论文部分内容阅读
[摘 要]本文分析了用电信息采集系统对于通信的要求，提出了一种全光纤的集中器产品设计方案，此方案结合塑料光纤（POF）和石英光纤两种光纤的优势，将它们分别用于本地通信和远程通信，可使智能电表与主站之间通过集中器实现实时通信，并具有可靠性高、功耗低、投资相对较小的优点，是一种用电信息采集的理想方案。
[关键词]光纤通信；集中器；用电信息采集；智能电表
中图分类号：TP274.2；TM76 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0089-02
引言
作为智能电网中智能用电环节的重要组成部分，以智能电表为核心的用电信息采集系统可以实现抄表及电费结算的智能化，提高电网营销科技水平，并能指导社会科学用电，为智能用电服务提供有力的技术支持，是智能电网的重要数据来源和基础。
目前，我国用电信息采集系统正处于全面建设阶段，在大面积推广应用中，上行远程通信主要采用GPRS通信，下行本地通信主要采用电力线载波通信方式。GPRS是目前最常見的无线远程通信，其特点是应用范围广；电力载波是利用电力线进行通信的技术，其特点是不需要重新架设网络，就能完成数据的传输。由于通信技术的一些固有缺陷，目前系统遇到了采集成功率难以提高，后期运行维护工作量大以及通信实时性不高等问题。针对此问题，本文提出了一种基于远程通信采用EPON石英光纤，本地采用塑料光纤的集中器产品设计方案，由此来构建用电信息采集系统。
1 用电信息采集系统的架构
用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能。
用电信息采集系统物理结构分为主站层、数据采集层和采集点监控设备层三个层次。主站层和数据采集层之间通过GPRS/CDMA/4G/光纤/以太网等通道通信，称为远程通信；数据采集层和采集点监控设备之间通过电力线载波（PLC）、RS-485总线和微功率无线三种通道通信，称为本地通信。用电信息采集系统结构图如图1所示：
2 光纤通信特点
2.1 石英光纤
石英光纤是光导纤维的简称，是用纯度特别高的石英玻璃（以SiO2为主要成分）制作的纤维状波导结构。石英光纤通信优点很多，主要体现在传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用。
EPON（基于以太网方式的无源光网络）是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务，是远距离通信的优异解决方案。
2.2 塑料光纤
塑料光纤（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）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤（光导纤维）。POF具有安装简捷、抗电磁干扰、高带宽、轻柔美观、设计简单、故障低且易解决、节能环保等众多优点，是一种理想的中短距离通信解决方案。
3 光纤采集系统方案设计
3.1 光纤采集系统组网方式的建立
光纤通信组网方式采用“主站+集中器+光纤电能表”方式。光纤集抄系统的上行信道，支持EPON光纤、以太网以及GPRS/CDMA 等多种上行通信方式，下行抄表信道采用塑料光纤作为传输介质。每台集中器最大支持对16个电能表接入及进行数据的采集控制等操作。本组网方式适合于城区电能表计安装相对集中的台区。具体组网方式如下图2所示。
3.2 光纤抄表系统方案设计
整个系统中以光为信息载体，形成一个光纤的用电信息采集系统。集中器与主站之间通过石英光纤通信，集中器与表之间通过塑料光纤进行通信，且通过光纤收发模块实现电表数据采集；此光纤用电信息采集系统立足创新，强调实用，控制成本、发挥高效，完全满足智能电网提出的新需求。
3.3 光纤集中器技术方案及特点
为高性能的搭建用电信息采集系统，光纤集中器拟采用ARM9核的AT91SAM9260-CJ处理器进行研发。ARM架构，过去称作高级精简指令集机器（Advanced RISC Machine，更早称作：Acorn RISC Machine），是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构。ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30%～40%以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。
ARM架构读取/储存架构不支援地址不对齐内存存取（ARMv6内核现已支援）正交指令集（任意存取指令可以任意的寻址方式存取数据Orthogonal instruction set）大量的16 × 32-bit 寄存器阵列（register file）固定的32 bits 操作码（opcode）长度，降低编码数量所产生的耗费，减轻解码和流水线化的负担。大多均为一个CPU周期执行。
大部分指令可以条件式地执行，降低在分支时产生的负重，弥补分支预测器（branch predictor）的不足。算数指令只会在要求时更改条件编码（condition code）32-bit筒型位移器（barrel shifter）可用来执行大部分的算数指令和寻址计算而不会损失效能强大的索引寻址模式（addressing mode）精简但快速的双优先级中断子系统，具有可切换的暂存器组有个附加在ARM设计中好玩的东西，就是使用一个4-bit 条件编码在每个指令前头，表示每支指令的执行是否为有条件式的这大大的减低了在内存存取指令时用到的编码位，换句话说，它避免在对小型叙述如if做分支指令。 除ARM微处理器核以外，ARM芯片根据实际应用选择片内外围电路，扩展相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如USB接口、IIS接口、RTC、ADC和DAC、DSP协处理器等。根据光纤集中器的相关应用需求，我们选用ARM9通用处理器系列AT91SAM9260-CJ处理器做为光纤集中器的主控芯片进行设计，AT91SAM9260是基于ARM926EJ-S处理器，具备8KB指令以及8KB数据缓存。在190 MHz时钟频率下运行时性能可达210 MIPS。
主控单元做为产品核心大脑，负责产品各部分的运行控制和调度管理，需要实现高效系统管理的全功能系統控制器，其中包含了一个复位控制器、关机控制器、时钟管理、高级中断控制器（AIC）、调试单元（DBGU）、周期间隔定时器、看门狗定时器以及实时定时器。在外部总线接口连接诸多控制器，用于控制SDRAM以及包括NAND Flash和CompactFlash在内的静态存储器。外部功能设备部分至少包含一路上行EPON设备、1路调制红外，1路USB主接口，16路POF光纤接口，其原理框图如下图：
4 全光纤信息采集系统方案优势
本系统以石英光纤作为远程通道，以塑料光纤作为本地通道，通过光纤收发模块实现电表数据采集的全光纤的用电信息采集方案。提高系统采集成功率、数据抄收可靠性、远程通断电的实时性，满足智能用电领域和用电信息采集系统对于通信技术的需求。
整个系统中以光为信息载体，形成一个全光纤的用电信息采集系统。集中器与主站之间通过石英光纤通信，集中器与表之间通过塑料光纤进行通信，且通过光纤收发模块实现电表数据采集；此全光纤用电信息采集系统立足创新，强调实用，控制成本、发挥高效，完全满足智能电网提出的新需求。
5 结论
一种基于全光纤的集中器信息采集系统设计，具有良好的通信实时性和可靠性，能否满足智能电网对通信技术的要求，支持智能电表的高级应用，为智能电网系统提供了实时稳定的基础数据来源，因此该方案在未来的智能电网建设中具有广泛应用的潜力。
作者简介
吴广洋（1983-），男，工程师，遵义供电局市场营销部计量监督主管，主要研究方向：电能计量技术
赵家万（1981-），男，工程师，遵义供电局市场营销部副主任，主要研究方向：电能计量技术
李靓（1976-），男，工程师，威胜集团终端及通信事业部产品经理，主要研究方向：电力信息分析与处理。
[关键词]光纤通信；集中器；用电信息采集；智能电表
中图分类号：TP274.2；TM76 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0089-02
引言
作为智能电网中智能用电环节的重要组成部分，以智能电表为核心的用电信息采集系统可以实现抄表及电费结算的智能化，提高电网营销科技水平，并能指导社会科学用电，为智能用电服务提供有力的技术支持，是智能电网的重要数据来源和基础。
目前，我国用电信息采集系统正处于全面建设阶段，在大面积推广应用中，上行远程通信主要采用GPRS通信，下行本地通信主要采用电力线载波通信方式。GPRS是目前最常見的无线远程通信，其特点是应用范围广；电力载波是利用电力线进行通信的技术，其特点是不需要重新架设网络，就能完成数据的传输。由于通信技术的一些固有缺陷，目前系统遇到了采集成功率难以提高，后期运行维护工作量大以及通信实时性不高等问题。针对此问题，本文提出了一种基于远程通信采用EPON石英光纤，本地采用塑料光纤的集中器产品设计方案，由此来构建用电信息采集系统。
1 用电信息采集系统的架构
用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，实现用电信息的自动采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能。
用电信息采集系统物理结构分为主站层、数据采集层和采集点监控设备层三个层次。主站层和数据采集层之间通过GPRS/CDMA/4G/光纤/以太网等通道通信，称为远程通信；数据采集层和采集点监控设备之间通过电力线载波（PLC）、RS-485总线和微功率无线三种通道通信，称为本地通信。用电信息采集系统结构图如图1所示：
2 光纤通信特点
2.1 石英光纤
石英光纤是光导纤维的简称，是用纯度特别高的石英玻璃（以SiO2为主要成分）制作的纤维状波导结构。石英光纤通信优点很多，主要体现在传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用。
EPON（基于以太网方式的无源光网络）是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务，是远距离通信的优异解决方案。
2.2 塑料光纤
塑料光纤（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）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤（光导纤维）。POF具有安装简捷、抗电磁干扰、高带宽、轻柔美观、设计简单、故障低且易解决、节能环保等众多优点，是一种理想的中短距离通信解决方案。
3 光纤采集系统方案设计
3.1 光纤采集系统组网方式的建立
光纤通信组网方式采用“主站+集中器+光纤电能表”方式。光纤集抄系统的上行信道，支持EPON光纤、以太网以及GPRS/CDMA 等多种上行通信方式，下行抄表信道采用塑料光纤作为传输介质。每台集中器最大支持对16个电能表接入及进行数据的采集控制等操作。本组网方式适合于城区电能表计安装相对集中的台区。具体组网方式如下图2所示。
3.2 光纤抄表系统方案设计
整个系统中以光为信息载体，形成一个光纤的用电信息采集系统。集中器与主站之间通过石英光纤通信，集中器与表之间通过塑料光纤进行通信，且通过光纤收发模块实现电表数据采集；此光纤用电信息采集系统立足创新，强调实用，控制成本、发挥高效，完全满足智能电网提出的新需求。
3.3 光纤集中器技术方案及特点
为高性能的搭建用电信息采集系统，光纤集中器拟采用ARM9核的AT91SAM9260-CJ处理器进行研发。ARM架构，过去称作高级精简指令集机器（Advanced RISC Machine，更早称作：Acorn RISC Machine），是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构。ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30%～40%以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。
ARM架构读取/储存架构不支援地址不对齐内存存取（ARMv6内核现已支援）正交指令集（任意存取指令可以任意的寻址方式存取数据Orthogonal instruction set）大量的16 × 32-bit 寄存器阵列（register file）固定的32 bits 操作码（opcode）长度，降低编码数量所产生的耗费，减轻解码和流水线化的负担。大多均为一个CPU周期执行。
大部分指令可以条件式地执行，降低在分支时产生的负重，弥补分支预测器（branch predictor）的不足。算数指令只会在要求时更改条件编码（condition code）32-bit筒型位移器（barrel shifter）可用来执行大部分的算数指令和寻址计算而不会损失效能强大的索引寻址模式（addressing mode）精简但快速的双优先级中断子系统，具有可切换的暂存器组有个附加在ARM设计中好玩的东西，就是使用一个4-bit 条件编码在每个指令前头，表示每支指令的执行是否为有条件式的这大大的减低了在内存存取指令时用到的编码位，换句话说，它避免在对小型叙述如if做分支指令。 除ARM微处理器核以外，ARM芯片根据实际应用选择片内外围电路，扩展相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如USB接口、IIS接口、RTC、ADC和DAC、DSP协处理器等。根据光纤集中器的相关应用需求，我们选用ARM9通用处理器系列AT91SAM9260-CJ处理器做为光纤集中器的主控芯片进行设计，AT91SAM9260是基于ARM926EJ-S处理器，具备8KB指令以及8KB数据缓存。在190 MHz时钟频率下运行时性能可达210 MIPS。
主控单元做为产品核心大脑，负责产品各部分的运行控制和调度管理，需要实现高效系统管理的全功能系統控制器，其中包含了一个复位控制器、关机控制器、时钟管理、高级中断控制器（AIC）、调试单元（DBGU）、周期间隔定时器、看门狗定时器以及实时定时器。在外部总线接口连接诸多控制器，用于控制SDRAM以及包括NAND Flash和CompactFlash在内的静态存储器。外部功能设备部分至少包含一路上行EPON设备、1路调制红外，1路USB主接口，16路POF光纤接口，其原理框图如下图：
4 全光纤信息采集系统方案优势
本系统以石英光纤作为远程通道，以塑料光纤作为本地通道，通过光纤收发模块实现电表数据采集的全光纤的用电信息采集方案。提高系统采集成功率、数据抄收可靠性、远程通断电的实时性，满足智能用电领域和用电信息采集系统对于通信技术的需求。
整个系统中以光为信息载体，形成一个全光纤的用电信息采集系统。集中器与主站之间通过石英光纤通信，集中器与表之间通过塑料光纤进行通信，且通过光纤收发模块实现电表数据采集；此全光纤用电信息采集系统立足创新，强调实用，控制成本、发挥高效，完全满足智能电网提出的新需求。
5 结论
一种基于全光纤的集中器信息采集系统设计，具有良好的通信实时性和可靠性，能否满足智能电网对通信技术的要求，支持智能电表的高级应用，为智能电网系统提供了实时稳定的基础数据来源，因此该方案在未来的智能电网建设中具有广泛应用的潜力。
作者简介
吴广洋（1983-），男，工程师，遵义供电局市场营销部计量监督主管，主要研究方向：电能计量技术
赵家万（1981-），男，工程师，遵义供电局市场营销部副主任，主要研究方向：电能计量技术
李靓（1976-），男，工程师，威胜集团终端及通信事业部产品经理，主要研究方向：电力信息分析与处理。