基于擴頻通信技術(shù)的智能電表設計

0引言

智能電網(wǎng)，是指通過(guò)建立數字化的電網(wǎng)系統架構，從整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統的各個(gè)節點(diǎn)處(電表、變電站、發(fā)電廠(chǎng)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(shí)現智能電網(wǎng)智能化和智能數據管理的關(guān)鍵基礎技術(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(dòng)抄表系統AMRS(Automatic Meter Reading System)，是對電能計量自動(dòng)抄收的自動(dòng)控制系統，能提高電力系統用電管理的現代化水平。當電表計量系統具備電力線(xiàn)載波通信、無(wú)線(xiàn)電通信、RS-485等通信功能時(shí)，電能的自動(dòng)抄表系統的性能得到提升。

1電力線(xiàn)通信技術(shù)(PLC)

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

當前電力線(xiàn)通信技術(shù)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(shí)現對電能數據的傳輸,在自動(dòng)抄表領(lǐng)域將會(huì )有很大的應用前景。電力線(xiàn)載波通信技術(shù)是自動(dòng)抄表發(fā)展的重要方向，但電力線(xiàn)的傳輸環(huán)境具有不利于數據傳輸的特性：變壓器和用戶(hù)設備如空調、冰箱等有著(zhù)極低的阻抗，可以使傳輸信號嚴重衰減;在線(xiàn)負荷變化大，如家電設備的瞬間起動(dòng)可變的分布阻抗幾乎對所有頻率的信號都起著(zhù)衰減或隔離的作用，并且這些變化沒(méi)有規律，呈隨機狀態(tài);噪聲模型無(wú)規律等問(wèn)題。針對以上干擾問(wèn)題，宜采用抗干擾能力強的通信技術(shù)，即電力線(xiàn)載波采用擴頻通信技術(shù)。擴頻通信技術(shù)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(guò)偽隨機碼序列來(lái)完成，在接收機中用同樣的碼進(jìn)行同步接收、解擴和數據恢復。實(shí)現擴頻的主要方法有:直接序列調制、頻率跳變、時(shí)間跳變和利用Chirps掃描頻率進(jìn)行線(xiàn)性脈沖調頻。目前，基于SSC技術(shù)的電力線(xiàn)通信芯片的數據傳輸速率在1～2 Mb/s。

2智能電表系統的硬件設計

在遠程電能抄表系統中，具有遠程載波通信能力的智能電表系統是核心設備。智能電表系統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。其主要功能為數據信息的遠程擴頻載波收發(fā)、電能計量和負荷監控等。

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(shù)，實(shí)現數據在電力線(xiàn)上的接收發(fā)送。電能量計量模塊是該系統的重要部分，它以電能專(zhuān)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(shí)功率，累加得到電能量值并將電能量數據存放在片內寄存器中。智能電能表主要負責電能量數據的采集，因此要有較大容量的存儲模塊，用以存儲大量的電能量數據，以便數據上報和統計。

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(shù)，其傳輸信道為電力線(xiàn)，能通過(guò)SPI接口與單片機控制器進(jìn)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，其數據包傳輸速率為10Kb/s.SSCP300芯片主要管腳功能如表1所示。

2.2低壓電力線(xiàn)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(xiàn)擴頻載波芯片、前置功放和電力線(xiàn)耦合電路構成，其主要功能是對單片機控制單元發(fā)送來(lái)的數據進(jìn)行線(xiàn)性?huà)哳l調制，放大后耦合到電力線(xiàn)信道上;反之，對通過(guò)電力線(xiàn)信道發(fā)送的載波信號進(jìn)行掃頻解調后被單片機控制單元接收。其數據通信采用了收發(fā)分時(shí)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?lèi)毫拥那闆r下保證不小于600m。

擴頻載波通信模塊通過(guò)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(guò)CEBuS通信協(xié)議通信來(lái)支持命令和數據的傳輸。這些命令和數據包括將要發(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標準的數據鏈路層和EIA-6規范的物理層網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，最終實(shí)現了與單片機的通信。在發(fā)送數據模式下，電力線(xiàn)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(guò)耦合電路傳輸到電力線(xiàn)信道上;在接收數據模式下，通信信號通過(guò)電力線(xiàn)信道傳輸到帶通濾波器，經(jīng)放大后傳輸到SI腳。因此，單片機控制單元AT89C51通過(guò)SPI接口總線(xiàn)對SSCP300內部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě);低壓電力線(xiàn)擴頻載波模塊通過(guò)TS、SO、SI實(shí)現對功率放大電路單元的控制，使數據信號放大耦合在電力網(wǎng)中傳輸，完成基于電力線(xiàn)擴頻載波技術(shù)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(shí)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(jìn)行電能計量。在500：1的動(dòng)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(dòng)復位電路。它能實(shí)現有功功率測量、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(shí)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(dòng)機電式計數器。芯片內部具有故障檢測電路，當相線(xiàn)電流和中線(xiàn)電流相差12.5%時(shí)，即從FAULT腳輸出高電平，可驅動(dòng)發(fā)光二極管或蜂鳴器進(jìn)行光聲報警。當智能電表檢測到負功率用電時(shí)，輸出REVP信號。電能量計量模塊的REVP和FAULT信號對于電度表現場(chǎng)錯接線(xiàn)和防竊電具有實(shí)用意義。電量計量模塊的表征負荷的即時(shí)有功功率的脈沖信號(f)c，通過(guò)單片機控制系統對其進(jìn)行累加計數運算形成電能數據;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，最后計算出有功功率P和電能W。AT89C51單片機通過(guò)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的串行數據通過(guò)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(hù)現場(chǎng)提供電度度表運行的指示。此外，表征用戶(hù)電力線(xiàn)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。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(dòng)負荷控制模塊動(dòng)作，執行停電或送電。為了保證自動(dòng)抄表的實(shí)時(shí)性和掉電后數據不丟失。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。共8192頁(yè)，每頁(yè)528字節。并且具有2個(gè)528字節的讀寫(xiě)緩存SRAM，能加快讀寫(xiě)速度。此外，LED顯示模塊通過(guò)MAX7219來(lái)顯示輸出電量電能數據。