基于电力载波通信的供电锁相测控系统

0 引 言
    随着信息技术的发展，供电测控设备的种类越来越多，其中支持测控系统传输信息的手段也越来越多样化。作为分布最广泛的网络，电力线网络是一个动力能源传输网络，除了输送电能以外，还可以进行数据传输。
    电力线载波通信(Power Line Carrier Communica—tion，PLCC)是指以电力线为信息传输媒介，信号经过载波调制技术，实现在电网各个节点之间传递的一种通信方式。但是，电力线通信信道存在噪声干扰强，阻抗随负载变化大，信号衰减大等缺点，严重制约了它的有效利用。常规的载波技术显然不能满足实际需求，必须采用具有高抗干扰能力的载波调制措施改善通信质量。目前，低压电力线载波通信技术已从传统的频带传输(ASK、FSK、PSK)发展到了扩频通信(SSC)技术、多载波正交频分多址(OFDM)技术以及光波分复用(WDM)技术等。就扩展频谱方式的不同，扩频通信系统可以分为：直接序列(Direct Sequence，DS)扩频，跳频(Frequency Hopping，FH)，跳时(Time Hopping，TH)，线性调频(Chirp)以及上述各种基本方式的组合，如：FH／DS，DH／TS等。
    现设计了一种用户供电测控系统，系统利用电力载波通信完成用电信息的传输控制。采用了直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum Communication，DS—SSC)技术，该系统优势是用户不必重新架设线路，而是利用原来的电力线网络完成用电信息的传输，而且电力线传输不占用现有的频谱资源，同时，该系统还可以通过局域网实现远程监控。电力线载波通信还具有现有物理链路、易维护、易推广、易使用等优点。

1 DS—SSC技术原理
    根据信息论中著名的香农定理：
    C=Blog2(1+S／N)b／s (1)
    信道容量C给定后，信道带宽B与信噪比S／N可以互换。由此可以推得，在信息速率C不变的情况下，只要增加信道带宽B，就可以降低对信噪比S／N的要求。
    扩频通信(SSC)技术的基础是香农定理，利用与被传输信息无关的码对信息进行频谱扩展，使扩展后的频带远远超过被传送信息所必需的最小带宽(即增大B的值)，在接收机中利用同一码进行相关接收和恢复信息。
    直接序列扩频(DS—SSC)技术是指用远远大于信息速率的伪随机序列(PN)与信号相乘，来达到扩展信号的带宽B。在发送端先对信号进行扩频再进行DPSK调制，扩频载波信号经过功率放大之后耦合到电力线上进行传输。在接收端DPSK解调后用于发送端同步的本地PN序列解扩即可恢复信号。

2 系统构成
    基于电力线载波通信的供电测控系统是集数据采集、载波通信、网络传输、数据存储、功率计算、数据显示、计算机控制等功能于一体的自动化系统。系统由三部分构成，实现框图如图1所示。

各个电能表把用电信息通过电力线以载波的方式传送到数据集中器，数据集中器经局域网将信息发送到用电管理中心，管理中心的上位机完成用电数据的处理，并利用载波通信方式给数据集中器以及电能表下达命令。
2．1 电子式电能表
    用户电子式电能表能够同步地采集一路用户用电的电压电流、时钟校准、精确计算、存储数据，并具有载波收发及收发成功显示功能。其硬件结构框图如图2所示。

2．1．1 PL3105微处理器
    为有效实现系统供电测控功能，电能表的核心处理器采用FXXC公司PL3000系列具有DS—SSC功能的专用芯片PL3105。[!--empirenews.page--]
    PL3105内嵌一个高速CPU，其指令周期为1T，串口、定时器等是严格的12T。外部时钟(主时钟)在经过时钟模块后一分为二，其中一路经过2分频后得到的fosc提供给CPU和相应的资源模块，另一路直接供给载波和ISP模块，这里采用外部9．6 MHz的主频晶振。
    PL3105采用了8／16位微处理器8051兼容内核，它内部集成了2路16位的A／D，3个16位定时器，2路多功能串口，LED／LCD显示控制模块，采用8个中断源两级中断。PL3105内置了16 kB的E2PROM程序存储器和1 KB的SRAM，其内部的256 B SRAM和实时钟在主电源掉电的情况下可由备用电池继续供电维持。PL3105采用直序扩频，DPSK调制／解调，半双工电力载波通信单元，500／250 b／s通信速率可选。
2．1．2 A／D锁相倍频技术
    PL3105内部集成了两路A／D，其中一路用来采集负载端电压，另一路用来采集负载电流，本设计用锁相倍频技术实现负载功率的精确测量。
    用户电力线为标准的50 Hz电源输入，由于实际交流电源的频率不稳，为提高计量精度，必须考虑采样与电源的同步问题，采用锁相倍频电路将负载电压和电流的模拟量离散化，电路如图3所示。

 该电路可以完成严格的整周期采样，设电路锁相倍频系数为N，由于采样脉冲与电源频率严格锁定，该电路在一个电源周期内可以同步采样N点电压电流值，这样，计算机可以利用离散积分求和式(2)精确计算出负载功率：

式中，N为电源周期内的采样点数，vk，ik为电压电流的瞬时采样值；C为一常数。
    采用数字锁相芯片CD4046和分频芯片CD4040构成锁相电路。该电路可以将电源的一个周期严格等分为N份，这里的N=27=128。电源电压经过电压互感器输入CD4046的BIN引脚和PL3105的ADIN2引脚。AIN和BIN端分别为4046内部鉴相器的两个输入端，分频前的方波由4046内部压控振荡器输出端VCOUT连接到4040的CLK脚，该方波频率为50 Hz×128=6 400 Hz。分频后形成的50 Hz锁定方波由Q7脚输出至4046的AIN引脚。将6 400 Hz方波作为采样中断脉冲送入PL3105的A／D中断输入端XINT1，则计算机可按照该频率进行每周期128点的A／D循环采样，并利用式(2)完成负载功率的精确测量。
2．1．3 电力线载波通信
    PL3105芯片内集成了直接序列扩频调制电路，外围连接的电路主要包括功率放大、滤波、载波耦合及接收电路。
    采用软件配置，载波功能被使能后，载波信号由PL3105芯片的I／O引脚PSK_OUT输出，波形为0～5 V的方波，包含丰富的谐波。功率放大电路使PSK_OUT点的方波信号放大，在一定范围内有效地加大发射功率、延长通信距离。放大后的信号富含谐波，需要进行滤波整形。设计可用电感、电容组合完成整形滤波，再通过耦合线圈T1耦合到低压电力线上。
    电力线下行传输微机命令信息时，信号经载波耦合到接收电路，电感和电容组成并联谐振回路，谐振中心频率120 kHz，完成对有效信号的带通滤波。接收信号引入到芯片PL3105内部进行混频处理，SIGIN被内部上拉后平移到2．5±0．7 V。载波通信速率为500 b／s，15位伪码，同步捕获门限默认为30H，带宽±7．5 kHz。
2．1．4 数据存储
    数据存储部分完成单路用户的用电信息的存储，设计采用铁电存储芯片FM24C256(如图4所示)，连接到PL3105的I／O口，存储芯片的A0，A1，A2脚共同构成片选的3位地址信息，图中所示该芯片片选地址为000，存储器芯片数目可以根据现场需要自行选择。

2．2 数据集中器
    数据集中器能够存储数据以便查询，并能以载波通信方式上行、下行传输信息。
    它采用电力线载波专用芯片PL3105为微控制器，负责系统数据收集存储，系统通信协调处理。载波通信部分由3路(对应3相电源)载波收发处理组成，实现载波下行通信功能。上位通信部分通过RS 232转换接口接收上位机管理，响应上位机指令。它可以实现大量数据存储，最大容量为65 536户(电能表)。通信速率500 b／s，可实现多级中继。[!--empirenews.page--]
    数据集中器设备与标准三相电力线连接，必须保证每一相电源上信息的完整传输，载波通信部分设计由3路收发处理电路组成，如图5所示。

 由PL3105芯片I／O引脚PSK_OUT输出待载波传输信息，经一路功放滤波、载波耦合电路，送到单相电力线上。系统共设计有三路载波通信线路，分别将待传输信息发送到A、B、C三相上，同时三相电力线设有共用的载波接收电路，可以将来自电力线的数据信息通过SIGIN引脚接收到PL3105处理器中。
2．3 管理中心
    管理中心系统由完成测控的计算机和上位机软件构成，直接由管理人员来操控。计算机配合上位机软件，实现如下功能：
    实时监控电表状态；缴费状况检索与继电器通断操作；用电数据的接收、计算、存储、显示；设置集中器的自动抄表周期和系统校时；用户负荷监控和电量异常报警；给集中器和电能表下达各种命令。

3 软件实现
    软件流程图如图6所示。

系统上电，对所用变量进行初始化设置，包括串口数据缓冲区的清零、载波收发状态清零、收发指示灯状态、变量赋初值等。配置串口通讯方式，设定波特率。外部INT1中断为采集一次A／D的中断信号，载波通信控制器采用帧同步方式的串行移位通信，使能外部INT2中断(EX2=1)。
    开INTl中断，判断串口有无中断信号，有中断信号则开始一次A／D采集。XINT1是由锁相变频电路输出到微处理器PL3105的控制信号，从采集完一次到采集下一次等待此中断，在一个电源周期内(0．02 s)采集128次数据，采集完毕关中断，周期个数M累加。
    开INT2中断，INT2作为载波通信同步信号的中断。使能载波通信控制位PLM_SSC，进入载波收发子程序。载波收发控制位PLM_RS=1时，载波控制器处于发送状态；PLM_RS=O时，载波控制器处于接收状态。
    利用式(2)计算功率，程序延时，M个采集周期循环工作，中值滤波精确计算负载功率，并累计电量。遇恶性负载时，上位机实施强制断电，程序结束。

4 结语
    针对集中供电系统特点和功能，完成了供电测控系统总体结构设计，建立了一个上下位机控制方式、电力线通信、网络传输结合一体的系统。
    设计通过电力线载波通信的方式，以PL3105为核心主控模块，把直接序列扩频技术运用到通信测控系统中，完成了用电计量计费、查询功能、控制电路通断功能、显示功能、数据统计分析、过流保护、掉电保护功能。上位机通过集中器和局域网构成远程通信网络，实现了对网络内用户用电信息的实时管理和监测控制。