基于电力线载波的智能小区自动抄表系统设计

对传统抄表系统进行了研究，对高性能自动抄表系统所需技术进行了分析，提出了一套基于电力线载波技术的新型智能小区抄表系统的设计方案，并通过分析和实际应用证明了抄表系统的高性能和高可靠性。
    关键词：抄表系统，电力线载波，智能小区
　　

1　引　言
　　随着我国国民经济和电力事业的迅速发展，绝大部分地区的用电已经没有限制，一户一表制已经基本普及。但是随着住宅电表数量的增加，人工抄表的工作量急增，另一方面，随着智能住宅小区的兴起，人们对居住环境的要求提高了，舒适、方便成为人们关注的重点。由于计算机管理系统数据存储容量大，检索、查询方便，可以节省大量的人工，减少差错，提高工作效率，因此，无论是用户还是用电管理部门都迫切地需要计算机管理的介入。现有的抄表系统，按照一般的点对点抄表方式，将受到设备数量和传输信道的限制，而另外铺设专用的通信信道，耗资较大，难以在实际中推广。文章将介绍的智能小区抄表系统采用了微型计算机技术和基于电力线载波的数据通信技术，能对电子式电能表输出的脉冲信号计数，以达到电能计量的目的。同时，该系统还具有长时间数据存储和通过电力线向小区管理中心计算机传送数据的功能，将是一种有发展前景的自动抄表系统。
2　系统构成和工作过程
　　该自动抄表系统的结构如图1所示，主要包括电能表光电模块与光电转换模块、采集终端、集中器、通信模块与计算机系统等五部分。其中，计算机系统称为上位机。电能表光电模块、采集终端、集中器和通信模块构成下位机系统。系统工作时，通过安装在电能表内部的光电转换模块，把电能表圆盘转动时的信号转换成脉冲电信号输出。通过脉冲专线送入数据采集终端或采集模块进行脉冲数累加和存储。但是，此处采集的只是脉冲量而不是电度量，要将脉冲量乘以电度表常量和脉冲常数后方可得到电度量。集中器则定时进行数据读取、电度量计算和存储。各集中器通过电力载波将信息发送到智能小区管理中心计算机。管理中心计算机的作用是接收集中器传送过来的电表电量数据，并对各个用户群体进行存储、分类、统计及计价。用电管理人员可以随时获取所需的各种数据和信息。

3　前端采集子模块
　　图2所示是自动抄表系统中前端采集子模块的构成，采用了主从双CPU结构。从CPU采用的是Intel公司的89C51单片机，实现多路脉冲信号的采集，电能表发出的脉冲信号经过脉冲整形电路和滤波电路后，输入到6片8253计数器中，8253带有3个独立的减法计数器，在工作方式0的控制下，能对外部事件计数。从CPU每隔5min，轮流读取计数器中脉冲电能的个数，以获得每分钟的电能脉冲个数的平均值，并存入数据存储器AT24C16中。该存储器与89C51之间用I2C总线连接，数据存储时间在100年以上，可以进行10万次擦写，在掉电情况下，信息不会丢失。数据每月更新一次。主CPU同样采用AT89C51单片机，完成数据的读取计算、与远方计算机通信以及键盘显示等附加功能。主机每隔10min通过IC总线从AT24C16中读取数据，数据经处理后存入主机板的4片E2PROM－X84129中，通过通信模块发往远方计算机系统。 4　通信模块原理与结构
4．1　通信原理及可行性分析
　　作为一种通讯媒介来考虑的话，低压电力线信道（50kHz～400kHz）充满着各种干扰，例如各种开关电源的大量窄频干扰，高压尖脉等，必须采取特殊的技术来克服，这里采用了电力线SSC（Spread SpectrumCarrier）技术。电力线SSC技术是一种基于扫频（Chirp）原理且适用于载波侦听多路访问（CSMA）的扩频通信方法。其扫频范围为100kHz～400kHz，扫频方式从200kHz～400kHz，然后再从100kHz～200kHz，起始和结束的频率都是200kHz。这样设计的原因有2个：一是最大程度限制扩频信号产生的谐波，简化对滤波器的要求；二是使每个数据位扩频以后的信号波形平滑变换。扫频信号的幅值随着信号的频率而变化，这是因为电力线的阻抗也随着信号的频率而变化。由于扫频信号较短且具有自同步性，因此，可以避免直序扩频和跳频通信同步时间慢的缺陷。下面从载波信道传输特性分析其可行性。
4．1．1　信号衰减
　　低压电力线一般由铜线或其他良导体加工而成，电力线本身的阻抗并不是产生衰耗的主要原因。但是电力线上并联的多种多样的负载对信号造成的衰耗影响很大。根据现场实验统计，低压电力线上的载波信号衰耗随着频率的上升而增大，但并不是单调的，衰耗值可达20dB以上，但一般都低于55dB。在100kHz～400kHz频带内，信号平均衰耗约为40dB，标准偏差为20dB。如INTELLON公司的产品SSCP300／P111，允许扩频信号衰耗的动态范围为68dB。因此，从信号衰减统计特性看，采用电力扩频载波技术是可行的。
4．1．2　时变性
　　由于低压电力网上负载不断切除、投入，电器的开、关等随机事件的影响，在1s内某一频率的信号衰耗变化可达20 dB。由于扫频信号的频率变化格式固定且相位连续，其信号接收器能够满足时变性的要求，而且编码和译码很容易实现，所以，构成收发器件的费用较低。
4．1．3　干扰噪声
　　对低压电力线通信影响最大的是脉冲干扰。它产生的突发性干扰可引起瞬时的高误码率。研究统计表明，脉冲干扰的强度最大可达40dBc，由于扫频信号兼有直序扩频和跳频的两种优势，因而能够在噪声范围较大的情况下稳定、可靠地工作。
　　本文设计中采用了INTELLON公司的载波芯片SSC P300和SSCP111，其信息传输速率最大可达10kbit／s。
4．2　通信模块电路
　　通信模块由SSCP300和SSCP111电力载波芯片组成，图3是通信模块的电路原理图。模拟信号是通过信号入（SI）和信号出（SO）脚在SSCP300与通讯媒介（交流电力线，双绞线等）之间进行传输的。在发送模式下，SSC的“chirps＂从SSCP300的SO脚传输到输出放大器，此放大器由SSCP300的三态信号（TS）来决定其工作与否。一旦信号被放大，则输出信号通过媒介耦合电路传输到媒介中去。在接收模式下，模拟通讯信号通过外部媒介耦合电路传输到输入滤波器，此带通滤波器可将频率为100kHz～400kHz的信号传输到SSCP300的SI脚。SSCP300网络控制器用来完成数据链路层功能及提供物理层服务，具体的数据链路层功能包括数据包的发送和接收、发送字节到符号转换、接收符号到字节转换、传输通道的获取、循环冗余码的产生和校验等。SSCP111媒介接口和电力线耦合电路部分完成缓冲放大、低通滤波、将放大信号耦合到电力线上及对输入信号进行滤波等工作。 4．3 SSCP111瞬间保护
　　由于SSCP111驱动AC电力线，因而线上的瞬间电压将会通过耦合电路返回到P111的输出管脚上。在某些特定条件下，具有较大幅度或较大加速度的瞬间电压会造成P111 IC的损坏，因此需要加上瞬间抑制电路才能确保P111 IC正确工作。保护电路包括在AC电力线耦合器中加上的MOV／齐纳二极管的组合，以及在P111 IC输出管脚上的瞬时电压抑制器（TVS）／肖特基二极管组合。此抑制器应置于输出滤波电感和电容之间，将TVS的电容与SSCP300的输出管脚隔离，并能够保持其所需的相域。TVS的选择将参照提供给SSCP111的电源支持（Vaa）。TVS必须在瞬时幅度达到电源限之前启动，此时才能使“chirps”无衰减地通过。 5　软件设计
　　小区管理中心计算机发向下位机主机的数据包中含有起始位、单片机地址、需求命令、奇偶校验位和结束位。下位机向计算机发送的数据包含有起始位、单片机地址、采样的数据、奇偶校验位和结束位。管理中心计算机的信息可以发往任意下位单片机，但是下位单片机的信息只能发往管理中心计算机，各下位单片机之间互不通讯。管理中心计算机和下位单片机的数据收发均以中断方式进行。当下位单片机收到管理中心计算机发来的信息后，立即解数据包并与本机地址比较，如与本机地址相同，则将采集的数据发往管理中心计算机；如与本地地址不同，不向管理中心计算机发数据。
　　本系统中软件采用模块化设计，主要有数据采集循环监控、显示模块、通信模块、以及其它功能模块。下位机的从机主要完成计数器初始化、信号采集功能。为防止脉冲传送给电度表带来抖动或因外界
　　图6干扰引起CPU判断错误，脉冲采集软件增加了消抖动功能，见图4。本系统设计调试中的重点还有下位机的主机与远方管理计算机的数据传输过程，其程序流程图如图5所示，图6是中断服务子程序。
6　结束语
　　本系统采用了快速、可靠的双CPU数据采集处理，以及基于电力线载波的数据通信技术。由于采用电力线作为通信信道，不必另外架设通信电缆，节省了投资，为实现用户电能表网络化管理，及“一户一表，抄表到户”制度提供了高效、科学的手段；数据采集终端设计容量可以分为8户、16户等，应根据用户现场的电表配置情况任意选择终端的种类。实验室的实践证明了上述系统的可行性。利用电力线通讯的远程抄表系统可为智能小区的自动化管理提供帮助。

1　李　华，孙晓民，等．MCS－51系列单片机实用接口技术．北京：北京航空航天大学出版社，1999
2　吴　雷．电能集中自动计量系统的设计．自动化仪表，2002，23（1）