低压远程用电采集系统的集中器设计

摘 要

低压远程用电采集系统是智能电网建设的重要组成部分，承担着自动采集用电信息和对用电信息进行实时监控的任务。而集中器作为主站和采集器的中间连接设备，在用电采集系统中起到了重要的作用。因此，基于这种认识，本文首先对低压远程用电采集系统的设计问题进行了阐述，以便了解集中器的功能和原理。而在此基础上，本文则对集中器的硬件设计和软件设计问题进行了分析，以便为关注这一话题的人们提供参考。

【关键词】低压远程 用电采集系统 集中器 设计

能源供给问题的日渐突出，使得电网的可靠性和高效性问题引起了人们的重视。而智能电网的建设，可以提升供电质量和效率，并进行电能源的合理利用。但在进行智能电网建设时，首先需要利用低压远程用电采集系统进行用电信息的采集。而采集系统中的集中器是主站与智能电表通讯的枢纽，将对系统的运行质量造成影响。所以，有必要对低压远程用电采集系统的集中器设计问题进行研究，以便更好的进行智能电网的建设。

1 低压远程用电采集系统的设计问题概述

1.1 系统的总体设计

低压远程用电采集系统主要是进行用电信息管理的系统，对计算机技术、通信技术、测量技术和网络技术等多种技术进行了应用。就目前来看，一般的低压远程用电采集系统主要包含系统主站、集中器、电能表、采集器和通信信道几部分内容。在功能上，系统可以进行电能量数据的自动采集和处理，以便为用电管理系统提供更加准确的数据信息。从通信结构角度来看，系统的通信结构可以划分成三层，即电能表到采集器、采集器到集中器、集中器到主站的通讯。而系统的通信方案则为多种通信方案，即采用不同的方式进行通信。具体来讲，就是按照抄表系统的信息传输距离和结构将通信分成上层通信和下层通信。在实现传输量较小和传输距离较短的下层通信时，则可以采用电能表到采集器再到集中器的有线通信。而在实现传输距离远的上层通信时，则可以采用无线通信。

1.2 集中器的功能及原理

从工作原理角度来看，集中器是通过上行信道与主站进行通信。而根据主站发出的命令，集中器则要完成与主站的数据传输。同时，集中器还需要与电能表进行双向通讯，即向电能表发送指令，以便进行电能表相关参数的设置、查询、抄读和保存。从上行通信接收到主站指令后，集中器将向协议解析程序传递数据帧。而按照规约，解析程序则需要将数据转换成多条数据帧，并进行数据或参数的提取，并最终向主站提供已经经过协议封装的需要返回的数据。

从功能角度来看，集中器可以进行用电信息的实时采集，并定时完成对电能表数据的采集和补抄，同时也进行电压、电流和功率等多种交流模拟量的采集。其次，集中器还具有一定的数据通信功能，可以向主站发送所需数据，并完成与主站的通信。此外，集中器也能够接受召测和主动上报，并与采集终端进行通信，以便完成电表数据的采集。再者，集中器还能够进行电表档案信息数据的记录，并完成对重点用户的管理。同时，集中器还能够进行时间、电表档案和通信参数的设置和查询。最后，集中器可以进行事件的记录，并具有远程终端维护功能。

2 系统的集中器设计

2.1 硬件设计

2.1.1 硬件结构

为了进行集中器功能的实现，需要制定满足功能需求的硬件平台。从硬件结构角度来看，集中器硬件主要由核心控制电路、电源电路、通信模块电路和人机交互电路等几部分组成。其中，系统的核心控制电路的核心处理器的选择至关重要，将直接影响系统的功能实现。在进行集中器的CPU芯片选择时，需要确保芯片具有较大的存储器容量、较高的性能、较强的抗干扰能力和较快的处理速度，并且芯片本身需要有足够的片上资源。而根据这些要求，则可以将ARM芯片当做是系统的核心处理器。在此基础上，则可以从系统功耗、兼容性和CPU工作频率等角度进行ARM处理器的选型问题的考量。而S3C2440多功能核心芯片具有片上资源丰富、主频率高和电源模式多的特点，并且可以支持多种嵌入式操作系统，所以可以用于进行集中器的硬件设计。

2.1.2 电路设计

在确定集中器的电路结构和核心控制芯片后，则需要对系统的各个电路进行设计。首先，系统的电源电路的设计关系着整个系统的稳定性和可靠性，所以需要采用三相四线交流电源，并进行整流电路的设计。而在交流电源通过整流电路和稳压芯片后，则可以进行两路直流电压的输出，以便向核心板和相关模块供电。其次，人机交互电路的设计需要注意进行直观的人机界面的实现，以便使系统更具有可操作性。在进行键盘电路的设计时，需要考虑到时间和进入菜单等操作需求，以便完成功能键的设置。而在设计液晶显示电路时，则需要进行直观的液晶显示的实现。再者，系统的通信电路设计要划分成两部分，即上行通信模块电路和下行通信模块电路。其中，上行通信模块电路包含了GPRS通信电路和红外线通信电路，以便在GPRS通信中断时利用红外功能实现通信。而下行通信模块电路包含了载波通信电路和RS485通信电路，以便共同实现远距离的通信。而载波通信电路具有通信可靠和低功耗等特点，RS485通信电路则具有结构简单和抗干扰能力强的特点。

2.2 软件设计

2.2.1 软件结构

由于集中器的功能相对复杂，所以需要按照多线程机制进行整个软件系统的设计，以便满足对多个串口命令进行实时快速操作的需求。具体来讲，在进行集中器的软件设计时，需要采用嵌入式实时操作系统的多线处理机制，以便通过移植该系统进行集中器系统功能的实现和扩展。而整个系统软件则应该划分成三个层次，即多线程主程序应用层、实时操作系统和OEM层。在进行各个层别的功能实现时，则需要完成功能应用程序的设计。而为了降低系统软件的开发难度，则可以将系统软件划分成各个模块，并且各个模块需要使用独立进程线程运行。具体来讲，就是采用模块化编程思想进行系统功能的划分，并最终完成对小模块的编译。

2.2.2 模块设计

在进行系统的功能模块设计时，通信模块和协议解析转换模块的设计相对困难。首先，在进行协议解析转换模块设计时，需要确保主站与电能表能够以不同的通信协议进行数据的传输。所以，协议解析转换模块主要需要将主站下发的报文进行解析，并生成需要在下行通道实现通信的数据帧，以便完成与电能表的通信。而在得到反馈的数据信息后，模块还需要进行信息的组合封装，并向主站回复信息。所以，该模块的设计需要包含对校验数据帧、解析数据帧和生成应答数据帧的设计。其次，在进行通信模块设计时，需要分别完成对GPRS通信模块、红外通信模块和载波通信模块的设计，其中，GPRS通信模块需要负责与主控集中器的串口通信，并进行主控制站发出的通信信息的处理。红外通信模块则需要实现对抄表终端参数的设置和数据的抄读，以便进行本地抄表的实现。此外，在进行载波通信模块设计时，则需要进行中继路由技术的运用，以便增加通讯传输距离。

3 结论

总而言之，在进行低压远程用电采集系统的集中器的工作原理和功能分析后发现，需要按照嵌入式系统的开发流程和体系结构进行系统硬件和软件的设计，以便实现系统需要实现的功能。在进行系统电路设计时，电路的主芯片可以使用低功耗、高性能的S3C2440芯片，以便在充分进行外设资源利用的同时，进行多种通信方式的扩展。而系统的软件平台则需要建立在嵌入式实时操作系统的基础上，以便采用多任务机制进行系统的多种通信功能的实现。

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作者单位

浙江八达电子仪表有限公司 浙江省金华市 321018