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预付费远程抄表系统在工业用电中的设计与应用

时间:2020-08-28 00:14 来源:未知 作者:admin

核心提示

摘要: 文章根据远程管理原理,设计了工业用电预付费远程管理终端及管理系统,该系统以AVR单片机为核心硬件,通过手机短信和无线通讯模块进行远程管理,并实现了电网异常告警等...

摘要:文章根据远程管理原理,设计了工业用电预付费远程管理终端及管理系统,该系统以AVR单片机为核心硬件,通过手机短信和无线通讯模块进行远程管理,并实现了电网异常告警等功能。 

关键词:远程抄表;ATmega32L; RS-485
 
一、前言
随着我国经济的迅猛发展,工业用电在整个供电中的比重越来越大,近几年几乎每年都有很大的供电缺口,由于工业用电普遍存在着分散、用电量庞大等特点,传统的后付费用电模式、单一计费模式和人工抄表方式正面临着诸多挑战:如何防范用电大户拖欠电费、如何减少突发性电网失常给企业带来的损失、如何鼓励企业参与调荷用电。目前普遍采用的传统手工抄表方法存在着速度慢、可靠性差、浪费人力资源等问题,近几年出现电卡式电表和IC卡电表,虽然技术含量高、功能多,但存在着一旦出现操作失误不可更改,且交完电费后仍需人工操作等缺点。根据上述种种实际情况,文章设计了工业电度表预付费远程抄表管理系统。
预付费远程管理系统是将数据自动采集、传输和处理应用于电能供用与管理系统中的一项新技术,采用无线通讯和计算机网络等新技术自动读取和处理表计数据。该系统不仅能实现传统意义上的基本抄表功能,还可以从根本上克服传统的人工抄表模式的弊端,给电能管理的现代化创造了良好的条件。
 
二、系统的组成分析
文章所谈的抄表管理系统,不但能采集远程工业电度表电度数,实现抄表自动化,还能对新型工业电表完成远程参数设置,针对突然停电会对企业的生产造成不良影响、电网异常可能会对企业的设备造成损害的情况,本系统中的远程管理终端可以在当用户的预付电费即将用尽时给予提示,预付电费用尽时及时断电并通知用户,当电网出现缺相等异常情况时及时向用户发出告警信息。整个系统的组成如图1所示,主要由中心控制微型计算机(586以上微机)、短信平台、远程管理终端 (RTU)、带有微处理器的新型工业电度表等部分组成。如图1所示,该远程抄表管理系统有三层组成一层是中心控制微型计算机,二层是远程管理终端,三层是带有微处理器和通讯接口的新型工业电表。为使该系统 具有应用范围广泛、不受地理条件限制等特点,利用现有的蜂窝移动无线网GSM/GPRS系统,将一层和二曾之间的数据传输设计成无线数据传输方式:中心控制微型计算机可以通过移动通讯网通过各个远程管理终端连接,实现一对一或一对多的数据通信。二层和三层之间数据传输采用RS-485总线方式。
 
图1 系统组成图
 
带有微处理器的新型工业电表是集电度表、脉冲表、分时表、需量表于一体,并带有RS-485通信接口的多功能电度表。通过RS-485通信接口,可对其用编程器编程,用抄表器抄表。在本系统中,首先由中心控制微机发出TA短消息指令,经过无线通讯模块控制遥控远程管理终端,后者通过RS-485总线接口,对电度表实现远程编程和抄表并传回中心控制微机。
 
三、系统主要部件设计要点
3.1系统的管理
系统的管理分为两类:中心控制微型计算机分布于不同位置的各个电表参数资料的管理、中心控制微型计算机对远程管理终端的管理。
中心控制微机对各电表资料的管理包括用户档案管理、数据管理(时段和费率设置、预交电费更新、余额查询)等。系统运行时,在输入正确的身份信息后,即可进入主菜单,根据具体要求,选择所要运行的条目以及对应的参数。
中心微机对远程管理终端的管理要指中心台与下属多个远程管理终端的通信管理。在中心台和远程管理终端之间,是由无线通信联系在一起。
为实现点对点或点对多点的数据传输,中心台与远程管理终端间需要遵守以下约定中心微机辨别不同管理终端的方式是通过手机码来判断;所有的通信都釆用GSM的短消息点方式进行;电度表的数据格式应尽量统一,以便于设置和维护。
3.2通讯方式的选择
本系统中,中心台与远终端单元Rtu的通讯采用移动通信网SMS短信息平台。目前实际应用中常见的主要有电话线远程抄表、电力载波远程抄表、有线电视网(CATV)远程抄表、电缆线远程抄表、宽带远程抄表、无线远程抄表这几种方式,前几种在实际应用不同程度地存在着初期投入费用较高,通信线路易受人为损坏等缺点。而无线远程抄表,利用小功率无线发送器和接收器即可实现数据的传输,系统简单,不需外拉电缆或电话线,投入成本不高,后期维护费用几乎为零,目前无线通信技术已经非常成熟,此种抄表更适合应用于分散的工业电表。目前蜂窝移动无线网GSM覆盖面几乎已遍及全国,网络覆盖问题基本得到解决,只需在每个设备中都配备一个无线通讯终端的即可投入使用。
远程管理终端一侧的通讯选用专用芯片来实现,其主要目的一是降低系统的总成本,二是兼顾RTU中的微处理器的控制能力,使RTU中微处理器能对其控制。通讯专用芯片可选用无线通讯模块M22A连接SIM卡,若是利用微处理器和模块通讯,则模块的RXD可以直接连接MCU的TXD,模块的TXD可以直接连接微处理器的RXD。若是模块和中心台通讯,中心台可以通过短信息发送AT命令对模块进行控制。
3.3远程终端单元(RTU)的设计
远程终端单元主要功能:一是在中心微机控制下收集下属电表的数据(已用电量、用电负荷等)并进行处理,将数据由由短消息方式经移动通信网传输至中心控制微型计算机;二是能够根据中心控制微型计算机的命令,设置下属电度表的参数(如分时用电费率、电表常数等);三是用Atmega32L单片机及附属电路完成对电网三相交流电供电状态的检测和预付费余额的检测,一旦发现有预交电费不足或电网缺相等情况,立即发告警短信息给用 户。
为实现控制微机和多个电表之间点对点的数据传输,远程管理终端还应具有以下通信功能:一是与控制微机的通信,它通过手机模块及SIM手机卡完成连接。二是与下属的带有通信接口的工业电表通信。远程管理终端在与它们通信时,也需要遵守以下约定:远程管理终端为主动端,所属电度表为被动端,平时处于接收状态;所有的通信都采用串行异步半双工方式;电度表的数据格式应根据具体的电度表型号来确定。
根据上述要求,远程终端单元RTU的硬件设计,如图2所示。
①微处理器MCU选用ATmega32L八位FLASH单片机,外挂一片RS-485总线接口器件MAX485负责MCU和工业电能表之间的通讯,1片2路4选1的模拟电子开关4052用于检测三相交流电的用电及供电状态,主要检测三相电是否缺相。②无线通讯模块M22A的控制是利用RTU中的MCUATmega32L对其控制。在设计时,是把M22A的TXD.RXD分别连接单片机的RXD.TXD端。③单片机与电度表之间的连接通过RS485接口实现。RTU的软件设计除主程序外其流程图如图3所示,主要包括以下几个子程序:一是MCU对外设的管理子程序;二是远程管理终端对无线通讯模块的控制,并与中心台通信的子程序,主要实现短信息传输协,它又包括无线通 讯模块的发送子程序和无线通讯模块的接收子程序;三是远程管理终端对所属工业电度表的数据采集、处理子程序。
 
图2 远程终端单元RTU的硬件设计

四、安科瑞预付费管理系统及现场硬件选型
4.1 产品简介
三相预付费电能表分别用于计量额定频率50Hz的三相交流有功电能,具有预付费控制、负载控制、时间控制及RS485通信等功能,性能指标符合GB/T17215.321-2008标准。该表是改革传统用电体制、实现电能商品化解决收费难、调节电网负荷状态以及提高用电管理水平的理想计表。产品符合企业标准Q31/0114000129C035-2017《导轨式安装电能表企业标准》的要求。
4.2 基本功能
电能计量:正反向有功、无功电能计量以及三相分相正向有功电能;
电量测量:基本电参量测量U、I、P、Q、S、PF、F;
脉冲输出:有功脉冲输出、时钟脉冲输出;
通讯功能:支持红外通讯和两路RS485通讯,同时支持Modbus、DL/T645-07。
4.3 主要特点
具备射频功能,使用非接触式射频卡购电;
刷卡取电,再次刷卡停电并取回剩余金额/时间;
支持按电价购电和按时间购电;
具备报警功能,当剩余电量不足时,电表背光常亮提醒用户购电;
具备科学的控制功能,如超负荷自动断电功能,单次灌溉时间断电功能。
余额为0时电表自动跳闸断电;
超过设定使用时间的余额会自动存入电表,随时可以刷卡取回自己的余额;
支持一表多卡,一卡多表使用;
卡内可记录本次充值后的近10条用电记录,再次充值后清除。
4.4 平台结构
 
图3 远程抄表系统整体架构
 
4.5 系统简介
集中抄表服务程序包含三大模块,除了常年运行的定时对所有仪表进行集中远程抄表以外,还集成了报警短信发送服务,能将电费金额预警和欠费预警自动生成手机短信自发送给对应的租户租户,该功能需要与硬件短信猫配合使用。
系统默认半小时对所有表进行一次远程集中抄表,时间间隔支持个性化配置。 
4.6 设备选型
 
注:预付费仪表、电流互感器等应根据现场回路电流大小等选择配置,安装、接线等由甲方负责。

五、结束语
文章分析的工业电能表数据采集和管理系统是一个完整的用电自动抄表和管理系统,具有自动化程度高、电量抄集准确、不受用户地理条件限制、用户负荷大小的限制、兼容性强等特点。由于Atmega32L的功能十分强大,文中所探讨程管理终端并未充分发挥Atmega32L应有的性能,相信随着对其功能的进一步开发和利用将会促进远程抄表管理系统功能进一步完善,更好的服务于电力部门,实现用电管理自动化。

预付费远程抄表系统在工业用电中的设计与应用
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