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作者：鄒和平黃俐萍王晉 鄭安剛單位：中國電力科學研究院上海市電力公司

工作原理

光通信網絡采用一種點到多點的以太網無源光網絡(EPON)技術，可以靈活組成星型、樹型、總線型等拓撲結構。OLT支持以太網/IP業務，ONU為用戶提供光纖網絡接口，ODN完成光信號功率的分配。OLT下行到ONU采用廣播方式，信號經ODN到達ONU;ONU上行到OLT則采用TDMA多址接入方式，信號只到達OLT。

采集器通過以太網接口連接到ONU設備，經光纖傳輸后到達變電站端的OLT設備，再接入骨干光纖網絡，從而建立與主站的通信連接。采集器與用戶電能表采用可靠的RS485總線方式通信，根據預設的參數，采集用戶用電信息，通過上述通信連接與主站實現數據交互。

采集器的研制

1硬件設計

采集器選用外設豐富的工業級ARM9內核AT91SAM9260芯片，輔以內存、存儲器、狀態量輸入、實時時鐘、安全模塊、以太網接口、RS485接口、紅外接口、電源、指示燈等電路，硬件總體框圖如圖2所示。AT91SAM9260具有豐富的片上外設，除實時時鐘外，幾乎不用任何擴展。時鐘芯片采用高精度的RX8025S;通過SDRAM接口，設計64MB內存，滿足大型操作系統運行需要;設計一片8位K9F2G08芯片，提供256MB的存儲器，保證數據存儲深度;通過4個串行口，分別用作紅外及3路RS485接口，其中紅外接口用作現場維護，RS485接口用來抄表或與其他的采集器級聯，以拓展抄表數量;安全模塊采用國家密碼管理局的SM1算法，確保數據傳輸安全;通過片上EMAC控制器，外接物理層芯片，實現以太網接口，并與ONU設備相連，經分光器后到變電站端OLT設備，最終接入到骨干光纖網絡，從而實現與主站的高速通信。

2軟件開發

采集器軟件在Linux系統平臺上開發。Linux是開放源碼的操作系統，易于移植資源豐富、免費，在嵌入式領域越來越流行。Linux內核對TCP/IP協議有非常完備的支持，可大大降低開發難度和工作量。基于芯片AT91SAM9260的硬件平臺可以很好地支持Linux。軟件采用模塊化方法設計，各功能模塊互相獨立、實現簡單、重用性高。除明確定義各功能模塊要完成的功能和接口外，每個模塊都可以獨立開發，從而降低開發難度，并提高終端功能擴展能力。主要功能模塊按多進程設計，各進程空間與完成功能獨立，互不影響。每個進程獨占操作系統的地址空間，編程實現簡單。進程空間獨立，可提高系統穩定性。在每個進程內部，對于各個子模塊，采用多線程方式。線程可以并發執行，創建和切換的費用相對于進程來說要少得多。進程間通信采用最快速的共享內存方式實現，多個進程之間共享同一塊內存空間，實現進程間的信息交互，在大量數據共享時，具有簡單和快速兩個特點。為防止沖突，對共享內存的訪問采用同步鎖等互斥機制。

應用程序分為多任務數據采集模塊、上行通信模塊、FTP遠程下載模塊、本地維護模塊，分別以不同的線程運行。多任務數據采集模塊流程如圖3所示，首先讀取相關參數，按設定的采集規則算處理和數據存儲等。上行通信模塊流程如圖4所示，根據已配置的通信參數監聽以太網端口，登錄主站服務器，發送心跳報文，接收主站的請求幀，并對其進行解析，根據請求準備相關的數據或執行相關的操作。抄表，包括下行報文組幀、接收報文解析、數據運FTP遠程下載模塊在收到遠程下載請求后，按預先配置好的通信參數，發起登錄遠程服務器、查找目標文件的操作，找到文件后開始下載。下載完成后對本地同名文件進行更新。本地維護模塊用來通過紅外接口，在本地與采集器通信，設置相關參數、讀取數據、現場升級程序等。

試點工程應用

研制的采集器已在上海某大型智能用電小區應用，通信網絡配置如圖5所示，其中C代表采集器，M代表智能電能表，G代表ONU設備。在已鋪設光纖的3#、4#、5#單元配電間各安裝一個ONU設備和一個采集器，通過光纖以太網接入到供電分公司的骨干光纖網絡，實現與主站的通信。采集器下行通過RS485總線直接抄讀單元內各樓層用戶智能電能表，完成3#單元20層80戶、4#單元23層69戶、5#單元23層69戶，共計218戶用戶的接入數據采集。試點工程于2011年9月建成并投入運行，已累計運行6個月。試運行過程中，分別對抄讀成功率和響應速度做了統計分析。抄讀成功率的統計方法是，記錄每一次抄讀的成功與否，按月統計計算成功次數與總次數的百分比，結果如表1所示。響應速度的統計方法是主站分別下發抄讀1類數據、2類數據、3類數據的命令，記錄下發時刻和成功接收時刻，兩個時刻的間隔即單次響應時間，再統計6個月以來的平均響應時間，結果如表2所示。平均抄讀成功率達到100%，說明系統一次采集成功率和周期采集成功率非常高，系統可靠性好。

1類數據是實時數據，采集器接收到抄讀命令后，需要即時通過RS485總線從智能電能表中采集相應數據，然后打包傳輸到主站。由于RS485總線的半雙工及低速率特點，這個過程耗時較多。2類數據和3類數據是采集器內部儲存的數據，主站抄讀時直接從內存中取出，不需要與智能電能表交互，節省了時間。從2類數據和3類數據的抄讀響應時間基本一致來看，通信報文的長短對這兩類數據的響應速度幾乎沒有影響。

通過近6個月的試運行，采集器運行穩定可靠，通信響應迅速，采集成功率高。該試點應用為智能用電小區提供了基礎用電信息數據，可靠地實現了遠程預付費，為客戶與供電公司雙向互動提供了良好的技術支撐。

結語

電力光纖到戶建設工程為電力用戶用電信息采集系統提供了一種理想的通信資源，借助EPON網絡的高帶寬、高安全性、高速率、高可靠性的特點，基于光纖通信方式的采集器憑借ARM9高級硬件平臺的超強性能，Linux系統強大的TCP/IP協議支持，以及應用軟件各模塊流程的合理設計，通過現場應用測試，證明其設計達到了系統要求。采集器硬件平臺功能強大，技術先進，通信速度快，安全性高，應用效果好，在進一步降低成本的情況下，可以加快技術推廣和應用。