基于扩频通信技术的智能电表设计

电测与仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf Electrical Measurement & Instrumentation 第 47卷 第 7A期 2010年 7月 Vol.47 No.7A Jul. 2010 *上海市重点攻关 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 （08160510600，09160501700）; 上海市教育委员会科研创新项目（09ZZ185，09YZ337） 0 引 言 智能电网，是指通过建立数字化的电网系统架 构，从整个网络系统的各个节点处（电表、变电站、发 电厂等）获得所需的智能化信息。它包括先进计量体 系（AMI）、高级配电运行（ADO）、高级输电运行 （ATO）和高级资产管理（AAM）四大模块。其中，AMI 是智能电网的关键体系，而智能电表又是AMI的核 心。智能计量是实现智能电网智能化和智能数据管理 的关键基础技术和重要功能。因此，智能电表是智能 电网的重要终端。 自动抄表系统AMRS（Automatic Meter Reading System），是对电能计量自动抄收的自动控制系统，能 提高电力系统用电管理的现代化水平。当电表计量系 统具备电力线载波通信、无线电通信、RS- 485等通信 功能时，电能的自动抄表系统的性能得到提升。 1 电力线通信技术（PLC） 电力线通信PLC （Power Line Communication）技 术，从广义上讲包含应用于高压输电网和中低压配电 网的窄带电力线载波通信，以及在中低压配电线路上 实现的宽带数据通信。它是利用覆盖广泛的电力线信 道传输数据信号的一种通信技术[1]。 当前电力线通信技术的发展相当迅速,将扩频载 波通信模块加入到多功能电能表当中,实现对电能数 据的传输, 在自动抄表领域将会有很大的应用前景。 电力线载波通信技术是自动抄表发展的重要方向，但 电力线的传输环境具有不利于数据传输的特性[2]：变 压器和用户设备如空调、冰箱等有着极低的阻抗，可 以使传输信号严重衰减；在线负荷变化大，如家电设 备的瞬间起动可变的分布阻抗几乎对所有频率的信 号都起着衰减或隔离的作用，并且这些变化没有规 律，呈随机状态；噪声模型无规律等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。针对以上干 扰问题，宜采用抗干扰能力强的通信技术，即电力线 载波采用扩频通信技术。扩频通信技术是信号所占带 宽远远大于发送信息所必需的最小频带宽度的一种 传输方式。频带的扩展通过伪随机码序列来完成，在 接收机中用同样的码进行同步接收、解扩和数据恢 复。实现扩频的主要方法有:直接序列调制、频率跳 基于扩频通信技术的智能电表设计* 林建宇 （上海电力学院 通信系，上海 200090） 摘要：介绍了一种基于扩频电力线通信技术的智能电表终端系统设计，该系统适用于低压配电网。利用AD7751 芯片作为电量计量的主要部件，并将电能量参数通过SSCP300扩频载波通信模块传输到低压电力线，从而实现 自动抄表。由于采用扩频通信技术，该系统能提高抗干扰能力，具有较高的实用价值。 关键词：电力线通信；扩频通信；自动抄表系统；智能电表 中图分类号：TM933 文献标识码：B 文章编号：1001- 1390（2010）7A- 0057- 04 The Design for Smart Metering Based on Spread Spectrem Communications LIN Jian- yu （Shanghai University of Electric power, Shanghai 200090, China） Abstract: A smart metering terminal design scheme based on spread spectrum communications is presented, which is applicable to low- voltage power network. The power and energy parameters are measured by AD7751 chip, transmitted by SSCP300 spread spectrum communications block over the low- voltage power line, which realizes automatic meter reading. In virtue of spread spectrum communications technology, the system enhances anti- interference with high practical applications value. Key words：power line communication，spread spectrum communications，automatic meter reading，smart metering 57- - 电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation 第 47卷 第 7A期 2010年 7月 Vol.47 No.7A Jul. 2010 变、时间跳变和利用Chirps扫描频率进行线性脉冲调 频[3]。目前，基于SSC技术的电力线通信芯片的数据传 输速率在1～2 Mb/ s。 2 智能电表系统的硬件设计 在远程电能抄表系统中，具有远程载波通信能力 的智能电表系统是核心设备。智能电表系统硬件设计 主要包括扩频载波通信模块、单片机控制模块和电能 量计量模块。其主要功能为数据信息的远程扩频载波 收发、电能计量和负荷监控等。 它的总体工作原理框图如图1所示。扩频载波通 信模块采用电力扩频载波技术，实现数据在电力线上 的接收发送。电能量计量模块是该系统的重要部分， 它以电能专用计量芯片ADE7751为核心，将模拟的电 流、电压信号采样后计算出瞬时功率，累加得到电能 量值并将电能量数据存放在片内寄存器中。智能电能 表主要负责电能量数据的采集，因此要有较大容量的 存储模块，用以存储大量的电能量数据，以便数据上 报和统计。 2.1 SSCP300芯片的主要功能特性 SSCP300芯片采用扩频载波通信技术，其传输信 道为电力线，能通过SPI接口与单片机控制器进行串 行通信。它符合EIA600 CEBus标准，扩频信号工作频 率范围为100～400kHz的带宽，其数据包传输速率为 10Kb/s. SSCP300芯片主要管脚功能如表1所示。 2.2 低压电力线扩频载波通信模块 低压扩频载波模块主要由SSCP300低压电力线 扩频载波芯片、前置功放和电力线耦合电路构成，其 主要功能是对单片机控制单元发送来的数据进行线 性扫频调制，放大后耦合到电力线信道上；反之，对通 过电力线信道发送的载波信号进行扫频解调后被单 片机控制单元接收。其数据通信采用了收发分时控制 的半双工通讯，与配电变压器集中器的通信距离约为 1000m。在信道特性最恶劣的情况下保证不小于 600m。 扩频载波通信模块通过串行外围接口（Serial Peripheral Interface，SPI） 与单片机控制单元相连， AT89C51单片机与SSCP300通过CEBuS通信协议通信 来支持命令和数据的传输。这些命令和数据包括将要 发送的分组、已接收到的分组和状态及设置信息。 SSCP300则向单片机控制单元提供符合CEBus标准的 数据链路层和EIA- 6规范的物理层网络服务，最终实 现了与单片机的通信。在发送数据模式下，电力线通 信扩频载波Chirps从SO输出到滤波器，然后输出放大 器由三态信号TS决定是否通过耦合电路传输到电力 线信道上；在接收数据模式下，通信信号通过电力线 信道传输到带通滤波器，经放大后传输到SI脚。因此， 单片机控制单元 AT89C51通过 SPI接口总线对 SSCP300内部寄存器进行读写；低压电力线扩频载波 模块通过TS、SO、SI实现对功率放大电路单元的控制， 使数据信号放大耦合在电力网中传输，完成基于电力 线扩频载波技术的远程通信。采用SSCP300扩频载波 智能电表的扩频载波模块在输入信号电平- 30dB的 微弱信号时仍然能够可靠准确地检测、解调。 2.3 电能量计量模块 电能量计量模块电路主要采用AD7751电度表芯 片，可对50/60Hz单相交流电进行电能计量。在500：1 的动态范围内，测量误差小于0. 3%，符合IEC 1036国 际标准。内部具有上电、掉电自动复位电路。它能实现 有功功率测量、故障检测、防窃电、负荷控制以及显示 等功能。AD7751芯片主要管脚功能如表2所示[4]。 AD7751芯片引脚fc以高频脉冲形式输出有功功 58- - 电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation 第 47卷 第 7A期 2010年 7月 Vol.47 No.7A Jul. 2010 率瞬时值，可用于电表校验或与MCU接口。芯片的f1A、 f1B引脚上以负脉冲的形式输出有功功率平均值的信 息，可直接驱动机电式计数器。芯片内部具有故障检 测电路，当相线电流和中线电流相差12.5%时，即从 FAULT脚输出高电平，可驱动发光二极管或蜂鸣器进 行光声报警。当智能电表检测到负功率用电时，输出 REVP信号。电能量计量模块的REVP和FAULT信号对 于电度表现场错接线和防窃电具有实用意义。电量计 量模块的表征负荷的即时有功功率的脉冲信号（fc）， 通过单片机控制系统对其进行累加计数运算形成电 能数据；由AD7751输出的fc信号连接到AT89C51的 T0、T1接口，对fc脉冲进行累加计数，最后计算出有功 功率P和电能W。AT89C51单片机通过P1口和INT0引 脚模拟了SPI的接口电路，关于有功功率P和电能W的 串行数据通过此接口发送给SSCP300。表征负荷的平 均有功功率的脉冲信号（f1），能给用户现场提供电度 度表运行的指示。此外，表征用户电力线漏电的信号 （CURP）和电压异常信号（VOLP），可以作为负荷控制 的判据。单片机控制模块向负荷控制模块输出负荷控 制指令（Close）和（Trip），推动负荷控制模块动作，执 行停电或送电。为了保证自动抄表的实时性和掉电后 数据不丢失。存储模块采用了AT45DB321C，具有SPI 接口，工作频率为44MHz。其容量是32M字节。共8192 页，每页528字节。并且具有2个528字节的读写缓存 SRAM，能加快读写速度。此外，LED显示模块通过 MAX7219来显示输出电量电能数据。 3 智能电表系统的软件设计 系统软件设计采用模块化设计思想，其主要性能 是满足电网电能计量采集的可靠性和精度。智能电表 系统软件设计原理框图如图2所示。 其扩频载波通信子程序则按用电管理部门指令 通信，包括接收程序和发送程序两部分。故障保护子 程序能自动监测过载和窃电等故障，具有自保护等功 能，最终实现智能化监控；当掉电保护子程序检测到 电源掉电，则自动将当前电量和时间送串行非易失性 存储器保存，等恢复正常后自动以此值累计。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。存储、 显示子程序则实时显示当前电量和有功功率。智能电 表系统软件具体流程如图3所示。 此外，智能电表系统需采用有效的抗干扰措施以 保证实际运行。当干扰信号较强时，系统性能的可靠 性与运行安全性都会降低。在具有衰减、失真的电力 线信道上，由于随机干扰，都会使得接收端解调后的 数据出现差错。因此在考虑了通信调制技术、解调技 术以及发射功率后，发送数据时必须采用一定的差错 控制来确保数据可靠的通信。电力线上的干扰脉冲持 续虽然短，但能量集中，频谱宽，能影响若干个位甚至 十几个位。为了纠错比较多的误码，就需附加多余码 元，这就使得传输效率低下。此外，由于电力线信道的 时变性，难以测定数据通信信道的差错统计特性。当 系统的信道产生的差错超过其纠错能力，接收端将收 到错误信息。因此智能电表系统的抗干扰设计是在电 力线数据传输中采用ARQ差错控制为差错控制协议， 其优点是能自动调节通信信道性能，数据传输率也可 通过接收端的信噪比电平来进行改变。 4 结 论 智能电表系统采用了SSCP300和AD7751等芯片， 主要实现了通信、电能计量、数据处理等功能。此系统 的主要创新点是能利用电力载波扩频通信技术实现 图3 智能电表系统软件流程图 Fig.3 Flow chart of smart metering system software 59- - 电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation 第 47卷 第 7A期 2010年 7月 Vol.47 No.7A Jul. 2010 （2）对于一些高准确度的数字仪表，为抑制工频 干扰常常具有多种积分时间。若需要较高的分辨率并 且增强干扰抑制，可以选择较长的积分时间； （3）在磁场附近进行测量时，为避免在测量接线 上产生感应电压，可以使用绞和电缆线，同时尽量缩 短测量接线，另外还可以使用屏蔽或隔离措施； （4）在测量电路上的电压时，为避免接地回路的 影响，一般将数字仪表和接地端隔离，即输入端不接 地。如一定要接地，必须将数字仪表和测试元件连接 到相同的接地点，同时连接到相同的电源插座上； （5）具有较高准确度的数字仪表一般具有保护端 G。测量时保护端G可以连接到信号源的低电位输入 端。通常，需要将保护端G连接到信号源的有以下几 种状况（即L和G之间不短接）：（1）存在共模电压；（2） 进行精确测量；（3）进行分辨率低于10μV的高灵敏度 测量；（4）使用长信号导线。 一般情况下，不需要单独连接保护端G，即在L端 和G端之间直接用短接片短接。 6 结束语 随着数字测量技术的不断发展， 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 数字仪表有 较好的抗干扰能力，否则仪表的分辨力再高，也很难 把被测信号从干扰中正确地测量出来。因此，我们在 使用数字仪表进行测量的过程中，一定要了解数字仪 表的性能，正确使用数字仪表的保护屏蔽技术，保证 数字仪表测量准确。 参 考 文 献 [1]冯占岭.数字电压表及数字多用表检测技术［M］.北京：中国计量出 版社，2003. [2]张建志.数字显示测量仪表［M］.北京：中国计量出版社，2004. [3]李永敏.数字化测试技术［M］.北京：航空工业出版社，1987. [4]龙德斐.数字化测量技术［M］.北京：机械工业出版社，1983. [5]陶时澎.电磁测量线路与仪器的屏蔽防护［M］.北京：机械工业出版 社，1989. [6]魏岫 .数字测量仪器［M］.天津：天津科学技术出版社，1984. 作者简介： 曹颉（1961-），女，高级 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师，从事电测计量。 Email：caojie2008007@126.com 卢欣（1972-），男，高级工程师，从事高压计量。 Email：Happy_lu@126.com 孔昭兴（1977-），男，工程师，从事电测计量。 Email：0728922@sina.com 杨光（1983-），男，助理工程师，从事电测计量。 Email：superyng@hotmail.com 收稿日期：2009- 09- 03 （田春雨编发） 了电能量参数测量、数据通信，提高抗干扰能力，突破 传统的电度表概念，把用户电度表终端设计成一个智 能化的综合性通信终端。除了完成电量的计量和存储 外，它还具有用户现场防窃电、故障保护、和负荷控制 等功能。其数据传输速率为1～2 Mb/ s，能满足自动抄 表的数据量。通过对低压配电网智能电表自动抄收系 统的实验、调试和试运行，可以做到正确无误的自动 抄收。由于该系统的数据量小，可以降低传输速率，从 而可以降低误码率。 参 考 文 献 [1]齐淑清 主编．电力线通信（PLC）技术与应用[M]．中国电力出版 社,2005． [2] Shwehdi, M.H. Khan, A.Z. A power line data communication interface using spread spectrum technology in home automation .IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11, Issue 3 , July，1996． [3]田日才编著．扩频通信[M]．清华大学出版社,2007． [4]沙占友主编．智能传感器系统设计与应用[M]．电子工业出版社, 2004． 作者简介： 林建宇（1979-），男，浙江瑞安人，上海电力学院通信系讲师。主要研 究方向为通信网络系统及控制技术，着重在电力线载波通信网络、控 制理论与控制工程的研究。Email：zephyrlin@smmail.cn 收稿日期：2010- 01- 19 （田春雨编发） （上接第 8页） 60- -