對傳統(tǒng)抄表系統(tǒng)進行了研究，對高性能自動抄表系統(tǒng)所需技術(shù)進行了分析，提出了一套基于電力線載波技術(shù)的新型智能小區(qū)抄表系統(tǒng)的設(shè)計方案，并通過分析和實際應(yīng)用證明了抄表系統(tǒng)的高性能和高可靠性。
??? 關(guān)鍵詞：抄表系統(tǒng)，電力線載波，智能小區(qū)
　　

1　引　言
　　隨著我國國民經(jīng)濟和電力事業(yè)的迅速發(fā)展，絕大部分地區(qū)的用電已經(jīng)沒有限制，一戶一表制已經(jīng)基本普及。但是隨著住宅電表數(shù)量的增加，人工抄表的工作量急增，另一方面，隨著智能住宅小區(qū)的興起，人們對居住環(huán)境的要求提高了，舒適、方便成為人們關(guān)注的重點。由于計算機管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲容量大，檢索、查詢方便，可以節(jié)省大量的人工，減少差錯，提高工作效率，因此，無論是用戶還是用電管理部門都迫切地需要計算機管理的介入。現(xiàn)有的抄表系統(tǒng)，按照一般的點對點抄表方式，將受到設(shè)備數(shù)量和傳輸信道的限制，而另外鋪設(shè)專用的通信信道，耗資較大，難以在實際中推廣。文章將介紹的智能小區(qū)抄表系統(tǒng)采用了微型計算機技術(shù)和基于電力線載波的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，能對電子式電能表輸出的脈沖信號計數(shù)，以達(dá)到電能計量的目的。同時，該系統(tǒng)還具有長時間數(shù)據(jù)存儲和通過電力線向小區(qū)管理中心計算機傳送數(shù)據(jù)的功能，將是一種有發(fā)展前景的自動抄表系統(tǒng)。
2　系統(tǒng)構(gòu)成和工作過程
　　該自動抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括電能表光電模塊與光電轉(zhuǎn)換模塊、采集終端、集中器、通信模塊與計算機系統(tǒng)等五部分。其中，計算機系統(tǒng)稱為上位機。電能表光電模塊、采集終端、集中器和通信模塊構(gòu)成下位機系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時，通過安裝在電能表內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換模塊，把電能表圓盤轉(zhuǎn)動時的信號轉(zhuǎn)換成脈沖電信號輸出。通過脈沖專線送入數(shù)據(jù)采集終端或采集模塊進行脈沖數(shù)累加和存儲。但是，此處采集的只是脈沖量而不是電度量，要將脈沖量乘以電度表常量和脈沖常數(shù)后方可得到電度量。集中器則定時進行數(shù)據(jù)讀取、電度量計算和存儲。各集中器通過電力載波將信息發(fā)送到智能小區(qū)管理中心計算機。管理中心計算機的作用是接收集中器傳送過來的電表電量數(shù)據(jù)，并對各個用戶群體進行存儲、分類、統(tǒng)計及計價。用電管理人員可以隨時獲取所需的各種數(shù)據(jù)和信息。

3　前端采集子模塊
　　圖2所示是自動抄表系統(tǒng)中前端采集子模塊的構(gòu)成，采用了主從雙CPU結(jié)構(gòu)。從CPU采用的是Intel公司的89C51單片機，實現(xiàn)多路脈沖信號的采集，電能表發(fā)出的脈沖信號經(jīng)過脈沖整形電路和濾波電路后，輸入到6片8253計數(shù)器中，8253帶有3個獨立的減法計數(shù)器，在工作方式0的控制下，能對外部事件計數(shù)。從CPU每隔5min，輪流讀取計數(shù)器中脈沖電能的個數(shù)，以獲得每分鐘的電能脈沖個數(shù)的平均值，并存入數(shù)據(jù)存儲器AT24C16中。該存儲器與89C51之間用I2C總線連接，數(shù)據(jù)存儲時間在100年以上，可以進行10萬次擦寫，在掉電情況下，信息不會丟失。數(shù)據(jù)每月更新一次。主CPU同樣采用AT89C51單片機，完成數(shù)據(jù)的讀取計算、與遠(yuǎn)方計算機通信以及鍵盤顯示等附加功能。主機每隔10min通過IC總線從AT24C16中讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存入主機板的4片E2PROM－X84129中，通過通信模塊發(fā)往遠(yuǎn)方計算機系統(tǒng)。 4　通信模塊原理與結(jié)構(gòu)
4．1　通信原理及可行性分析
　　作為一種通訊媒介來考慮的話，低壓電力線信道（50kHz～400kHz）充滿著各種干擾，例如各種開關(guān)電源的大量窄頻干擾，高壓尖脈等，必須采取特殊的技術(shù)來克服，這里采用了電力線SSC（Spread SpectrumCarrier）技術(shù)。電力線SSC技術(shù)是一種基于掃頻（Chirp）原理且適用于載波偵聽多路訪問（CSMA）的擴頻通信方法。其掃頻范圍為100kHz～400kHz，掃頻方式從200kHz～400kHz，然后再從100kHz～200kHz，起始和結(jié)束的頻率都是200kHz。這樣設(shè)計的原因有2個：一是最大程度限制擴頻信號產(chǎn)生的諧波，簡化對濾波器的要求；二是使每個數(shù)據(jù)位擴頻以后的信號波形平滑變換。掃頻信號的幅值隨著信號的頻率而變化，這是因為電力線的阻抗也隨著信號的頻率而變化。由于掃頻信號較短且具有自同步性，因此，可以避免直序擴頻和跳頻通信同步時間慢的缺陷。下面從載波信道傳輸特性分析其可行性。
4．1．1　信號衰減
　　低壓電力線一般由銅線或其他良導(dǎo)體加工而成，電力線本身的阻抗并不是產(chǎn)生衰耗的主要原因。但是電力線上并聯(lián)的多種多樣的負(fù)載對信號造成的衰耗影響很大。根據(jù)現(xiàn)場實驗統(tǒng)計，低壓電力線上的載波信號衰耗隨著頻率的上升而增大，但并不是單調(diào)的，衰耗值可達(dá)20dB以上，但一般都低于55dB。在100kHz～400kHz頻帶內(nèi)，信號平均衰耗約為40dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差為20dB。如INTELLON公司的產(chǎn)品SSCP300／P111，允許擴頻信號衰耗的動態(tài)范圍為68dB。因此，從信號衰減統(tǒng)計特性看，采用電力擴頻載波技術(shù)是可行的。
4．1．2　時變性
　　由于低壓電力網(wǎng)上負(fù)載不斷切除、投入，電器的開、關(guān)等隨機事件的影響，在1s內(nèi)某一頻率的信號衰耗變化可達(dá)20 dB。由于掃頻信號的頻率變化格式固定且相位連續(xù)，其信號接收器能夠滿足時變性的要求，而且編碼和譯碼很容易實現(xiàn)，所以，構(gòu)成收發(fā)器件的費用較低。
4．1．3　干擾噪聲
　　對低壓電力線通信影響最大的是脈沖干擾。它產(chǎn)生的突發(fā)性干擾可引起瞬時的高誤碼率。研究統(tǒng)計表明，脈沖干擾的強度最大可達(dá)40dBc，由于掃頻信號兼有直序擴頻和跳頻的兩種優(yōu)勢，因而能夠在噪聲范圍較大的情況下穩(wěn)定、可靠地工作。
　　本文設(shè)計中采用了INTELLON公司的載波芯片SSC P300和SSCP111，其信息傳輸速率最大可達(dá)10kbit／s。
4．2　通信模塊電路
　　通信模塊由SSCP300和SSCP111電力載波芯片組成，圖3是通信模塊的電路原理圖。模擬信號是通過信號入（SI）和信號出（SO）腳在SSCP300與通訊媒介（交流電力線，雙絞線等）之間進行傳輸?shù)?。在發(fā)送模式下，SSC的“chirps＂從SSCP300的SO腳傳輸?shù)捷敵?a href="http://www.makelele.cn/tags/放大器/" target="_blank">放大器，此放大器由SSCP300的三態(tài)信號（TS）來決定其工作與否。一旦信號被放大，則輸出信號通過媒介耦合電路傳輸?shù)矫浇橹腥?。在接收模式下，模擬通訊信號通過外部媒介耦合電路傳輸?shù)捷斎霝V波器，此帶通濾波器可將頻率為100kHz～400kHz的信號傳輸?shù)絊SCP300的SI腳。SSCP300網(wǎng)絡(luò)控制器用來完成數(shù)據(jù)鏈路層功能及提供物理層服務(wù)，具體的數(shù)據(jù)鏈路層功能包括數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收、發(fā)送字節(jié)到符號轉(zhuǎn)換、接收符號到字節(jié)轉(zhuǎn)換、傳輸通道的獲取、循環(huán)冗余碼的產(chǎn)生和校驗等。SSCP111媒介接口和電力線耦合電路部分完成緩沖放大、低通濾波、將放大信號耦合到電力線上及對輸入信號進行濾波等工作。 4．3 SSCP111瞬間保護
　　由于SSCP111驅(qū)動AC電力線，因而線上的瞬間電壓將會通過耦合電路返回到P111的輸出管腳上。在某些特定條件下，具有較大幅度或較大加速度的瞬間電壓會造成P111 IC的損壞，因此需要加上瞬間抑制電路才能確保P111 IC正確工作。保護電路包括在AC電力線耦合器中加上的MOV／齊納二極管的組合，以及在P111 IC輸出管腳上的瞬時電壓抑制器（TVS）／肖特基二極管組合。此抑制器應(yīng)置于輸出濾波電感和電容之間，將TVS的電容與SSCP300的輸出管腳隔離，并能夠保持其所需的相域。TVS的選擇將參照提供給SSCP111的電源支持（Vaa）。TVS必須在瞬時幅度達(dá)到電源限之前啟動，此時才能使“chirps”無衰減地通過。 5　軟件設(shè)計
　　小區(qū)管理中心計算機發(fā)向下位機主機的數(shù)據(jù)包中含有起始位、單片機地址、需求命令、奇偶校驗位和結(jié)束位。下位機向計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)包含有起始位、單片機地址、采樣的數(shù)據(jù)、奇偶校驗位和結(jié)束位。管理中心計算機的信息可以發(fā)往任意下位單片機，但是下位單片機的信息只能發(fā)往管理中心計算機，各下位單片機之間互不通訊。管理中心計算機和下位單片機的數(shù)據(jù)收發(fā)均以中斷方式進行。當(dāng)下位單片機收到管理中心計算機發(fā)來的信息后，立即解數(shù)據(jù)包并與本機地址比較，如與本機地址相同，則將采集的數(shù)據(jù)發(fā)往管理中心計算機；如與本地地址不同，不向管理中心計算機發(fā)數(shù)據(jù)。
　　本系統(tǒng)中軟件采用模塊化設(shè)計，主要有數(shù)據(jù)采集循環(huán)監(jiān)控、顯示模塊、通信模塊、以及其它功能模塊。下位機的從機主要完成計數(shù)器初始化、信號采集功能。為防止脈沖傳送給電度表帶來抖動或因外界
　　圖6干擾引起CPU判斷錯誤，脈沖采集軟件增加了消抖動功能，見圖4。本系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試中的重點還有下位機的主機與遠(yuǎn)方管理計算機的數(shù)據(jù)傳輸過程，其程序流程圖如圖5所示，圖6是中斷服務(wù)子程序。
6　結(jié)束語
　　本系統(tǒng)采用了快速、可靠的雙CPU數(shù)據(jù)采集處理，以及基于電力線載波的數(shù)據(jù)通信技術(shù)。由于采用電力線作為通信信道，不必另外架設(shè)通信電纜，節(jié)省了投資，為實現(xiàn)用戶電能表網(wǎng)絡(luò)化管理，及“一戶一表，抄表到戶”制度提供了高效、科學(xué)的手段；數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計容量可以分為8戶、16戶等，應(yīng)根據(jù)用戶現(xiàn)場的電表配置情況任意選擇終端的種類。實驗室的實踐證明了上述系統(tǒng)的可行性。利用電力線通訊的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)可為智能小區(qū)的自動化管理提供幫助。

1　李　華，孫曉民，等．MCS－51系列單片機實用接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999
2　吳　雷．電能集中自動計量系統(tǒng)的設(shè)計．自動化儀表，2002，23（1）