基于擴頻通信技術的智能電表設計

0引言

智能電網，是指通過建立數(shù)字化的電網系統(tǒng)架構，從整個網絡系統(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。它包括先進計量體系(AMI)、高級配電運行(ADO)、高級輸電運行(ATO)和高級資產管理(AAM)四大模塊。其中，AMI是智能電網的關鍵體系，而智能電表又是AMI的核心。智能計量是實現(xiàn)智能電網智能化和智能數(shù)據(jù)管理的關鍵基礎技術和重要功能。因此，智能電表是智能電網的重要終端。

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(PLC)

電力線通信PLC(Power Line Communication)技術，從廣義上講包含應用于高壓輸電網和中低壓配電網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。

當前電力線通信技術的發(fā)展相當迅速,將擴頻載波通信模塊加入到多功能電能表當中,實現(xiàn)對電能數(shù)據(jù)的傳輸,在自動抄表領域將會有很大的應用前景。電力線載波通信技術是自動抄表發(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備如空調、冰箱等有著極低的阻抗，可以使傳輸信號嚴重衰減;在線負荷變化大，如家電設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，即電力線載波采用擴頻通信技術。擴頻通信技術是信號所占帶寬遠遠大于發(fā)送信息所必需的最小頻帶寬度的一種傳輸方式。頻帶的擴展通過偽隨機碼序列來完成，在接收機中用同樣的碼進行同步接收、解擴和數(shù)據(jù)恢復。實現(xiàn)擴頻的主要方法有:直接序列調制、頻率跳變、時間跳變和利用Chirps掃描頻率進行線性脈沖調頻。目前，基于SSC技術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)的硬件設計

在遠程電能抄表系統(tǒng)中，具有遠程載波通信能力的智能電表系統(tǒng)是核心設備。智能電表系統(tǒng)硬件設計主要包括擴頻載波通信模塊、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)信息的遠程擴頻載波收發(fā)、電能計量和負荷監(jiān)控等。

它的總體工作原理框圖如圖1所示。擴頻載波通信模塊采用電力擴頻載波技術，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)存放在片內寄存器中。智能電能表主要負責電能量數(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芯片采用擴頻載波通信技術，其傳輸信道為電力線，能通過SPI接口與單片機控制器進行串行通信。它符合EIA600 CEBus標準，擴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低壓電力線擴頻載波通信模塊

低壓擴頻載波模塊主要由SSCP300低壓電力線擴頻載波芯片、前置功放和電力線耦合電路構成，其主要功能是對單片機控制單元發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行線性掃頻調制，放大后耦合到電力線信道上;反之，對通過電力線信道發(fā)送的載波信號進行掃頻解調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)及設置信息。

SSCP300則向單片機控制單元提供符合CEBus標準的數(shù)據(jù)鏈路層和EIA-6規(guī)范的物理層網絡服務，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內部寄存器進行讀寫;低壓電力線擴頻載波模塊通過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中傳輸，完成基于電力線擴頻載波技術的遠程通信。采用SSCP300擴頻載波智能電表的擴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確地檢測、解調。

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單相交流電進行電能計量。在500：1的動態(tài)范圍內，測量誤差小于0.3%，符合IEC 1036國際標準。內部具有上電、掉電自動復位電路。它能實現(xiàn)有功功率測量、故障檢測、防竊電、負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引腳上以負脈沖的形式輸出有功功率平均值的信息，可直接驅動機電式計數(shù)器。芯片內部具有故障檢測電路，當相線電流和中線電流相差12.5%時，即從FAULT腳輸出高電平，可驅動發(fā)光二極管或蜂鳴器進行光聲報警。當智能電表檢測到負功率用電時，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)，可以作為負荷控制的判據(jù)。單片機控制模塊向負荷控制模塊輸出負荷控制指令(Close)和(Trip)，推動負荷控制模塊動作，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)。