用电信息采集异常精确定位技术研究硬件技术精.docx

1、用电信息采集异常精确定位技术研究硬件技术精用电信息采集异常精确定位技术研究赵莉1, 何容1, 蒲箭1, 赵祥林2, 郑迎春1(1.国网重庆市电力公司客户服务中心, 重庆 400017;2. 国网重庆市电力公司, 重庆 400017摘 要 目前，用电信息采集异常精确定位一直没有得到较好的解决，本文提出的基于GPRS 的信息采集定位系统技术方案，很好地克服了传统集抄系统无法进行故障信息上报，无法进行故障定位，系统复杂的缺陷。该系统在每个数据采集处装手机卡，通过手机号码识别智能电表的确切位置，实现异常精确定位，中心服务器获取数据有两种模式，即主动读取智能电表数据和被动获取集中器传送的异常数据，满足用

2、户对数据的要求，系统通过WEB 服务器向用户提供报表服务，具有良好的人机交互作用。关键词 用电信息采集；GPRS ；集抄系统；精确定位技术Research of Accurate Anomaly Positioning of Electric EnergyData AcquisitionZHAO Li1, HE Rong1, PU Jian1, ZHAO Xiang-lin2, ZHENG Ying-chun1(1. State Grid Chongqing Electric Power Corporation Customer Service Center, Chongqing 400017

3、, China2. State Grid Chongqing Electric Power Corporation, Chongqing 400017, ChinaAbstractAccurate anomaly positioning of electric energy data acquisition is unsolved at present. The technicalsolution of information collection and positioning system based on GPRS is proposed to well overcome the def

4、ect of traditional meter reading system, like unable abnormal information reporting, unable anomaly positioning and complicated system. Installing mobile phone card in each place of data acquisition, this system can identify the accurate position of smart meter by phone number and achieve accurate a

5、nomaly positioning. Center server has two modes to acquire data: read the data of smart meter actively and acquire the abnormal data sent by concentrator passively, which meets the requirements of users for data. The system provides reporting services for users by Web server and plays an important r

6、ole in human-computer interaction.Keywords electric energy data acquisition; GPRS; meter reading system; accurate anomaly positioning0 引 言随着电力体制市场化改革的不断推进，电力企业逐步由生产型企业转变为经营性企业，电能作为一种特殊的商品，其经营对于电力企业尤为重要。电子技术的发展，为用电信息采集系统采集电量信息，分析和统计用电，考核用电提供了切实可行的技术手段，克服了传统人工抄表的弊端，进一步促进了电力企业管理的集约化、精益化和标准化，也是发展智能电网的必要

7、技术措施。然而目前，用电信息采集异常的精确定位一直没有得到很好的解决，不能满足智能电网要求的“自愈性”和“互动性”要求。例如集抄系统，虽然满足了负荷分析和低电压监测的要求，却不能主动上报故障信息，更无法进行故障定位，难以配合配电网状态检修的需要。国内目前用电信息采集异常定位方法主要有：1）低压台区配电自动化故障定位技术；2）基于SCADA 地理信息仿真电网GIS 系统、GPS 故障定位系统的电力系统故障定位技术；3）配变智能终端在低压台区的应用。这些方法在实际使用中取得了一定的成果，但是其技术手段复杂、维护难度大，低压台区故障定位有效性差，并不能最大发挥用电信息的价值。 为了更好地利用用电信息

8、流资源，实现有效的用电信息采集异常精确定位，本文提出了基于GPRS 的信息采集定位系统的具体方案。 该方案在电能采集处给集中器或关口表配置唯一的地址，TCP 通讯服务器接收集中器或关口表采集到的异常数据信息，结合营销部门数据库的电表地址信息，得到发出异常数据信息电表的实际地理位置，从而实现异常信号精确定位。TCP 通讯服务器与集中器、关口表之间通过GPRS 系统及数据收发模块进行联系，TCP 通讯服务器能够接收来自集中器和关口表的数据，也能发出命令、报警信号，满足通讯要求，实现智能化，通过WEB 服务器建立电能数据库与用户的联系，实现良好的人机交互作用。 该系统能够实时监控电能异常信息并实现精

9、确定位，能够为智能电网用电管理提供更大的便利。1 用电信息采集异常精确定位系统总体方案用电信息采集异常精确定位系统具有以下几个基本功能：1）数据采集功能。通过采集器采集电能表的读数，由集中器收集采集器或终端监控设备的数据，并能够进行数据存储和数据交换。2）数据管理功能。系统能够对数据进行必要的检查、分析、统计和存储，并能够为用户提供查询管理。 3）异常信号定位功能。在出现用电信息异常信号后，主服务器应当能够根据发出异常信号的采集终端进行定位，找到故障的位置。4）电力系统运行维护。当系统接收到异常信号时，能够及时对故障点作出判断，发出报警信息，提醒系统运行维护人员采取必要的维护措施。鉴于此，该系

10、统的总体设计方案包含三个模块的内容，即数据采集模块、中央服务器模块、通信信道和用户访问界面。系统基本网络结构如图1所示。该网络在每个配变关口表上安装一个数据采集终端，分散于不同地域的低压配变台区，该终端通过GPRS 网络从DNS 服务器获取TCP 通讯服务器的IP 地址，然后将数据汇总到TCP 通讯服务器，最后将数据存储到数据库服务器，用户通过WEB 应用服务器访问配变数据。在每一个采集终端配置地址信息，当某个终端设备采集到异常信息时，中心服务器能够识别该异常信息的来源，并找到故障的精确位置，从而实现对电能异常信息的精确定位。图1用电信息采集异常精确定位系统总体方案 Fig.1 Accurat

11、e anomaly positioning of electric energy dataacquisition system overall project1.1 数据采集模块 数据采集模块主要指的是电力异常数据采集定位设备、电能集中器、关口表以及以用户变压器作为监控对象的监控装置，其主要作用是对电力系统运行状态参数进行监控、采集和分析，并将记录传送到下一级数据处理设备。 电能集中器或关口表的数据采集部分实时监控电力运行参数，且均有唯一的地址，作为通讯的唯一识别码，其与电表的通讯协议采用DL/T645-2007通信规约，集中器或关口表符合国家标准，具有一个红外接口，两个485通讯口，可以对电

12、表的数据进行采集、保存。GPRS 电力异常数据采集定位设备是中心服务器和集中器、关口表通讯的转发站，该模块的硬件电路一端为485接口，以有线方式或者红外方式接入到集中器或者关口表，实现与集中器或关口表收发数据，另一端为GPRS 接口，可实现与中心服务器的通讯任务。其工作模式采用TCP 客户端模式，并能够配置服务器地址，也支持断线自动连接。 异常数据采集定位设备定时接收来自集中器或关口表的数据信息，并通过GPRS 将分析得到的电量异常数据信息发送到中心服务器，同时也可以接受来自TCP 通讯服务器的指令，并将其转发给集中器或关口表。该定位设备与集中器之间通过RS485通信电缆（或红外接口）进行信息

13、交换，通过GPRS 系统与TCP 通信服务器进行数据交流，GPRS 通讯模块只有小部分时间是处于工作状态的，利用这段时间，其硬件模块将根据TCP 服务器发送过来的配置指令为依据，判断异常数据，并将分析得到的异常数据通过GPRS 传送到 中心服务器。1.2 中央服务器模块 中央服务器包含有TCP 通讯服务器、DNS 服务器、数据库服务器以及数据处理器等，是通信服务及数据处理的核心单元。 TCP 通讯服务器主要功能是接收现场数据发送/接收模块通过GPRS 发送来的数据，并通过IP 网络发送数据包给集中器或关口表（通过现场数据发送/接收模块转发），TCP 通讯服务器可以被动接收现场数据，也可以主动发

14、起数据的获取，逻辑上可以理解为一个485集线器，支持自动收发和手动收发数据。 数据发送/接收模块在接收TCP 通讯服务器指令并转发给集中器或关口表，以及将集中器或关口表发过来的数据发给TCP 通讯服务器时，需要知道TCP 服务器的IP 地址，而由于TCP 通讯服务器的IP 地址会发生变化或者是一个内网IP ，因此需要通过DNS 服务器将TCP 服务器的域名转换成IP 地址。DNS 服务器保存有该网络中所有主机的域名和对应IP 地址，并具有域名解析功能，是实现异常信号定位的地址管理单元。 TCP 服务器端程序采用C#编程，开发平台为VS2010，支持多客户端并发连接，且支持TCP 长连接，只要客

15、户端不主动退出，连接将永久保持，支持在线状态检测，GPRS 客户端与TCP 服务器的基本通讯流程如下图所示。图2 GPRS模块（客户端）与TCP 服务器的基本通讯流程 Fig.2 Basic communication flow of GPRS module (client and TCPserver数据库服务器主要用于存储集中器或关口表发送过来的数据，数据库采用SqlServer2005或者SqlServer2008，操作系统采用Windows2003或者Windows2008，要求单表存储量在1千万条以上，基本上不影响用户查询。数据处理器针对集中器或关口表传送过来的异常数据进行分析，并结合

16、营销部门数据库的管理信息系统提供的电能表地址信息以及国家电网GIS 系统接口确定异常数据出现的具体位置，完成对智能电表的数据的解析、报警、存储等功能。 1.3 通信信道该用电信息采集异常定位系统中，RS485通信方式连接电力用户（以一个配变为单位）的计量表计和集中器，RS485通信接口可以实现半双工通信，便于构成一对多或多点之间的通信网络，因此能够满足一个采集终端与多块电表之间信号传递的要求。 无线公网通信用于现场数据采集终端与中心服务器之间的通信，GPRS 是无线公网通信方式中传输效率较高、安全性较高而服务成本低的一种方式，因此常被电力部门采用，电力部门需要向移动运营商租用GPRS 通信，在

17、方案设计时不得不考虑其成本问题。在采集现场有GPRS 发送和接收模块，在中心服务器端有手机基站作为GPRS 模式通信收发设备。 1.4 用户访问界面 WEB 应用服务器为用户提供人机交互界面，平台可以对故障节点信息进行统计、分析，可以在WEB 中以曲线图、柱状图等方式为用户提供直观的统计结果，通过设计可视化台区网络地理接线图显示发生异常的节点，并且可以为用户提供报表统计的功能提供多种分析算法。由于系统需要采集大量的数据，若采用传统的组网方式，网络将十分复杂，成本也较高。该网络系统由于集中器或关口表只在小部分时间内向中心服务器发送数据，因此节省GPRS 流量，且中心服务器需要处理的数据量小，具有

18、较高的数据处理效率和较好的经济效益。2 硬件模块设计2.1 中心服务器硬件模块电力运行部门的中心管理系统可以根据所管辖电力范围进行设计，例如华北电网用电信息采集系统的主站可以按照超大型集中式系统进行设计，唐山张家口这类供电公司的主站则可以按照大型系统设计服务器集群，再小些的电力部门则可以按照大中型中心服务器集群设计。 中心服务器一般应具有：通信服务器（TCP 通信服务器、DNS 服务器、接口服务器等）、数据库服务器、数据处理器、同步时钟管理模块。硬件设计时应遵循几个基本原则，即可继承性、可扩展性、安全性、经济性和安全隔离功能。2.2 用电信息采集硬件模块用电信息采集模块的硬件主要有电能表、采集

19、器、集中器、电力数据异常采集定位设备以及他们之间的通信信道，用电数据在这些模块之间的传递关系如图3所示，电能表时刻记录用电信息，采集器则实时将电能表的数据信息进行采集，再传送到集中器，集中器通过分析后将异常的数据信号发送到电力数据异常采集定位设备。 图3用电信息采集硬件模块 Fig.3 Electric energy data acquisition hardware module2.3 电力异常数据采集定位设备硬件电路模块集中器或关口表与中心服务器进行通讯需要专门的信号发送和接收模块，该模块即GPRS 电力异常数据采集定位设备，是TCP 通讯服务器向集中器或关口表发送指令的中转站，也是电量异

20、常数据上传至中心服务器的中转站。 异常数据采集定位设备的硬件模块为嵌入式系统，与集中器或关口表安装在同一位置。系统有两个接口，一个为RS485接口，用于与集中器之间的通讯，采集集中器或关口表传送的异常数据信息和报警信息，同时也能向集中器或关口表传递来自远端服务器的答应和参数配置命令；另一个为RS232或RS485接口，用于通过GPRS 系统与中心服务器的通讯，接收TCP 通讯服务器的指令，且将集中器发送来的数据信息上传到中心服务器。为了实现异常数据精确定位，每一个硬件模块上安装有一张手机卡，在通讯过程中，以手机号码作为模块识别码，该模块的工作模式为TCP 客户端，其中的GPRS 模块能够通过D

21、NS 服务器获取TCP 通信服务器的IP 地址，然后通过GPRS 系统进行数据传送，为了保证通信的可靠性，能够在断线之后实现自动连接，硬件电路如下图所示。图4电力异常数据采集定位设备硬件电路模块Fig.4 Positioning device circuit module in electric energy dataacquisition该模块通过RS485通讯电缆或红外接口定时采集集中器或关口表的数据，并接收来自中心服务器的配置指令，允许服务器端通过空中配置修改采集设备中的配置参数（例如修改分析数据的种类，修改数据的报警阈值），数据分析和处理单元则根据配置参数判断采集得到的电表参数是否超出

22、阈值，并将有异常的数据上传给服务器，该通讯时间占整个工作时间的比例很小。为了实现为用户提供报表服务，服务器也可在较长时间间隔内定时通过单片机透传去主动获取关口表数据。由此可见，该系统只在较少时间内需要利用GPRS 通信，因此节省GPRS 流量，而中心服务器所处理的数据一般情况下都是异常的数据，数据量大大减小，有利于节省中心服务器存储单元，提高工作效率。2.4 主控制器硬件模块设计本系统采用STM32微处理芯片为主控制器，通过485芯片和232芯片将处理器的串口TTL 电平转换为485信号和232信号，分别用与集中器或者智能电表及GPRS 模块连接。另外，板载一片Flash 芯片用于存储采集参数

23、的配置信息。图5用电信息采集异常精确定位系统数据采集、解析及报警工作流程Fig.5 Accurate anomaly positioning of electric energy data acquisition system workflow of data acquisition, analysis andalarming3 本文小结本系统主要完成了对用电信息的采集、解析、分析、报警等操作，且避免了传统组网方式的复杂性。由于GPRS 模块与中心服务器之间的只传递异常的数据信息，需要的GPRS 流量较少，中心服务器所处理的数据量也大大减小。给每一个异常数据采集定位设备硬件模块装配手机卡，通过

24、手机号码识别该采集设备所在的确切位置，从而实现异常数据的精确定位，切实找到系统出现故障的位置，相较于配电自动化在台区的应用方式而言，该方式深入到台区内部，甚至能精确到每一个电表所在的位置，因此其定位范围更小，更有利于及时找到出现异常的位置，提高电力部门的管理效率。参 考 文 献1 宇文肖娣. 电力用户用电信息采集系统的研究与应用D.华北电力大学, 2011.2 翟章. 电力通信几种主要传输方式的应用分析J. 电力系统通信, 2006, 27(164: 61-63.ZHAI Zhang. Discussion and Analysis about Transmission ModeofElect

25、ricPowerCommunicationJ.Telecommunications for Electric Power System, 2006, 27(164: 61-63.3 朱兆优, 林刚勇, 王耀南. 智能住宅小区远程自动抄表系统设计J. 计算机测量与控制, 2003, 11(8: 4-8.ZHU Zhao-you, LIN Gang-yong, WANG Yao-nan. Remote Meter Reading System of Intelligent Residential QuartersJ. Computer Measurement and Control, 2003, 11(8: 4-8.