0引言

智能電網(wǎng)，是指通過建立數(shù)字化的電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，從整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各個節(jié)點處(電表、變電站、發(fā)電廠等)獲得所需的智能化信息。它包括先進(jìn)計量體系(AMI)、高級配電運行(ADO)、高級輸電運行(ATO)和高級資產(chǎn)管理(AAM)四大模塊。其中，AMI是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵體系，而智能電表又是AMI的核心。智能計量是實現(xiàn)智能電網(wǎng)智能化和智能數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)和重要功能。因此，智能電表是智能電網(wǎng)的重要終端。

自動抄表系統(tǒng)AMRS(Automatic Meter Reading System)，是對電能計量自動抄收的自動控制系統(tǒng)，能提高電力系統(tǒng)用電管理的現(xiàn)代化水平。當(dāng)電表計量系統(tǒng)具備電力線載波通信、無線電通信、RS-485等通信功能時，電能的自動抄表系統(tǒng)的性能得到提升。

1電力線通信技術(shù)(PLC)

電力線通信PLC(Power Line Communication)技術(shù)，從廣義上講包含應(yīng)用于高壓輸電網(wǎng)和中低壓配電網(wǎng)的窄帶電力線載波通信，以及在中低壓配電線路上實現(xiàn)的寬帶數(shù)據(jù)通信。它是利用覆蓋廣泛的電力線信道傳輸數(shù)據(jù)信號的一種通信技術(shù)。

當(dāng)前電力線通信技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)迅速,將擴(kuò)頻載波通信模塊加入到多功能電能表當(dāng)中,實現(xiàn)對電能數(shù)據(jù)的傳輸,在自動抄表領(lǐng)域?qū)泻艽蟮膽?yīng)用前景。電力線載波通信技術(shù)是自動抄表發(fā)展的重要方向，但電力線的傳輸環(huán)境具有不利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦裕鹤儔浩骱陀脩粼O(shè)備如空調(diào)、冰箱等有著極低的阻抗，可以使傳輸信號嚴(yán)重衰減;在線負(fù)荷變化大，如家電設(shè)備的瞬間起動可變的分布阻抗幾乎對所有頻率的信號都起著衰減或隔離的作用，并且這些變化沒有規(guī)律，呈隨機狀態(tài);噪聲模型無規(guī)律等問題。針對以上干擾問題，宜采用抗干擾能力強的通信技術(shù)，即電力線載波采用擴(kuò)頻通信技術(shù)。擴(kuò)頻通信技術(shù)是信號所占帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)送信息所必需的最小頻帶寬度的一種傳輸方式。頻帶的擴(kuò)展通過偽隨機碼序列來完成，在接收機中用同樣的碼進(jìn)行同步接收、解擴(kuò)和數(shù)據(jù)恢復(fù)。實現(xiàn)擴(kuò)頻的主要方法有:直接序列調(diào)制、頻率跳變、時間跳變和利用Chirps掃描頻率進(jìn)行線性脈沖調(diào)頻。目前，基于SSC技術(shù)的電力線通信芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率在1～2 Mb/s。

2智能電表系統(tǒng)的硬件設(shè)計

在遠(yuǎn)程電能抄表系統(tǒng)中，具有遠(yuǎn)程載波通信能力的智能電表系統(tǒng)是核心設(shè)備。智能電表系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括擴(kuò)頻載波通信模塊、單片機控制模塊和電能量計量模塊。其主要功能為數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程擴(kuò)頻載波收發(fā)、電能計量和負(fù)荷監(jiān)控等。

它的總體工作原理框圖如圖1所示。擴(kuò)頻載波通信模塊采用電力擴(kuò)頻載波技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在電力線上的接收發(fā)送。電能量計量模塊是該系統(tǒng)的重要部分，它以電能專用計量芯片ADE7751為核心，將模擬的電流、電壓信號采樣后計算出瞬時功率，累加得到電能量值并將電能量數(shù)據(jù)存放在片內(nèi)寄存器中。智能電能表主要負(fù)責(zé)電能量數(shù)據(jù)的采集，因此要有較大容量的存儲模塊，用以存儲大量的電能量數(shù)據(jù)，以便數(shù)據(jù)上報和統(tǒng)計。

2.1 SSCP300芯片的主要功能特性

SSCP300芯片采用擴(kuò)頻載波通信技術(shù)，其傳輸信道為電力線，能通過SPI接口與單片機控制器進(jìn)行串行通信。它符合EIA600 CEBus標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)頻信號工作頻率范圍為100～400kHz的帶寬，其數(shù)據(jù)包傳輸速率為10Kb/s.SSCP300芯片主要管腳功能如表1所示。

2.2低壓電力線擴(kuò)頻載波通信模塊

低壓擴(kuò)頻載波模塊主要由SSCP300低壓電力線擴(kuò)頻載波芯片、前置功放和電力線耦合電路構(gòu)成，其主要功能是對單片機控制單元發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性掃頻調(diào)制，放大后耦合到電力線信道上;反之，對通過電力線信道發(fā)送的載波信號進(jìn)行掃頻解調(diào)后被單片機控制單元接收。其數(shù)據(jù)通信采用了收發(fā)分時控制的半雙工通訊，與配電變壓器集中器的通信距離約為1000m。在信道特性最惡劣的情況下保證不小于600m。

擴(kuò)頻載波通信模塊通過串行外圍接口(Serial Peripheral Interface，SPI)與單片機控制單元相連，AT89C51單片機與SSCP300通過CEBuS通信協(xié)議通信來支持命令和數(shù)據(jù)的傳輸。這些命令和數(shù)據(jù)包括將要發(fā)送的分組、已接收到的分組和狀態(tài)及設(shè)置信息。

SSCP300則向單片機控制單元提供符合CEBus標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層和EIA-6規(guī)范的物理層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，最終實現(xiàn)了與單片機的通信。在發(fā)送數(shù)據(jù)模式下，電力線通信擴(kuò)頻載波Chirps從SO輸出到濾波器，然后輸出放大器由三態(tài)信號TS決定是否通過耦合電路傳輸?shù)诫娏€信道上;在接收數(shù)據(jù)模式下，通信信號通過電力線信道傳輸?shù)綆V波器，經(jīng)放大后傳輸?shù)絊I腳。因此，單片機控制單元AT89C51通過SPI接口總線對SSCP300內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫;低壓電力線擴(kuò)頻載波模塊通過TS、SO、SI實現(xiàn)對功率放大電路單元的控制，使數(shù)據(jù)信號放大耦合在電力網(wǎng)中傳輸，完成基于電力線擴(kuò)頻載波技術(shù)的遠(yuǎn)程通信。采用SSCP300擴(kuò)頻載波智能電表的擴(kuò)頻載波模塊在輸入信號電平-30dB的微弱信號時仍然能夠可靠準(zhǔn)確地檢測、解調(diào)。

2.3電能量計量模塊

電能量計量模塊電路主要采用AD7751電度表芯片，可對50/60Hz單相交流電進(jìn)行電能計量。在500：1的動態(tài)范圍內(nèi)，測量誤差小于0.3%，符合IEC 1036國際標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)部具有上電、掉電自動復(fù)位電路。它能實現(xiàn)有功功率測量、故障檢測、防竊電、負(fù)荷控制以及顯示等功能。AD7751芯片主要管腳功能如表2所示。

AD7751芯片引腳fc以高頻脈沖形式輸出有功功率瞬時值，可用于電表校驗或與MCU接口。芯片的f1A、f1B引腳上以負(fù)脈沖的形式輸出有功功率平均值的信息，可直接驅(qū)動機電式計數(shù)器。芯片內(nèi)部具有故障檢測電路，當(dāng)相線電流和中線電流相差12.5%時，即從FAULT腳輸出高電平，可驅(qū)動發(fā)光二極管或蜂鳴器進(jìn)行光聲報警。當(dāng)智能電表檢測到負(fù)功率用電時，輸出REVP信號。電能量計量模塊的REVP和FAULT信號對于電度表現(xiàn)場錯接線和防竊電具有實用意義。電量計量模塊的表征負(fù)荷的即時有功功率的脈沖信號(f)c，通過單片機控制系統(tǒng)對其進(jìn)行累加計數(shù)運算形成電能數(shù)據(jù);由AD7751輸出的fc信號連接到AT89C51的T0、T1接口，對fc脈沖進(jìn)行累加計數(shù)，最后計算出有功功率P和電能W。AT89C51單片機通過P1口和INT0引腳模擬了SPI的接口電路，關(guān)于有功功率P和電能W的串行數(shù)據(jù)通過此接口發(fā)送給SSCP300。表征負(fù)荷的平均有功功率的脈沖信號(f1)，能給用戶現(xiàn)場提供電度度表運行的指示。此外，表征用戶電力線漏電的信號(CURP)和電壓異常信號(VOLP)，可以作為負(fù)荷控制的判據(jù)。單片機控制模塊向負(fù)荷控制模塊輸出負(fù)荷控制指令(Close)和(Trip)，推動負(fù)荷控制模塊動作，執(zhí)行停電或送電。為了保證自動抄表的實時性和掉電后數(shù)據(jù)不丟失。存儲模塊采用了AT45DB321C，具有SPI接口，工作頻率為44MHz。其容量是32M字節(jié)。共8192頁，每頁528字節(jié)。并且具有2個528字節(jié)的讀寫緩存SRAM，能加快讀寫速度。此外，LED顯示模塊通過MAX7219來顯示輸出電量電能數(shù)據(jù)。

3智能電表系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，其主要性能是滿足電網(wǎng)電能計量采集的可靠性和精度。智能電表系統(tǒng)軟件設(shè)計原理框圖如圖2所示。

其擴(kuò)頻載波通信子程序則按用電管理部門指令通信，包括接收程序和發(fā)送程序兩部分。故障保護(hù)子程序能自動監(jiān)測過載和竊電等故障，具有自保護(hù)等功能，最終實現(xiàn)智能化監(jiān)控;當(dāng)?shù)綦姳Ｗo(hù)子程序檢測到電源掉電，則自動將當(dāng)前電量和時間送串行非易失性存儲器保存，等恢復(fù)正常后自動以此值累計。異常保護(hù)子程序如果監(jiān)測到用戶用電過載、線路漏電或電網(wǎng)供電電壓過高則通過負(fù)荷控制電路自動斷電。存儲、顯示子程序則實時顯示當(dāng)前電量和有功功率。智能電表系統(tǒng)軟件具體流程如圖3所示。

此外，智能電表系統(tǒng)需采用有效的抗干擾措施以保證實際運行。當(dāng)干擾信號較強時，系統(tǒng)性能的可靠性與運行安全性都會降低。在具有衰減、失真的電力線信道上，由于隨機干擾，都會使得接收端解調(diào)后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)差錯。因此在考慮了通信調(diào)制技術(shù)、解調(diào)技術(shù)以及發(fā)射功率后，發(fā)送數(shù)據(jù)時必須采用一定的差錯控制來確保數(shù)據(jù)可靠的通信。電力線上的干擾脈沖持續(xù)雖然短，但能量集中，頻譜寬，能影響若干個位甚至十幾個位。為了糾錯比較多的誤碼，就需附加多余碼元，這就使得傳輸效率低下。此外，由于電力線信道的時變性，難以測定數(shù)據(jù)通信信道的差錯統(tǒng)計特性。當(dāng)系統(tǒng)的信道產(chǎn)生的差錯超過其糾錯能力，接收端將收到錯誤信息。因此智能電表系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計是在電力線數(shù)據(jù)傳輸中采用ARQ差錯控制為差錯控制協(xié)議，其優(yōu)點是能自動調(diào)節(jié)通信信道性能，數(shù)據(jù)傳輸率也可通過接收端的信噪比電平來進(jìn)行改變。

4結(jié)論

智能電表系統(tǒng)采用了SSCP300和AD7751等芯片，主要實現(xiàn)了通信、電能計量、數(shù)據(jù)處理等功能。此系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點是能利用電力載波擴(kuò)頻通信技術(shù)實現(xiàn)了電能量參數(shù)測量、數(shù)據(jù)通信，提高抗干擾能力，突破傳統(tǒng)的電度表概念，把用戶電度表終端設(shè)計成一個智能化的綜合性通信終端。除了完成電量的計量和存儲外，它還具有用戶現(xiàn)場防竊電、故障保護(hù)、和負(fù)荷控制等功能。其數(shù)據(jù)傳輸速率為1～2 Mb/s，能滿足自動抄表的數(shù)據(jù)量。通過對低壓配電網(wǎng)智能電表自動抄收系統(tǒng)的實驗、調(diào)試和試運行，可以做到正確無誤的自動抄收。由于該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量小，可以降低傳輸速率，從而可以降低誤碼率。