遠程抄表功能電度表設計

遠程抄表功能電度表 系統(tǒng)構(gòu)造與工作原理 系統(tǒng)的實物模型 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市電網(wǎng)傳播信號。集中器和主機可以通過智能社區(qū)的市話線、專線網(wǎng)、無線網(wǎng)和Internet連接。 采集器通過485線與各個基表相連，負責采集和發(fā)送電表的數(shù)據(jù)，集中器通過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)后來經(jīng)市話線、專線網(wǎng)、無線網(wǎng)和Internet，通過modem將其送到主站的微機中進行解決。 圖3-2 采集器的構(gòu)造框圖 2 采集器 采集器由兩個器件構(gòu)成：單片機和KQ-100E模塊，單片機將采集到的電表脈沖信號傳送到KQ-100E模塊中，模塊經(jīng)市電網(wǎng)將信號送到集中器里的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 集中器由三個器件構(gòu)成：KQ-1OOE模塊、單片機和串口RS232。KQ-100E接受到采集器傳來的信號后發(fā)送給單片機，單片機經(jīng)串口RS232傳給Modem，經(jīng)電話網(wǎng)傳給主站的微機解決。集中器的構(gòu)造框圖如圖3所示。 4多采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 該模塊的微機控制端由RX、TX、R/T三個端口構(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為高電平時模塊處在接受狀態(tài),R/T為低電平時模塊處在發(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)送時的電流約為300mA（不發(fā)送時為O），VAA可在9V～15V之間選定（視需要而定，距離近或干擾小時采用低壓，反之則用高壓，最佳不要超過18V）。VAA和＋5V電源最佳用兩組電源供電，以防發(fā)送部分工作時的尖峰脈沖對＋5V供電部分導致干擾，導致數(shù)據(jù)通信的紊亂和影響可靠性。 兩個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，建議使用零線和地線通信。在遠距離戶外通信時，可采用火線和零線或兩個相線區(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，RX端將輸出干擾脈沖，請顧客在發(fā)送接受程序中考慮這個因素，請參照背面的程序。 在發(fā)送數(shù)據(jù)時，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)，在接受端檢測同步碼后接受數(shù)據(jù)，并校驗其數(shù)據(jù)的對的性。 一般在干擾較大時會影響接受性能，顧客可減少波特率加以改善，若加入軟件強濾波方式，效果會更好。例如在100b/s下加軟件強濾波(每200μs檢測一次RX端電平，當“1”的個數(shù)超過30次時置“1”，當“0”的個數(shù)超過30次時置“0”)，在強干擾的環(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。相對于擴頻方案而言，F(xiàn)SK方式提供的是透明的載波通道，不需要對模塊初始化編程，顧客可以通過軟件任意變換波特率，從而為過零點（市電50Hz的正弦波的零點）通訊、軟中繼（尋址中繼或無中心自動中繼）、軟件濾波的實現(xiàn)提供也許。 5 電力載波與自動抄表 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行通信的。這些通信線路，雖然通信容量較大，但造價高、維護難，特別對老建筑物的改造更加不易。相反只要有建筑就會有電力線，運用電力線載波通信可以大大地減少投資和對線路的維護成本，電力載波自動抄表系統(tǒng)的成本低，免除了重新架設線路的麻煩，并且可最大限度地發(fā)揮電力系統(tǒng)的優(yōu)勢。 在載波抄表系統(tǒng)中每個變壓器供電臺區(qū)安頓一臺采集器，采集器通過低壓電力線路接受各電表的數(shù)據(jù)再通過一般電話調(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)示意圖見圖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)特點的自動抄表方案，但低壓電力線路的惡劣通信環(huán)境和導致的抄表成功率低這一現(xiàn)象卻阻礙載波抄表技術(shù)的大量應用，因此在載波抄表系統(tǒng)中，最核心的問題是低壓電力載波通信。 電力載波通信技術(shù)自從六十年代問世以來都是在35kV及以上電壓級別的網(wǎng)絡實現(xiàn)。這是由于高壓線路上負載穩(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)絡上，特別在220V線路上，負載嚴重并且干擾成分復雜，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)信號調(diào)制成可在電力線上傳播的高頻載波信號，其頻率一般為50kHz至500kHz，這些高頻載波信號再通過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)信功率不也許過大，同步電網(wǎng)上的噪聲極其復雜，因此在接受端常常載波信號還不到1mV，被大量的噪聲沉沒，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)勢取決與芯片自身的通信模式和該芯片與否符合實際載波信道的規(guī)定。要實現(xiàn)可靠的電力載波通信一方面要對低壓電力線路的載波傳播特性進行系統(tǒng)的分析。 6 載波信號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載和電力設備(如無功補償電容)，這些器件對載波信號的衰減非常嚴重，其高頻等效阻抗變化范疇很大，有時不不小于0.1Ω，有時又忽然增大到幾十歐姆，這就定其信號衰減值嚴重時會達到100DB以上，此外，當電力線路負載嚴重時，發(fā)送耦合電路的內(nèi)阻也不可忽視，它會分去相稱一部分的功率。 可見，信號衰減由兩部分構(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。實驗表白，信號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就達到50dB；在都市，250m就達到50dB；在都市，250m大概20dB；在郊區(qū)，250m亦能達到25dB；但在工業(yè)區(qū)衰減較小，750m長的線路僅為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，因而對于載波信號傳播的影響相稱大，不僅會導致信號的誤碼率高，使得接受裝置無法對信號進行對的的接受；此外，它尚有也許使接受設備內(nèi)部產(chǎn)生自干擾，嚴重影響整個系統(tǒng)的工作。因此，通信接受電路對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意干擾源兩種。前者如嬰兒監(jiān)控器，或?qū)χv機等家庭用產(chǎn)品，其工作頻率都在100到300kHz之間；而后者(如電源開關等)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。人們分別對不同的地區(qū)(都市、工業(yè)區(qū)、鄉(xiāng)村)作了大量實驗，結(jié)論是可以用帶加性干擾噪聲的時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：美國電力線頻率為60Hz)；     (2)由負載和電網(wǎng)不同步而產(chǎn)生的具有平滑功率譜的干擾，如一般電動機產(chǎn)生的干擾；    (3)開關電子設備產(chǎn)生的單脈沖噪聲；      (4)異步周期的噪聲，如電視機的行掃描頻率。  總之背景噪聲是典型離散高斯型的，它對載波通信系統(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，甚至導致通信中斷。在這兩種噪聲中，對載波通信系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響的是脈沖噪聲。   由于國內(nèi)電器上網(wǎng)的電磁兼容性沒有歐美控制得嚴格，因此國內(nèi)電力網(wǎng)的衰減和干擾要比歐美嚴重得多，電力線的通信環(huán)境也更加惡劣。這對國內(nèi)從事低壓電力線通信技術(shù)研究的工作者來說，提出了更加嚴峻的挑戰(zhàn)。 8 實現(xiàn)低壓電力載波通信的技術(shù)分析    在運用電力線作為傳播媒介的通訊過程中，影響通信的因素重要有兩大類：一是線路衰減，二是電線路上的嚴重干擾。通過對前面對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，要達到穩(wěn)定通信的效果必須采用先進的技術(shù)手段來克服這些因難。    抄表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)，另一類是擴頻通訊。   由于窄帶通訊技術(shù)價格低廉并且較為容易實現(xiàn)，因此在以往的應用中比較流行，初期的電路是LM1893，后來的典型電路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)字濾波對通信頻帶外的干擾有較好的克制，其接受敏捷度(實際可達到3mV)和抗干擾能力相對于LM1893有了很大的提高，但220V電力線路的載波信號在衰減嚴重時還不到1mV，因此其接受敏捷度與現(xiàn)場環(huán)境的需求而言尚有差距，并且抗同頻干擾(與載波信號頻率接近的干擾)能力差。因此盡管目前不少廠家采用ST7536來進行載波抄表，但其抄收成功率達不到現(xiàn)場規(guī)定。   近年來，為提高載波通信成功率，國外某些廠家推出了基于擴頻通信的載波芯片，目前在國內(nèi)抄表領域應用較多的是INTELLON-P200。所謂擴頻通信就是在發(fā)信端將信號頻譜擴展后再進行傳播，在收信端運用有關手段將接受信號解擴后再解調(diào)的通信手段。由于擴頻載波信號的帶寬一般較大(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，而大多數(shù)的信號都可以完整、對的的達到目的地，因此對于多種類型的干擾都具有較強的抵御性。擴頻通信原理如。圖7所示 圖3-7 擴頻原理示意圖     從理論上而言，擴頻通信具有很強的抗干擾能力，然而在220V線路通信實踐中卻發(fā)現(xiàn)INTELLON-P200效果并不抱負。信號接受敏捷度與ST7536差不多，在抗干擾能力方面，當整個頻帶干擾狀況較平均時，INTELLON具有優(yōu)勢。當整個頻帶干擾嚴重而載波通信所選擇的通信頻帶內(nèi)干擾較小時，INTELLON反不如ST7536。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的因素是國外的擴頻通信芯片是針對本地電網(wǎng)狀況用于室內(nèi)通信而設計的，通信速率快但接受敏捷度低，不適合中國電網(wǎng)實際，因此難以用于距離較遠的抄表數(shù)據(jù)傳播。 圖3-8 載波通信模塊電路示意圖    要真正實現(xiàn)載波表成功通信，必須在成本容許的條件下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)，以國外最新的迅速單片機為基本，結(jié)合多種通信方式的長處編制了符合中國電網(wǎng)實際的通信算法軟件，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 載波通信電路設計 相對于其他載波通信電路而言，本文的電路其特點在于沒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8位A／D對載波信號采樣再進行數(shù)字信號解決運算解調(diào)，其抗衰減和干擾的性能相對于目前抄表領域所使用的載波芯片具有巨大的優(yōu)勢。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)為基本對載波信號采樣，然后再根據(jù)不同的方式進行濾波和解調(diào)。這就決定了它們的接受信號的最小幅值無論是窄帶通信還是寬帶擴頻通信都只能達到3mV，而電網(wǎng)中的載波信號有時還不到1mV，這就是抄表成功率得不到保證的主線因素。而我們設計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接受敏捷度有了堅強的物質(zhì)基本，經(jīng)大量實驗可達到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)頻或是寬帶擴頻通信都各有其特點。當整個頻帶干擾狀況較平均時，寬帶擴頻通信具有優(yōu)勢。當整個頻帶干擾嚴重而載波通信所選擇的通信頻帶內(nèi)干擾較小時，窄帶調(diào)頻通信具有優(yōu)勢。我們總結(jié)了以往電力載波通信電路的基理和中國電網(wǎng)的具體衰減特性，結(jié)合窄帶調(diào)頻通信和寬帶擴頻通信優(yōu)勢，以擴頻通信為基本，擴頻方式采用直接序列擴頻，調(diào)制方式為相移鍵控，同步我們設計的通信頻帶相對較窄。既然是在相對較窄的頻帶內(nèi)傳播擴頻信號，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)于載波通信信號干擾。即便是在通信頻帶內(nèi)浮現(xiàn)極強的干擾時，載波模塊上的迅速CPU可自動選擇備用頻率進行通信，這些功能使本方案具強大的抗干擾能力。 圖3-9 載波通信算法流程圖  我們實現(xiàn)的硬件基本是以高速CPU和A/D轉(zhuǎn)換器為核心對接受的電力載波信號進行數(shù)字信號解決來解調(diào)。帶A/D的數(shù)字濾波運算可過濾掉大量復雜的無用信號，其精度是模擬濾波器和不帶A/D的數(shù)字濾波遠遠不能比擬的，在擴頻解調(diào)上采用軟件計算可實現(xiàn)即便是在載波信號很弱時也能成功接受。電網(wǎng)用電負載在特定狀況下有也許出目前某些頻帶內(nèi)的極強干擾，由于我們的應用軟件運算能自動跟蹤接受信號頻率，可實現(xiàn)發(fā)送和接受頻率的自動跟蹤和切換，這樣保證了當電網(wǎng)上浮現(xiàn)復雜強烈干擾時也能保證精確的數(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。