基于HFC网络的电力集抄系统的设计与实现

　　1 前言

　　计算机技术，特别是网络通信技术的迅速发展，使得将众多的计量点数据进行采集、传输和处理的自动集抄系统已经成为可能，它能完全取代原始的人工抄表方式，不用抄表人员走家串户的抄写，整个抄表过程完全实现自动化，大大提高了工作效率，同时电力部门还可以实时查看每个用户的用电数据，准确的统计各供电线路的实际用电情况，从而进行合理的调度，运用经济杠杆实现“削峰填谷”，提高整体经济效益。此外还能及时发现供电和用电中存在的问题，确保安全供电和安全用电，达到科学配电、节能降耗的目的[1]。

　　国内外对集抄系统的研究已经有十多年的历史了，有成功的经验同样也有失败的教训，在集抄系统的研究初期，因为网络还不是很普及，人们主要研究低压电力线载波[2]，可以说载波技术已经比较成熟，但载波存在许多的问题:通信速率低、实时性差、抄收率低和不稳定等。众所周知，我国的电网干扰非常大，不像发达国家的电网十分“干净”，这些都对载波数据通信产生了重要的影响，使得载波集抄不能大范围推广[3][4]。如何跟据我国的国情研究开发出适合我国发展现状的集抄技术已经成为迫切需要解决的问题。

　　HFC有线电视网有着极好的数据传输环境，具有高带宽、大容量和很高的用户投入率。HFC网己被国际上公认为是通向广大用户多种信息业务的统一入户平台，将成为信息高速公路基础设施之一。HFC网络的覆盖面广、通信速率高等特点恰恰满足了我国发展集抄系统的各项要求，因此基于HFC网络的远程用电集抄系统具有重要的研究意义和极高的推广价值。

　　2 系统概述

　　基于HFC网络的远程用电集抄系统利用HFC网[5]作为到用户终端(电表等)底层通信混合信道的主信道，利用成熟的Internet网络作为上层信息传递主通道;提出了底层通信网络采用混合信道的新技术思路，彻底解决了困扰供电企业多年的大规模采集电参数及大数据量、准实时(滞后时间在秒级)的问题;实现了负荷管理功能和低压配变运行状态实时的远程监控功能;

　　2.1 系统构成

　　HFC网络集抄系统由四个部分构成，如图1 所示：

　　各部分的原理如下：

　　(1) 有线电视台及有线电视网络中心部份。它由模拟电视、数字电视、本地广告电视信息源及有线电视网络中心四个部分组成，前三个部分与本系统无关，在此省略。在有线电视台中心机房除有线电视信号的高频调制与放大发送设备外，很多电视台还拥有数字ATM交换机、路由器、CMTS等数字网络接口设备。

　　(2) 有线电视台专有的路由交换设备。它将信号转换为光信号并通过光缆传送至各个小区，一根光缆有多根光纤，可将多种信号同时送往同一地点。到预定地点后再用双向光放将光信号转换成电信号并放大后送至底层公用网络。

　　(3) 底层公用网络部份(专用集中器、电视铜缆网及用户电表)。本系统在光接点的TV双向光放上并接了一个专用的集中器，该专用集中器将TV通道中的54.9M±100kc FSK信号进行接收解调，集中器下发命令用110.9M±100kc进行FSK调制并混入未端的电视铜缆网，各采集器又连接在电视铜缆网上，由此进行与各采集器的信息互联。

　　(4) 集中器与供电局主机的互联部分。集中器内的工控机用一个标准的10M以太网口采用多种方式(普通拨号上网、就近接入本地局域网、专线上网等)与Internet网联接。供电局可以组建自己的专用虚网，使这些集中器均在同一局域网内。

　　2.2 系统工作过程

　　供电局主站计算机通过互联网络与各集中器相联，主站计算机向各集中器发布命令，各集中器将这些命令解释和分解后通过HFC未端网(从双向光放往下，含干放、楼放、至各户的分支分配器及相关铜缆)发给每一只网络电表，对应被呼叫用户电表则作出应答，未被呼叫用户电表则不应答，各网络电表完成相应命令(如抄表，校时，断电/通电，费率设置等)后将结果上报自己所属的集中器，各集中器再将各表上报结果按照预定格式打包上报主站，主站将其入库并进行相应处理，最后将结果存于通过网关进行隔离的大型数据库。各集中器和网络电表在无命令时，按主站预先设置的状态运行。在出现故障、台区切改等情况时，集中器无需主站命令也将主动打包上报。

　　3 主站的设计与实现

　　后台主站是整个集抄系统的中心，位于供电局侧，负责控制下面的集中器并进行后台数据处理，因此对主站计算机的硬件及软件要求要高一些，这对整个系统的性能十分重要。

　　3.1 主站系统运行的环境要求

　　在本系统中我们选用了联想万全T168 S2.8GIV4做为系统的主服务器，万全T168 S2.8GIV4具有以下特点：含超线程(HT)技术的英特尔奔腾4处理器2.8GHz、1MB二级缓存、800MHz系统总线、256M ECC 400MHz DDR内存、80G 7200转IDE硬盘及集成CSA技术的千兆网卡，操作系统为Windows 2000 Advance Server，后台数据库采用高性能的Oracle 8i Server。主站监控软件与数据库服务器既可以位于一台服务器上，有条件的还可以分置到两个相对独立的服务器上，并使数据库服务器通过防火墙进行隔离，以保证数据的安全性。

　　3.2主站监控软件的设计

　　主站监控软件由7个子系统组成，如图2所示：

　　各子系统的功能如下：

　　(1) 电力参数采集子系统，实时读各种电参数：有功正总、尖、峰、谷、平电量、有功反向总电量、有功电量数组、最大需量、最大需量发生时间、月停电时间细节、整点电压、整点电量、表状态、集中器状态、复费率格式、台区码等。

　　(2) 系统参数设置子系统，对系统中任一电表或任一群电表进行如下参数设置：时钟、最大需量、电表底数、日超量、月超量、冻结抄表时间、每日16时段和尖峰平谷四种费率、节假日复费率等。

　　(3) 系统数据分析子系统，对用户的日、月用电量、电压数据按照日期或日期段进行统计分析，并且将结果以曲线图形的方式展现出来。对任一有主电表和各分支电表的台区、电力分支用同一时刻冻结抄表的方法获得其真实和精确的线损。还可对任一有主电表和各分支电表的台区、电力分支用同一时刻冻结抄表并与历史参数对比的方法获得窃电的准确信息与窃电的准确区域供分析窃电使用，该方法使得任何形式的窃电均不能躲过。

　　(4) 系统维护子系统，对系统中的集中器、电表信息进行增加、删除和修改，对系统用户的密码及权限进行管理。

　　(5) 用电对象回控子系统，对系统中任一电表或任一群电表进行跳、合闸监控。三相电表及重要电表的数据采集和回控，均采用SAM方式进行线路加密。

　　(6) 系统故障上报提示子系统，实时监控系统中运行的电表状态，如发现故障立即以窗口的形式提示监控人员，以便作出相应的处理。

　　(7) 系统信息查询子系统，提供给供电局管理人员对电表的各种数据资料的搜索和查阅，分为四个部分数据内容的查询：系统数据查询、系统数据分析、实时抄数据查询和系统参数设置查询。

　　4 集中器的设计与实现

　　集中器处于整个系统的中间层，负责将主站发来的命令进行解析并下发到指定的电表，接收电表的应答，将应答数据进行打包然后上传给主站，一个集中器最多可以管理1024个电表。

　　4.1 集中器的硬件结构

　　集中器的主要硬件组成部分如图 3所示：

　　集中器的Cable Modem接收TV通道中的54.9M±100kc FSK信号并进行解调(接收各采集器回答)，下发命令用110.9M±100kc进行FSK调制后用TV通道下发到各采集器(即电表)。供电局主站命令(以打包形式)发送到集中器后，集中器将其分解成针对各单独用户的命令，再进行110.9M FSK调制后发给整个用户网。对应用户接收到命令后(进行110.9M FSK解调得到)执行相应操作，并将执行结果进行54.9M FSK调制，发送给集中器，集中器将多个单独用户信息汇总后，按主站要求打包发给主站。

　　4.2 集中器软件结构

　　集中器软件采用模块化的设计思想，模块之间采用通用的 COM 规范接口，使用的开发工具是eMbeded Visual C++[6]，整个程序的结构如图4：

　　(1) 主程序：主程序负责整个系统调度，系统初始化后，当主站没有下发给集中器命令时，主程序调用自动工作模块完成每日的对采集器的校时、读取整点数据、循检采集器状态等工作，然后将从采集器收集到的数据存到集中器的数据库中，并跟据要求上报给主站，当有命令下达时，主程序调用命令解析模块将命令帧进行解析，并将解析后的命令插入到命令队列中，供命令队列处理模块对命令进行处理，整个活动如图 5：

　　(2) 主站命令解析模块：由主程序调用，它的作用是对主站下发的命令帧跟据不同的通信归约进行解析，将解析出的数据填充成一个可执行命令结构中，再插入到主站命令队列中。

　　(3) 处理主站命令队列模块：当主站命令队列中有解析出的可执行命令时，主程序将调用这个模块，从命令队列的队首循环处理队列中的所有命令，跟据命令的控制字，调用处理采集器对象模块与电表进行通信。

　　(4) 处理与主站通信模块：该模块的功能是对从采集器读到的数据封装成帧，跟据主站的不同通信协议，与主站进行通信，将数据帧传送到主站。

　　(5) 处理GPRS通信模块：该模块为可选模块，现在GPRS通信刚刚兴起但发展势头迅猛，它具有其他通信方式无法比拟的优点，它通信速率高，数据传输稳定，价格也正慢慢趋于合理，相信不久的将来，GPRS将在不同领域被广泛应用。GPRS通信模块的作用是提供集中器与主站通过中国电信的GPRS网进行数据交换，它还需要增加硬件转换电路，并取得网络提供商的支持。

　　(6) 处理采集器对象模块：这个模块的作用是处理与采集器的通信，它被处理主站命令队列模块所调用，向处理主站命令队列模块提供底层实现函数，并将采集器返回的数据传给处理主站命令队列模块，同样处理采集器对象模块也要调用其下层的处理串口通信模块，实现对采集器的真正通信。

　　(7) 处理串口通信模块：串口通信模块的作用是跟据通信参数将采集器对象模块传过来的数据帧发送到采集器端，并接收从采集器返回的数据，将数据交给采集器对象模块。

　　(8) 处理与采集器通信归约解析模块：它的作用是跟据命令帧的归约标志位指定的归约对与采集器进行通信的数据帧进行解析，并分析数据帧的正确性，它同样也是由采集器对象模块调用。

　　(9) 数据存储处理模块：数据存储模块向所有需要数据存储的模块提供数据的存取，它是对WinCE数据库API的简单封装，提供与MFC类似的接口，在开发数据量大的系统时也可以选用WinCE的数据库：SQL SERVER CE。

　　(10)自动工作模块：自动工作模块的作用是完成一些定时工作，它跟据主站设置的自动工作时间进行广播校时、读整点数据和循检采集器状态等工作。

　　5 前端采集器(电表)的设计

　　采集器处于整个系统的最底层，主要由两大部分组成：采集传送部分和显示、时钟及回控部分，如图 6所示：

　　采集传送部分，负责电量脉冲的计量和数据传送，并通过FSK调制解调器接入TV同轴电缆与集中器的Cable Modem进行数据通信。显示、时钟及回控部分由一个单片机控制，与采集传送部分用串口连接，负责用LED显示从采集传送部分传来的数据并按采集传送部分的要求回送日期/时钟或接通/切断继电器。

　　6结束

　　自动集抄是电力系统自动化的一个具体体现，它对于电力系统的运营管理和线损分析有着重要的意义，同时也是我国现代化的一个具体体现。