摘要] 本文介紹基于計(jì)算機(jī)的電能自動(dòng)計(jì)費(fèi)的系統(tǒng)架構(gòu)和基于CompactPCI架構(gòu)的電能數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)點(diǎn)
[關(guān)鍵詞] CompactPCI 電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)
應(yīng)用背景
隨著我國(guó)電網(wǎng)的不斷發(fā)展及運(yùn)行管理方式逐漸向商業(yè)化管理方式的轉(zhuǎn)換，電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)（TMS：TeleMetering Systern）已成為電網(wǎng)電能貿(mào)易結(jié)算的重要系統(tǒng)。電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)是以電能計(jì)量技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)，在傳統(tǒng)計(jì)量裝置的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、遠(yuǎn)傳和處理，使電網(wǎng)商業(yè)區(qū)化運(yùn)營(yíng)管理成為可能。
傳統(tǒng)的電費(fèi)計(jì)量采用依靠人工抄表，然后結(jié)算電費(fèi)的方法。其中最普通的方法是安裝感應(yīng)式電度表,通過(guò)人工抄表得到各省區(qū)之間的交換電量,然后由人工結(jié)算電費(fèi)。以往國(guó)內(nèi)各省區(qū)之間的交換電量都是由此方法得到。它的缺點(diǎn)是誤差大，失誤多，工作量大，這和整個(gè)電網(wǎng)越來(lái)越高的自動(dòng)化程度不相適應(yīng)。另外一種較先進(jìn)的電量計(jì)費(fèi)方法是由計(jì)算機(jī)組成一個(gè)數(shù)據(jù)采集及電網(wǎng)管理系統(tǒng)，通過(guò)遙訊、遙測(cè)方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，然后依據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)電量，結(jié)算電費(fèi)。目前人工抄表計(jì)費(fèi)方式已經(jīng)漸漸被基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)抄表計(jì)費(fèi)系統(tǒng)所代替。
系統(tǒng)架構(gòu)
下圖是一個(gè)典型的基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)抄表計(jì)費(fèi)系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)圖：
該系統(tǒng)架構(gòu)為分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即由數(shù)據(jù)服務(wù)器、通訊服務(wù)器以及若干各種型號(hào)的電能數(shù)據(jù)采集器、電能表組成。電能數(shù)據(jù)采集器是整個(gè)電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。電能數(shù)據(jù)采集器將電能采集儀表的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄下來(lái)。電能數(shù)據(jù)采集器可以通過(guò)電話線、以太網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)連接方式將電量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)通訊服務(wù)器發(fā)送給中心數(shù)據(jù)服務(wù)器。中心數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和各種核算。
電能數(shù)據(jù)采集器對(duì)硬件的要求
電能數(shù)據(jù)采集器的核心是一臺(tái)插有串口通訊卡的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通訊卡與電能采集儀表相連。由于電能數(shù)據(jù)采集器放在發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)輸送端周圍。工作環(huán)境存在電磁和靜電干擾，因此要求電能數(shù)據(jù)采集器具有較強(qiáng)的抗干擾能力。此外對(duì)于電量的計(jì)量是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，不能中途中斷，因此要求電能數(shù)據(jù)采集器能夠長(zhǎng)期可靠工作。 以往電能數(shù)據(jù)采集器選用工控機(jī)做為硬件平臺(tái)。工控機(jī)基于PICMG 1.0規(guī)范，和普通PC相比，減少了系統(tǒng)的MTTR時(shí)間，并從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、散熱等方面加以改進(jìn)，提高了系統(tǒng)的MTBF時(shí)間。但是基于PICMG1.0的工控機(jī)依然存在抗振性差、板卡總線連接器不可靠、散熱不暢、抗電磁干擾差等缺點(diǎn)。因此不能保證電能數(shù)據(jù)采集器的可靠運(yùn)行。
基于CompactPCI電能數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)點(diǎn)
基于電能數(shù)據(jù)采集器對(duì)計(jì)算機(jī)硬件穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求，凌華科技提出了CompactPCI硬件解決方案。
CompactPCI基于PICMG2.0規(guī)范。CompactPCI的電氣特性與PCI總線相同，因此用戶的軟件和普通PC兼容，現(xiàn)有的PCI外圍卡也可以很容易移植到CompactPCI平臺(tái)。CompactPCI使用2mm高密度針孔總線連接器，和使用金手指連接器的PCI卡相比，具有連接可靠、完全氣密的特點(diǎn)，卡片的抗振性和抗腐蝕性大大提高。此外CompactPCI卡片采用經(jīng)過(guò)20余年現(xiàn)場(chǎng)使用考驗(yàn)的歐規(guī)卡結(jié)構(gòu)。歐規(guī)卡采用垂直安裝、前抽取結(jié)構(gòu)，提高了卡片的散熱性、抗振性和易維護(hù)性。
和傳統(tǒng)商用PC和工控機(jī)相比，CompactPCI具有如下優(yōu)點(diǎn)：
一、系統(tǒng)抗振性強(qiáng)
CompactPCI卡片上下有導(dǎo)軌固定，卡片的前端通過(guò)氣密性的針孔連接器和背板相連，每個(gè)接頭具有10KG的結(jié)合力。卡片的可以通過(guò)面板螺絲固定在機(jī)箱上。CompactPCI卡片的前后上下都被固定，因此系統(tǒng)抗振性大大提高。
二、支持卡片帶電拔插
CompactPCI的背板使用長(zhǎng)中短插針結(jié)構(gòu)，其中Power和Ground針腳最長(zhǎng)，可以保證卡片安全的帶電插入拔出。此外板選信號(hào)IDSEL,BD_SEL#針腳最短，系統(tǒng)借由此信號(hào)可以得知卡片是在插入過(guò)程或是拔出過(guò)程。另外CompactPCI制定了熱插拔的硬件過(guò)程和軟件管理接口，保證了卡片熱插拔過(guò)程的有效性。
三、支持后走線，便于方便配線
CompactPCI的卡片的信號(hào)線不用從卡片前面板引出，可以通過(guò)背板將信號(hào)線用轉(zhuǎn)接板從后端引出。當(dāng)更換卡片時(shí)，不許要更換信號(hào)線，這樣減少了更換卡片的工作量并減少因更換信號(hào)線而引起的出錯(cuò)概率。此外信號(hào)線從后端引出，設(shè)備前端也會(huì)比較美觀。
四、卡片垂直安裝，有利于散熱
CompactPCI卡片采用歐規(guī)卡結(jié)構(gòu)，卡片垂直安裝，系統(tǒng)的散熱氣流從下而上吹，符合空氣對(duì)流原理，散熱效果好。
五、CompactPCI卡片具有更好的電氣特性
CompactPCI背板插針和接頭全部鍍金，并嚴(yán)格定義了信號(hào)線的最長(zhǎng)長(zhǎng)度，PCB板的阻抗，去偶電容,PCI上拉電阻阻值，因此CompactPCI的電氣特性要優(yōu)于普通PCI工控機(jī)。單個(gè)CompactPCI總線段最多可以支持7個(gè)PCI設(shè)備，而普通工控機(jī)只能支持4個(gè)PCI設(shè)備。
六、防腐和電磁屏蔽性好
CompactPCI使用2mm氣密性針孔總線連接器，鹽霧、酸霧和帶電粉塵不能腐蝕總線。此外CompactPCI的全鋁合金機(jī)箱外殼和卡片的U型彈簧片能給系統(tǒng)提供良好的電磁屏蔽保護(hù)。
七、抗靜電好
CompactPCI卡片下端具有3斷靜電導(dǎo)出條，可以靜電導(dǎo)出到大地。另外CompactPCI規(guī)定系統(tǒng)的邏輯地和機(jī)箱地隔離，保持系統(tǒng)不受外界干擾。基于PICMG1.0的工控機(jī)無(wú)法做到機(jī)箱地和邏輯地隔離。
八、機(jī)箱深度淺，便于機(jī)柜安裝
CompactPCI的機(jī)箱深度只有258mm，大大短于普通工控機(jī)的機(jī)箱深度400～450mm，給機(jī)柜安裝留下了更大空間。這樣便于用戶安裝其他配線設(shè)備。
凌華的基于CompactPCI電能采集器硬件解決方案
凌華為國(guó)內(nèi)某知名電力設(shè)備集成商提供的CompactPCI硬件的方案如下：
1. 機(jī)箱：
凌華為電能采集器提供的機(jī)箱為一款3U 高度，具有1個(gè)系統(tǒng)槽和7個(gè)外圍擴(kuò)展槽，具有6.4吋TFT LCD的CompactPCI機(jī)箱cPCIS-1150。7個(gè)外圍槽便于系統(tǒng)功能擴(kuò)展，6.4吋TFT LCD的分辯率為640x480，可以提供方便易用的人機(jī)界面。
2. CPU卡：
CPU卡是整個(gè)CompactPCI系統(tǒng)的核心。對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行最大的威脅是CPU風(fēng)扇的壽命。通常一個(gè)CPU風(fēng)扇長(zhǎng)期運(yùn)行的壽命只有1~2年。如果系統(tǒng)使用的是普通CPU，一旦CPU風(fēng)扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)就會(huì)因CPU過(guò)熱而死機(jī)。為了保證系統(tǒng)能夠24小時(shí)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，凌華科技提供了一款使用Intel 低功耗Pentium MMX CPU的3UCompactPCI 控制器cPCI-3500A。cPCI-3500A使用的是Intel 低功耗Pentium MMX 266MHz CPU，CPU功耗只有9W,無(wú)需使用CPU散熱風(fēng)扇，使用散熱片即可滿足CPU散熱要求。這樣大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3. 外圍卡
系統(tǒng)使用的外圍卡包括：顯卡cPCI-8217，串口通行卡cPCI-3534和隔離I/O卡cPCI-7433。串口通信卡和隔離I/O卡用于連接外圍電能采集儀表。
下圖為基于CompactPCI的電能采集器外觀圖：
結(jié)論
基于計(jì)算機(jī)的電能自動(dòng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)正在逐步取代以往的人工抄表系統(tǒng)。CompactPCI系統(tǒng)具有較強(qiáng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性，非常適合用做充當(dāng)電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的核型電量數(shù)據(jù)采集器。基于凌華CompactPCI架構(gòu)的電能采集器目前已經(jīng)在天津關(guān)口上移電力工程、內(nèi)蒙古大唐托克托發(fā)電工程、華北電力集團(tuán)冀北地區(qū)地市級(jí)供電系統(tǒng)等工程中得到成功應(yīng)用。經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，得到用戶的一致好評(píng)。
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