电力自动化仪表技术能源数据采集对用电信息进行数据采集分析

[全]电力自动化仪表技术，能源数据采集，对用电信息进行数据采集

分析

近年来国内外许多国家都在大力开展电力信息采集器的研发工作，其

发展可谓之迅速。在我国，实现电能数据采集及数据管理的方法有很

多种，现行的采集方案及管理模式都是在特定场景下诞生的阶段性产

物，在实际运行过程中由于现场环境的复杂和多变，通信成功率、准

确率、实时性都得不到可靠的保障，适用范围也有一定的限制。因此

实现方便、尚效、智能、实时、稳定的电力旧息米集器具有积极的

意义。

[0003]现有技术中也有解决此类问题的专利申请，如：

[0004]CN201210502090.5《一种具有采集功能的ONU设备》，

包括采集MCU模块、存储器、RS-485接口、以太网交换模块和

ONU模块芯片，采集MCU模块分别与存储器、RS-485接口、以太

网交换模块连接，以太网交换模块与ONU模块芯片连接，RS-485

接口与采用DL/T645通信规约的电能表连接。这种设备可直接进行

电力信息采集，并且在本地通信网使用EPON技术实现光通信。

EPON网络的高带宽、高可靠性以及网络化的应用将使得用电信息采

集系统的物理网络具有极高的容量，可以很容易的拓展业务范围和

内容，提供增值服务。

[0005]CN201110376408.5《一种多通信技术式电力信息采集控制

方法》，先用监控系统启动建立电力信息采集网络节点档案，将指

令数据通过通信接口配置下发网络节点的物理端口号和地址，选择

以太网的基于TCP/IP通信协议的通信网络，硬件模块即插即用；监

控系统下发的指令经信息采集控制单元判断网络节点的物理端口号,

自动配置进入通信模式，系统调用相应的通信组网协议后，系统完

成电力信息采集的通信网络组网，实现基于多通信技术式电力信息

采集控制;其硬件组成结构合理，原理可靠，软件配置科学，数据采

集准确，通讯成功率高，覆盖范围广，可有效地实现对电力系统信

息采集的控制。

[0006]CN201210560527.0《一种表地址自动上传抄表终端的搜集

方法》，启动抄表系统，建立电力信息采集电能表档案；下发命令

给抄表终端搜集所有电能表通信地址;抄表终端收到命令后给

RS485总线上所有的RS485电能表下发广播命令抄收电能表通信地

址;RS485电能表收到广播命令后开始延时，电能表依次按不同的延

时时间通过RS485总线通信向抄表终端自动上报各自的通信地址；

抄表终端收到所有上传的通信地址并进行保存后将搜集的电能表通

信地址自动上报抄表系统，实现表地址搜集;其工艺过程简单，抄表

效率高，节省人力，数据可靠，便于工程施工调试人员系统调试。

[0007]CN201710254661.0《一种基于物联网的电力信息采集与转

发系统及设备》，该系统包括:数据采集模块，包括电能采集芯片，

用于采集用户的电力信息;数据处理模块，包括主芯片，用于处理所

述电能采集芯片传输的所述电力信息;数据转发模块，用于通过Wi-Fi

将所述电力信息转发至云服务器并由所述云服务器转发至移动终端

显示。本发明集电力采集，处理，转发于一体，结合云服务器与移动

终端，形成一个完整的物联网架构，获取数据不仅仅依赖智能电表，

用于可以通过移动终端获取综合全面的家庭用电状况,有效避免电能

浪费才是升电能资源利用效率，响应国家的节能减排低碳生活的号召。

问题拆分

由两大部分构成，一部分是以MCU控制模块为中心的硬件平台；另

一部分是以主站为中心的管理中心平台，管理中心平台能通过GPRS

模块对采集器进行远程管理，硬件平台能通过485方式和载波方式

对智能表计进行数据采集并上报至管理中心，其特征在于，硬件平台

包括嵌入式控制器电路、RS-485通信电路、GPRS通信电路、电力

载波通信电路、时钟电路、显示电路、电源电路、键盘输入电路、JTAG

调试电路和存储电路；采集器共采用了二种通信方式，二种通信方式

都采用串口进行数据通信，RS-485通信电路将信号调制成对称的形

式以平衡发送的方式进行信号的传输，然后以差分的方式进行接收,

采用主从结构的半双工通信模式。

问题解决

鉴于现有技术在通信稳定性和线路干扰等方面还存在不足，本发明针

对这一个问题设计了电力信息采集器，设计的电力信息采集器在很

大程度上解决了通信稳定性和线路干扰问题，通过集成多种通信方

式使得系统的适用范围得到了很大的扩展，设计的电力信息采集器

具有很明显的市场应用价值。本发明的目的提供一种能源计量数据在

线采集与监控方法及系统。

图1

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图2

［0009］一种能源计量数据在线采集与监控系统，由两大部分构成，

一部分是以MCU(MicrocontrollerUnit)控制模块为中心的硬件平

台；另一部分是以主站为中心的管理中心平台，管理中心平台能通

过GPRS模块对采集器进行远程管理，硬件平台能通过485方式和

载波方式对智能表计进行数据采集并上报至管理中心,硬件平台包括

嵌入式控制器电路、RS-485通信电路、GPRS通信电路、电力载波

通信电路、时钟电路、显示电路、电源电路、键盘输入电路、JTAG

(JointTestActionGroup)调试电路和存储电路;采集器共采用了二

种通信方式，二种通信方式都采用串口进行数据通信，RS-485通

信电路将信号调制成对称的形式以平衡发送的方式进行信号的传输,

然后以差分的方式进行接收，采用主从结构的半双工通信模式;电力

载波通信电路是以电力线为传输介质的载波通信方式。

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[0010]进一步，GPRS通信电路设置成能拆卸的模块，时钟电路采

用时钟芯片DS3231,通过12c总线与微控制器相连;系统通过对

FLASH的扩展来实现系统对存储容量的需求，FLASH通过SPI

(SerialPeripheralInterface)总线和微控制器相连;电源电路采用电

源转换隔离设置;存储电路中的主控制选用外部FLASH存储器；

图4

[0011]进一步,采集器与智能表计之间的通信除了采用RS-485方

式外，还设计了以电力线为传输介质的载波通信方式，利用已有低

压电力线进行数据传输的载波通信，载波电路由载波芯片、信号放

大电路、滤波电路、耦合电路、过零检测电路、电源及限流电路六个

部分组成。

图5

[0012]进一步，管理中心平台与采集器之间建立的是问答方式的通

信，以管理中心平台为主站，采集器为从站，采集器接收主站下发

指令并做出相应操作，采集器能主动向管理中心平台上传数据；电

表和采集器之间采用半双工通信方式，采集器为主站，电表为从站,

采集器通过向电表发送指令来控制通信链路的建立和解除；电表和

采集器都具有唯一的通信地址。在通信主程序设计中，当采集器的

串口接收到管理中心下发的命令时，GPRS串口中断接收标志位将

会被置位。

将柠隶成功中:春炎的为mJ的：

电表按蹴浮林为东抄录成洸电:

表的m然中濒

图6

[0013]进一步,在通信主程序中，当检测到GPRS串口中断接收标

志位有效时，便会调用通信管理程序实现对管理中心下发数据的响

应；

[0014]首先判断主站下发的数据是否成功接收，如果接收失败则返

回，如果成功则对数据进行协议解析并对数据的类型进行判断;数据

的类型主要分为两类，一类是对采集器的相关操作指令，一类是对

电表的操作指令;如果主站下发的指令是针对采集器的，则根据指令

信息做出相关操作并返回相关数据即可;若指令是对电表进行操作，

就必须进行协议转换，转换成电表能够识别的下行通信协议，然后

调用本地通信程序，对电表发出相应指令信息，电表返回的数据在

发送给主站之前必须依据上行通信协议对数据进行帧组装。

图7

处起始符468H）1字节

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地址岐（A0-A5）

■起始符<68H>1字节

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数军长^I数据信息的字节总数｛1字节）

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结束修（16H）1字节

图8

[0015]进一步，系统上电后首先进行初始化，配置相关变量，之后

会进入循环监控任务，循环监控任务通过对串口中断信号的监测以

及对系统时间和抄表时间的对比来更新相关标志位的状态；当检测

到满足采集要求，将相应标志位置一指示当前需要采集的数据类型；

多任务状态采集线程在检测到各个状态标志位有效时便会激发相应

抄表程序的运行；多任务状态采集线程会根据设置好的参数对各项

抄表任务进行轮循，捕捉相关状态量的变化，当检测到相应标志位

处于有效状态，便会启动相应的抄表子程序。

[0016]进一步，抄表子程序是将组装好的数据帧通过串口传输给智

能电表，接收电表返回的信息，根据电表返回的信息判断是否需要

补抄并对抄表情况做好记录;为了尽量实现100%可靠抄录，每一个

抄表子程序都设计了补抄机制，第一次抄表失败后将有两次机会重

抄，如果重抄仍然失败，则放弃抄表，并将抄表失败标志位置位，记

录下抄表失败的时间和电表配置信息。

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图10

[0017]进一步，抄表程序被调用后，485模块/载波模块将从休眠模

式切换到正常工作模式，然后调用数据处理模块对下发的命令按照

DL/T645-2007协议进行帧组装，组装好的数据帧通过串口发送给

电能表;超时未接收到数据或是接收到的数据校验不通过，则采用补

抄机制，反之则保存抄录到的数据并置抄表失败标志位为零;定时抄

收模式下，抄表完成后首先应对数据进行协议转换，之后调用远程

通信程序将抄录到的数据上传至管理中心；如果是透传任务，则不

需要对数据进行协议解析，而是直接将数据转发给管理中心，再由管

理中心站对接收到的数据进行双重解析。

[0018]进一步，载波通信方式中的还增加了中继自动抄表，如果开

启中继自动抄表功能，系统会对抄录三次都失败的电能表进行自动

中继搜索；自动中继搜索包括无穷搜索和半自动搜索两种方式，无

穷搜索是通过对各载波电表的轮询，利用排列组合的方法将所有可能

的中继路径都抄收一次，直到正确抄收为止;半自动中继则是根据抄

收情况来设定中继路径，这样可以排除一些不符合条件的中继路径,

提高中继路径搜索的准确性。

[0019]进一步，系统通信协议分为下行通信协议和上行通信协议；

[0020]下行通信协议采用DT/L645-2007协议标准,645规约的数

据帧格式中每帧包括起始符、从站地址信息、控制码、数据长度、

用户数据信息、检验码和结束符。其中控制码的低5位为功能码，

反应了采集器下发动作指令的属性，包括对电表数据、地址、通信速

率的读写，对电表数据、事件、最大需量的清零，及对电表数据的

冻结和广播校时；

[0021]采集器在收到电表数据后，对数据进行协议解析并存储，在

对数据包的解析过程中，如果发生错误，则将抄表失败标志位置1,

表示抄表失败；

[0022]上行通信协议采用国家电网制定的Q/GDW376.1-2009,

376.1协议的数据帧格式中一帧数据包含四个部分:报头文、用户数

据区、帧校验和和结束符;长度L由两个字节组成，最低两位DI、

D0为协议标识位，本协议分别用1和0来表示，长度L余下的14

位D2-D15用来反映用户数据的长度，使用BIN编码方式，是用

户数据区的字节总数和;帧校验和是数据用户区全部字节的八位位

组算术和；链路用户数据层的功能码由八位二进制码组成，不同的组

合分别代表不同的服务功能，包括确认/否认报文、复位命令、身份

认证、链路接口检测、参数设置、参数查询、控制命令、数据请求、

文件传输和数据转发;其中请求数据类型主要分为3类:请求1类数据

即实时数据、请求2类数据即历史数据、请求3类数据即事件数据，

这三类数据根据数据标