智能计量节电控制管理系统总体设计方案

智能计量节电控制管理系统总体设计方案

一、需求分析

1. 应用范围

智能计量节电控制管理系统面向的用户范围是学校、企业、和办公大楼等用户的用电监测、控制和管理；以达到节约电能、减少浪费的目的。

2. 计量监测和控制的对象

学校和办公大楼主要是照明用电、空调用电等；以单相的用电设备为主；同时有三相四线的用电设备。

企业工厂主要是工业设备的用电；以感性负载为主；如电动机等；有三相三线、三相四线、单相的用电设备。

3. 功能要求

3.1 计量监测功能

对单个设备或供电线路的电能参数进行测量和计算；如电压、电流、功率、功率因数、谐波参数等。

能实时获取监测的电能数据和以一定的时间间隔记录历史数据。

能对获取的实时电能数据和历史数据进行统计和分析。

3.2 控制管理功能

通过设置可以实现：

电能和时间的量化控制。

用电负荷门限控制。

用电的时段控制。

3.3 远程监测和控制管理

通过多种形式的有线和无线网路最终汇集到互联网；系统中通过网络把所有被监管设备的电能数据传输到监控中心。

监控中心通过网络把用户的设置参数和控制命令下发给各个用电监控的末端的监测单元；进行控制和管理。

3.4 监控中心的软件管理平台

监控中心的软件采用B/S（浏览器和服务器）的架构；用户通过标准的浏览器就可以查看信息和处理用电管理事务和控制用电情况。

软件包括通信服务器部分、数据处理部分、和Web管理网站部分。通信服务器可以处理大量的并发连接；数据处理对电能数据和用户信息进行关联和处理；用户可以方便快速的获取想要的信息和处理管理事务。

二、系统架构和组成

智能计量节电控制管理系统在总体逻辑上可以分为三层：测量控制设备工作在系统的末端；中间层是现场通信终端或集中器、PDA手持终端；上层是监控中心的通信设备、数据设备和软件。

系统组成框图如下：

1.末端测量和控制设备

测量和控制仪器设备即计量节电控制器直接和被监测管理的用电设备和线路相连。通过传感器采集交流电信号；通过计算获得各种电能参数。通过控制开关等执行机构对用电线路进行控制。计量节电控制器内部带微控制器能进行基本的数据处理、算法和IO控制。

计量节电控制器形式多样；有单相计量节电控制器、三相计量节电控制器；插座形式的；单路的和多路的；直接式的或非直接式的等。计量节电控制器有多种通信接口用来组网和通信；如485接口、红外通信口、小范围无线通信口等。

计量节电控制器控制机构有内部继电器控制和继电器输出控制外部开关。

2.现场通信终端

现场通信终端在系统中负责收集各个计量节电控制器的电能数据并上传到监控中心；接收监控中心的设置和命令并分发给各个计量节电控制器。

现场通信终端有较强的通信功能；内部采用32位的ARM控制器；有大容量的数据存储器。通信接口有485接口、小范围的无线通信接口和计量节电控制器通信；配有GPRS无线通信接口或以太网接口接入互联网和监控中心进行通信。

3.PDA手持终端

PDA手持终端方便用户在现场对计量节电控制器进行数据抄读和设置。同时PDA手持终端可以通过网络等手段和监控中心的数据库服务器进行数据复制和同步。把现场抄得的数据归并到监控中心的数据库服务器中。

PDA手持终端运行Windows CE的操作系统；友好的图形用户界面；同时给PDA配置各种不同通信接口以适应需要如：红外通信、无线通信、串口通信、WiFi等。

4.监控管理中心

监控管理中心有通信服务；通过互联网通信协议TCP/IP和所有的现场通信终端进行数据交换；如实时数据和历史数据的抄读和接收、设置参数和控制命令。同时可以实现GSM短信的调度发送。

监控管理中心用数据库服务器存储和管理重要的监控数据和用户信息。数据处理软件模块可以对用电监测数据进行统计分析等。

监控管理中心的用户界面是Web网站的发布；Web网站的设计采用服务器端的脚本引擎来开发动态的数据驱动的网站；同时用Ajax客户端技术来提升用户操作功能和响应速度。Web程序通过数据处理模块来和数据库进行交互。

三、系统中的网络结构和形式

系统中网络有现场端的小区域组网网络和远程的公共网络设施。小区域组网网络有RS485网络、小区域无线网络等；用的是标准的或自定义的通信协议。远程的公共网络有GSM/GPRS网络和互联网；通信协议是标准的TCP/IP通信协议；应用层的协议和数据格式是自定义的。

1.RS485通信网络

通过485总线把小范围的各个计量节电控制器连接起来和一个现场的通信终端或集中器相连；通信终端为主设备、计量节电控制器是从设备。

485网络的拓扑如下：

2. 小范围无线网络

目前采用Nordic公司的nRF2401无线收发器模块来实现小范围的无线通信；工作频段是2.4G；组网用一点对多点的星型网络拓扑结构。网络拓扑

星型网络；如下所示：

3. 远程公共通信网络

目前的远程通信有两种形式：一种是利用GSM移动通信网络；通过GPRS接入互联网。另外一种是通过以太网接口利用宽带网络接入互联网。现场通信终端的上行端口需具备这两种形式。

网路示意图如下：

四、硬件基本设计框图

1. 计量节电控制器的硬件功能框图

2. 现场通信终端的功能框图

现场通信终端主要是从无线网络收集各个计量节电控制器和插座的测量数据并通过GPRS通信口或以太网通信接口传送到电耗监测管理中心的计算机。

五、监控中心上位机软件设计

上位机软件建议采用三层架构: 数据服务层(数据库存取); 通信服务; 用户界面.

5.2数据通信服务模块

通信服务程序通过GPRS或以太网接口接收数据; 先把大块数据收上来; 然后对数据进行格式转换和分解; 再把数据单元存入数据库的表中.通信采用TCP/IP互连网协议。

5.2数据库服务器

数据库服务器选用Microsoft SQL server 或MySQL server .

数据库设计

5.3 Web 服务和直接数据库客户端: 软件开发可以基于Microsoft dot Net 平台;

六、系统安全性设计

1．身份认证过程

数据中心使用MD5算法进行数据采集器身份认证，密钥长度为128bit，具体过程如下：

（1）TCP连接建立成功后，数据采集器向数据中心发送身份认证请求；