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1、遠(yuǎn)程抄表功能電度表
系統(tǒng)構(gòu)造與工作原理
系統(tǒng)的實(shí)物模型
圖3-1 系統(tǒng)構(gòu)造框圖
系統(tǒng)的構(gòu)造框圖如圖1所示，系統(tǒng)重要由采集器、集中器和主機(jī)三部分構(gòu)成。采集器和集中器的工作是由軟件控制的。采集器和集中器之間通過(guò)市電網(wǎng)傳播信號(hào)。集中器和主機(jī)可以通過(guò)智能社區(qū)的市話線、專線網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)和Internet連接。
采集器通過(guò)485線與各個(gè)基表相連，負(fù)責(zé)采集和發(fā)送電表的數(shù)據(jù)，集中器通過(guò)220V電力線與采集器通信，接受數(shù)據(jù)。集中器收到數(shù)據(jù)后來(lái)經(jīng)市話線、專線網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)和Internet，通過(guò)modem將其送到主站的微機(jī)中進(jìn)行解決。
2、
圖3-2 采集器的構(gòu)造框圖
2 采集器
采集器由兩個(gè)器件構(gòu)成：?jiǎn)纹瑱C(jī)和KQ-100E模塊，單片機(jī)將采集到的電表脈沖信號(hào)傳送到KQ-100E模塊中，模塊經(jīng)市電網(wǎng)將信號(hào)送到集中器里的KQ-100E模塊。采集器的構(gòu)造框圖如圖2所示。
圖3-3 集中器的構(gòu)造框圖
3 集中器
集中器由三個(gè)器件構(gòu)成：KQ-1OOE模塊、單片機(jī)和串口RS232。KQ-100E接受到采集器傳來(lái)的信號(hào)后發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)串口RS232傳給Modem，經(jīng)電話網(wǎng)傳給主站的微機(jī)解決。集中器的構(gòu)造框圖如圖3所示。
4多采
3、集器和集中器的連接
社區(qū)中有諸多電表，因此，需要多種采集器來(lái)收集數(shù)據(jù)，圖4給出多種采集器和集中器的連接方式。
圖3-4 多采集器和集中器的連接方式
該模塊的微機(jī)控制端由RX、TX、R/T三個(gè)端口構(gòu)成，全是TTL電平，TX接微控制器，TXD端發(fā)送數(shù)據(jù)，RX接微控制器，RXD端接受數(shù)據(jù)，R/T為接受/發(fā)送控制端，R/T為高電平時(shí)模塊處在接受狀態(tài),R/T為低電平時(shí)模塊處在發(fā)送狀態(tài)。＋5V端接入＋5V±0.25V的直流電源，＋5V耗電量約為40mA，VAA端為發(fā)送功率電源，可用直流不穩(wěn)壓電源，發(fā)送時(shí)的電流約為300mA（不發(fā)送時(shí)為O），VAA可在9V～15V之間選定（視需要而定，距離近或干擾
4、小時(shí)采用低壓，反之則用高壓，最佳不要超過(guò)18V）。VAA和＋5V電源最佳用兩組電源供電，以防發(fā)送部分工作時(shí)的尖峰脈沖對(duì)＋5V供電部分導(dǎo)致干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信的紊亂和影響可靠性。
兩個(gè)AC端可以直接接市電的火線和零線，也可以接火線和地線。在干擾較大的一棟大樓內(nèi)通信時(shí)，建議使用零線和地線通信。在遠(yuǎn)距離戶外通信時(shí)，可采用火線和零線或兩個(gè)相線區(qū)間(380V)通信方式。本模塊的接受敏捷度很高，因此，在所有模塊都處在接受狀態(tài)時(shí)，RX端將輸出干擾脈沖，請(qǐng)顧客在發(fā)送接受程序中考慮這個(gè)因素，請(qǐng)參照背面的程序。
在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先置R/T為低電平，再用串行方式在TX端輸入OFFH，再輸入同步碼等顧客欲發(fā)送的數(shù)據(jù)，
5、在接受端檢測(cè)同步碼后接受數(shù)據(jù)，并校驗(yàn)其數(shù)據(jù)的對(duì)的性。
一般在干擾較大時(shí)會(huì)影響接受性能，顧客可減少波特率加以改善，若加入軟件強(qiáng)濾波方式，效果會(huì)更好。例如在100b/s下加軟件強(qiáng)濾波(每200μs檢測(cè)一次RX端電平，當(dāng)“1”的個(gè)數(shù)超過(guò)30次時(shí)置“1”，當(dāng)“0”的個(gè)數(shù)超過(guò)30次時(shí)置“0”)，在強(qiáng)干擾的環(huán)境下也可獲得較好的數(shù)據(jù)傳送質(zhì)量。
KQ-100E采用FSK載波通信方式。相對(duì)于擴(kuò)頻方案而言，F(xiàn)SK方式提供的是透明的載波通道，不需要對(duì)模塊初始化編程，顧客可以通過(guò)軟件任意變換波特率，從而為過(guò)零點(diǎn)（市電50Hz的正弦波的零點(diǎn)）通訊、軟中繼（尋址中繼或無(wú)中心自動(dòng)中繼）、軟件濾波的實(shí)現(xiàn)提供也許。
5
6、電力載波與自動(dòng)抄表
集中抄表的媒介可以有低壓電力線，雙絞線，同軸電纜等，目前，大部分建筑物內(nèi)的防火、防盜、空調(diào)等系統(tǒng)都是基于雙絞線。同軸電纜或光纜等物理媒介進(jìn)行通信的。這些通信線路，雖然通信容量較大，但造價(jià)高、維護(hù)難，特別對(duì)老建筑物的改造更加不易。相反只要有建筑就會(huì)有電力線，運(yùn)用電力線載波通信可以大大地減少投資和對(duì)線路的維護(hù)成本，電力載波自動(dòng)抄表系統(tǒng)的成本低，免除了重新架設(shè)線路的麻煩，并且可最大限度地發(fā)揮電力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。
在載波抄表系統(tǒng)中每個(gè)變壓器供電臺(tái)區(qū)安頓一臺(tái)采集器，采集器通過(guò)低壓電力線路接受各電表的數(shù)據(jù)再通過(guò)一般電話調(diào)制解調(diào)器或其他方式向用電管理中心轉(zhuǎn)發(fā)電表數(shù)據(jù)，載波抄表系統(tǒng)示意圖
7、見(jiàn)圖5所示。
圖3-5 載波抄表系統(tǒng)示意圖
電力載波抄表是最符合電力系統(tǒng)特點(diǎn)的自動(dòng)抄表方案，但低壓電力線路的惡劣通信環(huán)境和導(dǎo)致的抄表成功率低這一現(xiàn)象卻阻礙載波抄表技術(shù)的大量應(yīng)用，因此在載波抄表系統(tǒng)中，最核心的問(wèn)題是低壓電力載波通信。
電力載波通信技術(shù)自從六十年代問(wèn)世以來(lái)都是在35kV及以上電壓級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。這是由于高壓線路上負(fù)載穩(wěn)定，并且在線路上加裝了阻波器，干擾較少。而在10kV與220kV網(wǎng)絡(luò)上，特別在220V線路上，負(fù)載嚴(yán)重并且干擾成分復(fù)雜，同步由于成本、體積和電力線路電流的限制，不也許模仿高壓電力載波通信方式在電表內(nèi)安裝阻波器，這些因素使得低壓電力載波通信有難以逾越的
8、技術(shù)障礙。?
圖3-6 載波通信電路示意圖
載波通信電路重要涉及載波通信集成電路和功率放大器和電力線耦合器，通信集成電路將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制成可在電力線上傳播的高頻載波信號(hào)，其頻率一般為50kHz至500kHz，這些高頻載波信號(hào)再通過(guò)功率放大和耦合電路與低壓電力線接口。
載波通信的成功率重要取決于接受載波信號(hào)的信噪比規(guī)定和通信芯片的接受敏捷度。由于電網(wǎng)規(guī)定的諧波系數(shù)規(guī)定和電表體積和成本所限制，載波發(fā)信功率不也許過(guò)大，同步電網(wǎng)上的噪聲極其復(fù)雜，因此在接受端常常載波信號(hào)還不到1mV，被大量的噪聲沉沒(méi)，因此抄表的成功率重要取決于載波通信芯片的性能，而載波通信芯片性能的優(yōu)勢(shì)取決與芯片自身的通信
9、模式和該芯片與否符合實(shí)際載波信道的規(guī)定。要實(shí)現(xiàn)可靠的電力載波通信一方面要對(duì)低壓電力線路的載波傳播特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析。
6 載波信號(hào)在低壓電力線路上的衰減
低壓電力線一般由銅或其他電的良導(dǎo)體加工而成，其自身的阻抗很小，電力線自身的阻抗并不是產(chǎn)生衰減的重要因素。由于220V電力線不是專用的通信線，電力線上有大量的用電負(fù)載和電力設(shè)備(如無(wú)功補(bǔ)償電容)，這些器件對(duì)載波信號(hào)的衰減非常嚴(yán)重，其高頻等效阻抗變化范疇很大，有時(shí)不不小于0.1Ω，有時(shí)又忽然增大到幾十歐姆，這就定其信號(hào)衰減值嚴(yán)重時(shí)會(huì)達(dá)到100DB以上，此外，當(dāng)電力線路負(fù)載嚴(yán)重時(shí)，發(fā)送耦合電路的內(nèi)阻也不可忽視，它會(huì)分去相稱一部分的功率。
10、
可見(jiàn)，信號(hào)衰減由兩部分構(gòu)成：一是耦合衰減；二是線路衰減。理論上，我們可以將耦合器的內(nèi)阻做得相稱小，這樣衰減就重要決定于線路的衰減。實(shí)驗(yàn)表白，信號(hào)的衰減是距離的函數(shù)，一般為40～100dB/km。在農(nóng)村的衰減最大，500m就達(dá)到50dB；在都市，250m就達(dá)到50dB；在都市，250m大概20dB；在郊區(qū)，250m亦能達(dá)到25dB；但在工業(yè)區(qū)衰減較小，750m長(zhǎng)的線路僅為30dB。
7 低壓電線的干擾性
??電力線路上的干擾源涉及脈沖噪聲和等幅振蕩波干擾。脈沖噪聲是具有瞬間、高能和覆蓋頻率范疇廣的特點(diǎn)，因而對(duì)于載波信號(hào)傳播的影響相稱大，不僅會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的誤碼率高，使得接受裝置無(wú)法對(duì)信號(hào)
11、進(jìn)行對(duì)的的接受；此外，它尚有也許使接受設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生自干擾，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。因此，通信接受電路對(duì)這種干擾的抵御就顯得尤為重要了。等幅振蕩波干擾源涉及故意干擾源和無(wú)意干擾源兩種。前者如嬰兒監(jiān)控器，或?qū)χv機(jī)等家庭用產(chǎn)品，其工作頻率都在100到300kHz之間；而后者(如電源開(kāi)關(guān)等)產(chǎn)生的主諧波頻率也都在50kHz以上。這些頻率范疇恰恰是大多數(shù)載波信號(hào)的頻率范疇。因而，這種干擾所占的比重也是較高的。人們分別對(duì)不同的地區(qū)(都市、工業(yè)區(qū)、鄉(xiāng)村)作了大量實(shí)驗(yàn)，結(jié)論是可以用帶加性干擾噪聲的時(shí)變線性濾波電路作為低壓電力線的基本參照模型。電力線的噪聲可分為背景噪聲和脈沖干擾，并且在10～100kHz的頻率
12、內(nèi)，噪聲功率譜密度以29dB/decade幅度衰減。低壓電力線路的背景噪聲重要來(lái)源于如下方面：
??(1)可控硅(SCR)器件和某些電源電路產(chǎn)生的60Hz的倍頻諧波(注：美國(guó)電力線頻率為60Hz)；
????(2)由負(fù)載和電網(wǎng)不同步而產(chǎn)生的具有平滑功率譜的干擾，如一般電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的干擾；
?? (3)開(kāi)關(guān)電子設(shè)備產(chǎn)生的單脈沖噪聲；
?????(4)異步周期的噪聲，如電視機(jī)的行掃描頻率。
?總之背景噪聲是典型離散高斯型的，它對(duì)載波通信系統(tǒng)影響較穩(wěn)定。其他就是脈沖噪聲，它是由于電力線路中負(fù)載或其他因素而產(chǎn)生的突發(fā)性的干擾噪聲，脈沖噪聲對(duì)通信系統(tǒng)可以產(chǎn)生突發(fā)性影響引起瞬間的高誤碼率
13、，甚至導(dǎo)致通信中斷。在這兩種噪聲中，對(duì)載波通信系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響的是脈沖噪聲。
??由于國(guó)內(nèi)電器上網(wǎng)的電磁兼容性沒(méi)有歐美控制得嚴(yán)格，因此國(guó)內(nèi)電力網(wǎng)的衰減和干擾要比歐美嚴(yán)重得多，電力線的通信環(huán)境也更加惡劣。這對(duì)國(guó)內(nèi)從事低壓電力線通信技術(shù)研究的工作者來(lái)說(shuō)，提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
8 實(shí)現(xiàn)低壓電力載波通信的技術(shù)分析
???在運(yùn)用電力線作為傳播媒介的通訊過(guò)程中，影響通信的因素重要有兩大類：一是線路衰減，二是電線路上的嚴(yán)重干擾。通過(guò)對(duì)前面對(duì)低壓電力載波信道的傳播性分析可以看出，低壓電力線載波通信的客觀環(huán)境是非常惡劣的，要達(dá)到穩(wěn)定通信的效果必須采用先進(jìn)的技術(shù)手段來(lái)克服這些因難。
???抄表
14、的成功率重要取決于載波通信芯片的性能。在目前的通訊芯片重要有兩類：一類是窄帶通訊(如FSK)，另一類是擴(kuò)頻通訊。
??由于窄帶通訊技術(shù)價(jià)格低廉并且較為容易實(shí)現(xiàn)，因此在以往的應(yīng)用中比較流行，初期的電路是LM1893，后來(lái)的典型電路ST7536通信芯片，ST7536屬于同步FSK調(diào)制，由于在集成電路內(nèi)要用了硬件數(shù)字濾波對(duì)通信頻帶外的干擾有較好的克制，其接受敏捷度(實(shí)際可達(dá)到3mV)和抗干擾能力相對(duì)于LM1893有了很大的提高，但220V電力線路的載波信號(hào)在衰減嚴(yán)重時(shí)還不到1mV，因此其接受敏捷度與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需求而言尚有差距，并且抗同頻干擾(與載波信號(hào)頻率接近的干擾)能力差。因此盡管目前不少?gòu)S家
15、采用ST7536來(lái)進(jìn)行載波抄表，但其抄收成功率達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)規(guī)定。
??近年來(lái)，為提高載波通信成功率，國(guó)外某些廠家推出了基于擴(kuò)頻通信的載波芯片，目前在國(guó)內(nèi)抄表領(lǐng)域應(yīng)用較多的是INTELLON-P200。所謂擴(kuò)頻通信就是在發(fā)信端將信號(hào)頻譜擴(kuò)展后再進(jìn)行傳播，在收信端運(yùn)用有關(guān)手段將接受信號(hào)解擴(kuò)后再解調(diào)的通信手段。由于擴(kuò)頻載波信號(hào)的帶寬一般較大(幾十至幾百kHz)，因此其受干擾的頻率范疇所占比例相對(duì)減小，換句話講，就是多種噪聲僅能影響到一小部分所要傳播的信號(hào)，而大多數(shù)的信號(hào)都可以完整、對(duì)的的達(dá)到目的地，因此對(duì)于多種類型的干擾都具有較強(qiáng)的抵御性。擴(kuò)頻通信原理如。圖7所示
圖3-7 擴(kuò)頻原理示
16、意圖
??? 從理論上而言，擴(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的抗干擾能力，然而在220V線路通信實(shí)踐中卻發(fā)現(xiàn)INTELLON-P200效果并不抱負(fù)。信號(hào)接受敏捷度與ST7536差不多，在抗干擾能力方面，當(dāng)整個(gè)頻帶干擾狀況較平均時(shí)，INTELLON具有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)整個(gè)頻帶干擾嚴(yán)重而載波通信所選擇的通信頻帶內(nèi)干擾較小時(shí)，INTELLON反不如ST7536。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的因素是國(guó)外的擴(kuò)頻通信芯片是針對(duì)本地電網(wǎng)狀況用于室內(nèi)通信而設(shè)計(jì)的，通信速率快但接受敏捷度低，不適合中國(guó)電網(wǎng)實(shí)際，因此難以用于距離較遠(yuǎn)的抄表數(shù)據(jù)傳播。
圖3-8 載波通信模塊電路示意圖
???要真正實(shí)現(xiàn)載波表成功通信，必須在成本容許的條件下
17、從載波通信芯片接受敏捷度和抗干擾能力上予以質(zhì)的突破，才干保證系統(tǒng)的100%抄收率，這樣才是載波抄表系統(tǒng)商業(yè)推廣的充足必要條件!
正是從這一現(xiàn)狀出發(fā)，以國(guó)外最新的迅速單片機(jī)為基本，結(jié)合多種通信方式的長(zhǎng)處編制了符合中國(guó)電網(wǎng)實(shí)際的通信算法軟件，構(gòu)成了高敏捷度，高抗干擾能力，低成本的載波通信模塊。
9 載波通信電路設(shè)計(jì)
相對(duì)于其他載波通信電路而言，本文的電路其特點(diǎn)在于沒(méi)有采用老式的載波通信芯片，而采用以高速CPU和8位A／D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的通信模塊來(lái)取代載波通信芯片，而在其他電路部分則幾乎相似。
在如圖8所示的載波通信模塊中，通信算法程序在高速CPU內(nèi)，由CPU控制通過(guò)8位A／D對(duì)載波信號(hào)
18、采樣再進(jìn)行數(shù)字信號(hào)解決運(yùn)算解調(diào)，其抗衰減和干擾的性能相對(duì)于目前抄表領(lǐng)域所使用的載波芯片具有巨大的優(yōu)勢(shì)。目前使用的載波芯片都是以模擬比較器(也稱為1位A/D轉(zhuǎn)換器)為基本對(duì)載波信號(hào)采樣，然后再根據(jù)不同的方式進(jìn)行濾波和解調(diào)。這就決定了它們的接受信號(hào)的最小幅值無(wú)論是窄帶通信還是寬帶擴(kuò)頻通信都只能達(dá)到3mV，而電網(wǎng)中的載波信號(hào)有時(shí)還不到1mV，這就是抄表成功率得不到保證的主線因素。而我們?cè)O(shè)計(jì)的載波模塊采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，大幅度提高載波信號(hào)接受敏捷度有了堅(jiān)強(qiáng)的物質(zhì)基本，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)可達(dá)到0.2mV，這樣基本能克服電網(wǎng)的衰減。
在抗干擾性能方面，以往電力載波通信電路所使用的窄帶調(diào)頻或是寬帶擴(kuò)頻通信
19、都各有其特點(diǎn)。當(dāng)整個(gè)頻帶干擾狀況較平均時(shí)，寬帶擴(kuò)頻通信具有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)整個(gè)頻帶干擾嚴(yán)重而載波通信所選擇的通信頻帶內(nèi)干擾較小時(shí)，窄帶調(diào)頻通信具有優(yōu)勢(shì)。我們總結(jié)了以往電力載波通信電路的基理和中國(guó)電網(wǎng)的具體衰減特性，結(jié)合窄帶調(diào)頻通信和寬帶擴(kuò)頻通信優(yōu)勢(shì)，以擴(kuò)頻通信為基本，擴(kuò)頻方式采用直接序列擴(kuò)頻，調(diào)制方式為相移鍵控，同步我們?cè)O(shè)計(jì)的通信頻帶相對(duì)較窄。既然是在相對(duì)較窄的頻帶內(nèi)傳播擴(kuò)頻信號(hào)，其載波通信算法程序如圖9所示的流程圖，這樣載波通信電路既能檔住大量的帶外干擾，又能抵御15倍(理論)于載波通信信號(hào)干擾。即便是在通信頻帶內(nèi)浮現(xiàn)極強(qiáng)的干擾時(shí)，載波模塊上的迅速CPU可自動(dòng)選擇備用頻率進(jìn)行通信，這些功能使本方案具強(qiáng)大的抗干擾能力。
圖3-9 載波通信算法流程圖
?我們實(shí)現(xiàn)的硬件基本是以高速CPU和A/D轉(zhuǎn)換器為核心對(duì)接受的電力載波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)解決來(lái)解調(diào)。帶A/D的數(shù)字濾波運(yùn)算可過(guò)濾掉大量復(fù)雜的無(wú)用信號(hào)，其精度是模擬濾波器和不帶A/D的數(shù)字濾波遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能比擬的，在擴(kuò)頻解調(diào)上采用軟件計(jì)算可實(shí)現(xiàn)即便是在載波信號(hào)很弱時(shí)也能成功接受。電網(wǎng)用電負(fù)載在特定狀況下有也許出目前某些頻帶內(nèi)的極強(qiáng)干擾，由于我們的應(yīng)用軟件運(yùn)算能自動(dòng)跟蹤接受信號(hào)頻率，可實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接受頻率的自動(dòng)跟蹤和切換，這樣保證了當(dāng)電網(wǎng)上浮現(xiàn)復(fù)雜強(qiáng)烈干擾時(shí)也能保證精確的數(shù)據(jù)通信，這一特性是目前其他任何載波通信芯片所不具有的功能。
遠(yuǎn)程抄表功能電度表設(shè)計(jì)
