基于电力载波集中抄表系统结构及其特点分析

基于电力载波集中抄表系统结构及其特点分析

梁渊文

广西大学电气工程学院

摘要：本文结合电力企业在抄表管理与服务方面的问题及需求，分析了LonWorks现场总线技术、双频传输的新型低压电力载波集中抄表系统的结构和特点等，并针对以往使用中所出现的问题提出了解决方案。

关键词：低压电力载波；系统结构；特点

一、低压电力载波集中抄表系统

1.1总体布局

新型低压电力载波集中抄表系统采用美国EcheIon公司的LonWorks现场总线技术、以Echelon公司的神经元微处理器PL3150芯片为核心开发的智能型分布式监控网络产品。系统主要由集中器、三相电子式多费率载波电能表、单相电子式多功能载波电能表、主站管理系统四部分组成。

集中器上行信道采用公用电话网（或者GPRS、无线），下行信道采用低压电力线；集中器可实时采集1000块电能表数据，同时可记录电能表运行状况；还可根据要求通过低压电力线采集用户电能表数据：主站管理系统通过公用电话网（或者GPRS/无线）抄收集中器存储用户电能表数据或直接抄读用户电能表数据，实现抄表。

1.2系统结构分析

（1）集中器

集中器主要由电源（三相供电）、时钟、数据显示、存储、数据处理、通讯接口（电力线载波、RS485、RS232、调制解调器）等单元组成，分别实现信号耦合、用户数据接收和处理、接收主站命令及通过低压电力线控制载波表工作。考虑到布线及电磁兼容，电源部分将采用单独一块线路板，使用AC/DC电源模块：时钟部分采用时钟芯片加后备电池方式：存储部分采用d5铁电存储器，以确保数据存储安全可靠；数据处理部分采用C51（W77W516B）系列芯片；另外，PL3150本身内置电力线收发器具有双频载波、BPSK调制等特性，再稍加一点外围电路，即可保证电力线通讯的可靠性。

（2）单相电子式多功能载波电能表和三相电子式多费率载波电能表

电能表主要包括电源、计量、数据处理、数据存储、数据显示、通讯接口部分（包括电力线载波、红外接口）等，分别实现用户电能计量、显示、数据采集、处理、接收集中器命令等功能。单相电子式多功能载波电能表电源部分（单相供电）、存储部分和时钟采用的器件与集中器相同；另外，电力线数据处理部分也和集中器相同。显示部分采用LCD显示；计量部分采用ADE7753计量芯片，通过SPl口与MCU完成数据交换；数据处理及控制部分采用瑞萨的单片机H8/3694F；三相电子式多费率载波电能表为了方便生产，电源、时钟和存储部分及载波通讯方面与集中器相同。而计量部分则采用ATT7026计量芯片。

1.3主要工作原理

主站管理系统通过电话网（GPRS/无线）对集中器发送命令，集中器接收到主站管理系统命令后，对命令进行分析，并做相应处理：集中器将数据命令通过CPU耦合到电力线上，载波电能表将数据命令从电力线上提取出来并进行相关处理，根据命令做相应动作，然后相应数据通过PL3150芯片内置电力线收发器耦合到电力线上；集中器将载波表返回的数据进行解析、处理，并将处理后的数据通过电话网（GPRS/无线）送回主站管理系统。集中器具有两个核心芯片PL3150和MCU，其中MCU负责数据处理，PL3150负责通过电力线收发器和外部通讯，从电力线上接收数据信息，交给MCU处理，然后把处理好的数据信息耦合到电力线上去。MCU从双口RPM读取数据信息、处理数据，根据要求把处理好的数据信息分别送到铁电、双口RAM、显示LED、RS232等。集中器还要增加红外传输功能：当供电部门现场查询用户用电信息时，红外通讯将是非常方便的。

二、低压电力载波集中抄表系统的特点

与国内外同类产品水平分析比较，新型低压电力载波集中抄表系统具有以下特点：

（1）系统采用LonWorks现场总线技术，与国内常见的基于软扩频技术的低压电力线通信系统相比，基于LonWorks技术的载波通讯采用双频载波，前向纠错等技术，配合强大的输出放大器，能有效抵制低压电网普遍存在的马达、开关电源及家用电器等失真源的干扰；先进的双频载波技术，在其主要通讯频率受到噪声阻塞后，自动选择另一频率进行传输，有效的避免了低压电网随机产生的噪声干扰，从而提高了系统的抄表成功率，满足了家居自动化对通信可靠性的苛刻要求；系统电力线传输速率为5kbPs，相对国内其他系统300bps左右的通讯速率，本系统的通讯效率更高，实时性能更好，更能满足家居自动化对通讯速度的要求。

（2）系统将基于LonWorks技术的智能电力线收发器嵌入系统的底层设备载波电能表中，可将载波电能表作为未来家居自动化的主要终端设备，以“无缝”接入流行的LonWorks家居及楼宇网络，通过路由器，可连接INTERNET网络，真正实现家居智能化。

（3）先进的自安装功能。现国内常见的安装方式是将集中器和载波电能表安装后，通过主站管理系统，手动输入数据（如载波电能表表号），然后载到集中器和主站管理系统数据库中，从而构建一个系统；而本系统在安装完成集中器和载波电能表通电后，载波表和集中器能自动建立连接，避免了因为人工手动输入可能造成的失误，更能提高工作效率。

三、集中抄表系统建设的难点和解决方法

集中抄表系统主要技术难点在于如何保证电力线载波通讯的可靠性。低压电力网组网复杂，阻抗变化大，线路衰减等特点影响电力线载波传输信号的可靠性，我们采用的Ech-elon公司的神经元芯片PL3150就能较好的解决这一问题。其内置电力线收发器运用的是一种基于DSR9（数字信号处理）为基础的5kbpsBPSK，BPSK是二进制移相键控法，是指用载波不同的相位直接来表示相应的数字信号的移相键控。以DSP（数字信号处理）为基础的5kbpsBPSK技术具有以下优点：多元门的数据相关器，在噪波干扰的情况下，能够保全信号；消除脉冲噪波；自行失真校正；错误校正。电力线收发器是将待传送的信息数据以某一相位为基准进行移相键控调制，调制手再耦合到电力线上传输；接收端也采用相同的固定相位基准进行解调及相关处理，恢复原始数据。另外，电力线收发器具有双频载波模式，它可以两个频带内进行通讯，一旦它的主要通讯频率受到噪声阻塞后，它会自动选择另一个频率进行信号传输。

发送端：数字信号从MCU送到3150，接着PL3150通过自带的电力线收发器将接收的信号进行二进制相移键控调制（BPSK），然后将调制后的二进相移键控信号通过专用耦合器耦合到电力线上。

接收端：PL3150自带的电力线收发器将从电力线耦合过来的信号解调、还原，然后由PL3150发送到MCU。这样，就保证了电力线载波的可靠性。在LonWorks网络上，针对有两个以上节点同时向集中器发送信息时出现Lonorks网络堵塞的问题，可以在LonWOrks网络程序处理方面采用最小发送时间和最大发送时间，等一系列竞争机制来保证LonWorks网络的实时性。

四、结语

新型低压电力线载波集中抄表系统具有自动抄表、用电检测、防窃电等功能，同时可以作为智能系统之一“无缝“接入，基于LonWorks现场总线标准的“家居及楼宇自动化”网络。这为电力部门提高用电管理水平、服务水平和企业形象作出贡献。同时随着电力系统集中抄表系统的推广和深入，新型低压电力线载波集中抄表系统将凭借其良好的性能受到电力用户的认可，拥有广阔的市场，创造良好的经济效益

参考文献：

[1]陈瑞.基于电力载波模块的远程抄表通信接口[J].单片机与嵌入式系统应用.2001（07）.

[2]梁怡帆.应用低压电力载波技术实现远程抄表[J].江苏电机工程.2004.23（03）