基于低壓電力線載波通信的智能電表終端設(shè)計(jì)

摘要：以國產(chǎn)芯片PL3201為核心，采用ADE7755為計(jì)量芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單相智能電表。該設(shè)計(jì)克服了以往必須采用采集器才能對用戶數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的技術(shù)難題。其特點(diǎn)在于直接采用電力線通信，不需再進(jìn)行專線安裝，降低了產(chǎn)品研發(fā)成本。
關(guān)鍵詞：電力線載波；智能電表；PL3201；ADE7755

0 引言
    隨著我國工業(yè)化的發(fā)展，居民用電不斷增長，用戶電表數(shù)目也隨之以數(shù)倍速度增加，電力公司面臨著巨大的抄表困難。在廣大農(nóng)村，居民居住相對分散，有時(shí)抄表員需要費(fèi)好幾天才能抄完一個(gè)村莊的電表，而且還有可能出現(xiàn)漏抄；在城市，居民居住聚集，面對高層的居民樓需要工作人員爬上爬下挨家挨戶抄表，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且還給用戶日常生活造成了一定的影響。因此，如何在不影響用戶的情況下快速、準(zhǔn)確、可靠地抄表，已經(jīng)成為電力部門和用戶的一種共同需求。為此，該設(shè)計(jì)將低壓電力線載波通信技術(shù)和擴(kuò)頻通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出具有遠(yuǎn)程抄表功能的單相智能電表。

1 電力線載波與擴(kuò)頻通信技術(shù)
    我國在高壓電力線上的通信技術(shù)世界領(lǐng)先，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。然而在低壓(220 V)電力線上載波通信仍然存在許多技術(shù)難題，如何克服低壓電力線上特有的高阻抗、高噪聲、高污染是開發(fā)人員最為關(guān)心的問題。在電力線上的通信技術(shù)一般有基于鎖相環(huán)路的窄帶傳輸技術(shù)、基于相關(guān)器的擴(kuò)頻技術(shù)、過零傳輸技術(shù)等幾種。目前擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，PL3201就采用了這種技術(shù)。其芯片內(nèi)集成的載波通信單元采用QPSK(四相相移鍵控)調(diào)制方式；可變偽隨機(jī)碼速率(帶寬)的多地址通信技術(shù)，其載波中心頻率為120 kHz，偽隨機(jī)碼速率可達(dá)到15 Kb／s和30Kb／s。
    由于它采用了QPSK調(diào)制技術(shù)，在帶寬不變的情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率是BPSK調(diào)制方式的一倍。根據(jù)偽隨機(jī)碼的速率不同，數(shù)據(jù)速率可達(dá)到1Kb／s和500 b／s。同時(shí)采用了63位Gold／Kasami序列，從而實(shí)現(xiàn)了碼分多址，其地址數(shù)目最多可達(dá)41個(gè)，其中33個(gè)Gold序列，8個(gè)Kasami序列，將使臺區(qū)之間的干擾減小到最??；同時(shí)PL3201向下兼容PL3105的通信方式(BPSK二相相移鍵控)，及其15／31位偽隨機(jī)碼模式，此外PL32 01的載波調(diào)制輸出信號可由軟件靈活配置成正弦波輸出或方波輸出模式。
    擴(kuò)頻技術(shù)是一種信息傳輸方式，在發(fā)送端(簡稱發(fā)端)采用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳輸信息所需的寬度；在接收端(簡稱收端)采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來解擴(kuò)以恢復(fù)所傳信息的數(shù)據(jù)。根據(jù)C．E．Shannon在信息論研究中得出的帶寬與信噪比互換的關(guān)系式，即香農(nóng)公式：
    C=B×log(1+S／N)
    式中：C為信道容量，指單位時(shí)間內(nèi)信道中無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，其單位為b／s；B為信號頻帶寬度，單位為Hz；S為信號功率，單位為W；N為噪聲功率，單位為W；S／N為輸入功率與噪聲功率之比，稱為信噪功率比，簡稱信噪比。由公式可以看出在信道容量C不變的情況下，帶寬B與信噪比S／N成反比例關(guān)系，即只要增加帶寬B就可以有效抑制信噪比S／N。擴(kuò)頻通信正是基于這種理論使通信具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

2 智能電表的硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 基本框圖及電路原理
    智能電表是無線抄表系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端，其包含核心單片機(jī)PL3201、電源、電量測量、電力載波、繼電器、E2PROM、紅外通信、時(shí)鐘電路和最新國標(biāo)32段LCD顯示等8個(gè)模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    圖1中電量測量模塊進(jìn)行電壓、電流采樣，輸出與功率成正比的脈沖。PL3201通過接收和累加來自測量模塊的脈沖數(shù)，計(jì)算出用戶用電量并存儲到相應(yīng)的存儲模塊E2PROM中。同時(shí)根據(jù)智能電表要求的循顯功能顯示當(dāng)前電表用電量和各個(gè)狀態(tài)量。用戶的各種數(shù)據(jù)由PL3201以固定幀的格式通過電力載波模塊將信號放大后經(jīng)公網(wǎng)電力線發(fā)送到集中器。集中器根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)由監(jiān)控中心分析并做相應(yīng)決策，如紅燈報(bào)警、繼電器的拉合閘等控制命令，以實(shí)現(xiàn)對用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。智能電表的測量和載波通信部分的原理圖如圖2所示。

2．2 智能電表測量原理
    圖2中ADE7755具有雙通道采樣電路：通道1由錳銅分流器J4的全差分采樣電路獲取用戶的電流參數(shù)，其差分電壓最大輸入時(shí)為±470mV；通道2由電壓采樣電路獲取，其最大全差分輸入時(shí)為±500 mV的電壓參量。所采得數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部信息處理如圖3所示。

    圖3中芯片的引腳5，6是采樣電流輸入通道，引腳7，8是采樣電壓輸入通道。這兩個(gè)通道的信號輸入均為模擬信號，該信號由16位二階∑-△型A／D轉(zhuǎn)換器分別進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。電流通道的數(shù)字信號通過高通濾波器消除直流成分，再和轉(zhuǎn)換后的電壓通道的數(shù)字信號相乘，得到瞬時(shí)功率P(t)。P(t)經(jīng)過一個(gè)低通濾波器最終獲得有功功率P。P經(jīng)過數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器D／F轉(zhuǎn)換后，由引腳22輸出與有功功率成正比的頻率信號。整個(gè)過程只有在A／D轉(zhuǎn)換輸入和基準(zhǔn)電壓輸入是模擬信號外，其他信息處理均在數(shù)字領(lǐng)域完成使得測量具有很強(qiáng)的抗干擾能力。在惡劣環(huán)境下仍能實(shí)現(xiàn)高精度和長期穩(wěn)定的電能測量。設(shè)獲取的采樣電壓和電流信號是正弦信號，則瞬時(shí)電壓和電流分別為v(t)=Vcos(ωt+θv)，i(t)=Icos(ωt+θi)，令θ=θv-θi，θ是電壓和電流之間的相位差。由此可以得出瞬時(shí)功率P(t)和有功功率P。
   
    式中：V是電壓峰值；I為電流峰值；T為電壓、電流基波周期；n是基波周期數(shù)，有功功率等于瞬時(shí)功率在基波周期內(nèi)的平均值。
    當(dāng)獲取的采樣電壓和電流是非正弦信號時(shí)，可用傅里葉變換將瞬時(shí)電壓v(t)和瞬時(shí)電流i(t)分別表示為它們諧波成分之和：
   
    式中：V0是電壓平均值；I0是電流直流分量；Vh是h次諧波電壓的有效值；Ih是h次諧波電流的有效值；αh是h次諧波電壓的相位角；βh是h次諧波電流的有效值。由式(3)，式(4)算出基波有功功率P1和諧波的有功功率PH可表示為：
   
    因此有功功率P等于其基波有功功率和諧波有功功率之和，即：
    P=P1+PH       (7)
2．3 電能計(jì)量測試結(jié)果及分析
    本文所設(shè)計(jì)的智能電表經(jīng)多功能電能測試儀檢測，其測試的硬件連接如圖4所示。

    圖4中多功能測試儀的零、火線分別接到智能電表的進(jìn)線零、火線獲取智能電表的輸入電壓，將鉗形互感器夾到電表的出線上獲取出線電流，從輸出脈沖預(yù)留檢測接口J6獲取來自ADE7755電能計(jì)量模塊輸出的、與功率信息成正比的輸出脈沖。設(shè)置合理的電表常數(shù)和校驗(yàn)圈數(shù)，即可檢測并記錄智能電表的電流、電壓、用電量脈沖、有功功率、無功功率和功率因數(shù)。表1為測試結(jié)果。
    根據(jù)國家電網(wǎng)公司2009年發(fā)布的最新單相智能電能表技術(shù)規(guī)范要求Q／GDW364_2009中對單相智能電表的測量及監(jiān)測要求測量誤差不超過±1％。表1中對阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載的不同電流分別進(jìn)行測試，由表1中可以看出智能電表的測量誤差均符合要求。

2．4 智能電表的載波通信原理
    圖2中ADE7755的CF引腳輸出的脈沖正比于即時(shí)功率，該脈沖通過高速光耦傳到PL3201進(jìn)行累加計(jì)算出電能計(jì)量信息。其中高速光耦對強(qiáng)、弱電都起到很好的隔離作用以避免強(qiáng)電的干擾而產(chǎn)生誤差。PL3201內(nèi)部集成了擴(kuò)頻載波調(diào)制解調(diào)電路，其載波發(fā)射專用引腳為P3．7腳，輸出信號經(jīng)RC串聯(lián)電路耦合去除直流成分。Q2，Q3，Q4，Q5是一個(gè)互補(bǔ)對稱的放大電路，主要對載波發(fā)送的信號進(jìn)行功率放大。ZD1，ZD2對信號進(jìn)行限幅以保護(hù)三極管，D7，D8起箝位作用，吸收來自電力線上的尖峰干擾。C73和L6組成一個(gè)LC濾波電路，濾除載波信號中所包含的諧波成分以免污染電網(wǎng)。VHH為載波發(fā)射電壓一般在12～15 V之間，其大小與載波發(fā)射功率有密切關(guān)系。在一定范圍內(nèi)提高VHH可以加大發(fā)射功率延長通信距離，本文設(shè)計(jì)VHH為15 V。接收載波信號由PL3201的SIGIN輸入，電路中PD10是一個(gè)瞬變二極管，能有效吸收來自電網(wǎng)的浪涌功率，起到保護(hù)整個(gè)電路的作用。C75，C76，C80和L5并聯(lián)組成一個(gè)LC并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)對信號具有選頻作用。其頻率計(jì)算公式為，當(dāng)設(shè)計(jì)電感L=1 mH，電容C=1．75 nF時(shí)，由公式可知載波的中心頻率f=120 kHz，該信號被送入芯片與內(nèi)部的600 kHz本振信號進(jìn)行混頻，混頻后信號頻率為兩者之差，即480 kHz。將此混頻信號，輸入陶瓷濾波器B2濾波，濾波后的信號是一個(gè)帶通信號再經(jīng)過限幅放大、硬件解擴(kuò)，即可對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行還原。

3 智能電表的軟件設(shè)計(jì)
    智能終端的軟件設(shè)計(jì)主要包括：電能計(jì)量、存儲、載波發(fā)送接收及狀態(tài)顯示等。用戶用電量經(jīng)過計(jì)量芯片采樣轉(zhuǎn)換成有功脈沖，經(jīng)過高速光耦傳送給PL3201，PL3201收集來自計(jì)量模塊的脈沖數(shù)換算成用戶用電量并存儲到存儲模塊，其電能計(jì)量軟件流程圖如圖5所示。載波發(fā)送接收是由PL3201以中斷方式實(shí)現(xiàn)，這樣使得電能表能實(shí)時(shí)偵聽公網(wǎng)電力線上的消息，真正達(dá)到隨時(shí)在線的功能，其常態(tài)為載波接收狀態(tài)。載波發(fā)送信號經(jīng)過功率放大耦合到公網(wǎng)電力線上，通過載波通信與安裝在公網(wǎng)電力線上的集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，集中器再通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心交換數(shù)據(jù)，從而完成遠(yuǎn)程無線監(jiān)控的功能。載波數(shù)據(jù)發(fā)送接收軟件流程圖如圖6和圖7所示。

4 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)的智能電表能對用電量進(jìn)行高精度的測量，通過低壓電力線載波通信讀取和設(shè)置遠(yuǎn)程智能電表的相關(guān)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。適用于城市小區(qū)多用戶和農(nóng)村住戶相對集中地帶，其優(yōu)點(diǎn)在于不用再進(jìn)行專線安裝，直接采用現(xiàn)有電力線作為通信載體，成本低廉。系統(tǒng)不足之處在于通信距離有限，在遠(yuǎn)距離通信時(shí)系統(tǒng)抄表率下降，可靠性降低。通過軟件設(shè)計(jì)使智能終端之間可以相互讀取數(shù)據(jù)，增加抄表的可靠性和延長通信距離是該設(shè)計(jì)改進(jìn)的方向。