适用于老旧小区改造的智能采集器的设计 作者：张俊哲 唐全明 高新
来源：《中国科技纵横》2013年第13期
【摘 要】 本文设计了一种符合国家电网、南方电网的新型智能采集器， 并对它的原理和实现做了详细阐述。该采集器采用RENESAS公司的uPD78F0526为主控制芯片，兼容
DL/T645-1997和DL/T645-2007通信规约，自动适应电能表通信波特率。经过实际安装使用表明，设计的系统具有功耗低、运行稳定、抄读成功率高等特点，完全符合国家电网及南方电网要求。
【关键词】 采集器 电能表 波特率自适应 07规约 97规约
随着智能电网的建设，老旧小区改造的全面展开，对智能采集器的要求越来越高。改造的老旧小区电能表不是智能电能表，而且规格和型号也不统一，也没有载波或无线传输模块，为远程集抄带来很很困难。所以，面对这样的情况，本文提出了一种基于uPD78F0526主控制芯片的智能采集器，不但符合国家电网要求，可以应用于新的智能电网建设，而且解决了上述老旧小区电能表规格不统一的问题，可以应用于老旧小区的改造。采集器具有兼容DL/T645-1997和 DL/T645-2007通信规约功能，自动适应电能表通信波特率，自动抄读并冻结电能表数据。
1 智能采集器的硬件组成
智能采集器的硬件系统组成如图1所示。图中主控制芯片MCU使用了RENESAS公司的uPD78F0526芯片，该芯片具有I2C、SPI、UART等硬件接口，适合用采集器的设计。存储电路使用E2PROM和Flash作为存储芯片，MCU通过I2C总线与实时时钟相连接，通过UART接口与上行通信电路、下行通信电路和红外通信电路通信。
E2PROM存储器容量较小，通常不超过512Kbit，可擦写次数多，可重写次数高达1，000，000次，所以在E2PROM中用来存储采集器系统配置参数和需要频繁改写的数据，例如小时冻结标识、日冻结补抄次数等每小时改变的数据量都将存储于E2PROM芯片中。E2PROM与MCU通过I2C总线通信。
Flash存储器容量大，本设计中使用2Mbit容量的Flash，擦写次数通常小于100，000次，所以Flash中存储不经常修改的大量电表冻结数据，例如小时冻结、日冻结、月冻结等数据都将存储于Flash存储器中。Flash与MCU通过SPI总线通信。
2 采集器与电能表的通信
目前国内新安装的电能表RS485通信采用2400bps通信波特率，而原有老电能表则使用1200bps通信波特率，存在通信速率不一至的问题。而目前新安装电能表均使用DL/T645-2007
通信规约，且电能表自身具有冻结电量功能，原有老电能表普遍使用DL/T645-1997通信规约，且电能表自身不具胡冻结电量功能。
由于新旧电能表差异很大，因此为远程抄表系统的改造带来了很大的困难。
2.1 自适应电能表波特率
由于目前2400bps的电能表数量多于1200bps电能表，并且后续安装电能表也均为
2400bps通信波特率，所以本设计中把2400通信波特率作为采集器的默认通信波特率，采集器的通信波特率自适应软件流程图如图2所示。
采集器接收到集中器发送的上行数据，首先解析命令，并自动获得被抄读电能表的通信地址，并从电能表档案中取得当前电表的通信速率，如果电表档案中有被抄电表的通信波特率，采集器直接按照档案中记录的通信速率进行命令转发；如果获取电能表通信波特率失败，则先尝试使用2400bps通信波特率对电能表转发命令，如果电能表返回正确数据，则将2400bps记录在电表档案中，下一次通信可直接使用该通信速率，如果等待超时，采集器则尝试使用1200bps通信波特率对电能表转发命令，如果电能表返回正确数据，则将1200bps记录在该电能表的档案记录中。
2.2 自适应电能表通信规约
DL/T645-1997和DL/T645-2007的命令帧格式如图3所示。
通过对DL/T645-1997和DL/T645-2007通信规约进行分析，发现帧格式基本相同，只有控制码有差异，控制码格式如图4所示。
其中传送方向、从站异常标志、后续帧标志DL/T645-1997和DL/T645-2007规约的定义均相同，采集器在处理时也不需要做其它判断，只要将电能表或集中器的数据直接转发即可。D0～D4为规约的功能码，命令因功能码的不同格式也不相同，图5中列出了DL/T645-1997和DL/T645-2007规约的不同的功能码。
采集器接收到集中器或电能表的数据后，首先按照图3的命令格式解析命令，再图4提取命令的控制码，最后根据图5判断该命令属于DL/T645-1997还是DL/T645-2007通信规约。如果是广播校时命令则采集器首先进行自身校时，再将命令转发给电能表，其它类型命令采集器则依据功能码进行相应处理。
3 智能采集器的自动冻结
因为新安装电能表本身带有电能量冻结功能，而一部分老电能表本身不具有电能量冻结功能，也有一部分电能表是按照DL/T645-1997命令格式冻结电能表电量数据。为了保证电能表
都能够准确冻结电能表数据，所有电能表电量均由采集器冻结，集中器可以在采集器中直接读取电能表冻结数据，不但简化了集中器的抄读流程，也使冻结时间更加准确。
3.1 自动冻结电能表数据
由于现场一些改造的老旧小区，使用DL/T645-1997通信规约能电能表，电能表通常不具备数据冻结功能，或冻结命令格式不统一，为集中器抄表带来很大困难。采集器冻结电能表数据时判断电能表通信规约，如果电能表使用DL/T645-1997规约则直接抄读电能表内部冻结数据，存储在采集器中电能表使用DL/T645-2007规约，采集器统一抄读电能表的当前数据，存储在采集器中，作为冻结数据。
当采集器通过RTC实时时钟电路获取当前时间，如果到达指定抄表时间，采集器则按照图6所示流程抄表，首先依次读取电能表档案，获取需要抄读的数据标识，采集器自动
DL/T645-2007或DL/T645-1997通信规约进行数据组包，并通过RS485总线将命令发送给电能表；如果电能表返回正确数据，采集器自动解析返回命令，并将冻结数据存储在Flash存储器中，同时记录该数据标识抄读完成，并抄读下一条数据标识；如果电能表未返回正确数据，采集器再次尝试抄读该数据标识，最多尝试3次；抄读完成所有的数据标识后，再继续抄读下一电能表数据。
由于现场环境复杂，为了解决电能表掉电或RS485总线干扰等问题引起的抄表失败的问题，采集器每一小时自动判断是否所有电能表的所有数据标识均抄读完成，如果有电能表未完成所有数据标识的抄读，则近图6流程进行电能表数据补抄。
3.2 应答集中器抄冻结命令
采集器应答集中器抄冻结命令流程如图7所示，上行通道接收到集中器发送的标准抄表命令后，首先查找Flash档案，如果Flash中存在电能表档案，则从抄表命令中提取集中器抄读的数据标识，并依据数据标识在采集器的Flash中查找相应的数据，查找到数据后，采集器模拟电能表重组返回命令，并直接将返回命令通过上行通道发送给集中器；如果电能表在采集器档案中不存在或通过数据标识查找电能表数据失败，采集器则直接将集中器的命令通过下行RS485通道改送给电能表，并等待电能表返回数据，再将电能表返回的数据直接转发给集中器。
4 结语
本文描述了一种符合国家电网、南方电网的新型智能采集器的设计方案，采用RENESAS公司的uPD78F0526为主控制芯片，具有成本低，抗干扰能力强的特点。该采集器目前已经通过国家电网检测，并已经在贵州投入运行，现场应用反应良好，组网速度快，无需人工下发电能表档案，维护简单，运行稳定，得到用户的广泛好评。
参考文献：
[1]datasheet，78K0/KD2 User's Manual.
[2]刘健，倪建立，邓永辉.配电自动化系统.北京：中国水利水电出版社，1998.
[3]Q/GDW378.1-2009；电力用户用电信息采集系统技术规范[S].
[4]宋光珍，王逢春.电能表自动抄表系统的应用[J].电气时代，2000（01）.
[5]文志连，余明扬.电能量远程自动采集系统的应用研究[J].中国科技信息，2007（02）.
适用于老旧小区改造的智能采集器的设计 作者：张俊哲 唐全明 高新
来源：《中国科技纵横》2013年第13期
【摘 要】 本文设计了一种符合国家电网、南方电网的新型智能采集器， 并对它的原理和实现做了详细阐述。该采集器采用RENESAS公司的uPD78F0526为主控制芯片，兼容
DL/T645-1997和DL/T645-2007通信规约，自动适应电能表通信波特率。经过实际安装使用表明，设计的系统具有功耗低、运行稳定、抄读成功率高等特点，完全符合国家电网及南方电网要求。
【关键词】 采集器 电能表 波特率自适应 07规约 97规约
随着智能电网的建设，老旧小区改造的全面展开，对智能采集器的要求越来越高。改造的老旧小区电能表不是智能电能表，而且规格和型号也不统一，也没有载波或无线传输模块，为远程集抄带来很很困难。所以，面对这样的情况，本文提出了一种基于uPD78F0526主控制芯片的智能采集器，不但符合国家电网要求，可以应用于新的智能电网建设，而且解决了上述老旧小区电能表规格不统一的问题，可以应用于老旧小区的改造。采集器具有兼容DL/T645-1997和 DL/T645-2007通信规约功能，自动适应电能表通信波特率，自动抄读并冻结电能表数据。
1 智能采集器的硬件组成
智能采集器的硬件系统组成如图1所示。图中主控制芯片MCU使用了RENESAS公司的uPD78F0526芯片，该芯片具有I2C、SPI、UART等硬件接口，适合用采集器的设计。存储电路使用E2PROM和Flash作为存储芯片，MCU通过I2C总线与实时时钟相连接，通过UART接口与上行通信电路、下行通信电路和红外通信电路通信。
E2PROM存储器容量较小，通常不超过512Kbit，可擦写次数多，可重写次数高达1，000，000次，所以在E2PROM中用来存储采集器系统配置参数和需要频繁改写的数据，例如小时冻结标识、日冻结补抄次数等每小时改变的数据量都将存储于E2PROM芯片中。E2PROM与MCU通过I2C总线通信。
Flash存储器容量大，本设计中使用2Mbit容量的Flash，擦写次数通常小于100，000次，所以Flash中存储不经常修改的大量电表冻结数据，例如小时冻结、日冻结、月冻结等数据都将存储于Flash存储器中。Flash与MCU通过SPI总线通信。
2 采集器与电能表的通信
目前国内新安装的电能表RS485通信采用2400bps通信波特率，而原有老电能表则使用1200bps通信波特率，存在通信速率不一至的问题。而目前新安装电能表均使用DL/T645-2007
通信规约，且电能表自身具有冻结电量功能，原有老电能表普遍使用DL/T645-1997通信规约，且电能表自身不具胡冻结电量功能。
由于新旧电能表差异很大，因此为远程抄表系统的改造带来了很大的困难。
2.1 自适应电能表波特率
由于目前2400bps的电能表数量多于1200bps电能表，并且后续安装电能表也均为
2400bps通信波特率，所以本设计中把2400通信波特率作为采集器的默认通信波特率，采集器的通信波特率自适应软件流程图如图2所示。
采集器接收到集中器发送的上行数据，首先解析命令，并自动获得被抄读电能表的通信地址，并从电能表档案中取得当前电表的通信速率，如果电表档案中有被抄电表的通信波特率，采集器直接按照档案中记录的通信速率进行命令转发；如果获取电能表通信波特率失败，则先尝试使用2400bps通信波特率对电能表转发命令，如果电能表返回正确数据，则将2400bps记录在电表档案中，下一次通信可直接使用该通信速率，如果等待超时，采集器则尝试使用1200bps通信波特率对电能表转发命令，如果电能表返回正确数据，则将1200bps记录在该电能表的档案记录中。
2.2 自适应电能表通信规约
DL/T645-1997和DL/T645-2007的命令帧格式如图3所示。
通过对DL/T645-1997和DL/T645-2007通信规约进行分析，发现帧格式基本相同，只有控制码有差异，控制码格式如图4所示。
其中传送方向、从站异常标志、后续帧标志DL/T645-1997和DL/T645-2007规约的定义均相同，采集器在处理时也不需要做其它判断，只要将电能表或集中器的数据直接转发即可。D0～D4为规约的功能码，命令因功能码的不同格式也不相同，图5中列出了DL/T645-1997和DL/T645-2007规约的不同的功能码。
采集器接收到集中器或电能表的数据后，首先按照图3的命令格式解析命令，再图4提取命令的控制码，最后根据图5判断该命令属于DL/T645-1997还是DL/T645-2007通信规约。如果是广播校时命令则采集器首先进行自身校时，再将命令转发给电能表，其它类型命令采集器则依据功能码进行相应处理。
3 智能采集器的自动冻结
因为新安装电能表本身带有电能量冻结功能，而一部分老电能表本身不具有电能量冻结功能，也有一部分电能表是按照DL/T645-1997命令格式冻结电能表电量数据。为了保证电能表
都能够准确冻结电能表数据，所有电能表电量均由采集器冻结，集中器可以在采集器中直接读取电能表冻结数据，不但简化了集中器的抄读流程，也使冻结时间更加准确。
3.1 自动冻结电能表数据
由于现场一些改造的老旧小区，使用DL/T645-1997通信规约能电能表，电能表通常不具备数据冻结功能，或冻结命令格式不统一，为集中器抄表带来很大困难。采集器冻结电能表数据时判断电能表通信规约，如果电能表使用DL/T645-1997规约则直接抄读电能表内部冻结数据，存储在采集器中电能表使用DL/T645-2007规约，采集器统一抄读电能表的当前数据，存储在采集器中，作为冻结数据。
当采集器通过RTC实时时钟电路获取当前时间，如果到达指定抄表时间，采集器则按照图6所示流程抄表，首先依次读取电能表档案，获取需要抄读的数据标识，采集器自动
DL/T645-2007或DL/T645-1997通信规约进行数据组包，并通过RS485总线将命令发送给电能表；如果电能表返回正确数据，采集器自动解析返回命令，并将冻结数据存储在Flash存储器中，同时记录该数据标识抄读完成，并抄读下一条数据标识；如果电能表未返回正确数据，采集器再次尝试抄读该数据标识，最多尝试3次；抄读完成所有的数据标识后，再继续抄读下一电能表数据。
由于现场环境复杂，为了解决电能表掉电或RS485总线干扰等问题引起的抄表失败的问题，采集器每一小时自动判断是否所有电能表的所有数据标识均抄读完成，如果有电能表未完成所有数据标识的抄读，则近图6流程进行电能表数据补抄。
3.2 应答集中器抄冻结命令
采集器应答集中器抄冻结命令流程如图7所示，上行通道接收到集中器发送的标准抄表命令后，首先查找Flash档案，如果Flash中存在电能表档案，则从抄表命令中提取集中器抄读的数据标识，并依据数据标识在采集器的Flash中查找相应的数据，查找到数据后，采集器模拟电能表重组返回命令，并直接将返回命令通过上行通道发送给集中器；如果电能表在采集器档案中不存在或通过数据标识查找电能表数据失败，采集器则直接将集中器的命令通过下行RS485通道改送给电能表，并等待电能表返回数据，再将电能表返回的数据直接转发给集中器。
4 结语
本文描述了一种符合国家电网、南方电网的新型智能采集器的设计方案，采用RENESAS公司的uPD78F0526为主控制芯片，具有成本低，抗干扰能力强的特点。该采集器目前已经通过国家电网检测，并已经在贵州投入运行，现场应用反应良好，组网速度快，无需人工下发电能表档案，维护简单，运行稳定，得到用户的广泛好评。
参考文献：
[1]datasheet，78K0/KD2 User's Manual.
[2]刘健，倪建立，邓永辉.配电自动化系统.北京：中国水利水电出版社，1998.
[3]Q/GDW378.1-2009；电力用户用电信息采集系统技术规范[S].
[4]宋光珍，王逢春.电能表自动抄表系统的应用[J].电气时代，2000（01）.
[5]文志连，余明扬.电能量远程自动采集系统的应用研究[J].中国科技信息，2007（02）.