基于扩频通信技术的电力监控系统设计

林建宇

(上海电力学院计算机与信息工程学院，上海 200090)

配电自动化系统是一种可以使配电企业在远方以实时方式监视、协调和操作配电设备的自动化系统.配电自动化是电力系统现代化的必然趋势，其主要意义在于:根据配电网电压合理控制无功负荷和电压水平，改善供电质量;在正常运行情况下，通过监视配电网运行工况，优化配网运行方式;当配网发生故障时，可及时恢复供电，缩短停电时间，减少停电面积;自动抄表计费，保证抄表计费的及时准确等.为了保证电网的安全运行，监控电网的运行状况，需要对电网进行实时监测，一般称为数据采集与监控(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)［1］，即在供电系统中，对谐波、负荷、电流、功率因数等电力参数进行合理的估算，并采取相应的保护和监控措施，如加设滤波和无功补偿、报警等.

1 电力线通信技术

电力线通信(Power Line Communication，PLC)技术，从广义上讲包含应用于高压输电网和中低压配电网的窄带电力线载波通信，以及在中低压配电线路上实现的宽带数据通信.它是利用覆盖广泛的电力线信道传输数据信号的一种通信技术［2］.通信技术是实施配电网运行监测与控制的基础，也是实现配电网自动化、提高配电网运行水平的关键.目前适用于配电网运行监测与控制的通信方式主要有光纤通信、PLC通信，以及租借移动公司的GPRS专用通信网等.国家电网公司在“十一五”规划中已明确推荐采用PLC通信作为配电网自动化通信技术之一.

电力线载波通信技术是配电网监控发展的重要方向，但电力线的传输环境不利于其数据的传输［3］:一是变压器和用户设备如空调、冰箱等有着极低的阻抗，可以使传输信号严重衰减;二是在线负荷变化大，如家电设备的瞬间起动可变的分布阻抗几乎对所有频率的信号都起着衰减或隔离的作用，并且这些变化没有规律，呈随机状态;三是噪音模型无规律等.针对以上干扰问题，宜采用抗干扰能力强的通信技术，即采用扩频通信(Spread Spectrum Communications，SSC)技术.SSC技术是信号所占带宽远大于发送信息所必需的最小频带宽度的一种传输方式.频带的扩展通过伪随机码序列来完成，在接收机中用同样的码进行同步接收、解扩和数据恢复.实现扩频的主要方法有:直接序列调制、频率跳变、时间跳变，以及利用Chirps扫描频率进行线性脉冲调频［4］等.目前，基于SSC技术的电力线通信芯片的数据传输速率在1～2 Mb/s.

2 电力监控终端系统的硬件设计

配电网电力监控终端系统能及时准确地测量电力参数，同时完成故障检测并报警，如电压跌落、接地检测、短路检测等，并将这些数据信息通过电力载波通信网传输至监测主站进行数据管理和决策，这就要求配电监控终端系统必须稳定可靠.

电力监控终端系统硬件设计主要包括扩频载波通信模块、单片机控制模块和电能量计量模块.其主要功能是数据信息的远程扩频载波收发、电能计量和负荷监控等，其工作原理框图如图1所示.电能量计量模块是该系统的重要部分，它以电能专用计量芯片ATT7022为核心，实时准确地采集电网参数并通过SPI口传输数据到单片机.单片机控制单元主要负责电能量数据的处理，实现电量参数与各类统计量的计算和本地存储，因此要有较大容量的存储模块，用以存储大量的电能量数据，便于数据的上报和统计.扩频载波通信模块采用电力扩频载波技术，实现数据在电力线上的接收和发送，最终传输给监测主站，进行数据的管理和决策.

图1 电力监测终端工作原理示意

该系统设计主要包括电能计量和配电监控两部分.电能计量部分利用ATT7022A芯片来实现对用户电能参数的精确采样，能够提供除瞬时有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能、功率因数、相位、电压有效值、电流有效值、瞬时合相电流值、线电压频率值、四象限无功、正向和反向有功电能等计量参数外，还包括缺相、相序错误和反向有功指示等状态信息;配电监控部分则采用电力载波通信对被监控用户电能表的主要电能参数进行实时采集，并通过终端内部的软件分析模块分析出两部分数据的一致性和报警标志，从而确定是否存在不安全用电情况.配电监控通过扩频载波通信模块实现与电力部门上位机的实时通讯，完成用电远程配置和在线管理.在紧急情况下还可以通过遥控拉闸/合闸来保证用电安全.

2.1 SSCP300芯片的主要功能特性

SSCP300芯片采用扩频载波通信技术，其传输信道为电力线，能通过SPI接口与单片机控制器进行串行通信.它符合EIA600 CEBus标准:其扩频信号工作频率为100～400 kHz的带宽，数据包传输速率为10 kb/s.SSCP300芯片主要管脚功能如表1所示.

表1 SSCP300芯片主要管脚功能

2.2 低压电力线扩频载波通信模块

低压扩频载波模块主要由SSCP300低压电力线扩频载波芯片、前置功放和电力线耦合电路构成，其主要功能是对单片机控制单元发送来的数据进行线性扫频调制，放大后耦合到电力线信道上;反之，对通过电力线信道发送的载波信号进行扫频解调后被单片机控制单元接收.其数据通信采用收发分时控制的半双工通讯，与配电变压器集中器的通信距离约为1 000 m(在信道特性最恶劣的情况下保证不小于600 m).

扩频载波通信模块通过SPI接口与单片机控制单元相连，AT89C52单片机与 SSCP300通过CEBus通信协议通信来支持命令和数据的传输.这些命令和数据包括将要发送的分组、已接收到的分组，以及状态和设置信息.SSCP300则向单片机控制单元提供符合CEBus标准的数据链路层和EIA-6规范的物理层网络服务，最终实现与单片机的通信.在发送数据模式下，电力线通信扩频载波Chirps从SO输出至滤波器，然后输出放大器由三态信号TS决定是否通过耦合电路传输至电力线信道;在接收数据模式下，通信信号通过电力线信道传输至带通滤波器，经放大后传输至SI脚.因此，单片机控制单元AT89C52通过SPI接口总线对SSCP300内部寄存器进行读写;低压电力线扩频载波模块通过TS，SO，SI实现对功率放大电路单元的控制，可使数据信号放大耦合，完成基于电力线扩频载波技术的远程通信.采用SSCP300扩频载波智能电表的扩频载波模块在输入信号电平为－30 dBV的微弱信号时仍能进行可靠准确的检测和解调.

2.3 电能计量模块

电能量计量模块电路主要采用ATT7022A电度表芯片，适用于三相三线或三相四线电表.ATT7022A能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量和无功能量，同时还能测量各相电流电压有效值、功率因数、相角、频率等参数.它能满足电力监控系统的测量需求［5］.ATT7022A 有功、无功电能脉冲输出脉冲CF1和CF2，提供瞬时有功和无功功率信息，可以直接接到标准表进行误差校正.ATT7022A具有SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数和校表参数的传递.ATT7022芯片主要管脚功能如表2所示.

表2 ATT7022A芯片主要管脚功能

ATT7022芯片首先通过6通道l6位的ADC模数转换电路来对输入电流和电压信号进行采样，转换后的数字量再经过24位DSP数字信号处理以完成全部三相电能参数的运算，同时将电能计量结果保存在相应的寄存器中，并通过SPI口与单片机数据处理单元进行数据交换.DSP模块同时还生成有功/无功电能脉冲输出CF1/CF2.ATT7022在设计中已考虑到校表的方便性，采用全数字校表，只需适当修改校表寄存器即可实现校表功能.它可用于现场校表.

ATT7022的寄存器分为计量参数和校表参数两部分.器件中的计量参数寄存器为82个，其地址在01H～6FH中不连续分布.未使用部分可留作以后扩展用.计量参数的计算全部由硬件完成，用户只需进行单位换算就可得到测量值.校表参数寄存器包括相位补偿设置、功率增益、相位校正、电压/电流校正、比差补偿设置、启动电流、高频脉冲输出设置、断相阈值电压设置，以及合相能量累加模式等36个寄存器，它们的地址不连续地分布在0lH～2AH.两个寄存器的地址有重叠部分，但它们的物理位置是分开的，可以通过读写命令来加以区分.

3 电力监控终端系统的软件设计

系统软件设计采用模块化设计方式，其主要性能是满足电网电能计量采集的可靠性和精度.电力监控终端系统软件设计原理框图如图2所示.

图2 电力监控终端系统软件设计原理

图2 中，扩频载波通信模块按用电管理部门指令通信，包括接收程序和发送程序两部分.监测模块主要实现电压和电流监测:电压监测包括停电、过压、失压，以及电压不平衡、电压相序错误;电流监测包括断流、过流，以及电流反向、电流不平衡、电流相序错误、电压电流相序不匹配等.当掉电保护子程序检测到电源掉电时，会自动将当前电量和时间送串行非易失性存储器保存，等恢复正常后自动以此值累计.存储、显示模块则实时显示当前电量和有功功率.

电力监控系统软件具体流程如图3所示.

电力监控系统通信模块需采用有效的抗干扰措施以保证实际运行.当干扰信号较强时，通信性能的可靠性与运行的安全性都会降低.在具有衰减、失真的电力线信道上，由于存在随机干扰，会使接收端解调后的数据出现差错，因此在考虑了通信调制技术、解调技术以及发射功率后，发送数据时还必须采用一定的差错控制来确保数据的可靠性.电力线上的干扰脉冲持续时间较短，但能量集中，频谱宽，会影响若干个位甚至十几个位.为了纠正比较多的误码，就需附加多余码元，导致传输效率低下.此外，由于电力线信道的时变性，难以测定数据通信信道的差错率，当系统信道产生的差错超过其纠错能力，接收端将会收到错误信息.因此在电力线数据传输中，电力监控系统通信模块抗干扰设计采用ARQ差错控制作为差错控制协议，其优点是能自动调节通信信道性能，数据传输率也可通过改变接收端的信噪比电平获得.

图3 电力监控系统软件流程

4 结语

电力监控系统的开发具有实用价值.本文设计的电力监控终端采用了ATT7022A电能计量芯片，具有以下3个功能:电力线路断相、短路和接地等故障检测及报警功能;监测电力线路工作电压值、工作电流值越限报警和电力线路负荷功能;先进的基于电力载波通信技术的远程监控和自动记录报警数据功能.因此，本系统具有一定的推广应用价值.

［1］张永健.电网监控与调度自动化［M］.北京:中国电力出版社，2005:7-14.

［2］齐淑清.电力线通信(PLC)技术与应用［M］.北京:中国电力出版社，2005:3.

［3］SHWEHDI M H，KHAN A Z.A power line data communication interface using spread spectrum technology in home automation［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1996，11(3):1 232-1 237.

［4］田日才.扩频通信［M］.北京:清华大学出版社，2007:6-11.

［5］孙国栋，雷在拴，周玉国，等.综合电力监控仪表的设计［J］.电测与仪表，2007(7):37-40.