凌华CompactPCI在电能计费系统的应用

[摘要] 本文介绍了基于计算机的电能自动计费的系统架构和基于CompactPCI架构的电能数据采集器的优点。 [关键词] CompactPCI 电能计费系统 应用背景 随着我国电网的不断发展及运行管理方式逐渐向商业化管理方式的转换，电能计费系统（TMS：TeleMetering Systern）已成为电网电能贸易结算的重要系统。电能计费系统是以电能计量技术为基础，应用计算机及通信技术，在传统计量装置的基础上实现了电能数据的自动采集、远传和处理，使电网商业区化运营管理成为可能。 传统的电费计量采用依靠人工抄表，然后结算电费的方法。其中最普通的方法是安装感应式电度表,通过人工抄表得到各省区之间的交换电量,然后由人工结算电费。以往国内各省区之间的交换电量都是由此方法得到。它的缺点是误差大，失误多，工作量大，这和整个电网越来越高的自动化程度不相适应。另外一种较先进的电量计费方法是由计算机组成一个数据采集及电网管理系统，通过遥讯、遥测方式来传输数据，然后依据这些数据来统计电量，结算电费。目前人工抄表计费方式已经渐渐被基于计算机的自动抄表计费系统所代替。 系统架构 下图是一个典型的基于计算机的自动抄表计费系统系统架构图： 该系统架构为分布式网络结构，即由数据服务器、通讯服务器以及若干各种型号的电能数据采集器、电能表组成。电能数据采集器是整个电能计费系统的核心环节。电能数据采集器将电能采集仪表的数据实时记录下来。电能数据采集器可以通过电话线、以太网等多种网络连接方式将电量数据经过通讯服务器发送给中心数据服务器。中心数据服务器对电量数据进行数据统计、分析和各种核算。 电能数据采集器对硬件的要求 电能数据采集器的核心是一台插有串口通讯卡的计算机。计算机通过串口通讯卡与电能采集仪表相连。由于电能数据采集器放在发电机或电网输送端周围。工作环境存在电磁和静电干扰，因此要求电能数据采集器具有较强的抗干扰能力。此外对于电量的计量是一个连续的过程，不能中途中断，因此要求电能数据采集器能够长期可靠工作。 以往电能数据采集器选用工控机做为硬件平台。工控机基于PICMG 1.0规范，和普通PC相比，减少了系统的MTTR时间，并从系统的结构、散热等方面加以改进，提高了系统的MTBF时间。但是基于PICMG1.0的工控机依然存在抗振性差、板卡总线连接器不可靠、散热不畅、抗电磁干扰差等缺点。因此不能保证电能数据采集器的可靠运行。 基于CompactPCI电能数据采集器的优点 基于电能数据采集器对计算机硬件稳定性的严格要求，凌华科技提出了CompactPCI硬件解决方案。 CompactPCI基于PICMG2.0规范。CompactPCI的电气特性与PCI总线相同，因此用户的软件和普通PC兼容，现有的PCI外围卡也可以很容易移植到CompactPCI平台。CompactPCI使用2mm高密度针孔总线连接器，和使用金手指连接器的PCI卡相比，具有连接可靠、完全气密的特点，卡片的抗振性和抗腐蚀性大大提高。此外CompactPCI卡片采用经过20余年现场使用考验的欧规卡结构。欧规卡采用垂直安装、前抽取结构，提高了卡片的散热性、抗振性和易维护性。 和传统商用PC和工控机相比，CompactPCI具有如下优点： 一、系统抗振性强 CompactPCI卡片上下有导轨固定，卡片的前端通过气密性的针孔连接器和背板相连，每个接头具有10KG的结合力。卡片的可以通过面板螺丝固定在机箱上。CompactPCI卡片的前后上下都被固定，因此系统抗振性大大提高。 二、支持卡片带电拔插 CompactPCI的背板使用长中短插针结构，其中Power和Ground针脚最长，可以保证卡片安全的带电插入拔出。此外板选信号IDSEL,BD_SEL#针脚最短，系统借由此信号可以得知卡片是在插入过程或是拔出过程。另外CompactPCI制定了热插拔的硬件过程和软件管理接口，保证了卡片热插拔过程的有效性。 三、支持后走线，便于方便配线 CompactPCI的卡片的信号线不用从卡片前面板引出，可以通过背板将信号线用转接板从后端引出。当更换卡片时，不许要更换信号线，这样减少了更换卡片的工作量并减少因更换信号线而引起的出错概率。此外信号线从后端引出，设备前端也会比较美观。 四、卡片垂直安装，有利于散热 CompactPCI卡片采用欧规卡结构，卡片垂直安装，系统的散热气流从下而上吹，符合空气对流原理，散热效果好。 五、CompactPCI卡片具有更好的电气特性 CompactPCI背板插针和接头全部镀金，并严格定义了信号线的最长长度，PCB板的阻抗，去偶电容,PCI上拉电阻阻值，因此CompactPCI的电气特性要优于普通PCI工控机。单个CompactPCI总线段最多可以支持7个PCI设备，而普通工控机只能支持4个PCI设备。 六、防腐和电磁屏蔽性好 CompactPCI使用2mm气密性针孔总线连接器，盐雾、酸雾和带电粉尘不能腐蚀总线。此外CompactPCI的全铝合金机箱外壳和卡片的U型弹簧片能给系统提供良好的电磁屏蔽保护。 七、抗静电好 CompactPCI卡片下端具有3断静电导出条，可以静电导出到大地。另外CompactPCI规定系统的逻辑地和机箱地隔离，保持系统不受外界干扰。基于PICMG1.0的工控机无法做到机箱地和逻辑地隔离。 八、机箱深度浅，便于机柜安装 CompactPCI的机箱深度只有258mm，大大短于普通工控机的机箱深度400～450mm，给机柜安装留下了更大空间。这样便于用户安装其他配线设备。 凌华的基于CompactPCI电能采集器硬件解决方案 凌华为国内某知名电力设备集成商提供的CompactPCI硬件的方案如下： 1. 机箱： 凌华为电能采集器提供的机箱为一款3U 高度，具有1个系统槽和7个外围扩展槽，具有6.4吋TFT LCD的CompactPCI机箱cPCIS-1150。7个外围槽便于系统功能扩展，6.4吋TFT LCD的分辩率为640x480，可以提供方便易用的人机界面。 2. CPU卡： CPU卡是整个CompactPCI系统的核心。对系统长期可靠运行最大的威胁是CPU风扇的寿命。通常一个CPU风扇长期运行的寿命只有1~2年。如果系统使用的是普通CPU，一旦CPU风扇停止运转，系统就会因CPU过热而死机。为了保证系统能够24小时长期可靠运行，凌华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,无需使用CPU散热风扇，使用散热片即可满足CPU散热要求。这样大大提高了系统的稳定性。 3. 外围卡 系统使用的外围卡包括：显卡cPCI-8217，串口通行卡cPCI-3534和隔离I/O卡cPCI-7433。串口通信卡和隔离I/O卡用于连接外围电能采集仪表。 下图为基于CompactPCI的电能采集器外观图： 结论 基于计算机的电能自动计费系统正在逐步取代以往的人工抄表系统。CompactPCI系统具有较强的系统稳定性，非常适合用做充当电能计费系统的核型电量数据采集器。基于凌华CompactPCI架构的电能采集器目前已经在天津关口上移电力工程、内蒙古大唐托克托发电工程、华北电力集团冀北地区地市级供电系统等工程中得到成功应用。经过一年多的运转，整个系统工作稳定可靠，得到用户的一致好评。