基于電力載波通信的供電鎖相測(cè)控系統(tǒng)

0 引 言
    隨著信息技術(shù)的發(fā)展，供電測(cè)控設(shè)備的種類(lèi)越來(lái)越多，其中支持測(cè)控系統(tǒng)傳輸信息的手段也越來(lái)越多樣化。作為分布最廣泛的網(wǎng)絡(luò)，電力線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)力能源傳輸網(wǎng)絡(luò)，除了輸送電能以外，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
    電力線載波通信(Power Line Carrier Communica—tion，PLCC)是指以電力線為信息傳輸媒介，信號(hào)經(jīng)過(guò)載波調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳遞的一種通信方式。但是，電力線通信信道存在噪聲干擾強(qiáng)，阻抗隨負(fù)載變化大，信號(hào)衰減大等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了它的有效利用。常規(guī)的載波技術(shù)顯然不能滿足實(shí)際需求，必須采用具有高抗干擾能力的載波調(diào)制措施改善通信質(zhì)量。目前，低壓電力線載波通信技術(shù)已從傳統(tǒng)的頻帶傳輸(ASK、FSK、PSK)發(fā)展到了擴(kuò)頻通信(SSC)技術(shù)、多載波正交頻分多址(OFDM)技術(shù)以及光波分復(fù)用(WDM)技術(shù)等。就擴(kuò)展頻譜方式的不同，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為：直接序列(Direct Sequence，DS)擴(kuò)頻，跳頻(Frequency Hopping，F(xiàn)H)，跳時(shí)(Time Hopping，TH)，線性調(diào)頻(Chirp)以及上述各種基本方式的組合，如：FH／DS，DH／TS等。
    現(xiàn)設(shè)計(jì)了一種用戶供電測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)利用電力載波通信完成用電信息的傳輸控制。采用了直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum Communication，DS—SSC)技術(shù)，該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)是用戶不必重新架設(shè)線路，而是利用原來(lái)的電力線網(wǎng)絡(luò)完成用電信息的傳輸，而且電力線傳輸不占用現(xiàn)有的頻譜資源，同時(shí)，該系統(tǒng)還可以通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。電力線載波通信還具有現(xiàn)有物理鏈路、易維護(hù)、易推廣、易使用等優(yōu)點(diǎn)。

1 DS—SSC技術(shù)原理
    根據(jù)信息論中著名的香農(nóng)定理：
    C=Blog2(1+S／N)b／s (1)
    信道容量C給定后，信道帶寬B與信噪比S／N可以互換。由此可以推得，在信息速率C不變的情況下，只要增加信道帶寬B，就可以降低對(duì)信噪比S／N的要求。
    擴(kuò)頻通信(SSC)技術(shù)的基礎(chǔ)是香農(nóng)定理，利用與被傳輸信息無(wú)關(guān)的碼對(duì)信息進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，使擴(kuò)展后的頻帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被傳送信息所必需的最小帶寬(即增大B的值)，在接收機(jī)中利用同一碼進(jìn)行相關(guān)接收和恢復(fù)信息。
    直接序列擴(kuò)頻(DS—SSC)技術(shù)是指用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息速率的偽隨機(jī)序列(PN)與信號(hào)相乘，來(lái)達(dá)到擴(kuò)展信號(hào)的帶寬B。在發(fā)送端先對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻再進(jìn)行DPSK調(diào)制，擴(kuò)頻載波信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大之后耦合到電力線上進(jìn)行傳輸。在接收端DPSK解調(diào)后用于發(fā)送端同步的本地PN序列解擴(kuò)即可恢復(fù)信號(hào)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成
    基于電力線載波通信的供電測(cè)控系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、載波通信、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、功率計(jì)算、數(shù)據(jù)顯示、計(jì)算機(jī)控制等功能于一體的自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

各個(gè)電能表把用電信息通過(guò)電力線以載波的方式傳送到數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器經(jīng)局域網(wǎng)將信息發(fā)送到用電管理中心，管理中心的上位機(jī)完成用電數(shù)據(jù)的處理，并利用載波通信方式給數(shù)據(jù)集中器以及電能表下達(dá)命令。
2．1 電子式電能表
    用戶電子式電能表能夠同步地采集一路用戶用電的電壓電流、時(shí)鐘校準(zhǔn)、精確計(jì)算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并具有載波收發(fā)及收發(fā)成功顯示功能。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2．1．1 PL3105微處理器
    為有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電測(cè)控功能，電能表的核心處理器采用FXXC公司PL3000系列具有DS—SSC功能的專用芯片PL3105。
    PL3105內(nèi)嵌一個(gè)高速CPU，其指令周期為1T，串口、定時(shí)器等是嚴(yán)格的12T。外部時(shí)鐘(主時(shí)鐘)在經(jīng)過(guò)時(shí)鐘模塊后一分為二，其中一路經(jīng)過(guò)2分頻后得到的fosc提供給CPU和相應(yīng)的資源模塊，另一路直接供給載波和ISP模塊，這里采用外部9．6 MHz的主頻晶振。
    PL3105采用了8／16位微處理器8051兼容內(nèi)核，它內(nèi)部集成了2路16位的A／D，3個(gè)16位定時(shí)器，2路多功能串口，LED／LCD顯示控制模塊，采用8個(gè)中斷源兩級(jí)中斷。PL3105內(nèi)置了16 kB的E2PROM程序存儲(chǔ)器和1 KB的SRAM，其內(nèi)部的256 B SRAM和實(shí)時(shí)鐘在主電源掉電的情況下可由備用電池繼續(xù)供電維持。PL3105采用直序擴(kuò)頻，DPSK調(diào)制／解調(diào)，半雙工電力載波通信單元，500／250 b／s通信速率可選。
2．1．2 A／D鎖相倍頻技術(shù)
    PL3105內(nèi)部集成了兩路A／D，其中一路用來(lái)采集負(fù)載端電壓，另一路用來(lái)采集負(fù)載電流，本設(shè)計(jì)用鎖相倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率的精確測(cè)量。
    用戶電力線為標(biāo)準(zhǔn)的50 Hz電源輸入，由于實(shí)際交流電源的頻率不穩(wěn)，為提高計(jì)量精度，必須考慮采樣與電源的同步問(wèn)題，采用鎖相倍頻電路將負(fù)載電壓和電流的模擬量離散化，電路如圖3所示。

 該電路可以完成嚴(yán)格的整周期采樣，設(shè)電路鎖相倍頻系數(shù)為N，由于采樣脈沖與電源頻率嚴(yán)格鎖定，該電路在一個(gè)電源周期內(nèi)可以同步采樣N點(diǎn)電壓電流值，這樣，計(jì)算機(jī)可以利用離散積分求和式(2)精確計(jì)算出負(fù)載功率：

式中，N為電源周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，vk，ik為電壓電流的瞬時(shí)采樣值；C為一常數(shù)。
    采用數(shù)字鎖相芯片CD4046和分頻芯片CD4040構(gòu)成鎖相電路。該電路可以將電源的一個(gè)周期嚴(yán)格等分為N份，這里的N=27=128。電源電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器輸入CD4046的BIN引腳和PL3105的ADIN2引腳。AIN和BIN端分別為4046內(nèi)部鑒相器的兩個(gè)輸入端，分頻前的方波由4046內(nèi)部壓控振蕩器輸出端VCOUT連接到4040的CLK腳，該方波頻率為50 Hz×128=6 400 Hz。分頻后形成的50 Hz鎖定方波由Q7腳輸出至4046的AIN引腳。將6 400 Hz方波作為采樣中斷脈沖送入PL3105的A／D中斷輸入端XINT1，則計(jì)算機(jī)可按照該頻率進(jìn)行每周期128點(diǎn)的A／D循環(huán)采樣，并利用式(2)完成負(fù)載功率的精確測(cè)量。
2．1．3 電力線載波通信
    PL3105芯片內(nèi)集成了直接序列擴(kuò)頻調(diào)制電路，外圍連接的電路主要包括功率放大、濾波、載波耦合及接收電路。
    采用軟件配置，載波功能被使能后，載波信號(hào)由PL3105芯片的I／O引腳PSK_OUT輸出，波形為0～5 V的方波，包含豐富的諧波。功率放大電路使PSK_OUT點(diǎn)的方波信號(hào)放大，在一定范圍內(nèi)有效地加大發(fā)射功率、延長(zhǎng)通信距離。放大后的信號(hào)富含諧波，需要進(jìn)行濾波整形。設(shè)計(jì)可用電感、電容組合完成整形濾波，再通過(guò)耦合線圈T1耦合到低壓電力線上。
    電力線下行傳輸微機(jī)命令信息時(shí)，信號(hào)經(jīng)載波耦合到接收電路，電感和電容組成并聯(lián)諧振回路，諧振中心頻率120 kHz，完成對(duì)有效信號(hào)的帶通濾波。接收信號(hào)引入到芯片PL3105內(nèi)部進(jìn)行混頻處理，SIGIN被內(nèi)部上拉后平移到2．5±0．7 V。載波通信速率為500 b／s，15位偽碼，同步捕獲門(mén)限默認(rèn)為30H，帶寬±7．5 kHz。
2．1．4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分完成單路用戶的用電信息的存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)采用鐵電存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M24C256(如圖4所示)，連接到PL3105的I／O口，存儲(chǔ)芯片的A0，A1，A2腳共同構(gòu)成片選的3位地址信息，圖中所示該芯片片選地址為000，存儲(chǔ)器芯片數(shù)目可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要自行選擇。

2．2 數(shù)據(jù)集中器
    數(shù)據(jù)集中器能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以便查詢，并能以載波通信方式上行、下行傳輸信息。
    它采用電力線載波專用芯片PL3105為微控制器，負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集存儲(chǔ)，系統(tǒng)通信協(xié)調(diào)處理。載波通信部分由3路(對(duì)應(yīng)3相電源)載波收發(fā)處理組成，實(shí)現(xiàn)載波下行通信功能。上位通信部分通過(guò)RS 232轉(zhuǎn)換接口接收上位機(jī)管理，響應(yīng)上位機(jī)指令。它可以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，最大容量為65 536戶(電能表)。通信速率500 b／s，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)中繼。
    數(shù)據(jù)集中器設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)三相電力線連接，必須保證每一相電源上信息的完整傳輸，載波通信部分設(shè)計(jì)由3路收發(fā)處理電路組成，如圖5所示。

 由PL3105芯片I／O引腳PSK_OUT輸出待載波傳輸信息，經(jīng)一路功放濾波、載波耦合電路，送到單相電力線上。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有三路載波通信線路，分別將待傳輸信息發(fā)送到A、B、C三相上，同時(shí)三相電力線設(shè)有共用的載波接收電路，可以將來(lái)自電力線的數(shù)據(jù)信息通過(guò)SIGIN引腳接收到PL3105處理器中。
2．3 管理中心
    管理中心系統(tǒng)由完成測(cè)控的計(jì)算機(jī)和上位機(jī)軟件構(gòu)成，直接由管理人員來(lái)操控。計(jì)算機(jī)配合上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)如下功能：
    實(shí)時(shí)監(jiān)控電表狀態(tài)；繳費(fèi)狀況檢索與繼電器通斷操作；用電數(shù)據(jù)的接收、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示；設(shè)置集中器的自動(dòng)抄表周期和系統(tǒng)校時(shí)；用戶負(fù)荷監(jiān)控和電量異常報(bào)警；給集中器和電能表下達(dá)各種命令。

3 軟件實(shí)現(xiàn)
    軟件流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)上電，對(duì)所用變量進(jìn)行初始化設(shè)置，包括串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的清零、載波收發(fā)狀態(tài)清零、收發(fā)指示燈狀態(tài)、變量賦初值等。配置串口通訊方式，設(shè)定波特率。外部INT1中斷為采集一次A／D的中斷信號(hào)，載波通信控制器采用幀同步方式的串行移位通信，使能外部INT2中斷(EX2=1)。
    開(kāi)INTl中斷，判斷串口有無(wú)中斷信號(hào)，有中斷信號(hào)則開(kāi)始一次A／D采集。XINT1是由鎖相變頻電路輸出到微處理器PL3105的控制信號(hào)，從采集完一次到采集下一次等待此中斷，在一個(gè)電源周期內(nèi)(0．02 s)采集128次數(shù)據(jù)，采集完畢關(guān)中斷，周期個(gè)數(shù)M累加。
    開(kāi)INT2中斷，INT2作為載波通信同步信號(hào)的中斷。使能載波通信控制位PLM_SSC，進(jìn)入載波收發(fā)子程序。載波收發(fā)控制位PLM_RS=1時(shí)，載波控制器處于發(fā)送狀態(tài)；PLM_RS=O時(shí)，載波控制器處于接收狀態(tài)。
    利用式(2)計(jì)算功率，程序延時(shí)，M個(gè)采集周期循環(huán)工作，中值濾波精確計(jì)算負(fù)載功率，并累計(jì)電量。遇惡性負(fù)載時(shí)，上位機(jī)實(shí)施強(qiáng)制斷電，程序結(jié)束。

4 結(jié)語(yǔ)
    針對(duì)集中供電系統(tǒng)特點(diǎn)和功能，完成了供電測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了一個(gè)上下位機(jī)控制方式、電力線通信、網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)合一體的系統(tǒng)。
    設(shè)計(jì)通過(guò)電力線載波通信的方式，以PL3105為核心主控模塊，把直接序列擴(kuò)頻技術(shù)運(yùn)用到通信測(cè)控系統(tǒng)中，完成了用電計(jì)量計(jì)費(fèi)、查詢功能、控制電路通斷功能、顯示功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、過(guò)流保護(hù)、掉電保護(hù)功能。上位機(jī)通過(guò)集中器和局域網(wǎng)構(gòu)成遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶用電信息的實(shí)時(shí)管理和監(jiān)測(cè)控制。