配變監(jiān)測終端通信模塊的設計

在電力供配電系統(tǒng)中，配電變壓器監(jiān)測終端(TTU)用于對配電變壓器的信息采集和控制,它實時監(jiān)測配電變壓器的運行工況,并能將采集的信息傳送到主站或其他的智能裝置,提供配電系統(tǒng)運行控制及管理所需的數(shù)據(jù)。一般要求TTU能實時監(jiān)測線路、柱上配電變或箱式變的運行工況,及時發(fā)現(xiàn)、處理事故和緊急情況,并具有就地和遠方無功補償和有載調壓的功能。由此可見,TTU除具有數(shù)據(jù)采集與控制功能外,另一個重要功能就是通信功能[1]。

1 配變監(jiān)測終端通信模塊的硬件設計

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對上應能與配電子站或主站進行通信,將終端采集的實時信息上報,同時接收子站/主站下達的各種控制命令，對下要求可與附近的配變監(jiān)測終端(TTU)或其他智能設備進行通信。因此,對配變監(jiān)測終端通信功能的要求比較嚴格,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、強電磁干擾等。

(2)較高的性價比：考慮通信系統(tǒng)的費用，選擇費用和功能及技術先進性的最佳組合，追求最佳性價比。

(3)配電通信的實時性：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)通信方式的標準化及通用性：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備進行通信,因此應盡量選擇具有通用性、標準化程度高的通信方式及設備,便于使用和維護。

1.2 TTU通信模塊的構成

1.2.1 通信模塊的整體框圖

接口通過電力線接收來自主站的命令信息，經過濾波放大后，命令經過解調送到控制器，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)進行采集，經過分析處理后，將數(shù)據(jù)信息通過串口發(fā)送給通信模塊的控制器，再經過調制，最后經由接口發(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重要的作用，它直接影響到信息的準確傳送，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方式的調制解調芯片，并不是專門針對電力線載波通信設計的。LM1893是美國國家半導體公司生產的modem芯片，采用FSK調制解調方式，它只是對一般FSK調制解調芯片稍作改進，目前，這兩款modem芯片在國內基本沒有采用。SSC P300是Intellon公司采用現(xiàn)代最新通信技術設計的電力線載波modem芯片。它采用了擴頻(Chirp方式)調制解調技術、現(xiàn)代DSP技術、CSMA技術以及標準的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)頻率標準、電網(wǎng)特性，特別針對家庭自動化而設計的。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計的modem芯片。由于它是專用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信號調制解調功能外，還針對電力線應用加入了許多特別的信號處理手段，目前，在國內電力線載波抄表領域應用廣泛。本文選用SGS-THOMSON公司的電力線載波芯片ST7538，它是在 ST7536、ST7537基礎上推出的一款為家庭和工業(yè)領域電力線網(wǎng)絡通信而設計的半雙工、同步/異步FSK調制解調器芯片。ST7538內部集成了發(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)境下實現(xiàn)可靠通信。ST7538還提供了看門狗、過零檢測、運算放大器、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應用電路的外圍器件數(shù)量,是一款功能強大、集成度很高的電力載波芯片，為家庭和工業(yè)環(huán)境應用而設計，采取了多種抗干擾技術。

1.2.3 硬件電路的設計

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部分。

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口進行通信，通過微處理器與ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T可以實現(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腳進入ST7538,時鐘上升沿時被采樣，并送入FSK調制器調制，調制信號經D/A轉換、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腳進入ST7538,經過一個帶寬±10 kHz的帶通濾波器，送入一個帶有自動增益AGC的放大器。此信號再經過解調、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電路由功率放大器、輸出保護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。