基于电力载波通信的供电锁相测控系统

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1、 基于电力载波通信的供电锁相测控系统 作者：石家庄铁道学院 高蒙，张秋菊，冯涛 0引言 随着信息技术的发展，供电测控设备的种类越来越多，其中支持测控系统传输信息的手 段也越来越多样化。作为分布最广泛的网络，电力线网络是一个动力能源传输网络， 除了输 送电能以外，还可以进行数据传输。 电力线载波通信(Power Line Carrier Communica tion，PLCC)是指以电力线为信息传 输媒介，信号经过载波调制技术，实现在电网各个节点之间传递的一种通信方式。 但是，电 力线通信信道存在噪声干扰强， 阻抗随负载变化大，信号衰减大等缺点， 严重制约了它的有 效利用。常规的载波技术显然不能

2、满足实际需求， 必须采用具有高抗干扰能力的载波调制措 施改善通信质量。目前，低压电力线载波通信技术已从传统的频带传输 (ASK、FSK、PSK) 发展到了扩频通信(SSC)技术、多载波正交频分多址(OFDM)技术以及光波分复用(WDM)技 术等。就扩展频谱方式的不同，扩频通信系统可以分为：直接序列 (Direct Sequenee ， DS) 扩频，跳频(Frequency Hopping ， FH)，跳时(Time Hopping ，TH)，线性调频(Chirp)以及 上述各种基本方式的组合，如： FH /DS，DH /TS等。 现设计了一种用户供电测控系统，系统利用电力载波通信完成用电信息

3、的传输控制。采 用了直接序列扩频 (Direct Sequenee Spread Spectrum Communication ，DS SSC)技术， 该系统优势是用户不必重新架设线路， 而是利用原来的电力线网络完成用电信息的传输， 而 且电力线传输不占用现有的频谱资源， 同时，该系统还可以通过局域网实现远程监控。 电力 线载波通信还具有现有物理链路、易维护、易推广、易使用等优点。 1 DS SSC技术原理 根据信息论中著名的香农定理： C=Blog2(1+S / N)b / s (1) 信道容量C给定后，信道带宽 B和信噪比S/ N可以互换。由此可以推得，在信息速率 C不变的情况下，只要增加

4、信道带宽 B，就可以降低对信噪比 S/N的要求。 扩频通信(SSC)技术的基础是香农定理，利用和被传输信息无关的码对信息进行频谱扩 展，使扩展后的频带远远超过被传送信息所必需的最小带宽 (即增大B的值)，在接收机中利 用同一码进行相关接收和恢复信息。 直接序列扩频(DS SSC)技术是指用远远大于信息速率的伪随机序列 (PN)和信号相乘，来 达到扩展信号的带宽 B。在发送端先对信号进行扩频再进行 DPSK调制，扩频载波信号经过 功率放大之后耦合到电力线上进行传输。 在接收端DPSK解调后用于发送端同步的本地 PN 序列解扩即可恢复信号。 2系统构成 基于电力线载波通信的供电测控系统是集数据采集

5、、载波通信、网络传输、数据存储、 功率计算、数据显示、计算机控制等功能于一体的自动化系统。系统由三部分构成，实现框 图如图1所示。 数据集中器 220 V/380 V 电力线 1 供电测控系统构成框图 各个电能表把用电信息通过电力线以载波的方式传送到数据集中器，数据集中器经局 域网将信息发送到用电管理中心， 管理中心的上位机完成用电数据的处理， 并利用载波通信 方式给数据集中器以及电能表下达命令。 2. 1电子式电能表 用户电子式电能表能够同步地采集一路用户用电的电压电流、时钟校准、精确计算、存 储数据，并具有载波收发及收发成功显示功能。其硬件结构框图如图 2所示。 图2电能表结构框 2. 1

6、. 1 PL3105微处理器 为有效实现系统供电测控功能，电能表的核心处理器采用 FXXC公司PL3000系列具有 DS SSC功能的专用芯片 PL3105。 PL3105内嵌一个高速 CPU，其指令周期为1T,串口、定时器等是严格的 12T。外部 时钟（主时钟）在经过时钟模块后一分为二，其中一路经过 2分频后得到的fosc提供给CPU 和相应的资源模块，另一路直接供给载波和 ISP模块，这里采用外部 9 . 6 MHz的主频晶 振。 PL3105采用了 8/16位微处理器8051兼容内核，它内部集成了 2路16位的A/D , 3 个16位定时器，2路多功能串口， LED /LCD显示控制模块

7、，采用 8个中断源两级中断。 PL3105内置了 16 kB的E2PROM 程序存储器和 1 KB的SRAM，其内部的256 B SRAM 和 实时钟在主电源掉电的情况下可由备用电池继续供电维持。 PL3105采用直序扩频，DPSK 电能衣 调制/解调，半双工电力载波通信单元， 500 /250 b / s通信速率可选。 2. 1. 2 A/ D锁相倍频技术 PL3105内部集成了两路 A/ D，其中一路用来采集负载端电压，另一路用来采集负载电 流，本设计用锁相倍频技术实现负载功率的精确测量。 用户电力线为标准的 50 Hz电源输入，由于实际交流电源的频率不稳， 为提高计量精度， 必须考虑采样

8、和电源的同步问题， 采用锁相倍频电路将负载电压和电流的模拟量离散化， 电 路如图3所示。 该电路可以完成严格的整周期采样，设电路锁相倍频系数为 N，由于采样脉冲和电源 频率严格锁定，该电路在一个电源周期内可以同步采样 N点电压电流值，这样，计算机可 以利用离散积分求和式（2）精确计算出负载功率： 化=寿士 s 讥 2） h = 1 式中，N为电源周期内的采样点数， vk，ik为电压电流的瞬时采样值； C为一常数。 采用数字锁相芯片 CD4046和分频芯片CD4040构成锁相电路。该电路可以将电源的一 个周期严格等分为 N份，这里的N=27=128。电源电压经过电压互感器输入 CD4046的BI

9、N 引脚和PL3105的ADIN2引脚。AIN和BIN端分别为4046内部鉴相器的两个输入端， 分 频前的方波由4046内部压控振荡器输出端 VCOUT连接到4040的CLK脚，该方波频率为 50 Hz X128=6 400 Hz。分频后形成的 50 Hz锁定方波由Q7脚输出至4046的AIN引脚。 将6 400 Hz方波作为采样中断脉冲送入 PL3105的A/D中断输入端XINT1 ,则计算机可 按照该频率进行每周期 128点的A/D循环采样，并利用式（2）完成负载功率的精确测量。 2. 1. 3电力线载波通信 PL3105芯片内集成了直接序列扩频调制电路， 外围连接的电路主要包括功率放大、

10、 滤波、 载波耦合及接收电路。 采用软件配置，载波功能被使能后， 载波信号由PL3105芯片的I/O引脚PSK_OUT输 出，波形为05 V的方波，包含丰富的谐波。功率放大电路使 PSK_OUT点的方波信号放 大，在一定范围内有效地加大发射功率、 延长通信距离。放大后的信号富含谐波， 需要进行 滤波整形。设计可用电感、电容组合完成整形滤波，再通过耦合线圈 T1耦合到低压电力线 上。 电力线下行传输微机命令信息时，信号经载波耦合到接收电路，电感和电容组成并联谐 振回路，谐振中心频率120 kHz,完成对有效信号的带通滤波。 接收信号引入到芯片 PL3105 内部进行混频处理，SIGIN被内部上拉

11、后平移到 2. 50. 7 V。载波通信速率为 500 b /s, 15位伪码，同步捕获门限默认为 30H，带宽7. 2. 1. 4数据存储 数据存储部分完成单路用户的用电信息的存储， 4所示），连接到PL3105的I / O 口，存储芯片的 信息，图中所示该芯片片选地址为 000，存储器芯片数目可以根据现场需要自行选择。 图4教据存储芯片电路 2. 2数据集中器 数据集中器能够存储数据以便查询，并能以载波通信方式上行、下行传输信息。 它采用电力线载波专用芯片 PL3105为微控制器，负责系统数据收集存储，系统通信协 调处理。载波通信部分由 3路（对应3相电源）载波收发处理组成，实现载波下行通

12、信功能。 上位通信部分通过 RS 232转换接口接收上位机管理，响应上位机指令。它可以实现大量数 据存储，最大容量为 65 536户（电能表）。通信速率500 b /s,可实现多级中继。 数据集中器设备和标准三相电力线连接，必须保证每一相电源上信息的完整传输，载 波通信部分设计由3路收发处理电路组成，如图 5所示。 5 kHz。 设计采用铁电存储芯片 FM24C256（如图 A0 , A1, A2脚共同构成片选的 3位地址 & VCC A, WP FM24C2% A2 SCL GND SDA Pi 85 由PL3105芯片I /O引脚PSK_OUT输出待载波传输信息，经一路功放滤波、载波 耦合

13、电路，送到单相电力线上。 系统共设计有三路载波通信线路， 分别将待传输信息发送到 A、B、C三相上，同时三相电力线设有共用的载波接收电路，可以将来自电力线的数据信 息通过SIGIN引脚接收到PL3105处理器中。 2. 3管理中心 管理中心系统由完成测控的计算机和上位机软件构成，直接由管理人员来操控。计算机 配合上位机软件，实现如下功能： 实时监控电表状态；缴费状况检索和继电器通断操作；用电数据的接收、计算、存储、 显示；设置集中器的自动抄表周期和系统校时； 用户负荷监控和电量异常报警； 给集中器和 电能表下达各种命令。 3软件实现 软件流程图如图6所示。 系统上电，对所用变量进行初始化设置，

14、包括串口数据缓冲区的清零、载波收发状态 清零、收发指示灯状态、变量赋初值等。配置串口通讯方式，设定波特率。外部 INT1中断 为采集一次A/D的中断信号，载波通信控制器采用帧同步方式的串行移位通信， 使能外部 INT2 中断(EX2=1)。 开INTl中断，判断串口有无中断信号，有中断信号则开始一次 A/D采集。XINT1是由 锁相变频电路输出到微处理器 PL3105的控制信号，从采集完一次到采集下一次等待此中 断，在一个电源周期内(0 . 02 s)采集128次数据，采集完毕关中断，周期个数 M累加。 开INT2中断，INT2作为载波通信同步信号的中断。使能载波通信控制位 PLM_SSC ,

15、 进入载波收发子程序。载波收发控制位 PLM_RS=1时，载波控制器处于发送状态； PLM_RS=O时，载波控制器处于接收状态。 利用式(2)计算功率，程序延时， M个采集周期循环工作，中值滤波精确计算负载功率， 并累计电量。遇恶性负载时，上位机实施强制断电，程序结束。 4结语 针对集中供电系统特点和功能，完成了供电测控系统总体结构设计，建立了一个上下位 机控制方式、电力线通信、网络传输结合一体的系统。 设计通过电力线载波通信的方式，以 PL3105为核心主控模块，把直接序列扩频技术运 用到通信测控系统中，完成了用电计量计费、查询功能、控制电路通断功能、显示功能、数 据统计分析、过流保护、 掉电保护功能。上位机通过集中器和局域网构成远程通信网络，实 现了对网络内用户用电信息的实时管理和监测控制。