水电气多表合一数据自动采集系统设计

2018-03-27，，，，

计算机测量与控制 2018年3期

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(1.国网湖北省电力公司计量中心，武汉 430077； 2.湖北华中电力科技开发有限责任公司，武汉 430077)

0 引言

随着无线网络在我国不断普及，信息化的问题受到了国家政府高度重视，信息化的发展水平于一定程度上说明了某个国家、企业的社会生存和竞争能力以及科技水平强弱[1]。信息化涉及了社会的方方面面，其中，公共事业局的电、水、气多表合一的自动化集抄系统，也就是水电气多表合一数据自动采集系统的设计，作为公共事业局以及千家万户基础平台，是公共事业局信息化建设的关键内容[2]。

在我国，水电气多表合一数据自动采集技术与世界基本是同步的，上个世纪的80年代末，国内开始对自动化抄表系统进行试点工作[3]。在1989年全国的第一套跨省电量计费系统于我国的华北电网运行，而后北京供电局电话抄表系统于90年代投入运行。从2005年至2007年各个电力公司已经实现发电侧，供电侧和终端侧，在全国估计有几十万AMR采集终端得以应用，目前是世界发展比较快的AMR市场之一[4]。

目前市场上有很多公司已经开发了三表抄收系统，但是这些公司只做三表抄收以及其他智能系统，对这些资源不能够做到整合以及合理利用[5]。随着大众生活水平不断提高，当前的抄表方式中存在的弊端越来越突出，收费难成为了水电气部门在管理上的关键问题[6]，主要原因有以下几点：进入用户家抄表的难度较大，因为居民的生活水平日渐提高，财产安全问题越来越受到居民的重视，同时用户也不希望受到打扰，抄表人员可利用的时间较短；水电气部门负担重，尤其是抄表效率低，周期较长，成本回笼慢，手工抄表收费结算方式给管理部门的经营带来了很大的困难，管理费成本过高，如果燃气公司共有10万用户，抄表与管理人员就需要60至70人，可能会更多，则人员成本将近100万，随着城市化的不断发展，城市用户越来越多，这对相关单位是一种牵制；抄表的工作以及劳动强度比较大，抄表与收费人员的工作条件较差，误差大，存在的问题与隐患比较多，抄表收费人员遭抢，或者犯罪分子时常冒充收费人员强行入室作案，严重影响社会的稳定发展，很难适应信息化发展的要求[7]。综上所述，水电多表合一数据自动采集系统的设计迫在眉睫。

针对当前预付水费时需要用户带着预付水卡在指定的营业点进行水费充值的方式，张呈钰[8]等人设计并实现了一种带有移动支付，与数据索引功能的智能水表数据采集系统，依据水表预付费用的业务需求，构建基于NFC的水表数据采集系统架构，并完成软硬件的设计，然后，提出一种对外部磁场进行检测进而降低水表数据采集功耗的机制，与NFC安全协议相结合，分析水表移动支付的安全性。该方法具有及时性，但所设计的系统运行效率低。王鹏[9]等人提出利用集中器对四表合一的数据采集系统进行设计，并提出了采用自组网实现大规模表计构架的组建，将智能电网通信网络当作计量装置虚拟专用网，设计了基于IPv6的水电气数据采集协议，对原型系统进行了实验。实验表明，该方法数据采集精度高，但稳定性较差。郭亮[10]等人提出了利用多模柔性融合通讯技术，对居民家庭的水电气热四类表计进行采集，结合家庭能耗系统的管理云平台，利用大数据分析和对比，完成家庭能耗实时监控以及能效诊断，凭此用户能够实时检索能耗数据，实时接收电网所推送的电价，节能信息以及节能方案，为家庭用户的需求提供了支撑，但存在安全性较低的问题。

1 水电气多表合一数据自动采集系统整体框架

通过图1可知，水电气多表合一数据自动采集系统整体构造，利用的是三层结构以CAN总线以及以太网通信形式设计实现，底层是对水电气多表合一数据采集系统各部分电路的规划，利用管理中心来处理计费等操作，在客户端界面，客户可用手机或者平板等设备对水电气数据进行随时的查阅以及费用的计算，下面主要对水电气数据自动采集系统的各个部件进行详细的设计与介绍。

图1 水电气多表合一数据自动采集系统整体构造

2 水电气多表合一数据自动采集系统硬件设计

2.1 水电气多表合一数据自动采集系统主电路图

在水电气数据自动采集系统的设计过程中，主要的目的就是对水电气多表合一的数据进行采集，所以该节主要对数据采集系统主电路进行构造。在图2中，数据采集系统主电路的设计考虑到了有些用户利用三相电的可能，比如大功率的空调等，其水电气数据的采集能够利用计量芯片—ATT7022B实现。其中最大10 A的电流信号，经过10 A/5 mA的电流互感器与20 Ω电阻并接获得0.1 V电压信号，额定的220 V电压信号与110 K电阻串联形成2 mA电流，经过2 mA/2 mA的电流互感器与240 Ω的电阻并联形成0.48 V电压信号。这时，ATT7022B内部的电流与电压通道的线性误差基本小于0.5%，且电能的线性误差基本小于0.1%。如果用户使用的是单相电，仅需接入相对应的电压以及电流信号，或者改用单相的电计量芯片ADE7763。

图2 数据自动采集系统主电路图

2.2 水电气多表合一数据自动采集系统控制电路

图3 数据采集系统控制电路图

(1)

那么用户的总电量表达式为：

(2)

2.3 水电气多表合一数据自动采集系统接口设计

在图4的接口设计中，接口将水电气多表合一数据采集系统的各个模块和电路进行连接，保障了系统的正常运行。其中，接口设计中还与LED进行了连接，可以实时观察水电气多表在接口处的状态。

图4 数据自动采集系统接口设计

2.4 水电气多表合一数据自动采集系统电源电路

图5中的电源电路中，主供电源电路利用的是3种，共有三组5 V的电源输出。图中的电路全部是通过全桥整流电路，历经整流滤波以及稳压之后，获取了水电气多表数据采集系统所需的5 V主电源。其中，一组是给水电气多表合一数据采集系统中的CPU、显示器以及存储电路等其它外围接口电路进行供电，主要能耗来源于供电为正常时LED的显示，因为它不仅要显示用户号信息，还包含3种能耗信息。额外两组直流5 V输出是通信隔离使用的芯片供电。假设此时水电气多表数据采集系统的波动使采集系统运行的不够稳定，则7805的散热器要选择有足够裕量的，进而保障7805所输出的5 V电源具有连续性。

图5 数据自动采集系统电源电路

3 水电气多表合一数据自动采集系统软件设计

在上述硬件的基础上，数据采集系统主程序应该处于待接收状态。PC机发出命令，集中器结束接收。当采集系统成功接收PC机命令时，中断装置将会收到PC机成功的标志。则在水电气多表合一数据自动采集系统主程序中，检测到该标志时，则调用数据采集处理的子程序。采集系统主程序流程如图6所示。

图6 数据采集系统主程序流程图

图6中，主程序处于等待状态，处理成功后，调用集中器向PC机应答的子程序，如果需要集中器继续将PC机传送来的命令向采集系统转发时，那么就调用集中器向数据采集系统发出命令子程序，在一定时间内还没有成功，则再次向采集系统发送命令，假设发送再次失败，则需要做故障处理，假设成功，调用向PC机应答的子程序。PC机应答之后，又回到主程序等待PC机命令。

鉴于水电气多表合一数据自动采集系统的复杂度较高，但抄表流程基本一致，在此以电表的数据自动采集为例，假设定时时间为半小时，在电量的采集中，当达到定时时间后，采集系统向DF多用户的电能表发出抄电表的命令，然后等待电表应答，如果没有应答，则重新发送命令。当接收成功时，将电量存储在24LC16B存储器中，采集系统定时中断电能抄表子程序流程图如图7所示。

图7 电能抄表子程序流程图

电能抄表程序如图7所示，其它的水、气、采暖等能耗数据采集程序与上图基本一致。

4 实验步骤结果与分析

4.1 实验步骤

(1)通过多次抄表测试及抗干扰振幅的测量实现抗干扰能力的对比；

(2)在0.5小时内通过多次数据采集实现本文方法、文献[8]文献[10]方法抄表频数的对比；

(3)对本文方法与文献[9]方法在供电、维护与安装、采样原理等方面的性能进行实验对比研究。

4.2 实验参数与环境

在PC机上进行一系列设置，其中包括参数、电量、暖气量、水量、燃气量等。参数设置中，对于水，暖气，燃气三表，因为系统最小的计量单位是0.01吨，所以对这三类表脉冲常数的设置不可超过100，设置为10，100，进而避免出现误差累计的现象。鉴于实验条件限制，对DF电能的消耗实施定时抄取，对于远传水表以及远传燃气表利用的是串联方式。将不同多表数据自动采集系统设计方法应用于该实验环境，实验平台搭建在MATLAB R2015b上，实验数据取自于某小区的水电气多表抄取中心，进行连续一个月的运转观察，观察不同方法的整体效果，具体的实验试点模型如图8所示。

图8 实验试点模型

4.3 实验结果

水电气多表合一数据自动采集系统的抗干扰能力是评价其优良的重要指标，图9为不同方法抗干扰能力对比。

图9 不同方法抗干扰性能对比

分析图9可知，文献[9]方法抗干扰性能稍优于文献[8]方法的抗干扰性能，利用本文方法设计的水电气多表合一数据自动采集系统抗干扰性能最优。文献[8]方法提出一种对外部磁场进行检测进而降低水表采集功耗机制，但该机制中并没有设置抗干扰装置，降低了系统抗干扰能力。文献[9]方法提出了采用自组网实现大规模表计构架的组建，将智能电网通信网络当作计量装置虚拟专用网，该计量装置虚拟专用网中存在大量干扰元素，属于不可控范围。而本文方法设计的水电气多表合一数据采集系统的控制电路不仅可以提高水电气多表合一数据自动采集系统稳定性，而且还具有抗干扰性能。图10为不同方法抄表频数(次)对比。

通过图10可知，本文方法的查表频数最多，本文方法水电气数据的采集可根据电能计量芯片—ATT7022B实现，由此增加了数据采集频数，也就抄表频数。文献[10]方法中，利

图10 不同方法抄表频数对比

用多模柔性融合通讯技术，对居民家庭的水电气热四类表计进行采集，采集效率低，频数少。文献[8]中依据水表预付费用的业务需求，构建基于NFC的水表数据采集系统架构，虽然只是对水表采集系统进行构建，但是依据水表预付费用业务需求建立的数据采集系统会具有一定程度的主观意识，导致单一的水表采集系统也无法达到高效率地数据采集。该对比证明了本文方法的有效性要强于文献所提方法。下表为不同方法在各方面的性能对比。

表1 不同方法在不同性能方面的对比结果

分析上表可知，本文方法在各方面均优于文献方法。本文方法在水电气多表合一数据自动采集系统设计中，硬件部分由数据采集系统主电路图、数据采集系统控制电路图、数据采集系统接口设计、数据采集系统电源电路等组合而成，软件部分利用数据采集系统主程序流程图，和抄表子程序流程图等构成，所设计的数据采集系统相比文献方法中的数据采集系统更为完善且具体，进一步证明了本文方法具有可靠性。