無線寬帶專網智能終端的探索與應用

劉繼勇，王 汀

（濟南供電公司，山東 濟南 250012）

0 引言

目前，國家電網公司對智能電網的研究、試點工作已在逐步展開。智能電網基本特征就是在技術上體現信息化、自動化、互動化，管理上體現集團化、集約化、精益化、標準化，要具有堅強的網架結構，具備各類電源接入、送出的適應能力以及大范圍資源優化配置能力和用戶多樣化服務能力，從而實現安全、可靠、優質、清潔、高效、互動的電力供應[1-3]。

推進農網智能化建設，需要依靠新技術、新設備的強力支持，同時加強重點技術研究與應用。智能配電網在供電可靠性、靈活性等方面提出了更高要求，研究和完善農網規劃原則，優化供電模式。推廣和應用智能裝備，加大力度研究和應用緊湊型、集成化、智能化、環保型的變配電設備。研究和應用適合于農網的通信與自動化新技術，著力解決農村點多面廣的分散通信難題，提高配網自動化水平，研究中低壓電網統一數據采集、調配集管一體化等關鍵技術[4-5]。

但是目前農網自動化程度不高，通信方式也不能滿足建立智能配電網的需求，在通信系統建設上存在投資成本、數據安全性等方面的問題[6]。McWiLL是國內自主研發的移動寬帶無線接入系統，為SCDMA技術的第五個演進版本，采用增強型智能天線、同步碼分多址、OFDMA、自適應調制、動態信道分配、空間零陷等先進技術，具有覆蓋范圍廣、容量大、并發用戶量大、發射功率低、抗多徑衰落和小區間干擾等優點[7]。

根據對智能農網建設要求和通信系統的分析，本文提出在農網智能表箱中采用基于McWiLL的智能終端，重點分析了智能終端的結構、工作原理以及在實際工程中的應用，對實現智能農網具有積極促進作用。

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，既可以與客戶進行交互，還可以實時顯示配變終端的運行數據。智能表箱包含了兩個子系統：接入子系統和界面子系統。

接入子系統主要進行身份認證、數據壓縮、加密、接口、開關按鈕、以及設備的驅動，從而實現禁止非法終端接入、降低網絡流量、保證數據傳輸安全性、控制液晶顯示屏以及標準化的設備驅動接口的功能。

界面子系統主要用于宣傳以及數據查詢，發布客戶服務、停電計劃等企業信息并支持客戶通過智能表箱實時查看用電情況，并且可與智能終端進行交互操作。在權限允許范圍內，查看某些數據信息（電流、電壓、功率、功率因數、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[8]，分別與智能終端進行通信，獲取各設備的運行數據。

圖1 智能表箱系統方案框圖

智能終端：通過McWiLL方式的通訊通道接收后臺軟件發送的指令信息，通過485采集各設備的運行數據進行報警數據、負荷數據的統計。

智能電表分表：用于統計各用戶的用電數據。

智能電表總表：用于獲取統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。

智能電表存儲最近6個月的凍結電量，并具有獨立的RS485接口和紅外通訊接口，雙方通訊可同時進行，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數字接口，實時采集漏保器上下端口電流、電壓等信息），實現低壓停電、故障判斷。用來對線路進行接地故障和間接接觸保護，控制及減少線損，防止因此而引起的設備事故以及電氣火災。同時在額定漏電動作值處于高檔位投運時，能針對人畜發生觸電的特種波形漏電提供良好的后備保護。

液晶屏：顯示停電信息、停電計劃、電價信息、配電系統運行工況等；用戶通過液晶屏進行分表運行數據、歷史電費數據的查詢等。

金屬鍵盤：液晶屏的操作全部通過金屬鍵盤進行。

2 智能終端

2.1 智能終端結構設計

智能終端是整個表箱系統的中心部分，向上通過GPRS/CDMA數據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據傳輸到抄表管理單元。向下通過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據，向采集終端發送用戶供電分合指令，完成對惡意欠費用戶的遠程斷電工作[9-10]。

智能居民終端采用高速嵌入式微處理器系統，模板化設計；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，并實現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，采用功能強大、抗干擾能力好的ARM工業級芯片完成；智能居民終端通過RS485接口抄讀電能表數據，并通過3G專網將電能表數據上傳至主站。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，作為當前電量，該過程稱為上電采集。智能終端在正常運行期間，根據電量采集間隔計算，采集電量并把數據存儲在EEPROM中，作為當前電量，該過程稱為正常采集。

電量的凍結分為上電電量補凍和正常凍結兩部分。智能終端上電補凍是指斷電上電采集了當前電量之后，根據當前日期和當前日日電量有效標志判斷是否凍結了當前日日電量，如果沒有凍結當前日日電量，那么會補凍當前日日電量；補凍完日電量，系統根據當前日期、當前月月電量有效標志判斷是否需要凍結月電量，如果需要，那么馬上凍結當前月月電量。日、月電量都是直接存儲到FLASH中的。系統在運行過程中，如果當前時間是零點，并且還未凍結日電量，那么系統會將當前電量存儲到FLASH中的指定位置作為當前日日電量，該過程就是日電量的凍結。凍結完日電量，系統會判斷當前日期是不是基本參數中設置的月電量凍結日，并且判斷是否凍結了當前月月電量，如果在月電量凍結日還沒有凍結當前月月電量，那么將當前電量存儲到FLASH中作為當前月月電量，該過程就是月電量的凍結。

讀電量分為讀當前電量、日電量、月電量這三大部分。讀當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前電量。讀日電量通過向智能終端發送指令，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。讀月電量就是系統根據傳進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送。

上行通訊模塊發送方式采用McWiLL，McWiLL是基于3G的無線寬帶接入系統，采用CS-OFDMA技術，創造性地結合了OFDMA與SCDMA，融合了3G和WiMAX的技術優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，支持大范圍組網等優點，滿足將來電力監控終端數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專網覆蓋區域實現寬帶無線接入功能，工作頻段為400～430 MHz，可提供1 Mbit/s的數據傳輸速率；提供速率達到12 M/s的標準全速USB接口和全功能串口。智能終端設計MEM660通過全功能串口與ARM相連，實現測量采集數據的上行傳輸和下行命令、信息的下發。ARM核心芯片使用集成好的AT命令實現對MEM660模塊數據/命令模式的切換和各種參數的配置。MEM660模塊工作于三層模式，監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，采集數據的傳輸則由全速USB接口實現。

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，實現對電能表參數的采集、存儲、預處理。采集到的數據通過McWiLL上行通訊模塊內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到McWiLL網絡，通過網絡傳送至電力公司數據中心的電力遠程抄表系統，實現電能表數據和數據中心系統的實時在線連接。

通過低壓客戶智能電表用電信息實時采集、處理，實現表碼采集、異常用電分析、電能質量統計分析、用電采集設備檔案管理、計算分析實時低壓線損等功能。同時還可以監測末端電壓質量，遠程采集末端電能質量，分析判斷客戶用電質量，及時進行設備改造、供電網絡調整。表箱開關門狀態檢測，實時報警，防止低壓偷竊電。

2.2 智能終端功能設計

1）數據采集。智能居民終端采集各電能表的實時電能示值、日零點凍結電能示值、抄表日零點凍結電能示值，電能數據保存時帶有時標。

實時采集：智能居民終端直接采集指定電能表的相應數據項。

定時自動采集：智能居民終端能夠按主站設置的采集周期自動采集電能表數據。

自動補抄：智能居民終端對在規定時間內未抄讀到數據的電能表具有自動補抄功能。補抄失敗時，生成時間記錄，并向主站報告。

2）數據存儲。智能居民終端能夠按要求對采集數據進行分類存儲，如日凍結數據、抄表日凍結數據、曲線數據、歷史月數據等。曲線凍結數據密度為 1 h。

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

智能居民終端監視電能表運行狀況，電能表發生參數變更、時鐘超差或電能表故障等狀況時，按事件記錄要求記錄發生時間和異常數據。

3）參數設置。

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行廣播對時。

智能居民終端參數設置和查詢。可主站遠程或手持設備本地設置和查詢下列參數。

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

抄表參數：可遠程或本地設置和查詢抄表方案，如智能居民終端采集周期、抄表時間、采集數據項等。

4）事件記錄。智能居民終端能夠根據設置的事件屬性，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。

本地狀態指示：具有電源、告警、抄表等指示。

本地維護接口：提供本地維護接口，支持手持設備通過紅外通信口等本地維護接口設備參數和現場抄讀電能量數據。本地參數設置和現場抄表具有權限和密碼管理。

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

自檢和異常記錄：可自動進行自檢，發現設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的初始化命令后，分別對硬件、參數區、數據區進行初始化，參數區置為缺省值，數據區清零。

3 智能終端特點及應用

高速工業用ARM微處理器，實用性好，速度快，抗干擾性好；大容量FLASH數據存儲，有效防止數據丟失、錯亂。

數據傳輸速率高，通信安全性高。

整機體積小，功耗少，安裝便捷，可靠性好，免維護。

寬電壓工作范圍設計，當智能居民終端輸入電壓達到標稱值1.9倍時候，智能居民終端不損壞，供電恢復正常時智能居民終端仍能正常工作。

電磁兼容性能優異，能抵御外界的傳導性瞬變脈沖群、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不僅可以運用到農網智能化建設和規劃中，還可以廣泛應用在住宅、宿舍樓、辦公樓以及商業場所。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進行連網，計算機通過相應的管理軟件可對電表中的信息進行計算、統計、打印、參數設定及斷送電等功能控制。這樣通過網絡，小區物業或供電部門便可足不出戶對用戶進行抄表、斷送電操作等，而且智能終端可配置更多的功能模塊，實現高效率、現代化、多樣化的用電。

4 結語

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，實現對低壓客戶的遠程控制、用電信息采集、停電故障智能判斷、用戶數據分析、實時低壓線損分析、雙向互動用電等。農網智能化建設需要研究和應用用電互動技術。農網和用戶側、小電源的信息傳遞與互動是體現農網智能化水平的重要方面。智能終端不僅能對用戶實現遠傳抄表、自動斷送電功能，而且還具有查詢、數據存儲、防竊電等功能。所以，加強農網智能配電臺區、智能用電終端等關鍵技術研究是實現農網智能化的重要途徑。