（电气工程专业论文）低压扩频远程电能集抄系统研究.pdf

a b s t r a c t a m i s ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ) o n o wv o l t a g en e t w o r kisa1 e a d i n g r e s e a r c ha tp r e s e n ti nt h ef i e l do fp o w e rc o n s u m p t i o nm a n a g e m e n ta n dp o w e rs a l e m a n u a lm c t e rr e a d i n gs y s t e ma d o p t e dn o wh a sb e c o m et h eb o t t l e n e c kw h i c hh a s s e r i o u s lvr e s t r a i n e dt h er e a l i z a t i o no f a u t 。m a t i cc o n t r o li ne l e c t r i c i t y m a r k e t i n g t h ed e v e l o p m e n to fn e we l e c t r i c i t ym e t e rw i t hr e m o t ed a t a c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n a l l ys h o w sap r o m i s i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c t ，f i r s t l y ， t hst h e s iss u m m a r i z e st h es p e c t r u mc a r r i e rm e t e rr e a d i n gs y s t e m u s e do nd o m e s t i cp o w e rl i n e sn o w ， a n dp o i n t so u tt h ep r o b l e m s e x i s t i n gi n a u t o m a t j cm e t e rr e a d i n gs y s t e ma d o p l e db o t hi nh o m ea n da b r o a d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r is t i c so fl o wv 0 1 t a g ep o w e rn e t w o r ki 丌t h ea r e ao fl a n z h o ua n dt h e d e m a n d so fe l e c t r i ce n e r g ym a n a g e m e n t ，t h et e c h n o l o g yo fs p r e a ds p e c t r u mc a r r je r i se m p l o y e dt oi m p l e m e n tt h es o jdm e t e rc i r c u i tw i t hs p r e a ds p e c t r u mc a r r i e r c o m m u n i c a c i o nf u n c t i o no nl o wv 州t a g ep o w e rl i n e a st h ek e yc h i p s ，a d sa d 7 了5 1 ， i n t e 】o n ss s c p 3 0 0a n da t m e l sa t 8 9 c 5 la r ec h o s e nt od e s i g nt h ec i r c u j t t h is t h e s i sd is c u s s e ss o l i dm e t e rc i r c u i t s ， t h ec o n n e c t i o nb e t w e e n s s c p 3 0 0a n d a t 8 9 c 5 1 a n dl h es o l i dm e t e r sf u n c t i o no nr e c e i v i n ga n ds e n d i n go r d e r s t h e r e s u l t st e s t e d ( ) nt h es p o td e m o n s t r a t et h a tt h ee l e c t r i c i t ym e t e rc a ng a t h e r t h ee n e r g yd a t ap r e c i s e l ya n dt r a n s f e rd a t ar e m o t e l y t h a tm e a n st h a tt h em e t e r d e s i g n e di nt h ist h e s isiss u i ，t a b l ef 。rt h en e e d so fa m r s k e y w 。r d s ： a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ：s p r e a ds p e c t r u mc a r r i e r ：s o l i dm e t e r 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，一本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 藉稼艺 日期：彻z 年厂月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 作者签名 导师签名 ( 请在以上相应方框内打“”) 籀机- 翌船 日期：伽一年j 7 月日 日期：弘彩年f 月彩日 r 程硕士学位论文 第1 章绪论 随着我国电力事业的蓬勃发展和人民生活水平的不断提高，电力已成为人们 生活、工作中不可缺少的组成部分。按照国家电力管理部门的要求，居民用电实 行“一户一表”制，电力系统必须加速建设现代化的电力营销体系。居民用户电 表数量的增加，公变数据采集考核内容的扩大，人工抄表已经无法满足电力系统 的管理和服务的需求。人工抄表的工作越来越繁重，效率低、误差大、成本高， 数据的统引分析准确率低且滞后，无法实现实时抄表、分时计费、实时监测。电 力系统迫切需要电力网络技术支持以便及时准确的获得用电管理、收费管理、供 用电线损统计、分析及电力安全运行等各方面的信息。为了满足电力部门埘电力 网络信息系统的要求，研究开发集中抄表系统已经成为一个热点。本文将对兰州 供电局家属小区实现电力线扩频载波自动抄表展开研究。 1 1 自动抄表系统的最新发展 自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g a m r ) 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。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，不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写 而造成帐单出错，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。 国内远程自动抄表系统的研究和开发大约始于9 0 年代初期。 在我国研究和开发的集中远抄系统都是单台配变下的小区集中远抄系统，其曲型 的组网拓扑大致如下： 用户电度表+ 单元子区数据采集器+ 配变集中器+ 营业站抄算主机 一般情况下，一个家属楼单元有1 4 一1 8 块低压电能表，单元子区数掘采集器 负责采集其下属的电能表电量数据，配变集中器则负责收集配电变压器下面的所 有单元子区采集器的数据。从数据传输的角度看，其组网方式有若干种，在此分 叙述如下： 1 、两级纯专线组网方式 参见图1 1 。纯专线组网方式的数据传输质量是有保证的，但专用数据通信 线路的建设和维护成本高居不下。尤其是对已建居民小区，改造费用相当昂贵。 电力部门在城网户表改造工程中为了降低专用线路的建设和维护费用，采取了电 度表( 一般1 4 一1 8 户) 和单元予区数据采集器集中安装在楼道内的集中抄表箱 内的集中装表方式，这样子区内部的通信专线要短些，亦可实现子区电能表相对 集中管理。 低压扩频远程电能集抄系统研究- 壁! ! 堕! 塑机椭水冲表 喜 圭 釜 型型丝爿l # 师州嚷 e 量 爱 替业堕! ! 视碾嘛再疆 萋 一一 图11 两级纯专线组网的抄表系统示毒图 图12 两级混合组网的抄表系统示意图 2 、两级混合组网方式 参见图1 2 。显然，它省去了在配电变压器和每个住宅楼单元之问敷设和维 护长距离通信专线的费用。但是现在推出的产品的电九线载波绝大部分采用窄带 调制( f r e q u e n c ys 1 ：i f tk e y ) 技术，由于低压电力线的载波信道特信非常恶劣， 有时有用信号被完全淹没在于扰噪声中或被剧烈地衰耗，数据传输距离、准确性 和可靠性都难以满足抄表系统的要求，从而限制这类技术产品的推广。 3 、两级载波组网方式 参见图i 3 。 图13 两级载波组网的抄表系统示意图 应该说，这是一种比较有前途的远抄系统组网方式。由于我国住宅楼单元的 配电方式是三棚四线制进线，按楼层均分负荷，这就导致低压载波电度表与单元 予区采集器之间不可避免的存在着载波信号的跨相耦合，载波信号的哀耗、干扰 和反射将更加严重。因此这种组网方式的技术和产品在推广应用中也遇到了难以 克服的困难。 饕群啭型牛鼍吐】 j 蒹球喏蛩 孔 萎】球制矗 蜃鹰 一岢，爿兰誉 一岢i掣_一单 ；一11一婺塔曝型卅啜鲁摹置薄蒜啭删申嘿兰 _l；o fl_lo 厂llj啦 ，_一， 薄 球制毫 i 。程硕士学位论文 4 、高层住宅楼p l c ( p o w e rl i n ec o i i l i u n i c a t i o n ) 接入方案 组网方式：接入方式采用( 盯t b + p l c ) 既：从城域网引光纤到小区各楼内配 电室内，楼内采用| i ) l c 接入，以配电网物理网络为基础，将配电网分为不同的用 户接入共享区域，根掘实际情况确定接入方案。对于用户集中，接入率较高的小 区住宅楼采用图1 4 所示方案。p l c 局端设备放在地下室的配电问内，将用户按 三相线路划分，将a 相线路的用户共享a 相电力线。使用同一条电力线的层或 相邻几层用户作为一共享区域，共用一台p l c 局端设备。这样在保证用户上网速 率的同时，可使局端设备具有较高的速率。用户端p l cm o d e m 从电力线中解调出 数据信号，通过u s b 或r j d 5 接口与用户计算机相连，保证端对端2 m b i t s 传 输速率。多个p l c m o d e m 还可组成，i 型局域网。 这利网络抄表模式具有较高的灵活性，可以随用户楼宇变换组合成不同的形 式。是目前国内大城市f 在推广的最佳方式。 圈1 4 高层住宅褛p l c 组网方案 5 、基于g p r s 网络智能抄表系统 图1 5 中电表和抄表服务器采用有限透明传输模式。即：l r l 0 0 智能控制模 块对数据进行有限过滤和分析处理，避免冗余和分辨出指令信息。通讯方式采用 s i m c o ms i m l o o 模块建立通过移动通信网关的无线通信链路，可以进行基于 t c p i p 和u d p i p 数据传输。基丁l r l 0 0 的容错机制和( ；s m 备用通道模式。弥补 了由于g p i t s 网络的不稳定性带来的影响。 l 。r 1 0 0 模块：实现对数据的有限透明传输和电表的智能控制，模块接受服务 器端通过数据传输模块到达的数据，经过分析，查询指令经r s 4 8 5 接口传输给电 3 低压扩频远程电能集抄系统研究 表，控制指令通过控制i o 对电表智能控制。电表接收到查询命令后，反馈回相 关信息，信息到达数据处理模块后，模块按事先配置的参数进行处理，需要回送 到服务器的数掘经数据传输模块进行传输，并根据电表反馈进行智能控制和报警 处理。 浚方案作为一种可靠且性价比较优的升发方案，既能缩短丌发周期，又能有 效降低技术门槛，使电力抄表自动化的实现更加便捷。这种方案要求用户电能表 具备智能端。即：数据记录、查询、指令监控等。由于这种电能表价格昂贵，国 内目前还未推广生产次类电能表。 智能控制 数据传送 教培针折 。节j l 一j 图15基于g p r s 网络实现智能抄表硬件框图 以上前三种方案中的配变集中器本质上是一种用户用电数据的集中收发器，其数 据网以及营业站抄算主机的数据通信一般是通过公用电话网的m o d e m 拨号传输。 而后两种使用无线通道实现配变集中器与营业站抄算主机的数据传输，这就要求 配电变压器和营业站装设一点对多点无线电台。由于常规无限射频电台的使用受 国家无线电管理委员会的严格限制，人们开始引进和研究将无线扩频技术 ( w i r e l e s ss p r e a ds p e c t r u mc o m m u n l c a t i o n ) 用于配变集中器和营业站抄算主机 的数据通信。配变集中器一般都具有红外线数据交换接口，在有线或无线专用通 道故障的情况下通过车载或手持红外线抄表器实现与营业站抄算主机的数据交 换。从组网拓扑的角度讲，只要在用户电度表、单元子区采集器，配变集中器采 用专用信道通信，远程自动抄表系统的缆线工程量就非常大，有线专用信道的维 护也有一定困难。鉴于这种情况，各科研单位和厂商都在努力做到取消单元子区 采集器，实现用户电度表与配变集中器的直接低压电力线载波通信，这样就大大 减少了缆线工程量，而且数据远程传输的组刚拓扑与低压配电网保持一致，有利 于系统的运行维护和用户数量的模数化扩展。这种拓扑要求一个用户终端，不但 要实现电量计度，还要实现电量数据信息的编码、解码、载波收发等功能。可以 构成完全基于低压电力线信道的载波电度表+ 配变集中器+ 营业站主机的组网拓 扑。 4 l 程硕士学位论文 实践证明：目前市场上已经开发出来的窄带调制的低压载波表和配变集中器 很难保证电量或控制数据的可靠传输。主要原因是低压电力线载波信道的特性随 机性、时变性很大，非常地不稳定。因此，低压电力线载波技术是直接通过电力 线组网的远程抄表系统进一步推广应用的钥匙。现在，在欧美发达国家开发一种 适合楼宇间或物业小区的低压电力线扩频载波技术，即将扩展频谱通信技术 ( s p r e a ds 口e c t r u mc o m u n i c a t i o n ) 引入到电力线载波技术中，以提高载波通 信的抗干扰性和抗衰减性，所以采用扩频载波技术实现配变集中器与用户终端的 双向通讯的载波装置，具有巨大的优越性，是目前国内抄表系统的主攻方向。国 内厂商最近亦推出了扩频载波表，但成本高居不下，技术上对国外的依赖性较大。 1 2 课题的意义 长期以来，供电企业电能数据的抄算都是基于电能表的手工作业方式，即每 月定期派人到各用户那里抄录电能表的用电数据作为电费计算和收缴的依据。随 着电力负荷的急剧增长，一户一表和直供到户等营销举措的不断深入，用电企业 纷纷将家属宿舍的用电管理业务交还供电部门，致使供电企业的电量抄录的工作 量急剧膨胀。兰州供电公司在城网农网改造结束后，仅市区居民直供用户达到 1 0 0 多万户，就地分散的手工抄表方式根本无法适应用电管理的需要。因此，远 程抄表系统的技术研究和产品开发势在必行。 我国研究和开发的集中远抄系统都是单台配变下的小区集中远抄系统，其典 型的组网拓扑大致如下： 用户电能表+ 单元子区数据采集器+ 配变集中器+ 营业站抄算主机 一般情况下，一个家属楼单元有1 4 1 8 块低压电能表，单元子区数据采集 器负责采集其下属的电能表电量数据，配变集中器则负责收集配电变压器下面的 所有单元子区采集器的数据。从组网拓扑的角度讲，只要在用户电能表、单元子 区采集器、配变集中器采用专用信道通信，远程自动抄表系统的缆线工程量就非 常大，有线专用信道的维护也有一定困难。鉴于这种情况，各科研单位和厂商都 在努力做到取消单元子区采集器，实现用户电能表与配变集中器的直接低压电力 线载波通信这样就大大减少了缆线工程量，而且数据远程传输的组网拓扑与低 压配电网保持一致，有利于系统的运行维护和用户数量的模数化扩展。这种拓扑 要求个用户终端，不但要实现电能计量，还要实现数据信息的编码、解码、载 波收发等功能。可以构成完全基于低压电力线信道的载波电能表+ 配变集中器+ 营业站主机的组网拓扑。实践证明：目前市场上已经开发出来的窄带调制的低压 载波表和配变集中器很难保证电量或控制数据的可靠传输。因此，低压电力线载 波技术是直接通过电力线组网的远程抄表系统进一步推广应用的瓶颈。 低压扩频远程电能集抄系统研究 本文致力于开发拥有自主知识产权的扩频载波用户终端。若开发成功，抄算 系统就可以使用简明的用户终端+ 配变单元+ 营业站抄算主站的组网拓扑，并将成 为省内主流的抄算系统网络拓扑。 在配电变压器和用户之间不使用任何独立的中继通信设备或专用信道，直接 利用低压电力线构成与低压电网系统结构相对应的用户电度表终端+ 配变集中 器组网的远程抄表系统是本课题研究所要达到的目标。本文的研究结论应该直接 体现为用户电度表终端和配变集中器样机，并能籍此组建：兰州供电局所辖居民 小区投入试点运行的低压用户远程抄表系统；为项目课题的二期研究和丌发打下 坚实基础；并为推广使用本文所研究的远程抄表系统积累经验a 用户电度表终端和配变集中器在远程抄表系统中的核心是他们的低压载波 收发模块。在一个以配电变压器为中心的住宅小区里，远程抄表系统要可靠的实 现其技术目的，低压载波收发模块至少要保证不小于5 0 0 米的可靠通信距离。窄 带调制的低压载波技术在恶劣的低压线信道中已被证实无法满足这一要求。本文 将另辟蹊径，把能够克服强衰耗和强干扰的扩频通信技术应用于低压电力线载 波，探讨其应用方法并研制其实用化电路。 本文研究成果将体现：( 1 ) 为甘肃电嘲大面积推广远程低压电能抄算系统铺 平道路，并为现有抄表系统产品的升级换代提供指导。( 2 ) 除了电量数据的远程 点抄、统抄和实时抄录以外，利用这成果，还很容易实现对低压电力居民用户 的远程负荷监控，使供电企业的用电管理踏上一条现代化的道路，而不必投入大 量的系统建设成本和人力资源。( 3 ) 煤气公司、供水公司也可利用这一成果和供 电公司一道共享这一廉价的通信媒介，建设水、电、气三位一体的远程抄表系统。 ( 4 ) 低压电力线无处不在，课题的研究成果还可能是以光纤为主的宽带信息网 得到有效地延伸。 本文所做的具体工作： ( 1 ) 兰州城市某居民小区远程自动抄表系统总体方案设计。 ( 2 ) 对低压电力线的信道特性进行研究。 ( 3 ) 研制和开发具有低压载波通信功能的智能化用户电表终端和台区变压 器集中器。 6 ： 稗硕士学位论文 第2 章低压电力线数据传输分析 电力线载波通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n 简称p l c ) 技术，从广义上 讲包含应用与高压配电网和中、低压配电网的窄带电力线载波通信，以及在中、 低压配电线路上实现的窄带数据通信。本文所讨论的是在中、低压线路上实现数 据通信。使电能表的数据通过低压电力线传送到集中器。 电力线载波通信技术出现于本世纪二十年代初期。”。它以电力线路为传输通 道，具有可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点。在我 国，四十年代时已有日本生产的载波机在东北运行，做为长距离电力调度的通信 手段。五、六十年代，我国开始研制自己的z d d1 型电力线载波机，未能实现产 品化。后经过不断改进，形成了具有中国特色的z d d 一5 型电力线载波机。该设备 为四用户、两级调幅、具有a g c ( 自动增益控制) 控制电路和音频转接接口，呼 叫方式采用脉冲式，经改进后的z d d 一5 a 型机也能够复用远动信号。在我国六十 年代到七十年代时期，该机所代表的模拟制式电力线载波机得到了广泛应用。七 十年代时期，我国模拟电力线载波机技术已趋成熟，当时以z d d 一1 2 、z j 一5 、z b d 一3 机型为代表，在技术指标上得到了较大地提高，并成为我国应用时间最长的主流 机型。我们可将在此之前的载波机称为第一代载波机。八十年代中期，电力线载 波技术开始了单片机和集成化的革命，产生了小型化、多功能的载波机，如s 一2 载波机等。在这一阶段，主要的技术进步为单片机自动盘代替了三极管或布线逻 辑的自动盘；集成电路的调制器、压扩器、滤波器和a g c 放大器代替了笨重、多 故障的模拟电路；- c m o s 、v m o s 高频大功率管在功放电路中的应用等。这一阶段 的载波机可称之为第二代载波机。到了九十年代中期，以s n c 一5 电力线载波机为 代表，在国内首次采用了d s p ( 数字信号处理) 技术，将载波机音频至中频部分 的信号处理使用d s p 器件来完成，实现了软件调制、滤波、限幅和自动增益控制。 这类载波机可称之为数字化电力线载波机，划为第三代。由此开始，电力线载波 业界进入了载波机的数字化革命阶段，许多企业纷纷投入力量着力于数字电力线 载波机的技术研究工作。到了九十年代末期，采用新西兰生产的m 3 4 0 数据复接 器( 目前国内已有自主知识产权的同类产品) ，结合电力线载波机的高频部分为 一体的全数字多路复接的载波机问世。这一成果提高了载波机的通信容量，从根 本上初步解决了载波机通信容量小的技术“瓶颈”问题，从而为电力线载波市场 带来了空前的机遇。从市场上来看，数字化和全数字载波机已占掘了高压电力线 载波机产品的大部分市场，模拟制式的电力线载波机销售量已开始萎缩，除了特 殊的应用场合外将趋于淘汰。 7 低压扩频远程电能集抄系统研究 2 1 低压电力线数据传输的研究现 电力线载波在1 0 k v 线路上的应用国外自5 0 年代丌始，主要应用在中压电 网的负荷控制领域，大多为单向数据传输、速率低( 有时小于1 0 b i t s 甚至更低) ， 并没有形成大规模的电力线载波通信服务产业。国内在八十年代后期多数是直接 使用小型化的集成电路农电载波机实现点对点通信，也有个别采用窄带调频载波 机的，使用范围很受限制。随着l o k v 线路通信需求的增长，到了九十年代未， 出现了多种载波通信设备( 这些设备可采用不同的线路耦合方式如：电容耦合、 变压器耦合、低压耦合、陶瓷电真空耦合及天线耦合等) ，调制方式也在原来的 f s k 凋制、p s k 调制、音频注入、工频调制、过零点检测等方式的基础上丌发了 先进的扩频调制方式，( 如d s s 直接序列扩频，f h 跳频，t h 跳时、交叉混合扩频、 c h i r p 宽带线性调频，o f d m 正交频分多路复用等) 。目前在国内使用的1 0 k v 电力 线数据传输设备中，使用最多的还是窄带调制设备( 主要是多信道p s k 及f s k 调 制) ，采用扩频方式的设备也已开始崭露头角，随着市场的发展和技术的成熟， 扩频载波设备必将在电力线载波中压应用方面占有越来越重要的地位。 低 压 电 网 数 据 通 信 网一地方式一静电容无绳逼信 相一零方式 三三：三信 电力线窄带载波 电力线扩频载波 数字配电线载波 图2 1 低压数据通信技术分类 电力线载波在3 8 0 2 2 0 v 用户配电网上的应用在九十年代后期之前只限于采 用调幅或调频制式的载波电话机，实现近距离的拨号通话，也有采用专用的芯片 实现近距离数据传输的。我国大规模地开展用户配电网载波应用技术的研究是在 2 0 0 0 年左右，目前在自动集抄系统中采用的载波通信方式有扩频、窄带调频或 调相。在使用的设备中，以窄带调制类型的设备为多数，其主要原因可能是其成 本低廉。而电线上网的应用由于要求的速率至少需要达到5 1 2 k b i t s 1 0 i t s ， 所以无一例外地采用扩频通信方式。在各种扩频调制方式中，由于采用正交频分 多路复用技术( 0 r t h 0 9 0 n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 调制具有 突发模式的多信道传输、较高的传输速率、更有效的频谱利用率和较强的抗突发 干扰噪声的能力，再加上前向纠错、交叉纠错、自动重发和信道编码等技术来保 证信息传输的稳定可靠，因而成为电力线上网应用的主导通信方式。就实现方 式来讲，目前低压电网数据通信技术主要有两类。一一类是网一地方式，在整个低 8 t 程硕士学位论文 压电网和大地问传输数据信号i 另一类是相地方式，在相线和零线问传输数据 信号。前者的典型代表是静电容无绳通信方式，后者的典型代表是电力线载波通 信方式和双向工频通信方式。具体见图2 1 所示。 22 静电容无绳通信方式在低压电网中的实施 1 、静电容无绳通信方式 静电容无绳通信方式。”就是把整个低压电网的相零线路经耦台电容、线间寄 生电容、相零间的用电器阻抗联成一体，作为一个大电容器的一极，大地作另一 极。被传信号( 被调载波) 加在两极上，在两极间形成信号电场，接收机用带拖 线或拉杆天线的调谐器可获取部分电场能量，感应出信号，再经放大、解扩、解 调而接收信号。接收机只能在电网和大地之间的空间区域接收电场能量。对零线 接地的低压电网需在全部接地处，用专用接地器( 对高频信号阻抗很大，对5 0 h z 电力频率阻抗 l o q ) 接地，由于信号频率远高于工频，故接地器简单且价格低 廉。其原理如图2 2 为静电容无绳通信方式在低压电力网上的实施图。静电容无 绳通信方式是一种比较有效的低压电网数据通信方式。但由于探测接地点困难， 所以在实际应用中有一定困难。 2 、，电力线窄带载波通信方式 窄带电力线载波通信h 1 与传统的无线通信方式相似，即在电力线路上利用调 频或调相的方法进行中高频的信号传输，通道两端由发射机和接收机分别进行调 制和解凋( 原理图略) 。窄带电力线载波通信一般采用f s k 调制解调方式，接收 灵敏度最高可达1 5 m v n n s ，载波工作频率可以通过外接r c 元件加以调整， 般从4 0 k h z 到5 0 0 k h z ，数据传输率一般为1 ，2 k b p s 。在传统的窄带电力线载波 通信应用中，有多种现成的电力线调制解调器可供选择，如s t 7 5 3 6 、l m l 8 9 3 、 a t _ 9 3 0 1 、n e 5 0 5 0 等。但是窄带载波通信方式的抗干扰能力比较弱，传输距离比 较短( 一般在2 0 0 米以内) ，传输速率也比较低，所以一般适用于传输速率低、 距离短、数据量不大的点对点通信场合。 低压扩频远程电能集抄系统研究 3 、电力线扩频载波通信方式 瓤警肇 接收数据 23 电力线扩频载波通信方式原理示意图 扩频通信相对于窄带通信而言具有技术上的一定优势，主要是抗干扰能力 强，其目的在于牺牲带宽以换取系统抗干扰性能及可靠性的提高，在信道特性恶 劣的低压电网载波通信中采用这种技术是特别有效的。扩频的方法很多，主要有： 直接序列扩频；跳频扩频；跳时扩频；线性调频。将扩频通信技术应用于电网数 据通信是一大飞跃，目前低压电网数据通信技术的研究与应用中较多地采用了这 种方式。其原理框图如图2 3 。详细内容见本文第5 章论述。 4 、数字配电线载波通信方式( d p l ) d p l 技术本质上也是电力线载波通信技术。它采用改进的因特网协议( i p ) 以及复杂的专用电子装置在低压电网上传输m h z 级的数字高频通讯信号，同时 监视导致信息失真的脉冲信号以及其他形式干扰。由于数据传输中的数据流是被 分切后封装起来进行传输的，而不是以连续的信号流形式传输，因而数据传输不 象声音通信那样易受干扰。此外，i p 可以保证被噪声影响的封装可以再传一次。 同时，由于该项技术中数字化双工设备的采用，调制过程的应用及无线装置性能 的改善，可利用的通信带宽已增至原来的1 0 0 倍。目前所实现的d p l 技术是将 配电电网进行调制，使之可以同时传输两路甚至多路信号而不会产生任何互损。 这些信号的频率范围很宽，从超低频( 如5 0 6 0 h z ) 到超高频( 如5 0 0 6 0 0 m h z ) 。 d p l 技术的调制是通过在相应的网络互联点上安装三出口的定向耦合调制单元 ( c u ) 实现的，c u 的基本元件如图2 4 所示： 图24d p l 技术中的c u 基本元件 1o 一l 程坝士学位论_ 文 在低压电网上使用一定数目的c u 就构成了所谓的高频调制电力网络 ( h f c p n ) ，一个典型h f c p n 的特点是稳定性高和对噪声的容错性强。d p l 技 术正是通过h f c p n 将低压电网转换成了局域网( l a n ) ，其目标是使用户访问 因特网象使用电话那样方便。 5 、双向工频通信方式 利用工频电压基波过零调制的方法实现信号的调制和解调，调制信号的频率 很低，只是工频的3 7 倍。该方式的设备由：子站端( 二次变压器) 的调制解调 设备和用户端的调制解调设备组成，在传输通道上无需任何附加设备。其传输通 道分成两个都分：子站向用户传输数据，称为输出信号通道( o u t b o u n ds i g n a l ) ； 由用户向子站传输数据，称为输入信号通道( i n b o u l l ds i g n a l ) 。 输出通道是利用电压波形调制来传递信息，一般用于子站端到用户端的通信。在 工频基波电压过零点附近，加入一个调制电压，使工频基波产生形变。同时，在 两个相邻波形上只调制一个波形，如图2 5 所示，用调制第一个波形不调制第二 个波形来表示“1 ”，反之则表示“o ”。 图2 5双向工频通信中的电压调制( 输出通道) 输入通道利用调制电流基波波形的方法来实现。如图2 6 所示，利用 四个相邻波形来表示一位信息，通过在电压波形不同的过零点处调制电流 信号来表示不同信息。如l 、3 、6 、8 被调制表示“1 ”，而2 、4 、5 、7 被 调制表示“0 ”。相邻波形基本相同的特性决定了在检测时可以削弱缓变干 扰的影响，只要能够检测出相邻波形问存在所加入调制信号的变化特征， 应可以认为有信号调制，并根据相应的位置判断出所调制的信息。 图26双向工频通信中的电流调制( 输入通道) 双向= l = ：频通信方式的最大特点就是解决了载波方式难以解决的肖接跨越变 低压扩频远稗电能集抄系统研究 压器传输数据的问题和传输距离短的问题。它无需增加额外的系统设备，对现有 系统没有特殊要求，节省了大量的设备费用：信号在传输过程中，无泄漏和旁路， 衰减小，不需滤波器和阻波器，可以实现真正意义上的双向通信，上下的通道互 不干扰，可以进行多通道通信；对电网本身无干扰，对电网本身的频率和幅值变 化也不敏感，抗干扰能力强；信号在过零点附近调制，所需的调制功率小，易于 实现【8 】。这些优点都源于它独特的调制方法。但是双向工频通信方式的传输速率 非常低，比一般的电力线载波通信方式还要低，因而主要用于速率不高的通信情 况下，如自动抄表系统，远程负载控制等。 2 2 低压电力线进行数据通信的特性分析 我国的低压电力网，大致可分为以下三种类型： ( 1 ) 以居民用电为主的低压电力网。其特征是用电分布地域很广，一台变 压器容量在几百千伏安以下，供电距离在城镇达2 k m ，在农村达5 k m ，用电器主 要为照明灯及各种家电。对中性点接地的低压电力网，多余接地点多，各种私拉 乱接违章现象严重。 ( 2 ) 以研究单位用电为主的低压电力网。其特征是用电集中在小地域，一 般一台变压器容量从几百到几千千伏安，供电距离一般不超过1 k m ，用电器为科 研仪器设备，低压电力网较规范。 ( 3 ) 以工厂、车间用电为主的低压电力网，其特征是用电集中在小地域。 一般一台变压器从1 千千伏安到1 万千伏安，供电距离1 2 k m 。用电器中有耗电 很大的设备，如大功率可控硅控制的电炉，电焊机，大功率电动机，电解稽等。 这些大功率设备在开关和控制设备中产生强大的干扰。 我国多数地区运行的是中性点接地的低压电力网，电力系统要求零线按规定 分布，重复接地。同时规定电器设备接零与接地保护不允许同时使用，也不允许 混合使用。低压电力网( 1 ) 系统需在每个接地点用专用接地器接地，否则“电 容器”将在这些接地点被短路，使被传信号入地。但许多用户盲目自行地将零线 与地线接在一起。甚至违章地将电气设备的外壳又接零又接地。这些多余接地点 随机分布在广大的区域。表现是低压电力网对地绝缘电阻低( 4 吼2 ) 绕制。绕制务必紧密，防止寄生电容为负载吸收提 供新的通路。 6 4 用户电度表终端的其它电路 6 4 1 电量传感及计量电路 电量传感及计量电路如图6 3 所示。c t l 、c t 2 和p t 构成传感器电路，并实 现与电力线隔离。 计量电路的主芯片是a d 公司的单相防窃电电度表芯片。a d 7 7 5 1 在大动态 范围内仍然可以高精度的计量，在1 一5 0 0 i b 的范围内，误差小于o 3 ，符合 5 0 6 0 i zi e 5 2 1 1 0 3 6 国际标准。内部具有上电、掉电自动复位电路。芯片具有 用于检验或与微机接口的高频脉冲输出端( c f ) ，输出表征用电即：时实功率的 频率脉冲，可用于校表或与微机相连。芯片的f 、f 。引脚上以负脉冲的形式输出 平均实功率的信息，可直接驱动机电式计数器或双相步进电机。c f 脉冲频率是 f ，、凡b l 脚脉冲的1 6 或3 2 倍频。芯片的电流输入端具有放大倍数可选的放大器， 便于电路设计。芯片内部有一个新颖的故障检测电路，当相线电流和中线电流相 差1 2 5 时即从f a ul 1 、脚输出故障报警电平，还能启用较大电流继续正确的记录 电能。检测到逆功率用电时，可给出r e v p 逆功率信号。特别是r e v p 和f a u l t 信 号对于电度表现场错接线和防窃电具有非常实用的意义。 在图6 3 电路中，r w l 、r w 2 和r w 3 、r w 4 分别为c t 、p t 的负载电位器，可 把传感器采集到a d 7 7 5 l 的电流通道和电压通道的差分输入调整对称。这样，传感 器就可以选用标准器件。r 卜r 4 和c 1 一c 4 构成低通滤波器。r 5 和c 6 组成上电自 复位电路。d i p 开关用设置电流通道的增益和输出频率的转换基准。 43 低压扩频远程电能集抄系统研究 图63 电量传感及计量电路j 尕理图 64 2 故障保护电路 故障保护电路如图6 6 所示。u 2 a 差分放大器对相线和中线电流信号v l a 、 v l b 进行差分比例放大后由u 2 b 双向检波器形成正比于电流差的直流信号。u 2 c 电压比较器把该信号与调定的基准作比较，当漏电流超过3 0 i t l a 时输出电力线漏 电的电平信号( c u r p ) 。u 3 a 、u 3 b 、u 3 c 放大器构成了电网电压超标监测电路， 输出电压超标电平信号( v o l p ) ，这两路信号都接入a t 8 9 c 5 l 的i o 口，以便启 动故障保护程序。顺便指出，m c u 可用软件实现用户过载保护，无需涉及另外的 硬件电路。 图64 故障保护电路原理图 6 43 负荷控制电路 负荷控制电路使用了高电压大电流的金封双向晶闸管b t 4 l a 7 0 0 b ，由 具有过零开闭的光电晶闸管m o c 3 0 6 3 隔离驱动，构成过零导通和阻断的固 态交流功率开关。参见图6 5 。压敏电阻和阻容吸收电路在电压过冲时对 44 ：明掣坝士1 ￥：位论文 功率晶闸管实施保护。为了防止切断大电感负载时晶闸管误触发导通，g 极设置了滤波电容，以限制g 极电压的变化率。m c l 4 1 6 是一种漏开路的反 相驱动器，直接由t t l 电平c l 。s e 推动。 图65 负荷控制交流固态开关原理图 6 4 4 就地显示电路 显示模块采用m a x 7 2 1 9 ”作为驱动，电路结构简单，调试方便，应用灵活 性能优异。 图66 显示模块原理图 作串行数据输出，连接到m a x 7 2 1 9 的d i n 脚，p ：。和p 2 。通过程序分别模拟 m a x 7 2 1 9 的时钟脉冲c l k 及数据加载l o a d 信号。m a x 7 2 1 9 的s e g a s e g f g f ，s e g d p 端连接到各l e d 数码管对应的a f 及d b 端，d i g o 7 分别接8 位l e d 数码管的 共阴檄，以实现位选。实际上，数码管的位数可在l 一8 之间任意选择，这可由写 入的扫描界线寄存器的命令字决定。1 8 脚和1 9 脚间9 6 k q 的电阻是必须的， 并目为了使由峰值数字驱动器电流引起的纹波减到最小，在+ 5 v 和g n d 之间尽可 4 5 锈 低压扩频远程电能集抄系统研究 能靠近：f ! ：片的地方外接一个1 0uf 的电解电容和一个o1uf 的瓷片电容。 m a x 7 2 1 9 放在紧靠l e d 显示器的地方，且连线尽可能短，两个g n d 引脚都连接到 了地线j 二。 m a x 7 2 1 9 是一种新型的串行接口的8 位数字静态显示芯片。只需组+ 5 v 电 源和8 9 c 5 1 2 的三个输出口，且无附加电路，可驱动1 8 个l e d 显示器，显示亮 度可调，工作可靠。其详细资料见文献。 6 5 用户电度表终端的p c b 设计 由于低压扩频载波模块处理的是低射频的毫伏级信号，在加之是一个典型的 数字模拟混合信号系统，所以电路的p c b 设计至关重要。我们在设计过程中遵循 了以下设计原则”“： ( 1 ) m c u 电路模块，扩频载波电路模块和其它电路模块在p c b 布局上要有 较为明显的隔离带。具体做法是以m c u 电路模块为布局中心，一侧放置低压扩频 载波模块，而另一例或偏紧另一侧的上方和下方放置注入电量计量电路或故障保 护电路，a t 8 9 c 5 1 与s s c p 3 0 0 的s p i 连接尽量地短。 ( 2 ) 模拟信号的铜箔走线远离电源的模拟地、数字地。模拟地、数字地分 开单独走线，然后通过一点相连。供电电源的走线尽可能地粗些，实际控制在2 唧以上。 ( 3 ) 信号走线的线宽、信号走线与焊盘、过孔的间距控制在0 3 5m m 以上。 耦合电路的信号走线要加大其宽度到0 8m m 以上，尤其是功率放大器通过发送信 号的主线保持在1 5 姗以上。 ( 4 ) 所有数字或模拟信号走线避免直角拐弯，采用较大圆弧或4 5 。角拐弯， 以降低传导反射。 ( 5 ) 较细的铜箔连到器件的焊盘，全部补上铜箔泪滴。 ( 6 ) 功率放大器的主要器件配置比标准封装大一号的散热器，或铺设较大 面积的散热铜箔。 ( 7 ) 布线完成之后，在电路板的四周或空白处敷铜并联到机壳地。 遵循上述设计要点，我们花了近一个月时间来做一块1 4 0m m $ 1 4 0 姗的双面 印刷电路板，并经过了大量的精心的器件布局和走线调整。多输出开关电源电路、 电量传感器电路、负荷控制电路的执行晶闸管和阻波器等体积较大的器件并没有 布置在这块电路板上。样机板装配调试后在现场测试的结果基本上达到了本课题 的目的。 6 6 用户电度表终端的软件设计 软件发计特点是要满足电能采集的可靠性和精度，要随时接受用电管理部门 46 一l 程硕士学位论文 的控制指令并动作，要自动临测过载、窃电等故障并动作，要具有自保护功能等， 实现智能化监控。 6 6 1 软件系统的组成结构 总的软件系统结构图如图6 9 示，分为主程序、日历时钟子程序、电量采 集子程序、掉电保护子程序、显示子程序、异常保护子程序和载波通信予程序。 其中，实时时钟子程序用以记载电量发送的当前时间、各种故障时间等。电量采 集子程序用以计算电功率，既定标。掉电保护子程序检测到电源掉电，则自动将 当前电量和州间送串行非易失性存储器保存，等恢复正常后自动以此值累计。显 示子程序实时显示当前电量。异常保护子程序如果监测到用户用电过载、线路漏 电或电网供电电压过高则通过负荷控制电路自动断电。通信予程序收到用电管理 部门的指令则按指令动作，包括接收程序和发送程序两部分。由于各模块软件设 计具有共通性( 普遍应用串行扩展的软件虚拟技术) ，且限于篇幅，对各模块软 件不一一罗列，仪在第三小节重点介绍p 3 0 0 的编程方法。 主程序丌始 图67 用户电度表终端软件组成结构图 6 62 主程序流程图 用户电度表终端的主程序流程如图6 8 。 6 6 3 串行扩展的软件虚拟技术设计 户表采集器的外围扩展j 占片( d s l 3 0 2 、m a x 7 2 1 9 、x 5 0 4 5 、p 2 0 0 ) 普遍采用串 行扩展方式【”“。”，故各部分软件设计具有通用性。下面给出串行总线虚拟技术 的字节读写子程序流程图。各模块软件根据各自时序略作改动即可使用。 所谓串行总线虚拟技术，即用通用】0 口来模拟串行接口的时序，构成虚拟的串 行扩展接口，就能使目前所有具有串行接口的外围器件用在任何型号的单片机系 统中。时序模拟时，只要严格控制串行时钟，并满足串行同步数据传送时序要求， 就可满足数据传送可靠性要求。图6 ，1 l 为写子程序流程图，图6 1 2 为读子程序 47 流程图。其中，p 。、p 。对应入c p u 、出c p u 的i o 端口，延时根据各：占片的时序 决定时间长短 星