（通信与信息系统专业论文）多功能自动抄表系统的研制——终端及信道部分.pdf

山东大学硕士学位论文 、 中文摘要 、& 能源紧缺而又不可缺的二十一世纪，科学、及时、有效的能量管理 和电力调度已经至关重要。将信息技术应用于能源管理系统，是提高能源 管理水平的需要，也是信息技术迅速发展的必然。从而出现了自动抄表 ，7 7 ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g - - - a m r ) 的概念。， ， 本文在研究了自动抄表系统的发展历史、主要技术的基础上，因地制 宜，开发出了具有自己特色的自动抄表系统。首先，根据油田的具体环境 和特点，开发出了面向基于中华人民共和国电力行业部标准 ( d l t 6 4 j 一1 9 9 7 多功能表通信规约的三相电子式多功能电能表的多功 能无线自 图1 无线系统蜂窝结构图 个子系统 生玺奎兰堡；：茎竺堡圣皇兰 每个子系统由一台上位机和若干下位机组成，上位机通过无线信道采集下 位机的电力数据，范围在方圆2 0 公里以内：子系统的上位机之间通过有线 网络进行数据共享和远程访问。 本论文的任务是开发系统中的下位机，其结构如图2 所示。 电力线 图2 下位机结构框图 这套系统针对实际情况，功能齐全。具有电能表数据采集、盗电( 盗 线、失压) 报警、无表读取电力参数和供断电遥控的功能。此外，采用开 放式接插机型，可针对多种情况，在基本功能的基础上对各种功能进行任 意增减。 本系统充分利用了单片微机的资源，在处理系统实际问题方面，具有 自己的特色。通过丌发系统通信协议解决d l t 6 4 5 一1 9 9 7 通信规约通 信次数太多的问题：采用并行双c p u 结构和通信中断解决了 山东大学硕士学位论文 d l t 6 4 5 一1 9 9 7 通信规约命令帧的整体性与外来访问的随机性冲突问 题；将数据分区，把刷新数据区和发送数据区分开，保证了传送数据的完 整与正确；采用大容量电容解决了报警情况下系统的供电问题；采用中断 不退出，而是用看门狗复位的方式解决了 d l t 6 4 5 - - 1 9 9 7 通信规约命 令帧的整体性与实时性问题。现在，这套无线抄表系统已经在东营油田实 际运营了一年多的时间，相当稳定可靠。 、。， 、f 本文在油田无线抄表系统的基础上，又进一步开发了适用于居民区的 电力线载波三表集抄系统，其下位机结构如图3 所示。本文着力解决了终 图3 小区系统下位机硬件实现 端数据采集和信道研究等问题。低成本、可靠的完成了三表集抄。只是在 、 向小区智能化的趋势上需要进一步完善和发展。7 ， 关键词：抄表系统，。单片机中断看门狗电力线载波扩频通信 a b s t r a c t i nt h el a c k - o f - e n e r 9 5 ，2 1 s tc e n t u r y , s c i e n t i f i c & t i m e l ym a n a g e m e n t o t e n e r 叫i sv e r yi m p o r t a n t t h ea p p l i c a t i o no f i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yi nm a n a g e s v s t 品o fe n e r g yi s c a l l e d0 1 1s ot h ec o n c e p to f “a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g 。 a 1 9 p e a r s 一i nm v d a p e r , t h eh i s t o r y & m a i n t e c h n o l o g yo f a u t o m a t i c m e t e r r e a d i n g i s s t u d i e df i r s t l y , a n dt h e nac h a m c t e r i s t i ca u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m1 s d e s i g n e d f i r s t , a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no f t h eo i lf i e l d , w ed e v e l o p e dt h e m u l t i f u n c t i o n a l r a d i oa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m b a s e do nt h e t c c 、m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o no fd l t 6 4 5 1 9 9 7m u l t i f u n c t i o n a lm e t e r i h e s t r u c t u r eo f t h es y s t e mi sd e s c r i b e da sf i g 1 f i g 1s t r u c t u r eo f r a d i os y s t e m e v e r y c e l li sa s u b - s y s t e m m a k e u po f a c e n t r a ls t a t i o na n ds o m e t e r m i n a l s ， t h ec e n t r a ls t a t i o ng a t h e rt h ed a t ao ft e m a i n a l sa r o u n d2 0k i l o m e t e r sb yr a d i o c h a n n e l t h ec e n t r a ls t a t i o na c c e s s e se a c ho t h e r & s h a r ed a t at h r o u g hi n t e m e t t h et a s ko f m y p a p e r i st od e s i g nt h et e r m i n a l s i t ss l l a l c t u r ei sa sf i g 2 t h e s y s t e mp o s s e s s e s t h ef u n c t i o n so f d a t a g a t h e r i n g ，e m e r g e n c yr e p o r t i n g ， 6 生垒奎兰堡兰兰堡鎏兰 p o w e rl i n e f i 9 2 s t r u c t u r eo f t e r m i n a l p o w e r p a r a m e t e r a c q u i r i n g 啪曲o u f m e t e r p o w e r o n o f f r e m o t ec o n t r o l l i n g 订l e t e r m i n a l sh a v eo p e n l ys t r u c t u r e ；i tc a nb er e d u c e da tw i l lo l lt h eb a s i so fb a s i c f u n c t i o n a lm o d u l e t h e s y s t e m i t l a l ( et h eb e s to f t h er e s o u r c eo f t h es i n g l ec h i pm i c y o c o ，i th a s c h a m c t e r so n d e a l i n g w i t h p r a c t i c a lp r o b l e m s d e v e l o p i n g t h e s y s t e m c o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o ns o l v e st h ep r o b l e mo ft o om a n yt i m e s t o c o m m u n i c a t ew i t ht h ec o m m u n i c a t i o n s p e c i f i c a t i o n o fd l ，r 6 4 5 1 9 9 7 m u l t i f u n c t i o n a lm e t e r ；d u a lc p u & i n t e r r u p tr e s o l v et h ec o n f l i c tb e t w e e nt h e w h o l em e t e ri n s t r u c t i o nf l a m ea n dr a n d o me x t e i 删a c c e s s ；t h ep o r t i o n so ft h e d a t aa r e ao ft h ed a t at os e n da n dt h ed a t at ou p d a t ee n s u r et h ei r u ed a t at ob e g a t h e r e d ；l a r g ec a p a c i t yc a p a c i t a n c ep r o v i d e t h e p o w e r i ne m e r g e n c y t h e s y s t e mh a s n mf o rm o r et h a no n ey e a ri nd o n g y i n go nf i e l d ，i tp r o v e d v e r y r e l i a b l e o nt h eb a s i so f t h er a d i os y s t e m , w ed e s i g n e dt h et r i c e - m e t e r r e a d i n gs y s t e m b yp o w e r l i n ec a r r i e r ，w h i c hi sa p p l i c a b l ei nr e s i d e n t i a la r e a i t ss l r u c t u r ei sa s f i 9 3 1 1 1 ep a p e re m p h a s i z e so n d e v e l o p i n g t h et e m l i n a l sa n ds t u d y i n gt h er e l i a b l e c h a n n e l ，a n da c c o m p l i s h e st r i c e - m e t e rr e a d i n ge c o n o m i c a l l y b 1 1 li tn e e d s f l i r t h e r d e v e l o p m e n t t oc a t e rf o rt h et r e n do f i n t e l l i g e n t i z e db u i l d i n g k e y w o r d s ：a m r s ( a u t o m a t i cm e t e r 黜a d i l l gs y s t e m ) s i n g l ec h i p m i e y o c oi n t e r r u p tw a t c h d o gp l c ( p o w e rl i n ec a r n e r ) s s c ( s p r e a d s p e e t m mc o m m u n i c a t i o n ) 7 f i g 3s t r u c t i i i t o fr e s i d e n t i a la r e at e r m i n a l 8 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 人类社会的历史发展已经把我们带迸了信息时代，信息的获取与交流 越来越少的受到时空的限制，人们的生活也是如此，从而出现了“地球村” 的概念。然而，信息的交流已经离不开电，人们的生活已经离不开电，无 法想象没有电的二十一世纪将会是什么样子。在能源紧缺而又不可缺的今 天，科学、及时、有效的能源管理和电力调度已经至关重要。将信息技术 应用于电力系统，是提高用电管理水平的需要，也是信息技术迅速发展的 必然。 时至今日，电已经无处不在。种类繁多的负载对电力的要求也各不相 同，因此，要进行科学的用电管理，需要获取大量的电力数据作为依据； 电能的计量、计费以及相应的管理也需要大量的数据。大量电力数据的采 集和处理如果靠人工来完成，工作量大而且困难重重，因此，早在2 0 世纪 6 0 年代，人们就把信息技术引进了电力系统，从而出现了自动抄表 ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n 矿_ 批) 的概念。自动抄表是指采用通讯和计 算机网络等技术自动读取和处理表计数据，是一项集计算机、数字通信等 多种技术于一体的高新技术，而且是一项较为复杂的系统工程。发展电能 自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发 展的必然。在用电管理方面，采用自动抄表技术不仅节约人力资源，更重 要的是可以提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成账单出错的情况， 9 当查奎兰堡尘兰堡篓兰 使供电管理部门能及时、准确地获得数据信息：随着电价的改革，电力部 门为了迅速出帐，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、 分时需量和负荷曲线等，自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术 手段。在方便用户方面，电力用户因此不再需要与抄表者约定上门抄表时 间，还能迅速查询账单，因此这种技术也越来越受到用户的欢迎。 从2 0 世纪6 0 年代起，些发达国家就开始着手研究低压电力用户的 自动抄表系统，最新开发出来的是车载无线抄表系统，我国某些地方在8 0 年代曾引进这项技术，终因国情难以适应而废弃。在这个时期，有人提出 了利用低压配电线路载波抄表的理论，但是因为没有更好的方法解决低压 线路上的干扰问题而搁浅；2 0 世纪9 0 年代，随着计算机和通讯技术的普 及，不少厂家推出了基于r $ 4 8 5 通讯的自动抄表系统，避开了制约自动抄 表技术发展的干扰问题，形成了第二代低压抄表系统，但需要铺设专用的 通讯通道；9 0 年代后期，少数国家在低压载波技术上取得了突破性的进展， 推出第三代自动抄表系统( 即低压载波远程自动抄表系统) ，充分解决了在 低压配电线路进行数据通讯的抗干扰问题，使系统的工程应用成为现实， 同时，第三代自动抄表技术也成为国际主流。但是，自动抄表技术尚未形成 统一开放的标准，国外的抄表系统都是针对本地电网特性、电网结构，在 国内使用都难尽人意。尤其在数据传送信道、系统功能方面，由于国内外 环境差异太大( 比如电力线载波信道，国外公共电力网相当纯净，有专用 山东大学硕卜学位论文 滤波系统，保证数据在传输过程中不会受外界干扰。我国的电网在传输数 据过程中，经常会受无线电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰，导致传输 数据出现错码、丢码的情况) ，使得国外的系统在国内难以适用，因此必须 从国情出发，有效利用国外先进技术，开发出自己的自动抄表系统。 我们开发的这套自动抄表系统，采用先进技术，可采用无线电波和电 力线载波扩频两种信道，数据采集迅速；因地制宜，针对实际情况，功能 齐全。具有电能表数据采集、盗电( 盗线、失压) 报警、无表读取电力参 数和供断电遥控的功能。此外。采用开放式接插机型，可针对多种情况 在基本功能的基础上对各种功能进行任意增减。本系统立足于工业电力 努力进入家庭，最后实现抄取多种表计( 煤气表、水表等) 数据。适应居民 小区智能化的发展趋势，以局域网方式构建系统，并可连接国际互联网。 在本系统设计之前，作者对自动抄表系统进行了详尽的学习和研究 权衡和比较当前国内外的系统设计，因地制宜地提出了自己的设计方案。 本论文的研究内容是：开发设计抄表系统的智能终端，和研究选择适用的 信道。 在油田的无线系统中，为了解决信道传输距离的问题，采用了蜂窝结 构，各个蜂窝的中心站之间通过有线信道进行数据共享和远程访问：在居 民区的抄袭系统中，小区内采用基于e 1 a 一6 0 0 的电力线载波扩频信道，使 数据速率最大可达l o k b p s ，但受传输距离的限制，从小区到能源管理部门 山东大学硕j 学位论文 则采用其他有线信道，用户可通过互联网查询自己用电情况。 坐童奎兰堡圭茎竺竺三：。：；。：。 第二章总体方案设计 系统由中心站上位机、传输信道、用电点下位机( 数据采集终端) 组 成。总体结构框图如图1 所示。 ，。口 、 - 厩斛k ：憾耻k = = ：慨斛 l 位机l 。 。l 位机r p i 位机i ：。f ： 图1 总体结构框图 油罔地区地广人稀，频率资源丰富，因此采用价格低廉的无线信道。 在油田的无线系统中，无线信道的传输距离在2 j 公里左右。考虑到有些大 的油田区会大大超出这个距离，因此采用了移动通信系统中的蜂窝结构。 大体框图如图2 所示。由于无线信道受环境和天气的影响，传输距离有时 会缩短，因此设定每个蜂窝的中心站离最远的用电点不超过2 0 公里( 即蜂 窝半径为2 0 公早) ，大大提高了系统的可靠性。各个蜂窝的中心站通过电 话线互连，可进行远程访问和数掘共享。 l3 些童；：! ! ! l 兰! ! ； ，： 图2 无线系统蜂窝结构图 系统中，中心站上位机由p e n t i u m 以上工业控制机及一些外围设备 ( 数据通信模板等) 、本系统的上位机软件和基于c l i e n t s e r v e r 的数据库 程序组成，这一部分由崔强同学丌发：用电点下位机由若干功能模块组成， 后文详细介绍。 系统工作过程如下：平时由用电点下位机采集电力数据经整理后存储 并进行周期性刷新，当中心站抄收时，可以对用电点进行连续抄表，也可 以单个抄收。采用无线信道的系统一般建在人口稀少的工业区，用电点下 位机多数建在野外，意外情况均发生在夜间，因此可以白天抄表，夜间进 行报警监控，不用另行建立报警信道。 当奎查兰丝：! ：兰竺篓圣 用电点下位机的结构如图3 所示。 电力线 图3 下位机结构框图 本系统起初是面向基于中华人民共和国电力行业部标准 d l t e 4 卜1 9 9 7 多功能表通信规约的三相电子式多功能电能表开发设 计的。电能表提供r s 4 8 5 通信接口，内部数据相当齐全，因此数据量较大 单向表6 0 0 多个字节，双向表2 k 字节，而且按照d l t 6 4 争1 9 9 7 通信规 约每次只能取出少量字节，若按照此规约通过无线方式通信，即使删去 部分冗余数据，采集数据通信次数仍然太多，当需要访问大量用电点时 完成整个数据采集所需时间太长，因此本系统将下位机工作任务分为两部 分，一部分是由下位机c p u ( 基本功能模块的单片机) 采集电表数据并放迸 数据r 埘中，周期性刷新以各中心站访问时发送；另一部分是与中心站上 位机通信。 当奎查耋堡! ：兰堡耋兰 下位机工作过程为：基本功能模块采集终端数据，放进数据r a m 中并 进行周期性刷新，若有命令访问本下位机u 转入通信中断程序进行通信， 通信完毕后下位机复位进行新一轮电表数据采集。在有些用电点处，不需 安装电能表，只将a d 转换模块连接至基本功能摸块即可，随时可由中心 站读取当前电力参数值( 包括当前相电压值，相电流值) 。若连接有报警模 块，将其连接至基本功能模块，当本用电点意外断电，断相时转入报警中 断，向和【) 站发送报警命令帧。 概括起来本系统有以下功能： 采集表计电力数据： 无表情况下读取了解性电力数据； 盗电、失压报警； 供断电远程控制； 可通过互连网从中心站了解用电情况。 在居民小区，采用基于c h i r p ( 扫$ 回技术的电力线载波扩频信道，使 数据速率最大可达l o k h p s 。在美国，电子工业协会( e i a ) 已经采用了这 种技术作为电力线的用户电子总线( c e b u s ) 标准的物理层规范。c e b u s 标 准定义了用于开发家庭和建筑群控制网络内部互连产品所要求的全部通信 和网络功能。它参考国际标准化组织i s o 的开放系统互连o s i 的七层网络 模型，只是省略了表示层、会话层和传输层，使产品开发的费用和复杂性 6 山东大学碗士学位论文 减到最小。虽然资料中并未介绍如何实现、设计和应用接口问题( 这些问 题有待手系统开发者自己解决) ，但是明确提出了大范围的多用户互连问 题，包括信号时序及结构、连接器、信号格式等问题。 居民小区系统的下位机如图4 所示。 图4 居民小区系统下位机框图 本下位机工作工程如下：平时由用电点下位机采集三表数据，存入 管p r o m 中并定时刷新。若有命令访问本下位机，则转入通信中断程序进行 通信，通信完毕后下位机退出中断，进行新一轮数据采集。 小区内由一上位机通过电力线信道抄收用户三表数据，各个小区的上 位机和能源部门之间，通过其它可靠远距离信道相连，可进行远程访问和 数据的采集与共享。用户可通过互联网访问小区上位机，了解自己的能源 消费情况。 些查：! i ! ；i 篁! ! ；! 一：一 第三章电力线载波扩频技术 由于电力配电网络线路分布的广泛性，使得利用电力配电网络进行数 据传输成为测量水、电、气和控制负载最有效的途径之一。在当今的世界 范围内，人们都期望着利用现有的电力线( p l ) 进行信息的传送，并最终 能够达到四遥( 即遥测、遥迅、遥控和遥调) 的水平，这样就可以节约大 量的人力、物力和财力。然而，电力线最初设计是用来传输电力，而不是 进行数据通信。在电力线上实现数据通信有很大困难，它的复杂噪声、高 衰减、可变阻抗等特性导致数据通信可靠性变差，尤其电力配电网络上的 电力线高频通道特性不具有一般性，即不同线路的特性差异很大，即使是 同一条线路，其特性亦呈现时变性，而且线路噪声功率亦较其他线路要大， 为电力传输而设置的许多电容组等设备对载波干扰很大，在这样的通道e 实现常规的窄带载波通信是很困难的，扩频技术是目前电力配电网络信息 传输中利用载波法进行可靠通信的主要手段。扩频技术应用在电力线载波 通信中，形成了扩频载波技术( s p r e a ds p e c f r u mc a r t j e r ，s s c ) ，它可 以克服窄带通信技术的多种不足，克服各种恶劣的通道特性，提高通信的 可靠性。在介绍扩频载波技术以前，有必要讨论一下扩频通信的基本理论。 3 1 扩频通信的基本原理 扩频通信技术是种宽带信息传输模式，将信息频带展宽，使其在更 宽的频带内传输，而在接收端通过相关接收设备恢复原始信息，噪声信号 1 r 山东大学顶| 学位论文 通过带通滤波器滤除，使干扰得到抑制。信号频带的展宽是通过编码与调 制来实现的，而与所传信息数据无关。其实质是牺牲信道带宽换取对信噪 比的低要求。由于它具有天生的超强抗干扰性，因此特别能够适应低压电 。 力网络中复杂变化的各种干扰和噪声，有着其它通信模式所无可比拟的优 越性。 扩频通信技术理论基础源自香农( s h a n o n ) 定理： c = w 1 9 2 ( i + p n ) 式中c 一信道容量( 以数据速率来度量) ： w - 频带宽度； p 一信号功率； 弹一白噪声功率； 该定理表明，在信号功率、白噪声功率和传输带宽一定时，信道就能以一 定的速率进行差错极低的传输。由此可以推论，只要频带w 足够宽，信噪 比p n 再小，即使信号湮没在噪声中，仍可以一定的速率进行可靠通信。 这一性质表明，频谱扩展技术具有极高的抗干扰性能和极好的信号隐蔽性 能。 3 2 低压电力线信道分析 低压电力线载波通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a ti o n ) 是指利用已有的 低压配电网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的种技术。由于电 坐奎查兰堡：! 兰丝篁兰 ， 力配电网络线路分布的广泛性，使得利用电力配电网络进行数据传输成为 测量水、电、气和控制负载的最有效的途径之。其诱人之处在于它利用 已有的低压配电网作为信息传输的载体，从而避免了新的通信网络的建设 和投资。然而，由于低压配电网自身固有的特点，要在其上实现可靠安全 的数据传输是相当困难的。下面我们来分析一下低压电力线信道的特性。 3 2 1 低压电力线的衰减特性 电力线通道中信号的衰减，主要是由电力线通道路 圣平日线路上所连接 的设备决定的。该指标反映信道对各种频率信号衰减的程度，以利于选择 传输信号的频率，即载波频率。图5 是i n t e l l o n 公司测量到的许多家庭内 部随机两个插座之间的衰减的一个例子。 由图中可以看出，频带上的大部分衰减可以容忍，但有些电平很低， 接近8 0 d b ，且出现的位置不可预测。这些很低的凹槽的随机性出现，使得 0 2 0 - 4 0 石o 8 0 频率0 t h z 图5 电力线传输函数 要在l 3 0 州z 选出一段完美的电力线通信频带几乎不可能，在使用单载波 山东大学硕_ 学位论文 通信中，通常依赖于凹槽出现的频段与载波不重叠，或采用均衡技术来克 服信道的变化。但在电力线这种信道中，均衡技术变得非常昂贵，而且在 阻抗很低，相当于短路的情况下，无法将信号复原。 下面看图6 所示的特性曲线。 a j a i n r d b l 0 2 0 - 4 0 - 6 0 8 0 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0】0 0 0 频率k h z 图6 电力线传输函数 由上图可以看出，在1 0 0 k l q z 1 0 0 0 k h z 频段内，电力线衰减大都在2 0 d b 以上，衰减随着频率的升高而增加，由于负载对电力线呈现不同的性质， 而可能在某些频率处衰减很大，大于5 0 0 k h z 以后衰减开始增大。其中 l o o k h z 4 0 0 k h z 频段略好一些。利用这个频段进行在电力线上的数据通 讯，很有潜力可挖。 3 2 2 低压电力线上的噪声 低压电力线上的干扰可分为非人为干扰和人为干扰。非人为干扰指的 是些自然现象( 如雷电) 在电力线上引起的干扰。人为干扰则是由连接 山东大学硕十学位论文 在电力线上的用电设备产生的，并对数据通信有严重的影响。低压电力线 上的噪音除了2 2 0 v 3 8 0 v 的电网电压外还有各种各样的电器设备产生的噪 音，主要有以下几种： 1 ) 与5 0 h z 电网电压频率同步的噪音，一般是由工作在工频的开关器 。 件产生的，其频率成分是5 0 h z 及其各次谐波 2 ) 白噪声，比较典型的是电动机产生的噪声 3 ) 脉冲噪声，主要是某些电器开关造成的，以及从高压输电变压器 感应过来的噪音，特点是频谱宽、时间短 4 ) 周期性噪声如电视机的行频及其各次谐波。 低压电力线上的噪音的功率谱如图7 所示。 从图中可以看出，干扰信号的频谱非常不规则，存在许多突变，有些 频率信号的强度很高，有些则很低，这种周期干扰主要是由大量的高频干 d b l 2 0 - 4 0 - 6 0 - 8 0 - 1 0 0 1 0 k1 0 0 kl m3 0 m 图7 低压电力线噪声功率谱 扰组合而成的。可以看到：1 ) 从l 删z 以后，噪声功率谱小于一9 0 d b 。2 ) 在 山东大学硕士学位论文 l o k h z l o o k h z 频带内，功率谱较高，并在- 2 0d b 4 0d b 内变化。3 ) 在 l o o k h z 1 z 区间以内以一4 0d b l o 倍频下降。 3 2 3 低压电力线的阻抗特性 影响低压线路阻抗特性的因素大致有以下几个方面 i ) 接入电力系统的用电设备有不同的阻抗形式，有感性的、容性的、 还有纯阻性的： 2 ) 商压配电变压器的初级对次级的影响 3 ) 电力线路的拓扑结构。 研究表明低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率也密切相关。 在理想情况下，当没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于 分布电感和分布电容的影响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。当在电力 线上有负载时，所有频率的输入阻抗都会减小。但是，由于负载类型的不同 使不同频率的阻抗变化也不同，所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的 变化不可预测。 图8 是楼内电力线的测试结果。 阻抗特性：在实验所测的频率范围内，输入阻抗随频率的变化并不符 。 合一般想象中的随频率的增大而减小的变化规律，甚至与之相反，阻抗总体 上随频率升高而增加，为了解释这一问题，可以将电力线看成是一根传输线， 上面连接有各种复杂的负载。这些负载以及电力线本身组合成许多共振电 尘：! ；i i ! 星；i 些! ! ；：。一一 1 0 0 善 m l 0 】 图8 电力线特性阻抗测试曲线 注：两曲线是在同低压电力线网的不同地点测得 路，在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。因此，在输入阻抗一频率图上 可以看到许多阻抗低谷区，这些低阻抗区组合起来，就形成图8 所示的结 果。正是由于负载会在电力线上随机地连上或断开，所以在不同时间，电力 线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变。由于低压电力线输入阻抗的剧烈 变化，使发送机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保持 匹配，因而给电路设计带来很大的困难。 由此可见，电力线信道特性为多时变的，随负载、用电户的多少而不 断变化，其信号衰减特性和干扰特性非常复杂，而且随机性、时变性大。另 外，各种参数随频率而变化。噪声功率主要集中在低频段( 小于l o o k h z ) ，而 传输特性则因频率增加，衰减增大。产生上述现象的主要原因是：供电系统 是一个开放系统，易受到来自各方面的干扰影响，并且因为存在不同特性的 用电负载，外界负载数量也在变，所以特性阻抗亦在变，故产生传输衰减的 变化，从而导致信号不稳和失真。 坐圣i i 生i 竖! ! ；一一一 为了保证在电力线上进行数据通信的可靠性，必须提出如下一些限制 条件：信号传输距离不能太远( 一般不超过1 0 0 0 m ) ：最佳的传输信号频率 范围为1 0 0 4 5 0 k h z ：电力线载波传输信号限于同一变压器范围内。目前， 低压电力线载波通信已经朝着使用扩频通信技术的方向发展。采用扩频通 信技术，能在很大程度上克服电力线的强衰减、强干扰的缺陷，大大提高通 信系统的生存能力。采用扩频通信技术，结合适当的通信协议和差错控制技 术，完全可以满足低压电力线载波数据通信系统的需要。 3 3 电力线载波通信技术 近年来，对电力线通信技术的研究非常活跃。一般来讲，在配电网络 上实现双向通信有两种方案，一种是双向工频自动通信系统( z w ow a y s a u t o m a t i cc o m m u n i c a t i o nf o rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，它是近几年来发 展起来的新技术，但其数据传输速率实在太 氏，故本系统不予采用；另一 种是电力线载波射频法( d o w e rl i n ec a r r i e r r a d i of r e q u e n c y ) ，它是 利用调频或调相的方式，在电力线上传输信号，主要应用对象是电力传输 网络，在配电网络上也有很多应用。 目前，低压电力线通信技术的研究以扩频技术的应用为主要研究热 点。第一种是将在无线通信中的直扩技术应用于低压电力线通信，但其数 据速率不高：另一种是扩频载波技术( s p r e a ds p e c t r u mc a r r ie r ，s s o ， 2 5 它可以克服窄带通信技术的多种不足，克服各种恶劣的通道特性，提高通 信的可靠性。现在的扩频载波技术采嗣扫频( c h i r p ) 技术，改变了以往电 力载波直接序列扩频方式传输速率低的局面。其数据速率可达l o k b p s + 调 制解调方便，电路简单，可靠性高。还有一种是将正交频分复用( o r t h o g o n a d i v i s i o nf r e q u e n c ) rm u l t i p l e x i n g ) 技术应用到低压电力线通信中求，其 理论速率可达1 0 0 p s ，目前能实现的可靠通信速率也可达1 4 f o p s ，但对 于抄表系统来说，硬件电路复杂，成本太高，而且其载波频率为l z 3 0 i a h z ，辐射太厉害，会严重干扰中波广播、导航电台的正常工作。 我国分配给电力部门的频率为3 k h z 5 0 0 k h z 。因此，衡量多方面团素， 本系统采用基于扫频( c h i r p ) 原理的扩频载波技术( s s c ) 。它利用判以予 以太网的带有冲突检测机能的载波侦听多路访问c s v i a c d 协议。它的具体 方式是利用一系列短促的、可自同步的扫描频率c h i r p 作为载体，这种 c h i r p 具有固定模式，可被网上的任意结点接收。这些c h i r p 覆盖了 1 0 0 - - - 4 0 0 1 仆l z 的频带，并总是以2 0 0 k h z 开始线性扫描到4 0 0 k h z ，继而以 1 0 0 翻z 开始线性扫描到2 0 0 k h z 结束，这段时间一般为1 0 0us ，它代表了 最基本的单元符号时间( u s t ) ，如图9 所示，所以这种通信方式的数据传 输逋率可达到l o k b p s ，大大高于传统的载波通信。将扫描起始和结束的 频率都设计成2 0 0 k h z ，其原因有两个：一是最大限度限制扩频信号产生的 谐波，简化对滤波器的要求：二是使每个数据位扩频以后的信号波形平滑 山东夫学硕十学位论文 交流 电平 一25个刖期p l o o ps 州一i o n s 图9 扩频载波c h i r p 变换。扫频信号的幅值随着信号的频率而变化，这是因为电力线的阻抗也 随着信号的频率而变化。由于c h i r p 信号的线性扫描带宽比发送信号带宽 要大得多，因此可以获得较高的处理增益，一般可达到1 4 8 d b ，这样利用 c h i r p 信号传送数据具有较强的抗干扰能力。另外，c h i r p 还具有很强的自 相关特性，这种模糊逻辑的相关性决定了所有连接在网络上的设备，可以 同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形，并不需要在发送和接收设 备间进行同步，从而可以避免直接序列扩频和跳频通信同步慢的缺陷，使 多个结点在同一信道上采用c s m a c d 技术进行通信得以实现。在美国，电 子工业协会( e i a ) 已经采用了这种技术作为电力线的用户电子总线( c e b u s ) 标准的物理层规范。 c e b u s 标准定义了用于开发家庭和建筑群控制网络内部互连产品所要 求的全部通信和网络功能，它参考国际标准化组织i s o 的开放系统互连o s i 的七层网络模型，只是省略了表示层、会话层和传输层，使产品丌发的费 用和复杂性减到最小。虽然，它并未涉及如何实现、设计和应用接口问题 2 7 一 当查查耋丝! ：耋堡墼兰 ! 。：一 ( 这些问题有待于系统开发者自己解决) ，但是明确提出了大范围的多用户 互连问题，包括信号时序及结构、连接器、信号格式等问题。c e b u s 数据 包如图1 0 所示，以一个八位开关键控同步头信号作为开始，同步头中解决 了频道的访问和争用问题。当频道确定后采用相移键控p s k 技术把数据包 所含地址、控制或数掘等正文发送出去。信息正文后面是一个包结束标志 及一个用于错误控制的c r c 码。在一个数据包内通过对数据脉宽编码以表 示符号的域结束和包结束。在数据信息正文内，一个最小符号周期的持续 时间为1 0 0 “s 。有研究表明，利用c h i r p 载波传送信号，在6 0 0 米以内误 码率小于1 0 5 ，可以满足本系统抄表的要求。 帧头结束点信息正文帧尾c r c 8 u s t i u s ll y p 4 u s t 1 8 u s t 帧头8 - 1 6 u s t 卅 i- - 一+ 4 0 0 1 0 0 “s 一1 4 m st y p 斗 图1 0c e b u s 数据包时序 第四章系统设计与实现方案 前面介绍了设计本系统的背景及总体方案，也讨论了电力线载波扩频 通信技术及其原理。下面介绍本论文研究任务的设计与实现。 4 1 无线抄表系统的实现 在油田里，各采油及化工企业用电量大，电力用户多，这给电力部门 的电量计量、数据处理提出了很高的要求，而且许多用电点地处偏远，荒 僻，这就造成了电力计量箱分散，数据采集困难。在这种情况下很有必 要采用科技手段，使广大电力工作人员从繁重的工作中解脱出来。我们开 发的无线抄表系统经过客户信息反馈，采用开放式接插机型，各种功能可 任意搭配，既可针对多种实际情况，又节约成本。可大大方便电力部门的 工作。本系统采用集散测控技术，以各用电点a t 8 9 c 5 2 单片机为下位机， 中一c 、站p c 机为上位机，利用v h f 或u i f 频段无线电波作为传输手段构成主 从式测控系统。本系统基本功能为由中心站向众多用电点采集数据并处理， 并可在中心站控制各用电点电力的通断。在此基础上还可在地处偏远，人 迹罕至的用电点附加盗电( 失压) 告警功能，在有入盗电，盗窃、破坏电力 设施或意外失压情况下向中心站发送报警信号。在某些用电点，虽未安装 电能表也可装载压流监测设备，使中心站可以随时读取其当前相电压、相 电流值，此数据仅作为了解而不作计量用。利用本系统可由中心站采集方 圆2 j 公里以内的电力计量数据或了解性数据。 4 1 1 系统的工作过程及结构原理 本系统结构原理如图11 所示，由众多用电点下位机模块和一个中心 站上位机模块构成。 图l l 系统结构组成框图 电力线 中心站上位机模块主要由p e n t i u m 以上p c 机和一些外围设备( m o d e r n 远程数据通信板，中心站车载台等) 组成；用电点下位机模块组成部分较 多，完成基本功能的模块由a t 8 9 c 5 2 和a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机、r a m 数据存储 器、看门狗( 带有u p r o m ) 电路、4 8 j 丌l 电平转换器、音频调制器、发 射模块组成，如图1 2 所示；盗电失压告警模块出变压器、整流桥、施密 特触发器、a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机和看门狗电路组成，如图1 3 所示；压流监测 生童；i ! ! 兰i 竺! ；i 一：一 模块分两大部分，电压部分由变压、整流、滤波稳压电路组成，电流部分 由互感、整流、滤波及压流转换电路组成如，图1 4 所示。各模块在基本功 能模块的基础上可任意连接。 电力线 图1 2 下位机基本功能模块实现 用电点下位机基本模块平时由a t 8 9 c 5 2 经与非门选通后，通过r s 4 8 5 接口，按照三相电子式多功能电能表通信规约与电能表进行串行通信，读 取电能表中存储的电力数据，放在r a m 中，每几分钟刷新一次。在每次刷 新数据时，把站号送给a t 8 9 c 2 0 5 l 。a t 8 9 c 2 0 5 1 等待接收由中心站通过无线 方式传来的访问用电点的握手命令帧，并进行检测，当发现站号一致时， 山东人掌坝卜学位论史 向a t 8 9 c 5 2 辞崤中断。然后由a t 8 9 c 5 2 选通m o d e m 与中心站通信，每次传 送2 0 0 多字节，单向表数据分两次，_ 双向表数据分四次送完。并可根据接 收命令，通过继电器和交流接触器控制供断电。 也力线 压i 羽 能模块 i j 图1 3 下位机报警模块实现 若连接告警模块，则由该模块的a t 8 9 c 2 0 5 1 循环检测三相电的供电情 况，如发现有断相或失压，则向基本功能模块申请中断，基本功能模块的 a t 8 9 c 5 2 收到中断后，连续在每个工作频段发出2 0 条告警信息帧。 若未连接电能表，则连接压流监测模块。基本功能模块进行以下工作。 由a t 8 9 c 5 2 将事先设置好并存放在看门狗电路的e 二p r 洲中的站号取出并送 图1 4 采样与a d 转换模块 给a t 8 9 c 2 0 5 1 ，然后等待中断。此时a t 8 9 c 2 0 5 1 的工作即如上述。当a t 8 9 c 5 2 由方线 山东大学硕1 学位论殳 收到中断时，启动a d 转换，并将所得数据按照一定公式换算以后回送给 中心站。这种情况下，此模块仍具有控制供断电功能。 中心站采集数据后定期进行处理，产生同、月统计表和用电量及费用 直方图。 4 1 2 系统硬件及资源分配 中心站由p c 机及外围设备组成，外围设备主要有车载台及其电源和 m o d e m 远程数据通信板等。在这里主要介绍一下m o d e m 远程数据通信板， 本系统采用的是i p c 5 6 4 1 型m o d e m 远程数据通信板，它符合b e l l1 0 3 1 0 2 以及c c i t tv 2 1 ，c c i t tv 2 3 国际通信标准，具有可编程模式选择功能 和半双工、全双工以及幅度均衡功能，并且带有与p c 机兼容的串行口，因 此不占用机器硬件资源。板上装有电平转换接口电路，可与r s 2 3 2 电平 的串行口和1 v r l 电平的串行口相连。调制方式为f s k ，无线传输体制为 p c 舾- f s f m 。 设在用电点处的下位机，其基本功能模块采用双c p u 结构，主c p u ( a t 8 9 c 5 2 ) 负责循环采集电表数据，存放于数据r a m ( h m 6 】1 6 ) 中，