基于電力線載波的智能小區(qū)自動抄表系統(tǒng)設計

對傳統(tǒng)抄表系統(tǒng)進行了研究，對高性能自動抄表系統(tǒng)所需技術進行了分析，提出了一套基于電力線載波技術的新型智能小區(qū)抄表系統(tǒng)的設計方案，并通過分析和實際應用證明了抄表系統(tǒng)的高性能和高可靠性。
??? 關鍵詞：抄表系統(tǒng)，電力線載波，智能小區(qū)
　　

1　引　言
　　隨著我國國民經濟和電力事業(yè)的迅速發(fā)展，絕大部分地區(qū)的用電已經沒有限制，一戶一表制已經基本普及。但是隨著住宅電表數量的增加，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，人們對居住環(huán)境的要求提高了，舒適、方便成為人們關注的重點。由于計算機管理系統(tǒng)數據存儲容量大，檢索、查詢方便，可以節(jié)省大量的人工，減少差錯，提高工作效率，因此，無論是用戶還是用電管理部門都迫切地需要計算機管理的介入?，F有的抄表系統(tǒng)，按照一般的點對點抄表方式，將受到設備數量和傳輸信道的限制，而另外鋪設專用的通信信道，耗資較大，難以在實際中推廣。文章將介紹的智能小區(qū)抄表系統(tǒng)采用了微型計算機技術和基于電力線載波的數據通信技術，能對電子式電能表輸出的脈沖信號計數，以達到電能計量的目的。同時，該系統(tǒng)還具有長時間數據存儲和通過電力線向小區(qū)管理中心計算機傳送數據的功能，將是一種有發(fā)展前景的自動抄表系統(tǒng)。
2　系統(tǒng)構成和工作過程
　　該自動抄表系統(tǒng)的結構如圖1所示，主要包括電能表光電模塊與光電轉換模塊、采集終端、集中器、通信模塊與計算機系統(tǒng)等五部分。其中，計算機系統(tǒng)稱為上位機。電能表光電模塊、采集終端、集中器和通信模塊構成下位機系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時，通過安裝在電能表內部的光電轉換模塊，把電能表圓盤轉動時的信號轉換成脈沖電信號輸出。通過脈沖專線送入數據采集終端或采集模塊進行脈沖數累加和存儲。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后方可得到電度量。集中器則定時進行數據讀取、電度量計算和存儲。各集中器通過電力載波將信息發(fā)送到智能小區(qū)管理中心計算機。管理中心計算機的作用是接收集中器傳送過來的電表電量數據，并對各個用戶群體進行存儲、分類、統(tǒng)計及計價。用電管理人員可以隨時獲取所需的各種數據和信息。

3　前端采集子模塊
　　圖2所示是自動抄表系統(tǒng)中前端采集子模塊的構成，采用了主從雙CPU結構。從CPU采用的是Intel公司的89C51單片機，實現多路脈沖信號的采集，電能表發(fā)出的脈沖信號經過脈沖整形電路和濾波電路后，輸入到6片8253計數器中，8253帶有3個獨立的減法計數器，在工作方式0的控制下，能對外部事件計數。從CPU每隔5min，輪流讀取計數器中脈沖電能的個數，以獲得每分鐘的電能脈沖個數的平均值，并存入數據存儲器AT24C16中。該存儲器與89C51之間用I2C總線連接，數據存儲時間在100年以上，可以進行10萬次擦寫，在掉電情況下，信息不會丟失。數據每月更新一次。主CPU同樣采用AT89C51單片機，完成數據的讀取計算、與遠方計算機通信以及鍵盤顯示等附加功能。主機每隔10min通過IC總線從AT24C16中讀取數據，數據經處理后存入主機板的4片E2PROM－X84129中，通過通信模塊發(fā)往遠方計算機系統(tǒng)。 4　通信模塊原理與結構
4．1　通信原理及可行性分析
　　作為一種通訊媒介來考慮的話，低壓電力線信道（50kHz～400kHz）充滿著各種干擾，例如各種開關電源的大量窄頻干擾，高壓尖脈等，必須采取特殊的技術來克服，這里采用了電力線SSC（Spread SpectrumCarrier）技術。電力線SSC技術是一種基于掃頻（Chirp）原理且適用于載波偵聽多路訪問（CSMA）的擴頻通信方法。其掃頻范圍為100kHz～400kHz，掃頻方式從200kHz～400kHz，然后再從100kHz～200kHz，起始和結束的頻率都是200kHz。這樣設計的原因有2個：一是最大程度限制擴頻信號產生的諧波，簡化對濾波器的要求；二是使每個數據位擴頻以后的信號波形平滑變換。掃頻信號的幅值隨著信號的頻率而變化，這是因為電力線的阻抗也隨著信號的頻率而變化。由于掃頻信號較短且具有自同步性，因此，可以避免直序擴頻和跳頻通信同步時間慢的缺陷。下面從載波信道傳輸特性分析其可行性。
4．1．1　信號衰減
　　低壓電力線一般由銅線或其他良導體加工而成，電力線本身的阻抗并不是產生衰耗的主要原因。但是電力線上并聯的多種多樣的負載對信號造成的衰耗影響很大。根據現場實驗統(tǒng)計，低壓電力線上的載波信號衰耗隨著頻率的上升而增大，但并不是單調的，衰耗值可達20dB以上，但一般都低于55dB。在100kHz～400kHz頻帶內，信號平均衰耗約為40dB，標準偏差為20dB。如INTELLON公司的產品SSCP300／P111，允許擴頻信號衰耗的動態(tài)范圍為68dB。因此，從信號衰減統(tǒng)計特性看，采用電力擴頻載波技術是可行的。
4．1．2　時變性
　　由于低壓電力網上負載不斷切除、投入，電器的開、關等隨機事件的影響，在1s內某一頻率的信號衰耗變化可達20 dB。由于掃頻信號的頻率變化格式固定且相位連續(xù)，其信號接收器能夠滿足時變性的要求，而且編碼和譯碼很容易實現，所以，構成收發(fā)器件的費用較低。
4．1．3　干擾噪聲
　　對低壓電力線通信影響最大的是脈沖干擾。它產生的突發(fā)性干擾可引起瞬時的高誤碼率。研究統(tǒng)計表明，脈沖干擾的強度最大可達40dBc，由于掃頻信號兼有直序擴頻和跳頻的兩種優(yōu)勢，因而能夠在噪聲范圍較大的情況下穩(wěn)定、可靠地工作。
　　本文設計中采用了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。模擬信號是通過信號入（SI）和信號出（SO）腳在SSCP300與通訊媒介（交流電力線，雙絞線等）之間進行傳輸的。在發(fā)送模式下，SSC的“chirps＂從SSCP300的SO腳傳輸到輸出放大器，此放大器由SSCP300的三態(tài)信號（TS）來決定其工作與否。一旦信號被放大，則輸出信號通過媒介耦合電路傳輸到媒介中去。在接收模式下，模擬通訊信號通過外部媒介耦合電路傳輸到輸入濾波器，此帶通濾波器可將頻率為100kHz～400kHz的信號傳輸到SSCP300的SI腳。SSCP300網絡控制器用來完成數據鏈路層功能及提供物理層服務，具體的數據鏈路層功能包括數據包的發(fā)送和接收、發(fā)送字節(jié)到符號轉換、接收符號到字節(jié)轉換、傳輸通道的獲取、循環(huán)冗余碼的產生和校驗等。SSCP111媒介接口和電力線耦合電路部分完成緩沖放大、低通濾波、將放大信號耦合到電力線上及對輸入信號進行濾波等工作。 4．3 SSCP111瞬間保護
　　由于SSCP111驅動AC電力線，因而線上的瞬間電壓將會通過耦合電路返回到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。保護電路包括在AC電力線耦合器中加上的MOV／齊納二極管的組合，以及在P111 IC輸出管腳上的瞬時電壓抑制器（TVS）／肖特基二極管組合。此抑制器應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必須在瞬時幅度達到電源限之前啟動，此時才能使“chirps”無衰減地通過。 5　軟件設計
　　小區(qū)管理中心計算機發(fā)向下位機主機的數據包中含有起始位、單片機地址、需求命令、奇偶校驗位和結束位。下位機向計算機發(fā)送的數據包含有起始位、單片機地址、采樣的數據、奇偶校驗位和結束位。管理中心計算機的信息可以發(fā)往任意下位單片機，但是下位單片機的信息只能發(fā)往管理中心計算機，各下位單片機之間互不通訊。管理中心計算機和下位單片機的數據收發(fā)均以中斷方式進行。當下位單片機收到管理中心計算機發(fā)來的信息后，立即解數據包并與本機地址比較，如與本機地址相同，則將采集的數據發(fā)往管理中心計算機；如與本地地址不同，不向管理中心計算機發(fā)數據。
　　本系統(tǒng)中軟件采用模塊化設計，主要有數據采集循環(huán)監(jiān)控、顯示模塊、通信模塊、以及其它功能模塊。下位機的從機主要完成計數器初始化、信號采集功能。為防止脈沖傳送給電度表帶來抖動或因外界
　　圖6干擾引起CPU判斷錯誤，脈沖采集軟件增加了消抖動功能，見圖4。本系統(tǒng)設計調試中的重點還有下位機的主機與遠方管理計算機的數據傳輸過程，其程序流程圖如圖5所示，圖6是中斷服務子程序。
6　結束語
　　本系統(tǒng)采用了快速、可靠的雙CPU數據采集處理，以及基于電力線載波的數據通信技術。由于采用電力線作為通信信道，不必另外架設通信電纜，節(jié)省了投資，為實現用戶電能表網絡化管理，及“一戶一表，抄表到戶”制度提供了高效、科學的手段；數據采集終端設計容量可以分為8戶、16戶等，應根據用戶現場的電表配置情況任意選擇終端的種類。實驗室的實踐證明了上述系統(tǒng)的可行性。利用電力線通訊的遠程抄表系統(tǒng)可為智能小區(qū)的自動化管理提供幫助。

1　李　華，孫曉民，等．MCS－51系列單片機實用接口技術．北京：北京航空航天大學出版社，1999
2　吳　雷．電能集中自動計量系統(tǒng)的設計．自動化儀表，2002，23（1）