远程抄表功能电度表设计.doc

远程抄表功能电度表系统结构与工作原理系统的实物模型图3-1 系统结构框图系统的结构框图如图1所示，系统主要由采集器、集中器和主机三部分组成。采集器和集中器的工作是由软件控制的。采集器和集中器之间通过市电网传输信号。集中器和主机可以通过智能小区的市话线、专线网、无线网和Internet连接。采集器通过485线与各个基表相连，负责采集和发送电表的数据，集中器通过220V电力线与采集器通信，接收数据。集中器收到数据以后经市话线、专线网、无线网和Internet，通过modem将其送到主站的微机中进行处理。 图3-2 采集器的结构框图2 采集器采集器由两个器件构成：单片机和KQ-100E模块，单片机将采集到的电表脉冲信号传送到KQ-100E模块中，模块经市电网将信号送到集中器里的KQ-100E模块。采集器的结构框图如图2所示。图3-3 集中器的结构框图3 集中器集中器由三个器件构成：KQ-1OOE模块、单片机和串口RS232。KQ-100E接收到采集器传来的信号后发送给单片机，单片机经串口RS232传给Modem，经电话网传给主站的微机处理。集中器的结构框图如图3所示。4多采集器和集中器的连接小区中有很多电表，因此，需要多个采集器来收集数据，图4给出多个采集器和集中器的连接方式。图3-4 多采集器和集中器的连接方式该模块的微机控制端由RX、TX、R/T三个端口构成，全是TTL电平，TX接微控制器，TXD端发送数据，RX接微控制器，RXD端接收数据，R/T为接收/发送控制端，R/T为高电平时模块处于接收状态,R/T为低电平时模块处于发送状态。5V端接入5V0.25V的直流电源，5V耗电量约为40mA，VAA端为发送功率电源，可用直流不稳压电源，发送时的电流约为300mA（不发送时为O），VAA可在9V15V之间选定（视需要而定，距离近或干扰小时采用低压，反之则用高压，最好不要超出18V）。VAA和5V电源最好用两组电源供电，以防发送部分工作时的尖峰脉冲对5V供电部分造成干扰，造成数据通信的紊乱和影响可靠性。两个AC端可以直接接市电的火线和零线，也可以接火线和地线。在干扰较大的一栋大楼内通信时，建议使用零线和地线通信。在远距离户外通信时，可采用火线和零线或两个相线区间(380V)通信方式。本模块的接收灵敏度很高，因此，在所有模块都处于接收状态时，RX端将输出干扰脉冲，请用户在发送接收程序中考虑这个因素，请参考后面的程序。在发送数据时，先置R/T为低电平，再用串行方式在TX端输入OFFH，再输入同步码等用户欲发送的数据，在接收端检测同步码后接收数据，并校验其数据的正确性。一般在干扰较大时会影响接收性能，用户可降低波特率加以改善，若加入软件强滤波方式，效果会更好。例如在100b/s下加软件强滤波(每200s检测一次RX端电平，当“1”的个数超过30次时置“1”，当“0”的个数超过30次时置“0”)，在强干扰的环境下也可获得较好的数据传送质量。KQ-100E采用FSK载波通信方式。相对于扩频方案而言，FSK方式提供的是透明的载波通道，不需要对模块初始化编程，用户可以通过软件任意变换波特率，从而为过零点（市电50Hz的正弦波的零点）通讯、软中继（寻址中继或无中心自动中继）、软件滤波的实现提供可能。5 电力载波与自动抄表集中抄表的媒介可以有低压电力线，双绞线，同轴电缆等，目前，大部分建筑物内的防火、防盗、空调等系统都是基于双绞线。同轴电缆或光缆等物理媒介进行通信的。这些通信线路，虽然通信容量较大，但造价高、维护难，尤其对老建筑物的改造更加不易。相反只要有建筑就会有电力线，利用电力线载波通信可以大大地减少投资和对线路的维护成本，电力载波自动抄表系统的成本低，免去了重新架设线路的麻烦，而且可最大限度地发挥电力系统的优势。在载波抄表系统中每个变压器供电台区安置一台采集器，采集器通过低压电力线路接收各电表的数据再通过普通电话调制解调器或其它方式向用电管理中心转发电表数据，载波抄表系统示意图见图5所示。 图3-5 载波抄表系统示意图电力载波抄表是最符合电力系统特点的自动抄表方案，但低压电力线路的恶劣通信环境和造成的抄表成功率低这一现象却阻碍载波抄表技术的大量应用，所以在载波抄表系统中，最核心的问题是低压电力载波通信。电力载波通信技术自从六十年代问世以来都是在35kV及以上电压等级的网络实现。这是由于高压线路上负载稳定，而且在线路上加装了阻波器，干扰较少。而在10kV与220kV网络上，尤其在220V线路上，负载严重而且干扰成分复杂，同时由于成本、体积和电力线路电流的限制，不可能模仿高压电力载波通信方式在电表内安装阻波器，这些因素使得低压电力载波通信有难以逾越的技术障碍。图3-6 载波通信电路示意图载波通信电路主要包括载波通信集成电路和功率放大器和电力线耦合器，通信集成电路将数据信号调制成可在电力线上传输的高频载波信号，其频率一般为50kHz至500kHz，这些高频载波信号再通过功率放大和耦合电路与低压电力线接口。载波通信的成功率主要取决于接收载波信号的信噪比要求和通信芯片的接收灵敏度。由于电网规定的谐波系数规定和电表体积和成本所限制，载波发信功率不可能过大，同时电网上的噪声极其复杂，所以在接收端经常载波信号还不到1mV，被大量的噪声淹没，所以抄表的成功率主要取决于载波通信芯片的性能，而载波通信芯片性能的优势取决与芯片本身的通信模式和该芯片是否符合实际载波信道的要求。要实现可靠的电力载波通信首先要对低压电力线路的载波传输特性进行系统的分析。6 载波信号在低压电力线路上的衰减 低压电力线一般由铜或其它电的良导体加工而成，其本身的阻抗很小，电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因。由于220V电力线不是专用的通信线，电力线上有大量的用电负载和电力设备(如无功补偿电容)，这些器件对载波信号的衰减非常严重，其高频等效阻抗变化范围很大，有时小于0.1，有时又突然增大到几十欧姆，这就定其信号衰减值严重时会达到100DB以上，另外，当电力线路负载严重时，发送耦合电路的内阻也不可忽视，它会分去相当一部分的功率。可见，信号衰减由两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减。理论上，我们可以将耦合器的内阻做得相当小，这样衰减就主要决定于线路的衰减。实验表明，信号的衰减是距离的函数，一般为40100dB/km。在农村的衰减最大，500m就达到50dB；在城市，250m就达到50dB；在城市，250m大约20dB；在郊区，250m亦能达到25dB；但在工业区衰减较小，750m长的线路仅为30dB。7 低压电线的干扰性电力线路上的干扰源包括脉冲噪声和等幅振荡波干扰。脉冲噪声是具有瞬间、高能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信号传输的影响相当大，不仅会造成信号的误码率高，使得接收装置无法对信号进行正确的接收；另外，它还有可能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系统的工作。所以，通信接收电路对这种干扰的抵御就显得尤为重要了。等幅振荡波干扰源包括有意干扰源和无意干扰源两种。前者如婴儿监控器，或对讲机等家庭用产品，其工作频率都在100到300kHz之间；而后者(如电源开关等)产生的主谐波频率也都在50kHz以上。这些频率范围恰恰是大多数载波信号的频率范围。因而，这种干扰所占的比重也是较高的。人们分别对不同的地域(城市、工业区、乡村)作了大量试验，结论是可以用带加性干扰噪声的时变线性滤波电路作为低压电力线的基本参考模型。电力线的噪声可分为背景噪声和脉冲干扰，并且在10100kHz的频率内，噪声功率谱密度以29dB/decade幅度衰减。低压电力线路的背景噪声主要来源于以下方面：(1)可控硅(SCR)器件和一些电源电路产生的60Hz的倍频谐波(注：美国电力线频率为60Hz)；(2)由负载和电网不同步而产生的具有平滑功率谱的干扰，如普通电动机产生的干扰； (3)开关电子设备产生的单脉冲噪声；(4)异步周期的噪声，如电视机的行扫描频率。总之背景噪声是典型离散高斯型的，它对载波通信系统影响较稳定。其余就是脉冲噪声，它是由于电力线路中负载或其它原因而产生的突发性的干扰噪声，脉冲噪声对通信系统可以产生突发性影响引起瞬间的高误码率，甚至造成通信中断。在这两种噪声中，对载波通信系统产生主要影响的是脉冲噪声。由于我国电器上网的电磁兼容性没有欧美控制得严格，因此我国电力网的衰减和干扰要比欧美严重得多，电力线的通信环境也更加恶劣。这对我国从事低压电力线通信技术研究的工作者来说，提出了更加严峻的挑战。8 实现低压电力载波通信的技术分析在利用电力线作为传输媒介的通讯过程中，影响通信的因素主要有两大类：一是线路衰减，二是电线路上的严重干扰。通过对前面对低压电力载波信道的传输性分析可以看出，低压电力线载波通信的客观环境是非常恶劣的，要达到稳定通信的效果必须采用先进的技术手段来克服这些因难。抄表的成功率主要取决于载波通信芯片的性能。在目前的通讯芯片主要有两类：一类是窄带通讯(如FSK)，另一类是扩频通讯。因为窄带通讯技术价格低廉并且较为容易实现，所以在以往的应用中比较流行，早期的电路是LM1893，后来的典型电路ST7536通信芯片，ST7536属于同步FSK调制，由于在集成电路内要用了硬件数字滤波对通信频带外的干扰有较好的抑制，其接收灵敏度(实际可达到3mV)和抗干扰能力相对于LM1893有了很大的提高，但220V电力线路的载波信号在衰减严重时还不到1mV，所以其接收灵敏度与现场环境的需求而言尚有差距，而且抗同频干扰(与载波信号频率接近的干扰)能力差。所以尽管目前不少厂家采用ST7536来进行载波抄表，但其抄收成功率达不到现场要求。近年来，为提高载波通信成功率，国外一些厂家推出了基于扩频通信的载波芯片，目前在我国抄表领域应用较多的是INTELLON-P200。所谓扩频通信就是在发信端将信号频谱扩展后再进行传输，在收信端运用相关手段将接收信号解扩后再解调的通信手段。因为扩频载波信号的带宽通常较大(几十至几百kHz)，所以其受干扰的频率范围所占比例相对减小，换句话讲，就是各种噪声仅能影响到一小部分所要传输的信号，而大多数的信号都能够完整、正确的到达目的地，所以对于各种类型的干扰都具有较强的抵抗性。扩频通信原理如。图7所示图3-7 扩频原理示意图 从理论上而言，扩频通信具有很强的抗干扰能力，然而在220V线路通信实践中却发现INTELLON-P200效果并不理想。信号接收灵敏度与ST7536差不多，在抗干扰能力方面，当整个频带干扰情况较平均时，INTELLON具有优势。当整个频带干扰严重而载波通信所选择的通信频带内干扰较小时，INTELLON反不如ST7536。产生这一现象的原因是国外的扩频通信芯片是针对当地电网情况用于室内通信而设计的，通信速率快但接收灵敏度低，不适合中国电网实际，所以难以用于距离较远的抄表数据传输。图3-8 载波通信模块电路示意图要真正实现载波表成功通信，必须在成本允许的条件下从载波通信芯片接收灵敏度和抗干扰能力上给予质的突破，才能保证系统的100%抄收率，这样才是载波抄表系统商业推广的充分必要条件!正是从这一现状出发，以国外最新的快速单片机为基础，结合多种通信方式的优点编制了符合中国电网实际的通信算法软件，构成了高灵敏度，高抗干扰能力，低成本的载波通信模块。9 载波通信电路设计相对于其它载波通信电路而言，本文的电路其特点在于没有采用传统的载波通信芯片，而采用以高速CPU和8位AD转换器构成的通信模块来取代载波通信芯片，而在其它电路部分则几乎相同。在如图8所示的载波通信模块中，通信算法程序在高速CPU内，由CPU控制通过8位AD对载波信号采样再进行数字信号处理运算解调，其抗衰减和干扰的性能相对于目前抄表领域所使用的载波芯片具有巨大的优势。目前使用的载波芯片都是以模拟比较器(也称为1位A/D转换器)为基础对载波信号采样，然后再根据不同的方式进行滤波和解调。这就决定了它们的接收信号的最小幅值无论是窄带通信还是宽带扩频通信都只能达到3mV，而电网中的载波信号有时还不到1mV，这就是抄表成功率得不到保证的根本原因。而我们设计的载波模块采用的是8位A/D转换器，大幅度提高载波信号接收灵敏度有了坚强的物质基础，经大量实验可达到0.2mV，这样基本能克服电网的衰减。在抗干扰性能方面，以往电力载波通信电路所使用的窄带调频或是宽带扩频通信都各有其特点。当整个频带干扰情况较平均时，宽带扩频通信具有优势。当整个频带干扰严重而载波通信所选择的通信频带内干扰较小时，窄带调频通信具有优势。我们总结了以往电力载波通信电路的基理和中国电网的具体衰减特性，结合窄带调频通信和宽带扩频通信优势，以扩频通信为基础，扩频方式采用直接序列扩频，调制方式为相移键控，同时我们设计的通信频带相对较窄。既然是在相对较窄的频带内传输扩频信号，其载波通信算法程序如图9所示的流程图，这样载波通信电路既能档住大量的带外干扰，又能抵抗15倍(理论)于载波通信信号干扰。即便是在通信频带内出现极强的干扰时，载波模块上的快速CPU可自动选择备用频率进行通信，这些功能使本方案具强大的抗干扰能力。图3-9 载波通信算法流程图我们实现的硬件基础是以高速CPU和A/D转换器为核心对接收的电力载波信号进行数字信号处理来解调。带A/D的数字滤波运算可过滤掉大量复杂的无用信号，其精度是模拟滤波器和不带A/D的数字滤波远远不能比拟的，在扩频解调上采用软件计算可实现即便是在载波信号很弱时也能成功接收。电网用电负载在特定情况下有可能出现在某些频带内的极强干扰，由于我们的应用软件运算能自动跟踪接收信号频率，可实现发送和接收频率的自动跟踪和切换，这样保证了当电网上出现复杂强烈干扰时也能保证准确的数据通信，这一特性是目前其它任何载波通信芯片所不具备的功能。