單相智能電表之電力線載波通信

單相智能電表之電力線載波通信1、爭論設(shè)計(jì)背景綜述低壓電力線載波PLC(PowerLineCarrier) 通信是以低壓配電線(380V／220V)作為信息傳輸媒介進(jìn)展數(shù)據(jù)或語音等傳輸?shù)囊环N特別通信方式。電力線網(wǎng)絡(luò)是目前掩蓋范圍最廣的網(wǎng)絡(luò)，有著巨大的潛在利用價值。國外對此爭論已有近百年的歷史，在理論和技術(shù)上有著確定的優(yōu)勢。我國電力網(wǎng)比較獨(dú)特，直接利用國外先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品并不能取得令人滿足的效果。目前國內(nèi)參與低壓電力載波通信爭論的公司、高校及爭論機(jī)構(gòu)日益增多，已經(jīng)在通信信道的特性分析和建模、關(guān)鍵的調(diào)制技術(shù)的爭論、通信芯片及相應(yīng)產(chǎn)品的研制和應(yīng)用、市場化運(yùn)營及相關(guān)法規(guī)制定等方面取得了肯定的成果。開展歷程及現(xiàn)狀國外開展?fàn)顩r電力線是最普及、掩蓋范圍最為寬闊的一種物理介質(zhì)，因此，電力線載波通20年月的產(chǎn)物，現(xiàn)在利用電力線高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)仍舊是國內(nèi)外很多大公司的熱點(diǎn)。97NorwebNortel()利用丌發(fā)的數(shù)字電1Mbits的速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程通信，并進(jìn)展了該技術(shù)市場推廣。隨后，很多國家爭論機(jī)構(gòu)紛紛開展了高速電力線通信技術(shù)的爭論和開發(fā)，產(chǎn)品1Mbit／s2、1424Mbit／s甚至更高。PLCIntellon14、5485200Mbit／sDS245200Mbits芯片等等。其中Intellon14Mbit／s芯片應(yīng)用最為普遍，大局部電力線載波系統(tǒng)都是基于該芯片開發(fā)的。目前，電力線載波通信在歐洲開展比較快，歐盟為促進(jìn)電力線載波技術(shù)開展，在2023年啟動了OPERA(OpenPLCEuropeanResearchAlliance) 的方案，致力于制定歐洲統(tǒng)一的PLC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，并將PLC作為實(shí)現(xiàn)信息化歐洲的重要技術(shù)手段。美國也不甘示弱，在它提倡下成立了“家庭插電聯(lián)盟〞，致力于標(biāo)準(zhǔn)爭論，1/15PLCHome．Plu910。PLC的態(tài)度，經(jīng)受了從初期疑心否認(rèn)、到開放試驗(yàn)、直至今日的樂觀推動的三個階段。PLC將來PLC商業(yè)化只是一個時間問題。國內(nèi)開展?fàn)顩r相比國外而言，我國的電力載波通信起步較晚，但開展快速。最早開放爭論1997年由中國電力科學(xué)爭論院進(jìn)展的對我國低壓配電網(wǎng)傳輸特性和參數(shù)的90年月末期，針對國內(nèi)電網(wǎng)特性而設(shè)計(jì)的載波處理方案的制定使得早期產(chǎn)品在穩(wěn)定性上逐步接近有用。2023年我國開頭引進(jìn)國外的PLC芯片，研制2Mbps2023年末，國家電力總公司公布了關(guān)于利用電力線載波集中抄表2023年初成立了電力線通2023信〞技術(shù)的核心產(chǎn)品一電力調(diào)制解調(diào)器及多個相關(guān)產(chǎn)品，其傳輸速率可以到達(dá)10Mbps。2023年初，國家電力公司在北京廣華軒小區(qū)進(jìn)展了通過電力線上網(wǎng)的試驗(yàn)，小區(qū)用戶2023EPLC45MEPL．14M2023年以中電飛華公司為代表，已在北京開通了 5個以上的電力線上網(wǎng)試驗(yàn)小區(qū)，用戶反映格外滿足，只是網(wǎng)速會在特定的時候突然衰減。近十年來，包括清華大學(xué)、西安交通大學(xué)和華中科技人學(xué)在內(nèi)的高校和科研單位及困內(nèi)相關(guān)公司對低壓電力載波通信進(jìn)展了大量爭論， 并取得了肯定的成果[91。國內(nèi)前期的爭論主要側(cè)蕈于利用國外已有的固化PLC調(diào)制技術(shù)和芯片進(jìn)展擴(kuò)開放發(fā)。近幾年針對國內(nèi)配電網(wǎng)的信道特性所進(jìn)展的調(diào)制技術(shù)的爭論及載波芯片研制取得了突破。但是目前國內(nèi)相關(guān)的法律法規(guī)及政策還不健全，如何充分開發(fā)仍需要很長一段時間的爭論和摸索。電力線載波通信前景以及爭論重點(diǎn)由于低壓電力載波通信技術(shù)已經(jīng)漸漸成為國內(nèi)外通信領(lǐng)域的爭論熱點(diǎn)， 其具有極大的市場潛力和寬闊的應(yīng)用前景。由于我國低壓電力網(wǎng)格外獨(dú)特，通信環(huán)境相當(dāng)惡劣，不利于通信信道的分析和建模，更不能直接利用國外的技術(shù)和產(chǎn)品。2/15但隨著國內(nèi)越來越多的爭論機(jī)構(gòu)和公司的參與，我國的低壓電力學(xué)載波通信消滅論文方興未艾的局面。自主電力載波芯片的研制標(biāo)志著我國在這一領(lǐng)域邁出了實(shí)質(zhì)性的一大步。目前國外不少重量級公司(例如Microsoft 、Intellon 、3COM、AMD)都不惜昂揚(yáng)的研發(fā)費(fèi)用，致力于高速、牢靠、平安的低壓電力載波通信系統(tǒng)5～10年內(nèi)的爭論重點(diǎn)將包括四個方面：(1)低壓電力線通信信道的分析和建模； (2)載波通信關(guān)鍵技術(shù)的爭論lrlO,J ；(3)高速、平安且低功耗的電力載波芯片和模塊的研制；(4)相關(guān)組織、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)的建設(shè)。其具體的應(yīng)用方向除了遠(yuǎn)程自動抄表及監(jiān)控治理系統(tǒng)、家居智能化以及型智能化小區(qū)外，在農(nóng)業(yè)節(jié)水澆灌監(jiān)測與掌握和農(nóng)產(chǎn)品流通過程信息化方面也將有著寬闊的應(yīng)用前景。2、爭論設(shè)計(jì)過程功能模塊介紹單相智能電表總的框圖如以以下圖所示：1、單相智能電表框圖采集器信號采集，通過穿將假設(shè)干用戶單元的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞到單I/O口，輸入的采集信號將承受單片機(jī)的處理、存儲并在接收到發(fā)送信號以后，通過對通信芯片的掌握，把信號轉(zhuǎn)化為能夠在電力線傳到的特別波形信號使信號在電力線網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)展傳導(dǎo)，然后在另一端的電力載波通信芯片將偵測到該信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給集中器，集中器通過與上位計(jì)算機(jī)的通信將采集到的信號統(tǒng)一處理并加以掌握，以到達(dá)整個網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的通信目的。其中，電力線載波通信系統(tǒng)由載波耦合電路、信號發(fā)送電路〔信號功率放大電路和功率輸出掌握電路〕、濾波接收單元〔承受濾波電路和解調(diào)電路〕、電力線載波擴(kuò)頻通信芯片等組成。其主要模塊框圖如以以下圖2所示：3/15輸出功率掌握電路線 信號功率放大電路 載波芯片力電載波耦合電路 濾波接收單元2、電力線載波通信模塊框架圖軟件介紹本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要用Protel99SE 軟件進(jìn)展設(shè)計(jì)和仿真。Protel99SE 是Protel 公司近10年來致力于Windows平臺開發(fā)的最結(jié)晶，能實(shí)現(xiàn)從電學(xué)概念設(shè)計(jì)到輸出物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及這之間的全局部析、驗(yàn)證和設(shè)ProtelPCB〔印制電路板〕設(shè)計(jì)工PCB為核心的整個物理設(shè)計(jì)。最版本ProtelOrcad、Pads、Accel(PCAD)EDA公司設(shè)計(jì)EDA平臺。Protel99SE 5PCB設(shè)計(jì)〔包含信號完整性PLD設(shè)計(jì)。以下是一些Protel99SE的局部最功能：30多種格式的電氣連接網(wǎng)絡(luò)表；◆強(qiáng)大的全局編輯功能；◆在原理圖中選擇一級器件，PCB中同樣的器件也將被選中；PCBPCB圖間允許雙向穿插查找元器件、引腳、網(wǎng)絡(luò)PCB〕，也可以進(jìn)展反向注釋PCBPCB在設(shè)計(jì)上的全都性；◆滿足國際化設(shè)計(jì)要求〔包括國標(biāo)標(biāo)題欄輸出， GB4728國標(biāo)庫〕；便利易用的數(shù)?；旌戏抡妗布嫒軸PICE3f5 〕；4/15CUPL語言和原理圖設(shè)計(jì)PLD，生成標(biāo)準(zhǔn)的JED下載文件；PCB3216-16個機(jī)加工層；◆強(qiáng)大的“規(guī)那么驅(qū)動〞設(shè)計(jì)環(huán)境，符合在線的和批處理的設(shè)計(jì)規(guī)那么檢查；◆智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪；◆供給大量的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)電路板做為設(shè)計(jì)模版；◆放置漢字功能；DXF、DWGAutoCAD等軟件的數(shù)據(jù)交換PGABGA封裝很有用〕；◆便利的打印PCB3D顯示可以在制板之前看到裝配事物的效果；CAM件、測試點(diǎn)報告等；◆經(jīng)過充分驗(yàn)證的傳輸線特性和仿真準(zhǔn)確計(jì)算的算法，信號完整性分析直接從PCB啟動；◆反射和串?dāng)_仿真的波形顯示結(jié)果與便利的測量工具相結(jié)合；◆專家導(dǎo)航幫您解決信號完整性問題。常用電力線載波通信技術(shù)窄帶通信方式窄帶通信方式價格低廉并且較易實(shí)現(xiàn)，所以在以往的應(yīng)用中比較常用。但窄帶技術(shù)的缺點(diǎn)是抗干擾力量較差，盡管窄帶通信中的接收器具有較窄的寬帶，使得僅有一小局部噪聲能進(jìn)入接收器，但由于此類接收裝置中的濾波器具有高品質(zhì)因數(shù)，瞬間的脈沖噪聲會使其發(fā)生自干擾，引起它對傳輸來的信號產(chǎn)生誤操作；而是用低品質(zhì)因數(shù)的濾波器又會使通帶帶寬加大， 令更多的噪聲進(jìn)入接收器，所以窄帶通信對脈沖噪聲的抵抗性較差。雙音多頻調(diào)制方式雙音多頻是利用數(shù)字合成技術(shù)的一種編碼方式，是窄帶頻率調(diào)制的一種，傳輸信號的方式不是脈沖而是由兩個音頻信號組成的混合信號， 在程控 系統(tǒng)中已經(jīng)有廣泛應(yīng)用。線性調(diào)頻脈沖方式5/15CSMA網(wǎng)絡(luò)，它利用一系列短促的、可自同步的ChirpsChirps100毫秒，它代表了最根本的通Chirps信號的線性掃描帶寬比信號帶寬要大得多，其線性加速度也較高，而等幅震蕩波干擾的頻率加速度一般是穩(wěn)定的，所以只要將濾波器設(shè)計(jì)成只能通過具有特定角速度的信號，就可以將等幅震蕩波干擾排解在外。多載波調(diào)制方式多載波調(diào)制是一種多載頻并傳體制，其根本原理是將輸入信息轉(zhuǎn)換成多路并行信號，對相互完全正交的一組載波進(jìn)展調(diào)制。因此，多載波調(diào)制方式技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將時分多路的數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換為頻分多路的數(shù)據(jù)傳輸。由于各載波之間的正交性，完全消退了彼此之間的串?dāng)_，同時可以在接收端利用一樣的正交載波組來恢復(fù)原始信號。擴(kuò)頻通信方式有用擴(kuò)頻技術(shù)在上個世紀(jì)50年月中開展起來，起初擴(kuò)頻技術(shù)只用于軍用通信、制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域，由于它具有很多特點(diǎn)，使得其理論和實(shí)踐開展快速。擴(kuò)頻通信技術(shù)在90年月才開頭應(yīng)用到民用上，目前已經(jīng)在低壓電力線通信商得到廣泛應(yīng)用，并已經(jīng)取得了很大的開展，成為電力線載波通信的熱點(diǎn)。擴(kuò)頻通信方式是一種簡便、易實(shí)現(xiàn)、價格低廉的方式。芯片選擇以及介紹國外很早對電力線載波通訊技術(shù)進(jìn)展了爭論，多家公司推出了自己的電力線載波modem 芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。目前有針對北美洲地區(qū)電網(wǎng)(480Y/277V，208Y/120Vac)的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍100kHz~450kHz 和針對歐洲地區(qū)電網(wǎng)(400Y/230Vac)的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍9kHz~150kHz。各家公司在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍下，針對本地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)，承受各種特定專有技術(shù)，設(shè)計(jì)出各自的電力線載波modem芯片。由于國外電力線載波modem 芯片是針對本地區(qū)電網(wǎng)特性、電網(wǎng)構(gòu)造，且一般是針對家庭內(nèi)部自動化而設(shè)計(jì)，在國內(nèi)使用都難盡人意。實(shí)現(xiàn)電力線載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵是要抑制電力線上所存在的問題，歸結(jié)起來就是功能強(qiáng)大和性能優(yōu)越的電力線載波專用modem 芯片的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。為此，在進(jìn)展本工程的設(shè)計(jì)時，我們在芯片選擇上花了極大的功夫。6/15現(xiàn)有幾種電力線載波芯片比較幾種電力線載波芯片比較表FarhillSep9,2023ST7535SSCP200型號 LM1893 ST7536SSCP300PLT-22ST7537SSCP485調(diào)制方式 FSK FSKSSCBPSK窄帶132kHz()帶寬特點(diǎn) 窄帶100-400KHz50-300kHz115kHz()靈敏度 2mV 2mV1mV信號動態(tài)110dB 60dB范圍70dB80dB波特率時鐘 無 無無有緩存 無 無有無(1)XR2210/XR2206 LM1893這是比較早的電力線載波芯片。XR2210/XR2206 是一組FSK方式的調(diào)制解調(diào)芯片，并不是特地針對電力線載波通訊設(shè)計(jì)的，還可用于有線和無線通訊。LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的modem 芯片，承受FSK調(diào)制解調(diào)方式。它只是對一般FSK調(diào)制解調(diào)芯片稍作改進(jìn)，目前，這兩款modem 芯片在國內(nèi)根本沒有承受。(2)ST7536ST7536是SGS-THOMSON 公司專為電力線載波通訊而設(shè)計(jì)的 modem芯片。由于它是專用modem 芯片，所以除有一般modem 芯片的信號調(diào)制解調(diào)功能外，還針對電力線應(yīng)用參與了很多特別的信號處理手段。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，只是各公司應(yīng)用水平不同。ST7536是半雙工的FSKmodem 芯片，600bps 時靈敏度為2mV，1200bps 時靈敏度為3mV。它針對電力線載波通訊承受了數(shù)字濾波器、AFC(自動頻率掌握)、ALC(自動輸出幅度掌握)以及軟7/15件上的3字節(jié)容錯等現(xiàn)代通訊技術(shù)。ST7536 也是較早的電力線載波modem芯片，調(diào)制解調(diào)技術(shù)是較落后的 FSK方式，加上 3字節(jié)容錯，最高波特率只能到達(dá)400bps。另外它無CSMA(網(wǎng)絡(luò)載波偵聽)功能，這些限制了它的應(yīng)用。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域， ST7536是最適合的modem 芯片。但它通訊距離不是很抱負(fù)；需要作中繼器時，通訊速度太慢；它是每位中斷一次，按

1200bps 計(jì)833μs中斷一次，對更簡單的應(yīng)用來講，833μs(3)SSCP300SSCP300Intellonmodem芯(Chirp)DSPCSMA技術(shù)以及標(biāo)CEBusmodemmodem芯片的開展趨勢。但在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域使用效果還不如較早的 ST7536。究其緣由，SSCP300 Intellon公司按北美地區(qū)頻率標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)特性，特別針對家庭自動化而設(shè)計(jì)的。頻率范圍100kHz~400kHz，電網(wǎng)電壓480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可承受線－地藕合方式。由于針對家庭自動化，主要一家一戶式獨(dú)立住宅，所以在通訊距離上，它還承受陷波器隔離，防止干擾鄰近住宅。因此比較適合基于電力線網(wǎng)的家庭局域網(wǎng)的應(yīng)用。(4)PLT-22PLT-22是Echelon 公司最電力載波收發(fā)器，它是針對工業(yè)掌握網(wǎng)而設(shè)計(jì)的。它承受BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)以及多種容錯及糾錯技術(shù)，目前在中國電力線網(wǎng)上應(yīng)用效果較抱負(fù)。但是由于它是 Lonworks網(wǎng)絡(luò)專用，使用該模塊設(shè)計(jì)低壓電力線載波Modem時，必需協(xié)作含嵌人式網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的專用 Neuron芯片來完成掌握操作。因此，整個系統(tǒng)的本錢較高，僅適用于某些專業(yè)通信的領(lǐng)域，無法應(yīng)用于類似民用電能表等對價格敏感的場合。國產(chǎn)載波芯片PL3200介紹考慮到國內(nèi)電力線狀況簡單，諧波較多，通訊環(huán)境惡劣的狀況，我們最終承受北京福星曉程電子科技股份開發(fā)的PL3200系列載波芯片，該芯片能夠穩(wěn)定工作于國內(nèi)電力線環(huán)境。PL3200內(nèi)嵌有增加型8051兼容微處理器，使得設(shè)計(jì)電路時可以到達(dá)一個芯8/15片實(shí)現(xiàn)多中功能的作用，大大節(jié)約了開發(fā)時間，也使得電路板整體電耗掌握在很小的范圍，增加了電路的牢靠性，PL3200內(nèi)置256bytes+1024bytesSRAM bytes的EEPROM，協(xié)作8051處理器實(shí)現(xiàn)程序的存儲，在電能計(jì)量局部，能提供高精度電能計(jì)量，供給有功功率和無功功率瞬時值輸出，指示正負(fù)功，介于PL3200的強(qiáng)大功能，比照了眾多電力線 modem之后我們小組打算承受80針腳的PL3200實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)。PL3200芯片主要特點(diǎn)是：〔1〕高精度電能計(jì)量單元〔2/解調(diào)電路120KHz載頻，帶寬15KHz500bps接收靈敏度：50mVRMS(500bps)1000m抗干擾力量：抗20倍功率的噪聲-80dB9/15〔3〕數(shù)字調(diào)校實(shí)時鐘〔451內(nèi)核〔5〕16KBYTESE2PROM 片內(nèi)程序存儲器，支持ISP〔在系統(tǒng)編程〕〔6LCD/LED/驅(qū)動電路〔7〕內(nèi)置兩個全雙工串口：38KHZRS485通信模式〔8〕電源電壓監(jiān)測、看門狗電路3、模塊設(shè)計(jì)結(jié)果3.1電力線耦合模塊低壓電力線是一種通信環(huán)境格外惡劣的信道，有很多問題有待進(jìn)一步爭論。低壓電力線傳送著220V/50Hz的電能，在低壓電力線上并接了很多不同阻抗的用電器，低壓電力線的這一固有特點(diǎn)，給低壓電力線通信帶來了很大的困難。因此，低壓電力線通信必需首先解決以下兩個難題：150Hz的工頻信號不能給載波通信系統(tǒng)帶來太大的干擾；同時，考慮到整個通信系統(tǒng)的平安，必需進(jìn)展強(qiáng)電隔離。2〕低壓電力線上并接的全部用電器的“統(tǒng)計(jì)載波阻抗〞要高，以確保較高的載波信號加載效率。上述問題，正是低壓電力線通信的耦合技術(shù)問題，也是耦合電路好壞的唯一評價標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)低壓電力線通信耦合技術(shù)的要求：一方面，必需進(jìn)展強(qiáng)電隔離；另一方面，要確保較高的載波信號加載效率。為此，必需承受“電磁耦合〞與“阻容耦10/15合〞相結(jié)合的“復(fù)合耦合技術(shù)〞。T1有著雙重作用。一方面，耦合載波信號；另一方面，使通信電220v50Hz的強(qiáng)電隔離。假設(shè)不使用隔離變壓器，而是使用電感作為高通濾波器的感性元件，那么電力線就會直接連到低壓電路的公共端，電力線載波芯片無法承受如此高的電壓。由于低壓電網(wǎng)的工頻和本系統(tǒng)擴(kuò)頻信號的信號頻率〔120KHz2500倍，因此電容和耦合線圈原邊電感對這兩種頻率信號的阻抗各不一樣。對于工頻信號，電容的阻抗遠(yuǎn)大于線圈原邊電感的阻抗，所以電容120KHz的載波信號，線圈原邊電感的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容的阻抗，所以系統(tǒng)載波信號幾乎都加在了耦合線圈上。這個電路能把工D7起著防沖擊電壓作用，最大雙18VD1、D2起限幅作用，用來保護(hù)后續(xù)電路。其調(diào)諧回路的諧振頻率應(yīng)滿足：1f02 LC假設(shè)將中心頻率選在感 L的取值在

460kHz，電容取值為22nF,經(jīng)計(jì)算可得電5.7微亨左右，即通過調(diào)整變壓器初級繞組電感量來調(diào)整中心頻率。T1將電力線與耦合電路的其余局部相隔離，從電力線上承受載波信號，濾除來自電力線上得干擾噪聲。信號功率放大電路低壓電力線一般是由銅或其他電的良導(dǎo)體加上而成，其本身的阻抗很小。220V電力線不是抓用的通信線，電力線上有大量的用電負(fù)載和電力設(shè)備〔如無功補(bǔ)償電容等〕，這些器件對載波信號的衰減格外嚴(yán)峻，其高頻等效阻抗變化范11/150.1200歐姆，這就使其信號衰減值嚴(yán)峻100dB以上