基于電力線(xiàn)載波的智能小區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)傳統(tǒng)抄表系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對(duì)高性能自動(dòng)抄表系統(tǒng)所需技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了一套基于電力線(xiàn)載波技術(shù)的新型智能小區(qū)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)分析和實(shí)際應(yīng)用證明了抄表系統(tǒng)的高性能和高可靠性。
??? 關(guān)鍵詞：抄表系統(tǒng)，電力線(xiàn)載波，智能小區(qū)
　　

1　引　言
　　隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和電力事業(yè)的迅速發(fā)展，絕大部分地區(qū)的用電已經(jīng)沒(méi)有限制，一戶(hù)一表制已經(jīng)基本普及。但是隨著住宅電表數(shù)量的增加，人工抄表的工作量急增，另一方面，隨著智能住宅小區(qū)的興起，人們對(duì)居住環(huán)境的要求提高了，舒適、方便成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。由于計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大，檢索、查詢(xún)方便，可以節(jié)省大量的人工，減少差錯(cuò)，提高工作效率，因此，無(wú)論是用戶(hù)還是用電管理部門(mén)都迫切地需要計(jì)算機(jī)管理的介入。現(xiàn)有的抄表系統(tǒng)，按照一般的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)抄表方式，將受到設(shè)備數(shù)量和傳輸信道的限制，而另外鋪設(shè)專(zhuān)用的通信信道，耗資較大，難以在實(shí)際中推廣。文章將介紹的智能小區(qū)抄表系統(tǒng)采用了微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和基于電力線(xiàn)載波的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，能對(duì)電子式電能表輸出的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，以達(dá)到電能計(jì)量的目的。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通過(guò)電力線(xiàn)向小區(qū)管理中心計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)的功能，將是一種有發(fā)展前景的自動(dòng)抄表系統(tǒng)。
2　系統(tǒng)構(gòu)成和工作過(guò)程
　　該自動(dòng)抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括電能表光電模塊與光電轉(zhuǎn)換模塊、采集終端、集中器、通信模塊與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等五部分。其中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱(chēng)為上位機(jī)。電能表光電模塊、采集終端、集中器和通信模塊構(gòu)成下位機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)安裝在電能表內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換模塊，把電能表圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖電信號(hào)輸出。通過(guò)脈沖專(zhuān)線(xiàn)送入數(shù)據(jù)采集終端或采集模塊進(jìn)行脈沖數(shù)累加和存儲(chǔ)。但是，此處采集的只是脈沖量而不是電度量，要將脈沖量乘以電度表常量和脈沖常數(shù)后方可得到電度量。集中器則定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、電度量計(jì)算和存儲(chǔ)。各集中器通過(guò)電力載波將信息發(fā)送到智能小區(qū)管理中心計(jì)算機(jī)。管理中心計(jì)算機(jī)的作用是接收集中器傳送過(guò)來(lái)的電表電量數(shù)據(jù)，并對(duì)各個(gè)用戶(hù)群體進(jìn)行存儲(chǔ)、分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)及計(jì)價(jià)。用電管理人員可以隨時(shí)獲取所需的各種數(shù)據(jù)和信息。

3　前端采集子模塊
　　圖2所示是自動(dòng)抄表系統(tǒng)中前端采集子模塊的構(gòu)成，采用了主從雙CPU結(jié)構(gòu)。從CPU采用的是Intel公司的89C51單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)多路脈沖信號(hào)的采集，電能表發(fā)出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖整形電路和濾波電路后，輸入到6片8253計(jì)數(shù)器中，8253帶有3個(gè)獨(dú)立的減法計(jì)數(shù)器，在工作方式0的控制下，能對(duì)外部事件計(jì)數(shù)。從CPU每隔5min，輪流讀取計(jì)數(shù)器中脈沖電能的個(gè)數(shù)，以獲得每分鐘的電能脈沖個(gè)數(shù)的平均值，并存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT24C16中。該存儲(chǔ)器與89C51之間用I2C總線(xiàn)連接，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間在100年以上，可以進(jìn)行10萬(wàn)次擦寫(xiě)，在掉電情況下，信息不會(huì)丟失。數(shù)據(jù)每月更新一次。主CPU同樣采用AT89C51單片機(jī)，完成數(shù)據(jù)的讀取計(jì)算、與遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)通信以及鍵盤(pán)顯示等附加功能。主機(jī)每隔10min通過(guò)IC總線(xiàn)從AT24C16中讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存入主機(jī)板的4片E2PROM－X84129中，通過(guò)通信模塊發(fā)往遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 4　通信模塊原理與結(jié)構(gòu)
4．1　通信原理及可行性分析
　　作為一種通訊媒介來(lái)考慮的話(huà)，低壓電力線(xiàn)信道（50kHz～400kHz）充滿(mǎn)著各種干擾，例如各種開(kāi)關(guān)電源的大量窄頻干擾，高壓尖脈等，必須采取特殊的技術(shù)來(lái)克服，這里采用了電力線(xiàn)SSC（Spread SpectrumCarrier）技術(shù)。電力線(xiàn)SSC技術(shù)是一種基于掃頻（Chirp）原理且適用于載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA）的擴(kuò)頻通信方法。其掃頻范圍為100kHz～400kHz，掃頻方式從200kHz～400kHz，然后再?gòu)?00kHz～200kHz，起始和結(jié)束的頻率都是200kHz。這樣設(shè)計(jì)的原因有2個(gè)：一是最大程度限制擴(kuò)頻信號(hào)產(chǎn)生的諧波，簡(jiǎn)化對(duì)濾波器的要求；二是使每個(gè)數(shù)據(jù)位擴(kuò)頻以后的信號(hào)波形平滑變換。掃頻信號(hào)的幅值隨著信號(hào)的頻率而變化，這是因?yàn)殡娏€(xiàn)的阻抗也隨著信號(hào)的頻率而變化。由于掃頻信號(hào)較短且具有自同步性，因此，可以避免直序擴(kuò)頻和跳頻通信同步時(shí)間慢的缺陷。下面從載波信道傳輸特性分析其可行性。
4．1．1　信號(hào)衰減
　　低壓電力線(xiàn)一般由銅線(xiàn)或其他良導(dǎo)體加工而成，電力線(xiàn)本身的阻抗并不是產(chǎn)生衰耗的主要原因。但是電力線(xiàn)上并聯(lián)的多種多樣的負(fù)載對(duì)信號(hào)造成的衰耗影響很大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，低壓電力線(xiàn)上的載波信號(hào)衰耗隨著頻率的上升而增大，但并不是單調(diào)的，衰耗值可達(dá)20dB以上，但一般都低于55dB。在100kHz～400kHz頻帶內(nèi)，信號(hào)平均衰耗約為40dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差為20dB。如INTELLON公司的產(chǎn)品SSCP300／P111，允許擴(kuò)頻信號(hào)衰耗的動(dòng)態(tài)范圍為68dB。因此，從信號(hào)衰減統(tǒng)計(jì)特性看，采用電力擴(kuò)頻載波技術(shù)是可行的。
4．1．2　時(shí)變性
　　由于低壓電力網(wǎng)上負(fù)載不斷切除、投入，電器的開(kāi)、關(guān)等隨機(jī)事件的影響，在1s內(nèi)某一頻率的信號(hào)衰耗變化可達(dá)20 dB。由于掃頻信號(hào)的頻率變化格式固定且相位連續(xù)，其信號(hào)接收器能夠滿(mǎn)足時(shí)變性的要求，而且編碼和譯碼很容易實(shí)現(xiàn)，所以，構(gòu)成收發(fā)器件的費(fèi)用較低。
4．1．3　干擾噪聲
　　對(duì)低壓電力線(xiàn)通信影響最大的是脈沖干擾。它產(chǎn)生的突發(fā)性干擾可引起瞬時(shí)的高誤碼率。研究統(tǒng)計(jì)表明，脈沖干擾的強(qiáng)度最大可達(dá)40dBc，由于掃頻信號(hào)兼有直序擴(kuò)頻和跳頻的兩種優(yōu)勢(shì)，因而能夠在噪聲范圍較大的情況下穩(wěn)定、可靠地工作。
　　本文設(shè)計(jì)中采用了INTELLON公司的載波芯片SSC P300和SSCP111，其信息傳輸速率最大可達(dá)10kbit／s。
4．2　通信模塊電路
　　通信模塊由SSCP300和SSCP111電力載波芯片組成，圖3是通信模塊的電路原理圖。模擬信號(hào)是通過(guò)信號(hào)入（SI）和信號(hào)出（SO）腳在SSCP300與通訊媒介（交流電力線(xiàn)，雙絞線(xiàn)等）之間進(jìn)行傳輸?shù)?。在發(fā)送模式下，SSC的“chirps＂從SSCP300的SO腳傳輸?shù)捷敵?a href="http://ttokpm.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器，此放大器由SSCP300的三態(tài)信號(hào)（TS）來(lái)決定其工作與否。一旦信號(hào)被放大，則輸出信號(hào)通過(guò)媒介耦合電路傳輸?shù)矫浇橹腥?。在接收模式下，模擬通訊信號(hào)通過(guò)外部媒介耦合電路傳輸?shù)捷斎霝V波器，此帶通濾波器可將頻率為100kHz～400kHz的信號(hào)傳輸?shù)絊SCP300的SI腳。SSCP300網(wǎng)絡(luò)控制器用來(lái)完成數(shù)據(jù)鏈路層功能及提供物理層服務(wù)，具體的數(shù)據(jù)鏈路層功能包括數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收、發(fā)送字節(jié)到符號(hào)轉(zhuǎn)換、接收符號(hào)到字節(jié)轉(zhuǎn)換、傳輸通道的獲取、循環(huán)冗余碼的產(chǎn)生和校驗(yàn)等。SSCP111媒介接口和電力線(xiàn)耦合電路部分完成緩沖放大、低通濾波、將放大信號(hào)耦合到電力線(xiàn)上及對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波等工作。 4．3 SSCP111瞬間保護(hù)
　　由于SSCP111驅(qū)動(dòng)AC電力線(xiàn)，因而線(xiàn)上的瞬間電壓將會(huì)通過(guò)耦合電路返回到P111的輸出管腳上。在某些特定條件下，具有較大幅度或較大加速度的瞬間電壓會(huì)造成P111 IC的損壞，因此需要加上瞬間抑制電路才能確保P111 IC正確工作。保護(hù)電路包括在AC電力線(xiàn)耦合器中加上的MOV／齊納二極管的組合，以及在P111 IC輸出管腳上的瞬時(shí)電壓抑制器（TVS）／肖特基二極管組合。此抑制器應(yīng)置于輸出濾波電感和電容之間，將TVS的電容與SSCP300的輸出管腳隔離，并能夠保持其所需的相域。TVS的選擇將參照提供給SSCP111的電源支持（Vaa）。TVS必須在瞬時(shí)幅度達(dá)到電源限之前啟動(dòng)，此時(shí)才能使“chirps”無(wú)衰減地通過(guò)。 5　軟件設(shè)計(jì)
　　小區(qū)管理中心計(jì)算機(jī)發(fā)向下位機(jī)主機(jī)的數(shù)據(jù)包中含有起始位、單片機(jī)地址、需求命令、奇偶校驗(yàn)位和結(jié)束位。下位機(jī)向計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包含有起始位、單片機(jī)地址、采樣的數(shù)據(jù)、奇偶校驗(yàn)位和結(jié)束位。管理中心計(jì)算機(jī)的信息可以發(fā)往任意下位單片機(jī)，但是下位單片機(jī)的信息只能發(fā)往管理中心計(jì)算機(jī)，各下位單片機(jī)之間互不通訊。管理中心計(jì)算機(jī)和下位單片機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)均以中斷方式進(jìn)行。當(dāng)下位單片機(jī)收到管理中心計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的信息后，立即解數(shù)據(jù)包并與本機(jī)地址比較，如與本機(jī)地址相同，則將采集的數(shù)據(jù)發(fā)往管理中心計(jì)算機(jī)；如與本地地址不同，不向管理中心計(jì)算機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)。
　　本系統(tǒng)中軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要有數(shù)據(jù)采集循環(huán)監(jiān)控、顯示模塊、通信模塊、以及其它功能模塊。下位機(jī)的從機(jī)主要完成計(jì)數(shù)器初始化、信號(hào)采集功能。為防止脈沖傳送給電度表帶來(lái)抖動(dòng)或因外界
　　圖6干擾引起CPU判斷錯(cuò)誤，脈沖采集軟件增加了消抖動(dòng)功能，見(jiàn)圖4。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試中的重點(diǎn)還有下位機(jī)的主機(jī)與遠(yuǎn)方管理計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，其程序流程圖如圖5所示，圖6是中斷服務(wù)子程序。
6　結(jié)束語(yǔ)
　　本系統(tǒng)采用了快速、可靠的雙CPU數(shù)據(jù)采集處理，以及基于電力線(xiàn)載波的數(shù)據(jù)通信技術(shù)。由于采用電力線(xiàn)作為通信信道，不必另外架設(shè)通信電纜，節(jié)省了投資，為實(shí)現(xiàn)用戶(hù)電能表網(wǎng)絡(luò)化管理，及“一戶(hù)一表，抄表到戶(hù)”制度提供了高效、科學(xué)的手段；數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)容量可以分為8戶(hù)、16戶(hù)等，應(yīng)根據(jù)用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的電表配置情況任意選擇終端的種類(lèi)。實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐證明了上述系統(tǒng)的可行性。利用電力線(xiàn)通訊的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)可為智能小區(qū)的自動(dòng)化管理提供幫助。

1　李　華，孫曉民，等．MCS－51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999
2　吳　雷．電能集中自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．自動(dòng)化儀表，2002，23（1）