摘要] 本文介紹基于計算機(jī)的電能自動計費的系統(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
[關(guān)鍵詞] CompactPCI 電能計費系統(tǒng)

應(yīng)用背景
隨著我國電網(wǎng)的不斷發(fā)展及運行管理方式逐漸向商業(yè)化管理方式的轉(zhuǎn)換，電能計費系統(tǒng)（TMS：TeleMetering Systern）已成為電網(wǎng)電能貿(mào)易結(jié)算的重要系統(tǒng)。電能計費系統(tǒng)是以電能計量技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用計算機(jī)及通信技術(shù)，在傳統(tǒng)計量裝置的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的自動采集、遠(yuǎn)傳和處理，使電網(wǎng)商業(yè)區(qū)化運營管理成為可能。

傳統(tǒng)的電費計量采用依靠人工抄表，然后結(jié)算電費的方法。其中最普通的方法是安裝感應(yīng)式電度表,通過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。以往國內(nèi)各省區(qū)之間的交換電量都是由此方法得到。它的缺點是誤差大，失誤多，工作量大，這和整個電網(wǎng)越來越高的自動化程度不相適應(yīng)。另外一種較先進(jìn)的電量計費方法是由計算機(jī)組成一個數(shù)據(jù)采集及電網(wǎng)管理系統(tǒng)，通過遙訊、遙測方式來傳輸數(shù)據(jù)，然后依據(jù)這些數(shù)據(jù)來統(tǒng)計電量，結(jié)算電費。目前人工抄表計費方式已經(jīng)漸漸被基于計算機(jī)的自動抄表計費系統(tǒng)所代替。

系統(tǒng)架構(gòu)
下圖是一個典型的基于計算機(jī)的自動抄表計費系統(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)采集器是整個電能計費系統(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)實時記錄下來。電能數(shù)據(jù)采集器可以通過電話線、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)器對電量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析和各種核算。

電能數(shù)據(jù)采集器對硬件的要求
電能數(shù)據(jù)采集器的核心是一臺插有串口通訊卡的計算機(jī)。計算機(jī)通過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。此外對于電量的計量是一個連續(xù)的過程，不能中途中斷，因此要求電能數(shù)據(jù)采集器能夠長期可靠工作。 以往電能數(shù)據(jù)采集器選用工控機(jī)做為硬件平臺。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。因此不能保證電能數(shù)據(jù)采集器的可靠運行。

基于CompactPCI電能數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)點
基于電能數(shù)據(jù)采集器對計算機(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。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，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20余年現(xiàn)場使用考驗的歐規(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：

一、系統(tǒng)抗振性強(qiáng)

                                                         

CompactPCI卡片上下有導(dǎo)軌固定，卡片的前端通過氣密性的針孔連接器和背板相連，每個接頭具有10KG的結(jié)合力�？ㄆ�的可以通過面板螺絲固定在機(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的背板使用長中短插針結(jié)構(gòu)，其中Power和Ground針腳最長，可以保證卡片安全的帶電插入拔出。此外板選信號IDSEL,BD_SEL#針腳最短，系統(tǒng)借由此信號可以得知卡片是在插入過程或是拔出過程。另外CompactPCI制定了熱插拔的硬件過程和軟件管理接口，保證了卡片熱插拔過程的有效性。

三、支持后走線，便于方便配線

                                                    

CompactPCI的卡片的信號線不用從卡片前面板引出，可以通過背板將信號線用轉(zhuǎn)接板從后端引出。當(dāng)更換卡片時，不許要更換信號線，這樣減少了更換卡片的工作量并減少因更換信號線而引起的出錯概率。此外信號線從后端引出，設(shè)備前端也會比較美觀。

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)格定義了信號線的最長長度，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CompactPCI總線段最多可以支持7個PCI設(shè)備，而普通工控機(jī)只能支持4個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個系統(tǒng)槽和7個外圍擴(kuò)展槽，具有6.4吋TFT LCD的CompactPCI機(jī)箱cPCIS-1150。7個外圍槽便于系統(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CompactPCI系統(tǒng)的核心。對系統(tǒng)長期可靠運行最大的威脅是CPU風(fēng)扇的壽命。通常一個CPU風(fēng)扇長期運行的壽命只有1~2年。如果系統(tǒng)使用的是普通CPU，一旦CPU風(fēng)扇停止運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)就會因CPU過熱而死機(jī)。為了保證系統(tǒng)能夠24小時長期可靠運行，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
基于計算機(jī)的電能自動計費系統(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)電能計費系統(tǒng)的核型電量數(shù)據(jù)采集器�；�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)地市級供電系統(tǒng)等工程中得到成功應(yīng)用。經(jīng)過一年多的運轉(zhuǎn)，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，得到用戶的一致好評。