吳廣洋++趙家萬++李靚

[摘 要]本文分析了用電信息采集系統(tǒng)對于通信的要求，提出了一種全光纖的集中器產品設計方案，此方案結合塑料光纖（POF）和石英光纖兩種光纖的優(yōu)勢，將它們分別用于本地通信和遠程通信，可使智能電表與主站之間通過集中器實現實時通信，并具有可靠性高、功耗低、投資相對較小的優(yōu)點，是一種用電信息采集的理想方案。

[關鍵詞]光纖通信；集中器；用電信息采集；智能電表

中圖分類號：TP274.2；TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）03-0089-02

引言

作為智能電網中智能用電環(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)可以實現抄表及電費結算的智能化，提高電網營銷科技水平，并能指導社會科學用電，為智能用電服務提供有力的技術支持，是智能電網的重要數據來源和基礎。

目前，我國用電信息采集系統(tǒng)正處于全面建設階段，在大面積推廣應用中，上行遠程通信主要采用GPRS通信，下行本地通信主要采用電力線載波通信方式。GPRS是目前最常見的無線遠程通信，其特點是應用范圍廣；電力載波是利用電力線進行通信的技術，其特點是不需要重新架設網絡，就能完成數據的傳輸。由于通信技術的一些固有缺陷，目前系統(tǒng)遇到了采集成功率難以提高，后期運行維護工作量大以及通信實時性不高等問題。針對此問題，本文提出了一種基于遠程通信采用EPON石英光纖，本地采用塑料光纖的集中器產品設計方案，由此來構建用電信息采集系統(tǒng)。

1 用電信息采集系統(tǒng)的架構

用電信息采集系統(tǒng)是對電力用戶的用電信息進行采集、處理和實時監(jiān)控的系統(tǒng)，實現用電信息的自動采集、計量異常監(jiān)測、電能質量監(jiān)測、用電分析和管理、相關信息發(fā)布、分布式能源監(jiān)控、智能用電設備的信息交互等功能。

用電信息采集系統(tǒng)物理結構分為主站層、數據采集層和采集點監(jiān)控設備層三個層次。主站層和數據采集層之間通過GPRS/CDMA/4G/光纖/以太網等通道通信，稱為遠程通信；數據采集層和采集點監(jiān)控設備之間通過電力線載波（PLC）、RS-485總線和微功率無線三種通道通信，稱為本地通信。用電信息采集系統(tǒng)結構圖如圖1所示：

2 光纖通信特點

2.1 石英光纖

石英光纖是光導纖維的簡稱，是用純度特別高的石英玻璃（以SiO2為主要成分）制作的纖維狀波導結構。石英光纖通信優(yōu)點很多，主要體現在傳輸頻帶寬、通信容量大；傳輸損耗低、中繼距離長；線徑細、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；還具有抗腐蝕能力強、抗輻射能力強、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強等優(yōu)點，可在特殊環(huán)境或軍事上使用。

EPON（基于以太網方式的無源光網絡）是一種新型的光纖接入網技術，它采用點到多點結構、無源光纖傳輸，在以太網之上提供多種業(yè)務，是遠距離通信的優(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（光導纖維）。POF具有安裝簡捷、抗電磁干擾、高帶寬、輕柔美觀、設計簡單、故障低且易解決、節(jié)能環(huán)保等眾多優(yōu)點，是一種理想的中短距離通信解決方案。

3 光纖采集系統(tǒng)方案設計

3.1 光纖采集系統(tǒng)組網方式的建立

光纖通信組網方式采用“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。每臺集中器最大支持對16個電能表接入及進行數據的采集控制等操作。本組網方式適合于城區(qū)電能表計安裝相對集中的臺區(qū)。具體組網方式如下圖2所示。

3.2 光纖抄表系統(tǒng)方案設計

整個系統(tǒng)中以光為信息載體，形成一個光纖的用電信息采集系統(tǒng)。集中器與主站之間通過石英光纖通信，集中器與表之間通過塑料光纖進行通信，且通過光纖收發(fā)模塊實現電表數據采集；此光纖用電信息采集系統(tǒng)立足創(chuàng)新，強調實用，控制成本、發(fā)揮高效，完全滿足智能電網提出的新需求。

3.3 光纖集中器技術方案及特點

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處理器進行研發(fā)。ARM架構，過去稱作高級精簡指令集機器（Advanced RISC Machine，更早稱作：Acorn RISC Machine），是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構。ARM微處理器的在較新的體系結構中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令為32位的長度，Thumb指令為16位長度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價的ARM代碼相比較，可節(jié)省30%～40%以上的存儲空間，同時具備32位代碼的所有優(yōu)點。

ARM架構讀取/儲存架構不支援地址不對齊內存存?。ˋRMv6內核現已支援）正交指令集（任意存取指令可以任意的尋址方式存取數據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）長度，降低編碼數量所產生的耗費，減輕解碼和流水線化的負擔。大多均為一個CPU周期執(zhí)行。

大部分指令可以條件式地執(zhí)行，降低在分支時產生的負重，彌補分支預測器（branch predictor）的不足。算數指令只會在要求時更改條件編碼（condition code）32-bit筒型位移器（barrel shifter）可用來執(zhí)行大部分的算數指令和尋址計算而不會損失效能強大的索引尋址模式（addressing mode）精簡但快速的雙優(yōu)先級中斷子系統(tǒng)，具有可切換的暫存器組有個附加在ARM設計中好玩的東西，就是使用一個4-bit 條件編碼在每個指令前頭，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存存取指令時用到的編碼位，換句話說，它避免在對小型敘述如if做分支指令。

除ARM微處理器核以外，ARM芯片根據實際應用選擇片內外圍電路，擴展相關功能模塊，并集成在芯片之中，我們稱之為片內外圍電路，如USB接口、IIS接口、RTC、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等。根據光纖集中器的相關應用需求，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行設計，AT91SAM9260是基于ARM926EJ-S處理器，具備8KB指令以及8KB數據緩存。在190 MHz時鐘頻率下運行時性能可達210 MIPS。

主控單元做為產品核心大腦，負責產品各部分的運行控制和調度管理，需要實現高效系統(tǒng)管理的全功能系統(tǒng)控制器，其中包含了一個復位控制器、關機控制器、時鐘管理、高級中斷控制器（AIC）、調試單元（DBGU）、周期間隔定時器、看門狗定時器以及實時定時器。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在內的靜態(tài)存儲器。外部功能設備部分至少包含一路上行EPON設備、1路調制紅外，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

本系統(tǒng)以石英光纖作為遠程通道，以塑料光纖作為本地通道，通過光纖收發(fā)模塊實現電表數據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、數據抄收可靠性、遠程通斷電的實時性，滿足智能用電領域和用電信息采集系統(tǒng)對于通信技術的需求。

整個系統(tǒng)中以光為信息載體，形成一個全光纖的用電信息采集系統(tǒng)。集中器與主站之間通過石英光纖通信，集中器與表之間通過塑料光纖進行通信，且通過光纖收發(fā)模塊實現電表數據采集；此全光纖用電信息采集系統(tǒng)立足創(chuàng)新，強調實用，控制成本、發(fā)揮高效，完全滿足智能電網提出的新需求。

5 結論

一種基于全光纖的集中器信息采集系統(tǒng)設計，具有良好的通信實時性和可靠性，能否滿足智能電網對通信技術的要求，支持智能電表的高級應用，為智能電網系統(tǒng)提供了實時穩(wěn)定的基礎數據來源，因此該方案在未來的智能電網建設中具有廣泛應用的潛力。

作者簡介

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

趙家萬（1981-），男，工程師，遵義供電局市場營銷部副主任，主要研究方向：電能計量技術

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