配變監(jiān)測終端通信模塊（TTU）的設(shè)計(jì)
1 配變監(jiān)測終端通信模塊的硬件設(shè)計(jì)
1.1配電自動化對TTU通信的要求[1]
根據(jù)配電自動化系統(tǒng)的要求,配變監(jiān)測終端TTU對上應(yīng)能與配電子站或主站進(jìn)行通信,將終端采集的實(shí)時信息上報,同時接收子站/主站下達(dá)的各種控制命令，對下要求可與附近的配變監(jiān)測終端(TTU)或其他智能設(shè)備進(jìn)行通信。因此,對配變監(jiān)測終端通信功能的要求比較嚴(yán)格,無論通信方式、通信協(xié)議、通信接口都要滿足配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的要求,主要包括:
(1)通信的可靠性：配變監(jiān)測終端的通信應(yīng)能抵制惡劣的氣候條件，如雨、雪、冰雹和雷陣雨，還有長期的紫外線照射、強(qiáng)電磁干擾等。
(2)較高的性價比：考慮通信系統(tǒng)的費(fèi)用，選擇費(fèi)用和功能及技術(shù)先進(jìn)性的最佳組合，追求最佳性價比。
(3)配電通信的實(shí)時性：電網(wǎng)故障時TTU快速及時地傳送大量故障數(shù)據(jù)，配變監(jiān)測終端的通信系統(tǒng)必須具有雙向通信的能力,具有半雙工或全雙工的能力。
(4)通信方式的標(biāo)準(zhǔn)化及通用性：配變監(jiān)測終端的通信系統(tǒng)包括發(fā)送器、接收器。使用中常常需要與其他配電設(shè)備進(jìn)行通信,因此應(yīng)盡量選擇具有通用性、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的通信方式及設(shè)備,便于使用和維護(hù)。
1.2 TTU通信模塊的構(gòu)成
1.2.1 通信模塊的整體框圖
TTU的通信模塊整體框圖[3]如圖1所示。
接口通過電力線接收來自主站的命令信息，經(jīng)過濾波放大后，命令經(jīng)過解調(diào)送到控制器，然后控制器通過串口將主站命令發(fā)送給數(shù)據(jù)采集與處理模塊。數(shù)據(jù)采集與處理模塊根據(jù)接收到的主站命令對配電變壓器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過分析處理后，將數(shù)據(jù)信息通過串口發(fā)送給通信模塊的控制器，再經(jīng)過調(diào)制，最后經(jīng)由接口發(fā)送到電力線上，等待主站接收。
1.2.2 電力線載波芯片的選擇
在電力線載波通信中，電力線載波芯片起著至關(guān)重要的作用，它直接影響到信息的準(zhǔn)確傳送，因此電力線載波芯片的選擇是十分重要的。
XR2210/XR2206套片或LM1893是比較早的電力線載波芯片。XR2210/XR2206是一組FSK方式的調(diào)制解調(diào)芯片，并不是專門針對電力線載波通信設(shè)計(jì)的。LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的modem芯片，采用FSK調(diào)制解調(diào)方式，它只是對一般FSK調(diào)制解調(diào)芯片稍作改進(jìn)，目前，這兩款modem芯片在國內(nèi)基本沒有采用。SSC P300是Intellon公司采用現(xiàn)代最新通信技術(shù)設(shè)計(jì)的電力線載波modem芯片。它采用了擴(kuò)頻(Chirp方式)調(diào)制解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)代DSP技術(shù)、CSMA技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的CEBus協(xié)議，可稱為智能modem芯片，體現(xiàn)了modem芯片的發(fā)展趨勢。但它是Intellon公司按北美地區(qū)頻率標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)特性，特別針對家庭自動化而設(shè)計(jì)的。頻率范圍100 kHz~400 kHz，電網(wǎng)電壓480 Y/277 Vac、208 Y/120 Vac、60 Hz，不適合我國50 Hz電網(wǎng)頻率。ST75xx芯片是SGS-THOMSON公司專為電力線載波通信而設(shè)計(jì)的modem芯片。由于它是專用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信號調(diào)制解調(diào)功能外，還針對電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號處理手段，目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文選用SGS-THOMSON公司的電力線載波芯片ST7538，它是在 ST7536、ST7537基礎(chǔ)上推出的一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計(jì)的半雙工、同步/異步FSK調(diào)制解調(diào)器芯片。ST7538內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能[4]，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接，內(nèi)部具有電壓自動控制和電流自動控制，只要通過耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網(wǎng)中,可以在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠通信。ST7538還提供了看門狗、過零檢測、運(yùn)算放大器、時鐘輸出、超時溢出輸出、+5 V電源和+5 V電源狀態(tài)輸出等，大大減少了ST7538應(yīng)用電路的外圍器件數(shù)量,是一款功能強(qiáng)大、集成度很高的電力載波芯片，為家庭和工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采取了多種抗干擾技術(shù)。
1.2.3 硬件電路的設(shè)計(jì)
通信模塊包括微處理器部分、載波部分、信號濾波部分和電力線信號耦合保護(hù)部分。整個通信模塊各部分的連接如圖2所示。
微處理器選擇ARM芯片，它與TTU的數(shù)據(jù)采集與處理模塊通過串口進(jìn)行通信，及時發(fā)送主站的命令以及傳送TTU采集到的配變數(shù)據(jù)。
電力線載波芯片ST7538與微處理器之間通過SPI口進(jìn)行通信，通過微處理器與ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T可以實(shí)現(xiàn)微控制器與ST7538的數(shù)據(jù)交換。ST7538的工作模式由REG_DATA和RxTx的狀態(tài)決定。微處理器與ST7538之間的通信采用同步方式，CLR/T作為參考時鐘。ST7538處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)時，RxTx為低，待發(fā)數(shù)據(jù)從TxD腳進(jìn)入ST7538,時鐘上升沿時被采樣，并送入FSK調(diào)制器調(diào)制，調(diào)制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、濾波和自動電平控制電路(ALC)，再通過差分放大器輸出到電力線。ST7538處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)時，RxTx為高，信號由模擬輸入端RAI腳進(jìn)入ST7538,經(jīng)過一個帶寬±10 kHz的帶通濾波器，送入一個帶有自動增益AGC的放大器。此信號再經(jīng)過解調(diào)、濾波和鎖相變成串行數(shù)字信號，輸出給微處理器ARM。
信號濾波部分包括輸入窄帶濾波器和輸出窄帶濾波器兩部分。輸入濾波電路采用并聯(lián)電流諧振電路，濾除指定頻率以外的無用信號和噪聲。輸出濾波電路采用串聯(lián)電壓諧振電路，避免無用信號耦合到電力線上。
電力線信號耦合保護(hù)電路由功率放大器、輸出保護(hù)匹配電路和輸入增益平衡匹配電路3個基本部分組成，其耦合方式采用電容耦合。
2 配變監(jiān)測終端通信模塊的軟件設(shè)計(jì)
2.1通信協(xié)議的制定
通信模塊的通信協(xié)議根據(jù)DNP3.0規(guī)約制定，數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)采用一種可變幀長格式：FT3。一個FT3幀被定義為一個固定長度的報頭，隨后是可以選用的數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊附有一個16 位的 CRC 校驗(yàn)碼。固定的報頭含有兩個字節(jié)的起始字，一個字節(jié)的長度(LENGH)，一個字節(jié)的鏈路層控制字 (CONTROL)，一個16位的目的地址，一個16位的源地址和一個16位的CRC校驗(yàn)碼，其幀格式如表1所示。
起始字：2字節(jié)，0x0564。
長度：1字節(jié)，是控制字、目的地址、源地址和用戶數(shù)據(jù)之和，255≥長度≥5。
目的地址：2個字節(jié)，低字節(jié)在前。
源地址：2個字節(jié)，低字節(jié)在前。
用戶數(shù)據(jù)：跟在報頭之后的數(shù)據(jù)塊，每16個字節(jié)一塊，最后一個塊包含剩下的字節(jié),可以是1~16個字節(jié)。每個數(shù)據(jù)塊都有一個CRC循環(huán)冗余碼掛在后面。
CRC循環(huán)冗余碼：2個字節(jié)。在一個幀內(nèi)，掛在每個數(shù)據(jù)塊之后。
控制字與功能碼：通信控制字包含有本幀的傳輸方向，幀的類型以及數(shù)據(jù)流的控制信息。功能碼的具體設(shè)定為:
對于原發(fā)送方的幀：
0：使遠(yuǎn)方鏈路復(fù)位
1：使遠(yuǎn)方進(jìn)程復(fù)位
3：發(fā)送用戶數(shù)據(jù)，須對方確認(rèn)
4：發(fā)送用戶數(shù)據(jù)，不須對方確認(rèn)
9：詢問鏈路狀態(tài)
對于從方發(fā)送幀：
0：肯定確認(rèn)
1：否定確認(rèn)
11：回答鏈路狀態(tài)
2.2 通信模塊的軟件設(shè)計(jì)方案
通信模塊平時工作在載波接收狀態(tài)[5]，接收到一幀數(shù)據(jù)后解調(diào)給TTU數(shù)據(jù)采集端，TTU采集端接收并返回?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)調(diào)制后經(jīng)電力線傳給主站經(jīng)解調(diào)后給采集終端。在規(guī)定的時間內(nèi)RS485接收到數(shù)據(jù)時進(jìn)行載波發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后返回接收狀態(tài)。若在規(guī)定的時間內(nèi)RS485沒有接收到數(shù)據(jù)也自動返回載波接收狀態(tài)。通信模塊的軟件流程如圖3所示。
當(dāng)通信模塊判斷有幀命令接收時，開始解調(diào)，即載波接收，限定時間為5 s，在解調(diào)過程中同時判斷幀命令，有則重新連續(xù)解調(diào)。有幀命令接收時才允許串口接收，限定時間為1.5 s。接收幀命令開始解調(diào)后，即向串口發(fā)送命令，TTU數(shù)據(jù)采集端接收到命令后,根據(jù)命令的指示進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理，分析數(shù)據(jù)狀態(tài)，并把采集與分析結(jié)果發(fā)送到串口。當(dāng)通信模塊接收幀頭找到后1.5 s內(nèi)收到采集端的返回?cái)?shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，向電力線發(fā)送，即載波發(fā)送，限時5 s，若幀頭找到后1.5 s內(nèi)沒有收到采集端的返回?cái)?shù)據(jù),則禁止接收TTU采集端的數(shù)據(jù)。載波發(fā)送完畢，通信模塊再次回到接收狀態(tài)，等待主站的下一次命令。
本文實(shí)現(xiàn)了配電變壓器監(jiān)測系統(tǒng)通信模塊的設(shè)計(jì)，該模塊基于電力線載波通信技術(shù)，通過電力線與配電主站進(jìn)行通信，無需另架線路，具有性價比好，集成度高，工作可靠的優(yōu)點(diǎn)。通信模塊與配電變壓器的數(shù)據(jù)采集與分析處理模塊結(jié)合在一起，構(gòu)成配電變壓器的監(jiān)測終端，使配電變壓器監(jiān)測終端集采集、處理、通信于一體，改善了配電變壓器監(jiān)測終端的功能，優(yōu)化了其設(shè)計(jì)，提高了整個監(jiān)測終端的性能，具有很好的發(fā)展前景。
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