对输电造成的反转（脉必然大于300个）仍会计数，出现多计，使要认真的查找原因。

图4-7载波电能表工作原理框图

图4-8载波电表组成结构图

（2）有线接口与载波电路

这是载波电表能否实现自动抄表的关键部分，这部分电路与数据集中器相似，不在这里重复。

图4-9电量转换图

4.1.4主站

主站在计算机上运行电力载波远程用电管理软件，经电话网或其他网络媒介对集中器进行抄表和各种方案设置，并可通过集中器对载波电表进行实时操作。

主站的工作框图如图4-10所示。

图4-10主站工作框图

主站系统包括计算机硬件、计算机软件、调制解调器、公用电话网或电台等数据传输通道。

本系统只用1台计算机来完成表计数据的查询、建库、以及各种处理功能。

当然，也可考虑配备多台电脑，应用计算机网络连接到电业局各部门完成各种处理功能。

例如：

可以实现自动、集中、定时地抄录各用户的电量，迅速统计低压实时线损，通过银行向各用户自动完成转账收款、电费结算，为供电部门的用电监察提供服务。

它是本系统最主要的人机界面。

抄表主站系统的配置如下图4-11所示：

4.2电耗数据远程管理系统的通信应用技术

远程自动抄表系统是一种不需要人员到达现场，利用特定的通信方式将用户处的智能表所记录的各种数据传送到远程控制端的计算机网络中，并由软件对数据进行统计、分析和计算的系统。

自动抄表系统是新兴的、先进的抄表方式，融合了当今最先进的计算机和通信技术，并随着通信技术系统的硬件和软件不断发展而更新。

因此可以说它是一

项发展中的技术。

原则上并没有相对固定的方式和概念，但在实际应用中通常是多种通信技术的综合使用，以达到最理想的目标。

目前国内用于电耗数据远程管理的技术有很多种，主要有：

有线总线通信自动抄表系统、电话线通信自动抄表系统、光缆通信自动抄表、电力线载波通信自动抄表系统、无线通信自动抄表系统、卫星通信自动抄表系统、有线电视通信自动抄表系统、蜂窝通信自动抄表系统、红外通信自动抄表系统等多种方式。

具体确定通信方式时需要综合考虑系统面对的对象、用户的分布、用户的数量、地理条件、经济情况、期望达到的目标、系统的扩展、升级，以及与其他网络的兼容。

以下就几种常用的通信方式做一比较研究。

4.2.1RS485总线

在有线总线通信中，常见的有RS485总线方式。

RS485总线是一种国际性的开放式的现场总线标准。

采用双绞线差分传输方式，可连接成半双工和全双工两种通信方式，最远传输距离为1200m。

差分输入范围是-7～+12V。

接收器输入灵敏度为±200mV，输入阻抗大于或等于12kΩ，标准接点数为32个，即每个RS485接口芯片的驱动器能驱动32个标准RS485负载。

根据规定，标准RS485接口的输入阻抗为大于或等于12kΩ，相应的标准驱动节点数为32个。

为适应更多节点的通信场合，有些芯片的输入阻抗设计成1/2负载（大于或等于24kΩ）、1/4负载（大于或等于48kΩ）甚至1/8负载（大于或等于96kΩ）等，相应的节点数可增加到64，128，256个等。

RS485总线通信方式在通信过程中具有以下优缺点，优点是技术成熟、简单；在通信正常情况下，通信可靠、稳定，可实现实时通信；缺点是布线工作大，通信信道易受人为损坏、易大范围损坏，损坏后故障排除困难、恢复慢，信道后续维护量大等不足。

4.2.2电话线通信

电话线通信主要依靠租用电话网来实现。

只需在主机台变终端上分别安装调制解调器即可，但是由于线路续接时间较长，通常需要几秒到几十秒。

所以，当集中器数目较多时通信效率将大幅下降。

基于电话通信的自动抄表技术的应用已超过20多年，应用广泛。

其优点是系统避免了无线电、光纤、电缆及其他系统成本高、基本建设规模大的不足；缺点是线路接通时间较长，当集中器数目较多时，集中器到控制中心的通信效率将大幅降低。

另外，若租用电话线路多，其租用费也很高，因此不适合大容量系统。

4.2.3电力线载波通信

电力载波通信分高压电力载波通信和低压电力载波通信。

电力线载波通信是利用配电线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式，利用已有的配电网作为信息传输的载体所以成本低廉。

但是由于用户电网的某些时变特性和突发噪声对数据传输的影