一種基于全光纖的集中器信息采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

吳廣洋++趙家萬(wàn)++李靚

[摘 要]本文分析了用電信息采集系統(tǒng)對(duì)于通信的要求，提出了一種全光纖的集中器產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，此方案結(jié)合塑料光纖（POF）和石英光纖兩種光纖的優(yōu)勢(shì)，將它們分別用于本地通信和遠(yuǎn)程通信，可使智能電表與主站之間通過(guò)集中器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，并具有可靠性高、功耗低、投資相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)，是一種用電信息采集的理想方案。

[關(guān)鍵詞]光纖通信；集中器；用電信息采集；智能電表

中圖分類號(hào)：TP274.2；TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）03-0089-02

引言

作為智能電網(wǎng)中智能用電環(huán)節(jié)的重要組成部分，以智能電表為核心的用電信息采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)抄表及電費(fèi)結(jié)算的智能化，提高電網(wǎng)營(yíng)銷科技水平，并能指導(dǎo)社會(huì)科學(xué)用電，為智能用電服務(wù)提供有力的技術(shù)支持，是智能電網(wǎng)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源和基礎(chǔ)。

目前，我國(guó)用電信息采集系統(tǒng)正處于全面建設(shè)階段，在大面積推廣應(yīng)用中，上行遠(yuǎn)程通信主要采用GPRS通信，下行本地通信主要采用電力線載波通信方式。GPRS是目前最常見(jiàn)的無(wú)線遠(yuǎn)程通信，其特點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣；電力載波是利用電力線進(jìn)行通信的技術(shù)，其特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，就能完成數(shù)據(jù)的傳輸。由于通信技術(shù)的一些固有缺陷，目前系統(tǒng)遇到了采集成功率難以提高，后期運(yùn)行維護(hù)工作量大以及通信實(shí)時(shí)性不高等問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了一種基于遠(yuǎn)程通信采用EPON石英光纖，本地采用塑料光纖的集中器產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，由此來(lái)構(gòu)建用電信息采集系統(tǒng)。

1 用電信息采集系統(tǒng)的架構(gòu)

用電信息采集系統(tǒng)是對(duì)電力用戶的用電信息進(jìn)行采集、處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用電信息的自動(dòng)采集、計(jì)量異常監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、用電分析和管理、相關(guān)信息發(fā)布、分布式能源監(jiān)控、智能用電設(shè)備的信息交互等功能。

用電信息采集系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)分為主站層、數(shù)據(jù)采集層和采集點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備層三個(gè)層次。主站層和數(shù)據(jù)采集層之間通過(guò)GPRS/CDMA/4G/光纖/以太網(wǎng)等通道通信，稱為遠(yuǎn)程通信；數(shù)據(jù)采集層和采集點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備之間通過(guò)電力線載波（PLC）、RS-485總線和微功率無(wú)線三種通道通信，稱為本地通信。用電信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

2 光纖通信特點(diǎn)

2.1 石英光纖

石英光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，是用純度特別高的石英玻璃（以SiO2為主要成分）制作的纖維狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。石英光纖通信優(yōu)點(diǎn)很多，主要體現(xiàn)在傳輸頻帶寬、通信容量大；傳輸損耗低、中繼距離長(zhǎng)；線徑細(xì)、重量輕，原料為石英，節(jié)省金屬材料，有利于資源合理使用；絕緣、抗電磁干擾性能強(qiáng)；還具有抗腐蝕能力強(qiáng)、抗輻射能力強(qiáng)、可繞性好、無(wú)電火花、泄露小、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可在特殊環(huán)境或軍事上使用。

EPON（基于以太網(wǎng)方式的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）是一種新型的光纖接入網(wǎng)技術(shù)，它采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、無(wú)源光纖傳輸，在以太網(wǎng)之上提供多種業(yè)務(wù)，是遠(yuǎn)距離通信的優(yōu)異解決方案。

2.2 塑料光纖

塑料光纖（POF）是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）作為芯層材料，PMMA、氟塑料等作為皮層材料的一類光纖（光導(dǎo)纖維）。POF具有安裝簡(jiǎn)捷、抗電磁干擾、高帶寬、輕柔美觀、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、故障低且易解決、節(jié)能環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的中短距離通信解決方案。

3 光纖采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 光纖采集系統(tǒng)組網(wǎng)方式的建立

光纖通信組網(wǎng)方式采用“主站+集中器+光纖電能表”方式。光纖集抄系統(tǒng)的上行信道，支持EPON光纖、以太網(wǎng)以及GPRS/CDMA 等多種上行通信方式，下行抄表信道采用塑料光纖作為傳輸介質(zhì)。每臺(tái)集中器最大支持對(duì)16個(gè)電能表接入及進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集控制等操作。本組網(wǎng)方式適合于城區(qū)電能表計(jì)安裝相對(duì)集中的臺(tái)區(qū)。具體組網(wǎng)方式如下圖2所示。

3.2 光纖抄表系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)中以光為信息載體，形成一個(gè)光纖的用電信息采集系統(tǒng)。集中器與主站之間通過(guò)石英光纖通信，集中器與表之間通過(guò)塑料光纖進(jìn)行通信，且通過(guò)光纖收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)采集；此光纖用電信息采集系統(tǒng)立足創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)實(shí)用，控制成本、發(fā)揮高效，完全滿足智能電網(wǎng)提出的新需求。

3.3 光纖集中器技術(shù)方案及特點(diǎn)

為高性能的搭建用電信息采集系統(tǒng)，光纖集中器擬采用ARM9核的AT91SAM9260-CJ處理器進(jìn)行研發(fā)。ARM架構(gòu)，過(guò)去稱作高級(jí)精簡(jiǎn)指令集機(jī)器（Advanced RISC Machine，更早稱作：Acorn RISC Machine），是一個(gè)32位精簡(jiǎn)指令集（RISC）處理器架構(gòu)。ARM微處理器的在較新的體系結(jié)構(gòu)中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令為32位的長(zhǎng)度，Thumb指令為16位長(zhǎng)度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價(jià)的ARM代碼相比較，可節(jié)省30%～40%以上的存儲(chǔ)空間，同時(shí)具備32位代碼的所有優(yōu)點(diǎn)。

ARM架構(gòu)讀取/儲(chǔ)存架構(gòu)不支援地址不對(duì)齊內(nèi)存存?。ˋRMv6內(nèi)核現(xiàn)已支援）正交指令集（任意存取指令可以任意的尋址方式存取數(shù)據(jù)Orthogonal instruction set）大量的16 × 32-bit 寄存器陣列（register file）固定的32 bits 操作碼（opcode）長(zhǎng)度，降低編碼數(shù)量所產(chǎn)生的耗費(fèi)，減輕解碼和流水線化的負(fù)擔(dān)。大多均為一個(gè)CPU周期執(zhí)行。

大部分指令可以條件式地執(zhí)行，降低在分支時(shí)產(chǎn)生的負(fù)重，彌補(bǔ)分支預(yù)測(cè)器（branch predictor）的不足。算數(shù)指令只會(huì)在要求時(shí)更改條件編碼（condition code）32-bit筒型位移器（barrel shifter）可用來(lái)執(zhí)行大部分的算數(shù)指令和尋址計(jì)算而不會(huì)損失效能強(qiáng)大的索引尋址模式（addressing mode）精簡(jiǎn)但快速的雙優(yōu)先級(jí)中斷子系統(tǒng)，具有可切換的暫存器組有個(gè)附加在ARM設(shè)計(jì)中好玩的東西，就是使用一個(gè)4-bit 條件編碼在每個(gè)指令前頭，表示每支指令的執(zhí)行是否為有條件式的這大大的減低了在內(nèi)存存取指令時(shí)用到的編碼位，換句話說(shuō)，它避免在對(duì)小型敘述如if做分支指令。

除ARM微處理器核以外，ARM芯片根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇片內(nèi)外圍電路，擴(kuò)展相關(guān)功能模塊，并集成在芯片之中，我們稱之為片內(nèi)外圍電路，如USB接口、IIS接口、RTC、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等。根據(jù)光纖集中器的相關(guān)應(yīng)用需求，我們選用ARM9通用處理器系列AT91SAM9260-CJ處理器做為光纖集中器的主控芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，AT91SAM9260是基于ARM926EJ-S處理器，具備8KB指令以及8KB數(shù)據(jù)緩存。在190 MHz時(shí)鐘頻率下運(yùn)行時(shí)性能可達(dá)210 MIPS。

主控單元做為產(chǎn)品核心大腦，負(fù)責(zé)產(chǎn)品各部分的運(yùn)行控制和調(diào)度管理，需要實(shí)現(xiàn)高效系統(tǒng)管理的全功能系統(tǒng)控制器，其中包含了一個(gè)復(fù)位控制器、關(guān)機(jī)控制器、時(shí)鐘管理、高級(jí)中斷控制器（AIC）、調(diào)試單元（DBGU）、周期間隔定時(shí)器、看門狗定時(shí)器以及實(shí)時(shí)定時(shí)器。在外部總線接口連接諸多控制器，用于控制SDRAM以及包括NAND Flash和CompactFlash在內(nèi)的靜態(tài)存儲(chǔ)器。外部功能設(shè)備部分至少包含一路上行EPON設(shè)備、1路調(diào)制紅外，1路USB主接口，16路POF光纖接口，其原理框圖如下圖：

4 全光纖信息采集系統(tǒng)方案優(yōu)勢(shì)

本系統(tǒng)以石英光纖作為遠(yuǎn)程通道，以塑料光纖作為本地通道，通過(guò)光纖收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)采集的全光纖的用電信息采集方案。提高系統(tǒng)采集成功率、數(shù)據(jù)抄收可靠性、遠(yuǎn)程通斷電的實(shí)時(shí)性，滿足智能用電領(lǐng)域和用電信息采集系統(tǒng)對(duì)于通信技術(shù)的需求。

整個(gè)系統(tǒng)中以光為信息載體，形成一個(gè)全光纖的用電信息采集系統(tǒng)。集中器與主站之間通過(guò)石英光纖通信，集中器與表之間通過(guò)塑料光纖進(jìn)行通信，且通過(guò)光纖收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)采集；此全光纖用電信息采集系統(tǒng)立足創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)實(shí)用，控制成本、發(fā)揮高效，完全滿足智能電網(wǎng)提出的新需求。

5 結(jié)論

一種基于全光纖的集中器信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有良好的通信實(shí)時(shí)性和可靠性，能否滿足智能電網(wǎng)對(duì)通信技術(shù)的要求，支持智能電表的高級(jí)應(yīng)用，為智能電網(wǎng)系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)穩(wěn)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源，因此該方案在未來(lái)的智能電網(wǎng)建設(shè)中具有廣泛應(yīng)用的潛力。

作者簡(jiǎn)介

吳廣洋（1983-），男，工程師，遵義供電局市場(chǎng)營(yíng)銷部計(jì)量監(jiān)督主管，主要研究方向：電能計(jì)量技術(shù)

趙家萬(wàn)（1981-），男，工程師，遵義供電局市場(chǎng)營(yíng)銷部副主任，主要研究方向：電能計(jì)量技術(shù)

李靚（1976-），男，工程師，威勝集團(tuán)終端及通信事業(yè)部產(chǎn)品經(jīng)理，主要研究方向：電力信息分析與處理。