基于電力載波通信的供電鎖相測控系統(tǒng)

0 引 言
    隨著信息技術的發(fā)展，供電測控設備的種類越來越多，其中支持測控系統(tǒng)傳輸信息的手段也越來越多樣化。作為分布最廣泛的網絡，電力線網絡是一個動力能源傳輸網絡，除了輸送電能以外，還可以進行數(shù)據傳輸。
    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，信號經過載波調制技術，實現(xiàn)在電網各個節(jié)點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，阻抗隨負載變化大，信號衰減大等缺點，嚴重制約了它的有效利用。常規(guī)的載波技術顯然不能滿足實際需求，必須采用具有高抗干擾能力的載波調制措施改善通信質量。目前，低壓電力線載波通信技術已從傳統(tǒng)的頻帶傳輸(ASK、FSK、PSK)發(fā)展到了擴頻通信(SSC)技術、多載波正交頻分多址(OFDM)技術以及光波分復用(WDM)技術等。就擴展頻譜方式的不同，擴頻通信系統(tǒng)可以分為：直接序列(Direct Sequence，DS)擴頻，跳頻(Frequency Hopping，F(xiàn)H)，跳時(Time Hopping，TH)，線性調頻(Chirp)以及上述各種基本方式的組合，如：FH／DS，DH／TS等。
    現(xiàn)設計了一種用戶供電測控系統(tǒng)，系統(tǒng)利用電力載波通信完成用電信息的傳輸控制。采用了直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum Communication，DS—SSC)技術，該系統(tǒng)優(yōu)勢是用戶不必重新架設線路，而是利用原來的電力線網絡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，該系統(tǒng)還可以通過局域網實現(xiàn)遠程監(jiān)控。電力線載波通信還具有現(xiàn)有物理鏈路、易維護、易推廣、易使用等優(yōu)點。

1 DS—SSC技術原理
    根據信息論中著名的香農定理：
    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，就可以降低對信噪比S／N的要求。
    擴頻通信(SSC)技術的基礎是香農定理，利用與被傳輸信息無關的碼對信息進行頻譜擴展，使擴展后的頻帶遠遠超過被傳送信息所必需的最小帶寬(即增大B的值)，在接收機中利用同一碼進行相關接收和恢復信息。
    直接序列擴頻(DS—SSC)技術是指用遠遠大于信息速率的偽隨機序列(PN)與信號相乘，來達到擴展信號的帶寬B。在發(fā)送端先對信號進行擴頻再進行DPSK調制，擴頻載波信號經過功率放大之后耦合到電力線上進行傳輸。在接收端DPSK解調后用于發(fā)送端同步的本地PN序列解擴即可恢復信號。

2 系統(tǒng)構成
    基于電力線載波通信的供電測控系統(tǒng)是集數(shù)據采集、載波通信、網絡傳輸、數(shù)據存儲、功率計算、數(shù)據顯示、計算機控制等功能于一體的自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)由三部分構成，實現(xiàn)框圖如圖1所示。

各個電能表把用電信息通過電力線以載波的方式傳送到數(shù)據集中器，數(shù)據集中器經局域網將信息發(fā)送到用電管理中心，管理中心的上位機完成用電數(shù)據的處理，并利用載波通信方式給數(shù)據集中器以及電能表下達命令。
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、時鐘校準、精確計算、存儲數(shù)據，并具有載波收發(fā)及收發(fā)成功顯示功能。其硬件結構框圖如圖2所示。

2．1．1 PL3105微處理器
    為有效實現(xiàn)系統(tǒng)供電測控功能，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。[!--empirenews.page--]
    PL3105內嵌一個高速CPU，其指令周期為1T，串口、定時器等是嚴格的12T。外部時鐘(主時鐘)在經過時鐘模塊后一分為二，其中一路經過2分頻后得到的fosc提供給CPU和相應的資源模塊，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兼容內核，它內部集成了2路16位的A／D，3個16位定時器，2路多功能串口，LED／LCD顯示控制模塊，采用8個中斷源兩級中斷。PL3105內置了16 kB的E2PROM程序存儲器和1 KB的SRAM，其內部的256 B SRAM和實時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采用直序擴頻，DPSK調制／解調，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
    PL3105內部集成了兩路A／D，其中一路用來采集負載端電壓，另一路用來采集負載電流，本設計用鎖相倍頻技術實現(xiàn)負載功率的精確測量。
    用戶電力線為標準的50 Hz電源輸入，由于實際交流電源的頻率不穩(wěn)，為提高計量精度，必須考慮采樣與電源的同步問題，采用鎖相倍頻電路將負載電壓和電流的模擬量離散化，電路如圖3所示。

 該電路可以完成嚴格的整周期采樣，設電路鎖相倍頻系數(shù)為N，由于采樣脈沖與電源頻率嚴格鎖定，該電路在一個電源周期內可以同步采樣N點電壓電流值，這樣，計算機可以利用離散積分求和式(2)精確計算出負載功率：

式中，N為電源周期內的采樣點數(shù)，vk，ik為電壓電流的瞬時采樣值；C為一常數(shù)。
    采用數(shù)字鎖相芯片CD4046和分頻芯片CD4040構成鎖相電路。該電路可以將電源的一個周期嚴格等分為N份，這里的N=27=128。電源電壓經過電壓互感器輸入CD4046的BIN引腳和PL3105的ADIN2引腳。AIN和BIN端分別為4046內部鑒相器的兩個輸入端，分頻前的方波由4046內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，則計算機可按照該頻率進行每周期128點的A／D循環(huán)采樣，并利用式(2)完成負載功率的精確測量。
2．1．3 電力線載波通信
    PL3105芯片內集成了直接序列擴頻調制電路，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點的方波信號放大，在一定范圍內有效地加大發(fā)射功率、延長通信距離。放大后的信號富含諧波，需要進行濾波整形。設計可用電感、電容組合完成整形濾波，再通過耦合線圈T1耦合到低壓電力線上。
    電力線下行傳輸微機命令信息時，信號經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，完成對有效信號的帶通濾波。接收信號引入到芯片PL3105內部進行混頻處理，SIGIN被內部上拉后平移到2．5±0．7 V。載波通信速率為500 b／s，15位偽碼，同步捕獲門限默認為30H，帶寬±7．5 kHz。
2．1．4 數(shù)據存儲
    數(shù)據存儲部分完成單路用戶的用電信息的存儲，設計采用鐵電存儲芯片F(xiàn)M24C256(如圖4所示)，連接到PL3105的I／O口，存儲芯片的A0，A1，A2腳共同構成片選的3位地址信息，圖中所示該芯片片選地址為000，存儲器芯片數(shù)目可以根據現(xiàn)場需要自行選擇。

2．2 數(shù)據集中器
    數(shù)據集中器能夠存儲數(shù)據以便查詢，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，負責系統(tǒng)數(shù)據收集存儲，系統(tǒng)通信協(xié)調處理。載波通信部分由3路(對應3相電源)載波收發(fā)處理組成，實現(xiàn)載波下行通信功能。上位通信部分通過RS 232轉換接口接收上位機管理，響應上位機指令。它可以實現(xiàn)大量數(shù)據存儲，最大容量為65 536戶(電能表)。通信速率500 b／s，可實現(xiàn)多級中繼。[!--empirenews.page--]
    數(shù)據集中器設備與標準三相電力線連接，必須保證每一相電源上信息的完整傳輸，載波通信部分設計由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)共設計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，同時三相電力線設有共用的載波接收電路，可以將來自電力線的數(shù)據信息通過SIGIN引腳接收到PL3105處理器中。
2．3 管理中心
    管理中心系統(tǒng)由完成測控的計算機和上位機軟件構成，直接由管理人員來操控。計算機配合上位機軟件，實現(xiàn)如下功能：
    實時監(jiān)控電表狀態(tài)；繳費狀況檢索與繼電器通斷操作；用電數(shù)據的接收、計算、存儲、顯示；設置集中器的自動抄表周期和系統(tǒng)校時；用戶負荷監(jiān)控和電量異常報警；給集中器和電能表下達各種命令。

3 軟件實現(xiàn)
    軟件流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)上電，對所用變量進行初始化設置，包括串口數(shù)據緩沖區(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，設定波特率。外部INT1中斷為采集一次A／D的中斷信號，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INTl中斷，判斷串口有無中斷信號，有中斷信號則開始一次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，從采集完一次到采集下一次等待此中斷，在一個電源周期內(0．02 s)采集128次數(shù)據，采集完畢關中斷，周期個數(shù)M累加。
    開INT2中斷，INT2作為載波通信同步信號的中斷。使能載波通信控制位PLM_SSC，進入載波收發(fā)子程序。載波收發(fā)控制位PLM_RS=1時，載波控制器處于發(fā)送狀態(tài)；PLM_RS=O時，載波控制器處于接收狀態(tài)。
    利用式(2)計算功率，程序延時，M個采集周期循環(huán)工作，中值濾波精確計算負載功率，并累計電量。遇惡性負載時，上位機實施強制斷電，程序結束。

4 結語
    針對集中供電系統(tǒng)特點和功能，完成了供電測控系統(tǒng)總體結構設計，建立了一個上下位機控制方式、電力線通信、網絡傳輸結合一體的系統(tǒng)。
    設計通過電力線載波通信的方式，以PL3105為核心主控模塊，把直接序列擴頻技術運用到通信測控系統(tǒng)中，完成了用電計量計費、查詢功能、控制電路通斷功能、顯示功能、數(shù)據統(tǒng)計分析、過流保護、掉電保護功能。上位機通過集中器和局域網構成遠程通信網絡，實現(xiàn)了對網絡內用戶用電信息的實時管理和監(jiān)測控制。