基于电力载波通信的供电锁相测控系统

高　蒙　张秋菊　冯　涛

摘 要：随着信息科学技术的飞速发展,使用电力线载波进行通信的手段变得越来越广泛。依据目前供电系统的主要性能和市场需求,运用先进的锁相倍频技术及PL3105直接序列扩频电力线载波通信的方式,对一个局域网络内用户的电能状况进行实时监测和控制管理,形成了一套完善的供电测控实施系统。该系统是集数据采集及存储、载波通信、网络传输、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,实现了供电管理的数字化、精确化和智能化。

关键词：PL3105；电力线载波通信；直接序列扩频；锁相测控

中图分类号：TP273 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2009)01-122-04

Phase Lock Measuring and Controlling Power Supply System

Based on Power Line Carrier Communication

GAO Meng,ZHANG Qiuju,FENG Tao

(Shijiazhuang Railway Institute,Shijiazhuang,050043,China)

Abstract：With rapid development of the information science technology,the application of the power line carrier communication is more and more popular.According to the performance and market demand of the power supply system,in this paper,the phase lock and the direct sequence spread spectrum technology of power line carrier communication of PL3105 are put forward.The real-time monitoring and the user managing in the net are completed.The system is an integrated automatic system which can realize the functions such as data collection and memory,carrier communication,network transmission,power measurement and control,data display,and so on.The way of power supply management is digital,precise and intelligent.

Keywords：PL3105;power line carrier communication;direct sequence spread spectrum;phase lock measurement and control

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 Communication,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［1］。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［2］。

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［3］。

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。

图1 供电测控系统构成框图

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。

图2 电能表结构框图

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［4］。

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f osc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。

图3 负载功率测量电路

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：

Pz=CN∑Nk=1vkik

(2)

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［5］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［6］。

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FM

图4 数据存储芯片电路

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。

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。

图5 三相载波收发电路构成框图

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INT1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=0时,载波控制器处于接收状态。

图6 软件流程框图

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。

参考文献

［1］吕振肃,雷锡社,刘敏.低压电力线通信技术及其应用［J］.甘肃科学学报,2002,14(4)：28-34.

［2］邓海洋,魏丰,熊敏.利用扩频载波技术实现电力线数据通信［J］.电力系统通信,2000(1)：38-401.

［3］邓家先,康耀红.信息论与编码［M］.西安：西安电子科技大学出版社,2007.

［4］北京福星晓程电子科技股份有限公司.PL3105 date sheet.

［5］http://www.21ic.com.

［6］杨杰,张建飞.基于直序扩频的电力线载波通信系统设计.武汉：武汉理工大学,2006.

作者简介高 蒙 男,1956年出生,教授,硕士导师。主要研究方向为通信电子、电气,计算机测控。

张秋菊 女,1982年出生,在读研究生。主要研究方向为计算机检测与控制。

冯 涛 男,1979年出生,助教。主要研究方向为电气自动化,计算机测控。