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(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司計(jì)量中心，武漢 430077； 2.湖北華中電力科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，武漢 430077)

0 引言

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在我國(guó)不斷普及，信息化的問(wèn)題受到了國(guó)家政府高度重視，信息化的發(fā)展水平于一定程度上說(shuō)明了某個(gè)國(guó)家、企業(yè)的社會(huì)生存和競(jìng)爭(zhēng)能力以及科技水平強(qiáng)弱[1]。信息化涉及了社會(huì)的方方面面，其中，公共事業(yè)局的電、水、氣多表合一的自動(dòng)化集抄系統(tǒng)，也就是水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，作為公共事業(yè)局以及千家萬(wàn)戶基礎(chǔ)平臺(tái)，是公共事業(yè)局信息化建設(shè)的關(guān)鍵內(nèi)容[2]。

在我國(guó)，水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)與世界基本是同步的，上個(gè)世紀(jì)的80年代末，國(guó)內(nèi)開(kāi)始對(duì)自動(dòng)化抄表系統(tǒng)進(jìn)行試點(diǎn)工作[3]。在1989年全國(guó)的第一套跨省電量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)于我國(guó)的華北電網(wǎng)運(yùn)行，而后北京供電局電話抄表系統(tǒng)于90年代投入運(yùn)行。從2005年至2007年各個(gè)電力公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)，供電側(cè)和終端側(cè)，在全國(guó)估計(jì)有幾十萬(wàn)AMR采集終端得以應(yīng)用，目前是世界發(fā)展比較快的AMR市場(chǎng)之一[4]。

目前市場(chǎng)上有很多公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了三表抄收系統(tǒng)，但是這些公司只做三表抄收以及其他智能系統(tǒng)，對(duì)這些資源不能夠做到整合以及合理利用[5]。隨著大眾生活水平不斷提高，當(dāng)前的抄表方式中存在的弊端越來(lái)越突出，收費(fèi)難成為了水電氣部門(mén)在管理上的關(guān)鍵問(wèn)題[6]，主要原因有以下幾點(diǎn)：進(jìn)入用戶家抄表的難度較大，因?yàn)榫用竦纳钏饺諠u提高，財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題越來(lái)越受到居民的重視，同時(shí)用戶也不希望受到打擾，抄表人員可利用的時(shí)間較短；水電氣部門(mén)負(fù)擔(dān)重，尤其是抄表效率低，周期較長(zhǎng)，成本回籠慢，手工抄表收費(fèi)結(jié)算方式給管理部門(mén)的經(jīng)營(yíng)帶來(lái)了很大的困難，管理費(fèi)成本過(guò)高，如果燃?xì)夤竟灿?0萬(wàn)用戶，抄表與管理人員就需要60至70人，可能會(huì)更多，則人員成本將近100萬(wàn)，隨著城市化的不斷發(fā)展，城市用戶越來(lái)越多，這對(duì)相關(guān)單位是一種牽制；抄表的工作以及勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，抄表與收費(fèi)人員的工作條件較差，誤差大，存在的問(wèn)題與隱患比較多，抄表收費(fèi)人員遭搶，或者犯罪分子時(shí)常冒充收費(fèi)人員強(qiáng)行入室作案，嚴(yán)重影響社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展，很難適應(yīng)信息化發(fā)展的要求[7]。綜上所述，水電多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)迫在眉睫。

針對(duì)當(dāng)前預(yù)付水費(fèi)時(shí)需要用戶帶著預(yù)付水卡在指定的營(yíng)業(yè)點(diǎn)進(jìn)行水費(fèi)充值的方式，張呈鈺[8]等人設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種帶有移動(dòng)支付，與數(shù)據(jù)索引功能的智能水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，依據(jù)水表預(yù)付費(fèi)用的業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建基于NFC的水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)，并完成軟硬件的設(shè)計(jì)，然后，提出一種對(duì)外部磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)進(jìn)而降低水表數(shù)據(jù)采集功耗的機(jī)制，與NFC安全協(xié)議相結(jié)合，分析水表移動(dòng)支付的安全性。該方法具有及時(shí)性，但所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行效率低。王鵬[9]等人提出利用集中器對(duì)四表合一的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并提出了采用自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模表計(jì)構(gòu)架的組建，將智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作計(jì)量裝置虛擬專用網(wǎng)，設(shè)計(jì)了基于IPv6的水電氣數(shù)據(jù)采集協(xié)議，對(duì)原型系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法數(shù)據(jù)采集精度高，但穩(wěn)定性較差。郭亮[10]等人提出了利用多模柔性融合通訊技術(shù)，對(duì)居民家庭的水電氣熱四類表計(jì)進(jìn)行采集，結(jié)合家庭能耗系統(tǒng)的管理云平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)分析和對(duì)比，完成家庭能耗實(shí)時(shí)監(jiān)控以及能效診斷，憑此用戶能夠?qū)崟r(shí)檢索能耗數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)接收電網(wǎng)所推送的電價(jià)，節(jié)能信息以及節(jié)能方案，為家庭用戶的需求提供了支撐，但存在安全性較低的問(wèn)題。

1 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)整體框架

通過(guò)圖1可知，水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)整體構(gòu)造，利用的是三層結(jié)構(gòu)以CAN總線以及以太網(wǎng)通信形式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，底層是對(duì)水電氣多表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分電路的規(guī)劃，利用管理中心來(lái)處理計(jì)費(fèi)等操作，在客戶端界面，客戶可用手機(jī)或者平板等設(shè)備對(duì)水電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行隨時(shí)的查閱以及費(fèi)用的計(jì)算，下面主要對(duì)水電氣數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)與介紹。

圖1 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)整體構(gòu)造

2 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)主電路圖

在水電氣數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要的目的就是對(duì)水電氣多表合一的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，所以該節(jié)主要對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主電路進(jìn)行構(gòu)造。在圖2中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)考慮到了有些用戶利用三相電的可能，比如大功率的空調(diào)等，其水電氣數(shù)據(jù)的采集能夠利用計(jì)量芯片—ATT7022B實(shí)現(xiàn)。其中最大10 A的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)10 A/5 mA的電流互感器與20 Ω電阻并接獲得0.1 V電壓信號(hào)，額定的220 V電壓信號(hào)與110 K電阻串聯(lián)形成2 mA電流，經(jīng)過(guò)2 mA/2 mA的電流互感器與240 Ω的電阻并聯(lián)形成0.48 V電壓信號(hào)。這時(shí)，ATT7022B內(nèi)部的電流與電壓通道的線性誤差基本小于0.5%，且電能的線性誤差基本小于0.1%。如果用戶使用的是單相電，僅需接入相對(duì)應(yīng)的電壓以及電流信號(hào)，或者改用單相的電計(jì)量芯片ADE7763。

圖2 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)主電路圖

2.2 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)控制電路

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制電路圖

(1)

那么用戶的總電量表達(dá)式為：

(2)

2.3 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

在圖4的接口設(shè)計(jì)中，接口將水電氣多表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個(gè)模塊和電路進(jìn)行連接，保障了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其中，接口設(shè)計(jì)中還與LED進(jìn)行了連接，可以實(shí)時(shí)觀察水電氣多表在接口處的狀態(tài)。

圖4 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

2.4 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)電源電路

圖5中的電源電路中，主供電源電路利用的是3種，共有三組5 V的電源輸出。圖中的電路全部是通過(guò)全橋整流電路，歷經(jīng)整流濾波以及穩(wěn)壓之后，獲取了水電氣多表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的5 V主電源。其中，一組是給水電氣多表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的CPU、顯示器以及存儲(chǔ)電路等其它外圍接口電路進(jìn)行供電，主要能耗來(lái)源于供電為正常時(shí)LED的顯示，因?yàn)樗粌H要顯示用戶號(hào)信息，還包含3種能耗信息。額外兩組直流5 V輸出是通信隔離使用的芯片供電。假設(shè)此時(shí)水電氣多表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的波動(dòng)使采集系統(tǒng)運(yùn)行的不夠穩(wěn)定，則7805的散熱器要選擇有足夠裕量的，進(jìn)而保障7805所輸出的5 V電源具有連續(xù)性。

圖5 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)電源電路

3 水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在上述硬件的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序應(yīng)該處于待接收狀態(tài)。PC機(jī)發(fā)出命令，集中器結(jié)束接收。當(dāng)采集系統(tǒng)成功接收PC機(jī)命令時(shí)，中斷裝置將會(huì)收到PC機(jī)成功的標(biāo)志。則在水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)主程序中，檢測(cè)到該標(biāo)志時(shí)，則調(diào)用數(shù)據(jù)采集處理的子程序。采集系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序流程圖

圖6中，主程序處于等待狀態(tài)，處理成功后，調(diào)用集中器向PC機(jī)應(yīng)答的子程序，如果需要集中器繼續(xù)將PC機(jī)傳送來(lái)的命令向采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，那么就調(diào)用集中器向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出命令子程序，在一定時(shí)間內(nèi)還沒(méi)有成功，則再次向采集系統(tǒng)發(fā)送命令，假設(shè)發(fā)送再次失敗，則需要做故障處理，假設(shè)成功，調(diào)用向PC機(jī)應(yīng)答的子程序。PC機(jī)應(yīng)答之后，又回到主程序等待PC機(jī)命令。

鑒于水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的復(fù)雜度較高，但抄表流程基本一致，在此以電表的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集為例，假設(shè)定時(shí)時(shí)間為半小時(shí)，在電量的采集中，當(dāng)達(dá)到定時(shí)時(shí)間后，采集系統(tǒng)向DF多用戶的電能表發(fā)出抄電表的命令，然后等待電表應(yīng)答，如果沒(méi)有應(yīng)答，則重新發(fā)送命令。當(dāng)接收成功時(shí)，將電量存儲(chǔ)在24LC16B存儲(chǔ)器中，采集系統(tǒng)定時(shí)中斷電能抄表子程序流程圖如圖7所示。

圖7 電能抄表子程序流程圖

電能抄表程序如圖7所示，其它的水、氣、采暖等能耗數(shù)據(jù)采集程序與上圖基本一致。

4 實(shí)驗(yàn)步驟結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)通過(guò)多次抄表測(cè)試及抗干擾振幅的測(cè)量實(shí)現(xiàn)抗干擾能力的對(duì)比；

(2)在0.5小時(shí)內(nèi)通過(guò)多次數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)本文方法、文獻(xiàn)[8]文獻(xiàn)[10]方法抄表頻數(shù)的對(duì)比；

(3)對(duì)本文方法與文獻(xiàn)[9]方法在供電、維護(hù)與安裝、采樣原理等方面的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。

4.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與環(huán)境

在PC機(jī)上進(jìn)行一系列設(shè)置，其中包括參數(shù)、電量、暖氣量、水量、燃?xì)饬康?。參?shù)設(shè)置中，對(duì)于水，暖氣，燃?xì)馊?，因?yàn)橄到y(tǒng)最小的計(jì)量單位是0.01噸，所以對(duì)這三類表脈沖常數(shù)的設(shè)置不可超過(guò)100，設(shè)置為10，100，進(jìn)而避免出現(xiàn)誤差累計(jì)的現(xiàn)象。鑒于實(shí)驗(yàn)條件限制，對(duì)DF電能的消耗實(shí)施定時(shí)抄取，對(duì)于遠(yuǎn)傳水表以及遠(yuǎn)傳燃?xì)獗砝玫氖谴?lián)方式。將不同多表數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建在MATLAB R2015b上，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自于某小區(qū)的水電氣多表抄取中心，進(jìn)行連續(xù)一個(gè)月的運(yùn)轉(zhuǎn)觀察，觀察不同方法的整體效果，具體的實(shí)驗(yàn)試點(diǎn)模型如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)試點(diǎn)模型

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)的抗干擾能力是評(píng)價(jià)其優(yōu)良的重要指標(biāo)，圖9為不同方法抗干擾能力對(duì)比。

圖9 不同方法抗干擾性能對(duì)比

分析圖9可知，文獻(xiàn)[9]方法抗干擾性能稍優(yōu)于文獻(xiàn)[8]方法的抗干擾性能，利用本文方法設(shè)計(jì)的水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)抗干擾性能最優(yōu)。文獻(xiàn)[8]方法提出一種對(duì)外部磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)進(jìn)而降低水表采集功耗機(jī)制，但該機(jī)制中并沒(méi)有設(shè)置抗干擾裝置，降低了系統(tǒng)抗干擾能力。文獻(xiàn)[9]方法提出了采用自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模表計(jì)構(gòu)架的組建，將智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作計(jì)量裝置虛擬專用網(wǎng)，該計(jì)量裝置虛擬專用網(wǎng)中存在大量干擾元素，屬于不可控范圍。而本文方法設(shè)計(jì)的水電氣多表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制電路不僅可以提高水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且還具有抗干擾性能。圖10為不同方法抄表頻數(shù)(次)對(duì)比。

通過(guò)圖10可知，本文方法的查表頻數(shù)最多，本文方法水電氣數(shù)據(jù)的采集可根據(jù)電能計(jì)量芯片—ATT7022B實(shí)現(xiàn)，由此增加了數(shù)據(jù)采集頻數(shù)，也就抄表頻數(shù)。文獻(xiàn)[10]方法中，利

圖10 不同方法抄表頻數(shù)對(duì)比

用多模柔性融合通訊技術(shù)，對(duì)居民家庭的水電氣熱四類表計(jì)進(jìn)行采集，采集效率低，頻數(shù)少。文獻(xiàn)[8]中依據(jù)水表預(yù)付費(fèi)用的業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建基于NFC的水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)，雖然只是對(duì)水表采集系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，但是依據(jù)水表預(yù)付費(fèi)用業(yè)務(wù)需求建立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)具有一定程度的主觀意識(shí)，導(dǎo)致單一的水表采集系統(tǒng)也無(wú)法達(dá)到高效率地?cái)?shù)據(jù)采集。該對(duì)比證明了本文方法的有效性要強(qiáng)于文獻(xiàn)所提方法。下表為不同方法在各方面的性能對(duì)比。

表1 不同方法在不同性能方面的對(duì)比結(jié)果

分析上表可知，本文方法在各方面均優(yōu)于文獻(xiàn)方法。本文方法在水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，硬件部分由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主電路圖、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制電路圖、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電源電路等組合而成，軟件部分利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主程序流程圖，和抄表子程序流程圖等構(gòu)成，所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比文獻(xiàn)方法中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更為完善且具體，進(jìn)一步證明了本文方法具有可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

鑒于目前國(guó)內(nèi)水電氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)日漸成熟，保障了采集系統(tǒng)前端采集的可靠性，但還是存在類似于穩(wěn)定性差等問(wèn)題，而利用本文方法可以對(duì)水電氣多表合一數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。

多表合一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以成功地采集熱能表、電能表等基表所發(fā)出的脈沖信息，而且不會(huì)丟失脈沖，但有以下幾個(gè)方面需要做進(jìn)一步研究：

對(duì)數(shù)據(jù)的通信方式做進(jìn)一步討論，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性；進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析性能，為水電氣等管理部門(mén)決策提供全面支持；可以在系統(tǒng)中安裝自動(dòng)語(yǔ)言回復(fù)等功能；將系統(tǒng)進(jìn)行逐步推廣，在實(shí)踐中進(jìn)行完善以及改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集與控制。

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