無線寬帶專網(wǎng)智能終端的探索與應(yīng)用

劉繼勇，王 汀

（濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

目前，國家電網(wǎng)公司對智能電網(wǎng)的研究、試點(diǎn)工作已在逐步展開。智能電網(wǎng)基本特征就是在技術(shù)上體現(xiàn)信息化、自動化、互動化，管理上體現(xiàn)集團(tuán)化、集約化、精益化、標(biāo)準(zhǔn)化，要具有堅強(qiáng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具備各類電源接入、送出的適應(yīng)能力以及大范圍資源優(yōu)化配置能力和用戶多樣化服務(wù)能力，從而實(shí)現(xiàn)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、清潔、高效、互動的電力供應(yīng)[1-3]。

推進(jìn)農(nóng)網(wǎng)智能化建設(shè)，需要依靠新技術(shù)、新設(shè)備的強(qiáng)力支持，同時加強(qiáng)重點(diǎn)技術(shù)研究與應(yīng)用。智能配電網(wǎng)在供電可靠性、靈活性等方面提出了更高要求，研究和完善農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃原則，優(yōu)化供電模式。推廣和應(yīng)用智能裝備，加大力度研究和應(yīng)用緊湊型、集成化、智能化、環(huán)保型的變配電設(shè)備。研究和應(yīng)用適合于農(nóng)網(wǎng)的通信與自動化新技術(shù)，著力解決農(nóng)村點(diǎn)多面廣的分散通信難題，提高配網(wǎng)自動化水平，研究中低壓電網(wǎng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集、調(diào)配集管一體化等關(guān)鍵技術(shù)[4-5]。

但是目前農(nóng)網(wǎng)自動化程度不高，通信方式也不能滿足建立智能配電網(wǎng)的需求，在通信系統(tǒng)建設(shè)上存在投資成本、數(shù)據(jù)安全性等方面的問題[6]。McWiLL是國內(nèi)自主研發(fā)的移動寬帶無線接入系統(tǒng)，為SCDMA技術(shù)的第五個演進(jìn)版本，采用增強(qiáng)型智能天線、同步碼分多址、OFDMA、自適應(yīng)調(diào)制、動態(tài)信道分配、空間零陷等先進(jìn)技術(shù)，具有覆蓋范圍廣、容量大、并發(fā)用戶量大、發(fā)射功率低、抗多徑衰落和小區(qū)間干擾等優(yōu)點(diǎn)[7]。

根據(jù)對智能農(nóng)網(wǎng)建設(shè)要求和通信系統(tǒng)的分析，本文提出在農(nóng)網(wǎng)智能表箱中采用基于McWiLL的智能終端，重點(diǎn)分析了智能終端的結(jié)構(gòu)、工作原理以及在實(shí)際工程中的應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)網(wǎng)具有積極促進(jìn)作用。

1 智能表箱

1.1 智能表箱概述

智能表箱是一套以嵌入式低功耗CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏表箱，既可以與客戶進(jìn)行交互，還可以實(shí)時顯示配變終端的運(yùn)行數(shù)據(jù)。智能表箱包含了兩個子系統(tǒng)：接入子系統(tǒng)和界面子系統(tǒng)。

接入子系統(tǒng)主要進(jìn)行身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)壓縮、加密、接口、開關(guān)按鈕、以及設(shè)備的驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)禁止非法終端接入、降低網(wǎng)絡(luò)流量、保證數(shù)據(jù)傳輸安全性、控制液晶顯示屏以及標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備驅(qū)動接口的功能。

界面子系統(tǒng)主要用于宣傳以及數(shù)據(jù)查詢，發(fā)布客戶服務(wù)、停電計劃等企業(yè)信息并支持客戶通過智能表箱實(shí)時查看用電情況，并且可與智能終端進(jìn)行交互操作。在權(quán)限允許范圍內(nèi)，查看某些數(shù)據(jù)信息（電流、電壓、功率、功率因數(shù)、電量等）。

1.2 智能表箱總體方案

智能表箱主要由液晶顯示、智能終端、漏電保護(hù)器和智能電表組成，如圖1所示。表箱中的液晶屏、用戶分表、表箱總表、漏電保安器通過485線組成485專網(wǎng)[8]，分別與智能終端進(jìn)行通信，獲取各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖1 智能表箱系統(tǒng)方案框圖

智能終端：通過McWiLL方式的通訊通道接收后臺軟件發(fā)送的指令信息，通過485采集各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行報警數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。

智能電表分表：用于統(tǒng)計各用戶的用電數(shù)據(jù)。

智能電表總表：用于獲取統(tǒng)計與分表和之間的差值，計算表箱損耗ΔP。計算公式見公式（1）

式中，P0為總表采集值，Pi為第i塊用戶分表采集值，N為用戶分表總數(shù)。

智能電表存儲最近6個月的凍結(jié)電量，并具有獨(dú)立的RS485接口和紅外通訊接口，雙方通訊可同時進(jìn)行，互不影響。

漏電保安器（簡稱漏保器）：采集二級漏保器供電信息（通過漏保器485數(shù)字接口，實(shí)時采集漏保器上下端口電流、電壓等信息），實(shí)現(xiàn)低壓停電、故障判斷。用來對線路進(jìn)行接地故障和間接接觸保護(hù)，控制及減少線損，防止因此而引起的設(shè)備事故以及電氣火災(zāi)。同時在額定漏電動作值處于高檔位投運(yùn)時，能針對人畜發(fā)生觸電的特種波形漏電提供良好的后備保護(hù)。

液晶屏：顯示停電信息、停電計劃、電價信息、配電系統(tǒng)運(yùn)行工況等；用戶通過液晶屏進(jìn)行分表運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史電費(fèi)數(shù)據(jù)的查詢等。

金屬鍵盤：液晶屏的操作全部通過金屬鍵盤進(jìn)行。

2 智能終端

2.1 智能終端結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能終端是整個表箱系統(tǒng)的中心部分，向上通過GPRS/CDMA數(shù)據(jù)通道與抄表管理單元通信，接收抄表管理單元的指令，將從采集終端采集的電量數(shù)據(jù)傳輸?shù)匠砉芾韱卧Ｏ蛳峦ㄟ^485總線方式與采集終端通訊，定時抄錄并保存采集終端采集到的用戶電量數(shù)據(jù)，向采集終端發(fā)送用戶供電分合指令，完成對惡意欠費(fèi)用戶的遠(yuǎn)程斷電工作[9-10]。

智能居民終端采用高速嵌入式微處理器系統(tǒng)，模板化設(shè)計；包括處理模塊、通信模塊、電源模塊及顯示和一些其他的外圍硬件接口完成了智能居民終端的全部功能。

電源模塊給其它所有的模塊提供所需的直流電源，并實(shí)現(xiàn)交流信號輸入到直流工作模塊的電氣隔離，保證各個模塊的工作安全；處理模塊是其中的核心部分，采用功能強(qiáng)大、抗干擾能力好的ARM工業(yè)級芯片完成；智能居民終端通過RS485接口抄讀電能表數(shù)據(jù)，并通過3G專網(wǎng)將電能表數(shù)據(jù)上傳至主站。智能居民終端工作原理框圖如圖2所示。

圖2 智能終端工作原理框圖

電量管理是智能終端最重要的功能。它包含采集器通過485總線采集電量，凍結(jié)日、月電量，以及智能終端從采集器讀取電量并通過上行通信模塊發(fā)送三大部分。

采集電量包含上電采集和正常采集兩種形式。如果智能終端中存儲了有效的電能表信息，當(dāng)斷電上電之后，會馬上從485總線處采集一次電量，并把采集的電量存儲在EEPROM中，作為當(dāng)前電量，該過程稱為上電采集。智能終端在正常運(yùn)行期間，根據(jù)電量采集間隔計算，采集電量并把數(shù)據(jù)存儲在EEPROM中，作為當(dāng)前電量，該過程稱為正常采集。

電量的凍結(jié)分為上電電量補(bǔ)凍和正常凍結(jié)兩部分。智能終端上電補(bǔ)凍是指斷電上電采集了當(dāng)前電量之后，根據(jù)當(dāng)前日期和當(dāng)前日日電量有效標(biāo)志判斷是否凍結(jié)了當(dāng)前日日電量，如果沒有凍結(jié)當(dāng)前日日電量，那么會補(bǔ)凍當(dāng)前日日電量；補(bǔ)凍完日電量，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前日期、當(dāng)前月月電量有效標(biāo)志判斷是否需要凍結(jié)月電量，如果需要，那么馬上凍結(jié)當(dāng)前月月電量。日、月電量都是直接存儲到FLASH中的。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，如果當(dāng)前時間是零點(diǎn)，并且還未凍結(jié)日電量，那么系統(tǒng)會將當(dāng)前電量存儲到FLASH中的指定位置作為當(dāng)前日日電量，該過程就是日電量的凍結(jié)。凍結(jié)完日電量，系統(tǒng)會判斷當(dāng)前日期是不是基本參數(shù)中設(shè)置的月電量凍結(jié)日，并且判斷是否凍結(jié)了當(dāng)前月月電量，如果在月電量凍結(jié)日還沒有凍結(jié)當(dāng)前月月電量，那么將當(dāng)前電量存儲到FLASH中作為當(dāng)前月月電量，該過程就是月電量的凍結(jié)。

讀電量分為讀當(dāng)前電量、日電量、月電量這三大部分。讀當(dāng)前電量過程就是供電部門或紅外掌抄[11]從智能終端的EEPROM中讀取所有電能表的當(dāng)前電量。讀日電量通過向智能終端發(fā)送指令，要求讀取指定日期的指定電能表的日電量，終端根據(jù)指定的日期和電能表地址從FLASH中讀取指定電能表的日電量回傳給上行模塊發(fā)送。讀月電量可按要判斷的時間（月）不同分類。每類電量中又分所有表的電量和指定表的電量。讀月電量就是系統(tǒng)根據(jù)傳進(jìn)來的電能表信息和時間信息，從FLASH中讀取指定的月電量回傳給上行模塊發(fā)送。

上行通訊模塊發(fā)送方式采用McWiLL，McWiLL是基于3G的無線寬帶接入系統(tǒng)，采用CS-OFDMA技術(shù)，創(chuàng)造性地結(jié)合了OFDMA與SCDMA，融合了3G和WiMAX的技術(shù)優(yōu)勢并克服了兩者的缺陷。具有傳輸速率高、用戶容量大、覆蓋半徑大，支持大范圍組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足將來電力監(jiān)控終端數(shù)量快速增長的容量需求[12-13]。通信模塊采用MEM660，該模塊作為McWiLL無線寬帶接入終端，在McWiLL專網(wǎng)覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)寬帶無線接入功能，工作頻段為400～430 MHz，可提供1 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率；提供速率達(dá)到12 M/s的標(biāo)準(zhǔn)全速USB接口和全功能串口。智能終端設(shè)計MEM660通過全功能串口與ARM相連，實(shí)現(xiàn)測量采集數(shù)據(jù)的上行傳輸和下行命令、信息的下發(fā)。ARM核心芯片使用集成好的AT命令實(shí)現(xiàn)對MEM660模塊數(shù)據(jù)/命令模式的切換和各種參數(shù)的配置。MEM660模塊工作于三層模式，監(jiān)控中心需要對模塊配置IP地址，而IP包的封裝則由模塊自身完成，采集數(shù)據(jù)的傳輸則由全速USB接口實(shí)現(xiàn)。

智能終端通過485接口直接連接到電能表上，既可支持單個電能表，也可以同時支持多個電能表，實(shí)現(xiàn)對電能表參數(shù)的采集、存儲、預(yù)處理。采集到的數(shù)據(jù)通過McWiLL上行通訊模塊內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到McWiLL網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送至電力公司數(shù)據(jù)中心的電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實(shí)時在線連接。

通過低壓客戶智能電表用電信息實(shí)時采集、處理，實(shí)現(xiàn)表碼采集、異常用電分析、電能質(zhì)量統(tǒng)計分析、用電采集設(shè)備檔案管理、計算分析實(shí)時低壓線損等功能。同時還可以監(jiān)測末端電壓質(zhì)量，遠(yuǎn)程采集末端電能質(zhì)量，分析判斷客戶用電質(zhì)量，及時進(jìn)行設(shè)備改造、供電網(wǎng)絡(luò)調(diào)整。表箱開關(guān)門狀態(tài)檢測，實(shí)時報警，防止低壓偷竊電。

2.2 智能終端功能設(shè)計

1）數(shù)據(jù)采集。智能居民終端采集各電能表的實(shí)時電能示值、日零點(diǎn)凍結(jié)電能示值、抄表日零點(diǎn)凍結(jié)電能示值，電能數(shù)據(jù)保存時帶有時標(biāo)。

實(shí)時采集：智能居民終端直接采集指定電能表的相應(yīng)數(shù)據(jù)項。

定時自動采集：智能居民終端能夠按主站設(shè)置的采集周期自動采集電能表數(shù)據(jù)。

自動補(bǔ)抄：智能居民終端對在規(guī)定時間內(nèi)未抄讀到數(shù)據(jù)的電能表具有自動補(bǔ)抄功能。補(bǔ)抄失敗時，生成時間記錄，并向主站報告。

2）數(shù)據(jù)存儲。智能居民終端能夠按要求對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲，如日凍結(jié)數(shù)據(jù)、抄表日凍結(jié)數(shù)據(jù)、曲線數(shù)據(jù)、歷史月數(shù)據(jù)等。曲線凍結(jié)數(shù)據(jù)密度為 1 h。

智能居民終端能夠分類存儲下列數(shù)據(jù)：每個電能表的31個日零（次日零點(diǎn)）凍結(jié)電能表數(shù)據(jù)、12個月抄表日的凍結(jié)電能數(shù)據(jù)、254個凍結(jié)的整點(diǎn)電能數(shù)據(jù)。

智能居民終端監(jiān)視電能表運(yùn)行狀況，電能表發(fā)生參數(shù)變更、時鐘超差或電能表故障等狀況時，按事件記錄要求記錄發(fā)生時間和異常數(shù)據(jù)。

3）參數(shù)設(shè)置。

時鐘召測和對時功能。智能居民終端具有計時單元，計時單元的日計時誤差小于±1 s/d。智能居民終端可接收主站或本地手持設(shè)備的時鐘召測和對時命令。智能居民終端能夠通過本地信道對電能表進(jìn)行廣播對時。

智能居民終端參數(shù)設(shè)置和查詢?？芍髡具h(yuǎn)程或手持設(shè)備本地設(shè)置和查詢下列參數(shù)。

智能居民終端檔案：智能居民終端通信參數(shù)，如主站通訊地址（包括主通道和備用通道）、通信協(xié)議、IP地址等。

抄表參數(shù)：可遠(yuǎn)程或本地設(shè)置和查詢抄表方案，如智能居民終端采集周期、抄表時間、采集數(shù)據(jù)項等。

4）事件記錄。智能居民終端能夠根據(jù)設(shè)置的事件屬性，將事件按重要事件和一般事件分類記錄。事件包括參數(shù)變更、抄表失敗、智能居民終端停/上電、電能表時鐘超差等。智能居民終端能夠主動向主站發(fā)送告警信息并能夠保存最近500條事件記錄。

5）本地功能。

本地狀態(tài)指示：具有電源、告警、抄表等指示。

本地維護(hù)接口：提供本地維護(hù)接口，支持手持設(shè)備通過紅外通信口等本地維護(hù)接口設(shè)備參數(shù)和現(xiàn)場抄讀電能量數(shù)據(jù)。本地參數(shù)設(shè)置和現(xiàn)場抄表具有權(quán)限和密碼管理。

本地信息觸發(fā)功能：通過長按智能居民終端編程鍵2 s以上或通過紅外、調(diào)試口向智能居民終端發(fā)送特定命令幀，智能居民終端可向主站發(fā)送特定信息。

自檢和異常記錄：可自動進(jìn)行自檢，發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常并有事件記錄和告警功能。

初始化：智能居民終端接收到主站下發(fā)的初始化命令后，分別對硬件、參數(shù)區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行初始化，參數(shù)區(qū)置為缺省值，數(shù)據(jù)區(qū)清零。

3 智能終端特點(diǎn)及應(yīng)用

高速工業(yè)用ARM微處理器，實(shí)用性好，速度快，抗干擾性好；大容量FLASH數(shù)據(jù)存儲，有效防止數(shù)據(jù)丟失、錯亂。

數(shù)據(jù)傳輸速率高，通信安全性高。

整機(jī)體積小，功耗少，安裝便捷，可靠性好，免維護(hù)。

寬電壓工作范圍設(shè)計，當(dāng)智能居民終端輸入電壓達(dá)到標(biāo)稱值1.9倍時候，智能居民終端不損壞，供電恢復(fù)正常時智能居民終端仍能正常工作。

電磁兼容性能優(yōu)異，能抵御外界的傳導(dǎo)性瞬變脈沖群、磁場、靜電、雷擊浪涌等干擾。

以智能終端裝置為核心的智能表箱系統(tǒng)不僅可以運(yùn)用到農(nóng)網(wǎng)智能化建設(shè)和規(guī)劃中，還可以廣泛應(yīng)用在住宅、宿舍樓、辦公樓以及商業(yè)場所。智能終端利用RS485總線，使集中式的智能電表與管理中心計算機(jī)進(jìn)行連網(wǎng)，計算機(jī)通過相應(yīng)的管理軟件可對電表中的信息進(jìn)行計算、統(tǒng)計、打印、參數(shù)設(shè)定及斷送電等功能控制。這樣通過網(wǎng)絡(luò)，小區(qū)物業(yè)或供電部門便可足不出戶對用戶進(jìn)行抄表、斷送電操作等，而且智能終端可配置更多的功能模塊，實(shí)現(xiàn)高效率、現(xiàn)代化、多樣化的用電。

4 結(jié)語

低壓客戶智能用電管理通過安裝智能表箱、智能電能表、智能低壓終端，實(shí)現(xiàn)對低壓客戶的遠(yuǎn)程控制、用電信息采集、停電故障智能判斷、用戶數(shù)據(jù)分析、實(shí)時低壓線損分析、雙向互動用電等。農(nóng)網(wǎng)智能化建設(shè)需要研究和應(yīng)用用電互動技術(shù)。農(nóng)網(wǎng)和用戶側(cè)、小電源的信息傳遞與互動是體現(xiàn)農(nóng)網(wǎng)智能化水平的重要方面。智能終端不僅能對用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳抄表、自動斷送電功能，而且還具有查詢、數(shù)據(jù)存儲、防竊電等功能。所以，加強(qiáng)農(nóng)網(wǎng)智能配電臺區(qū)、智能用電終端等關(guān)鍵技術(shù)研究是實(shí)現(xiàn)農(nóng)網(wǎng)智能化的重要途徑。