基于电力线载波的远程自动智能抄表系统

霍弘宇，张剑

（1.广州番禺供电局广东广州511400；2.广东省计量科学研究院广东广州510640）

随着我国电力系统的深化改造，现在“一表一户”甚至“多表一户”已经实施，传统的手工抄表方式已经不适合现在日益增长的电表数量。随之发展起来的是自动抄表技术，现存的自动抄表技术主要分为下面3种方式：总线式、无线式和电力线载波式[1]。总线式的自动抄表系统需要另外布线，工程量大而且需要对总线进行额外的维护；无线式的自动抄表系统则存在台区覆盖面积受限制、相邻区存在干扰及通信安全等问题，难以大规模应用；相比之下，现有的电力线网络覆盖所有的电网用户，而且机械强度高、可靠性好，如果利用电力线载波式的自动抄表系统进行自动抄表，则几乎不需要新建基础建设和日常维护的费用，并且安装简单，因此，具有很高的经济效益和实用性。

1 基于电力线载波的远程自动抄表系统

基于电力线载波的远程自动抄表系统主要由载波电能表、中继设备、载波集中器、路由、抄表主机、主站营业收费系统构成，通过自上而下的控制，实现抄表收费一体化，如图1所示。

系统图如图1所示。

图1 基于电力线载波的远程智能抄表系统框图Fig.1 Block diagram of intelligent remote meter reading system based on power line communication

1）载波电能表电能表的电能计量模块采用大规模专用集成电路，能记录自身电能记录，当上面需要电能数据时，将电量等数据通过电力线传到载波集中器，进行载波通信，实现集中抄表。其中每个载波电能表均分配一个固定、独立的ID号，并与系统中的用户资料一一对应，电能表具有自身的Flash，定期记录下用电数据及每次抄表的数据，而且方便维护，即使在掉电期间载波电能表的数据也能永久保存。

2）载波集中器每个变压器台区配备一台载波集中器，一般安装在变压器台区附近，负责该台区范围下的电能表的抄收和管理。载波集中器具有电力线载波的通信接口及RJ-45接口，在与载波电能表之间通过电力线载波通信交换数据，下发抄表命令及接收下面载波电能表的抄表数据；在与抄表主机之间通过以太网接口，经过路由器接入PSTN进行数据交换，采用TCP/IP协议进行可靠快速的通信。

3）中继设备由于电力线传输对信号会有一定的衰减，当载波电表与载波集中器的距离太远的时候，会导致载波电能表与载波集中器的通信不稳定，所以超过一定的距离需要在载波电能表与载波集中器中间添加中继设备。

4）抄表主机一台抄表主机管理若干个载波集中器，抄表主机主要运行抄表软件，负责载波集中器上传上来的数据管理及各个载波集中器的控制。

5）营业收费系统营业收费系统是上层系统，也是整个系统的控制层，完成对所有用户电能表数据抄收、存储及管理等功能，安装在用电管理处负责抄表的部门。营业收费系统通过各个抄表主机收集到的数据系统地管理用户档案、电费计算、数据查询、电量系统分析、异常电量计算、远程监控等功能。

2 电力载波芯片

2.1 OFDM原理[2]

为了克服电力线信道固有的各种噪声干扰、频率选择性衰减及多径传播特性等影响信道性能的缺点，选择使用OFDM正交频分复用技术，它是一种多载波调制传输技术，同时也是一种复用技术，它由等频率间距的n个子载波构成，整个系统带宽被等距离地分为n个子信道。这样一路高速的串行数据经过OFDM技术处理之后就变为n路低速的并行正交的数据，对不同频率的数据使用不同的调制方式对不同频率的子波进行调制，如BPSK、QPSK、QAM等。这种利用多个相互正交的子载波来传送信息的方法，不但大大提高了频谱利用率，同时也有效克服了电力线信道中的频率选择性衰落和多径时延，实现了高速、可靠的数据通信。OFDM频谱图如图2所示。

图2 OFDM频谱图Fig.2 Spectrum diagram of OFDM

2.2 INT5200芯片

INT5200[3-4]是美国Intellon公司的电力线载波通信专用芯片，集合了OFDM的电力线通信接口并与HomePlug1.0协议完全兼容。只需要一些简单的外围电路就可以直接与耦合变压器连接，在像电力线信道这种恶劣的通信环境下，最高传输速率可达14 Mb/s，其结构框图如图3所示。

它可以提供有3种主机接口，为用户提供灵活多样的硬件设计方式，其中包括USB1.1接口、MIIPHY/GPSI接口、MIIHost/DTE接口。MAC层集成了CSMA/CA技术和自动重复请求（ARQ）技术，以避免通信冲突及保证通信的可靠性，内置QoS机制可以为语音、数据、音频和视频等多媒体载荷提供足够的带宽。

图3 INT5200框图Fig.3 Block diagram of INT5200

3 载波集中器的设计

3.1 整体框图

载波集中器是整个系统中最重要的组成部分。系统框图如图4所示。

图4 载波集中器框图Fig.4 Block diagram of carrier concentration

由于选用了INT5200作为电力线载波通信芯片，所以选择同样具有MII接口、集成了MAC控制器的ARM芯片S3C4510B[5]作为核心控制器，这样S3C4510B可以直接与INT5200连接并通信。MII是符合IEEE 802.3协议的工业标准，用于连接MAC层和PHY层的4位并行口。MII在上下行两个方向上均具有7个信号，其中包括4根并行数据传输线、时钟同步信号、差错信号及定界符信号。同时，还具有两个用于指示是否存在载波和冲突的媒介状态信号。MII传输的帧格式如下：

其中，前同步码0x55555555555555、定界符0xD5及帧校验序列由INT5200硬件产生，接收数据时候，会自动去掉，而发送数据的时候，由硬件自动添加上。

3.2 存储方案

存储方案如图5所示。S3C4510B的外扩Flash采用SST39VF160，单片存储容量为16 M-bit，用于存储抄表数据，及载波集中器工作记录，方便系统维护。由于系统需要运行的程序较大，需要外扩RAM存储器，S3C4510B在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑，包括行列地址锁存、数据输入/输出的屏蔽信号、时钟和时钟使能、写使能，对于必须定期刷新SDRAM，可方便地与其通信，所以系统采用HY57V641620作为S3C4510B的外扩SDRAM。HY57V641620单片存储容量为4×16 M-bit，16位数据宽度。由于S3C4510B为32位CPU，可以同时处理两片HY57V641620，所以系统采用两片SDRAM并联的外扩方式，充分发挥CPU的数据处理能力。

图5 存储方案框图Fig.5 Block diagram of storage solutions

3.3 上行通信方案

选择网络控制器选用CP2200[6]作为以太网控制器，CP2200是Silabs公司于近期推出的一款48引脚独立以太网控制器。它符合IEEE 802.3协议，支持10 M以太网接入，而且仅需很少的外部电路连线就可满足绝大多数嵌入式以太网接口的设计要求，简化了嵌入式以太网接口的设计，减小了占板空间，降低了系统开发成本。另外，该以太网控制器具有8位并行主机接口，可以为绝大多数微控制器或主处理器提供以太网通信功能。8位并行总线接口支持Intel和Motorola总线方式，可以使用复用或非复用方式寻址。这些功能加上相关处理器的TCP/IP协议栈，使得嵌入式应用系统的以太网接口实现变得十分简易。

3.4 时钟电路

系统选用DS1302作为系统时钟电路，可以用于记录日期信息，作为系统日志的时间基准。它只要用简单的GPIO模拟IIC总线通信格式即可实现。

3.5 瞬时保护及耦合电路

为了避免电力线通信节点由于雷击及瞬时开关的过压过流对INT5200造成不可恢复的损害，必须设计出瞬时保护及耦合电路，电路如图6所示。其中，耦合变压器T1的原边与C8构成一个高通滤波器，通高频阻低频。R9、R10构成C8的放电回路，用于断电后为C8放电。R11是压敏电阻，用于吸收瞬时浪涌电压。发送电路中，串联电阻R7和R8可以抑制残余瞬时现象传输到芯片。由于芯片内部集成了3.3 V供电的CMOS线性驱动器，其允许的电压范围为-0.3～3.6 V，因此加上二极管D3～D6使电压箝位在0～3 V，用于保护驱动器。同理，在接受通道中，箝位二极管D1和D2也是提供瞬时保护作用。齐纳二极管D7用于稳定电源电压。

图6 瞬时保护及耦合电路图Fig.6 The coupling and transient protection circuit

4 结束语

电力线通信是一种有较好发展前景的技术。笔者设计了一套低压电力线远程自动抄表系统，综合考虑了系统的性能以及成本，用S3C4510B进行网络控制，经INT5200电力线接口实现了电力线网络通信。再加以扩展，可以应用在各个需要抄表的计费系统，如自来水、煤气、天然气等抄表计费系统。

[1]Klaus D.电力线通信[M].北京:中国电力出版社，2003.

[2]姚轶，邵军力.利用OFDM技术在低压电力线上实现高速数据传输[J].电力系统自动化，2001（15）:65-68.

YAO Yi，SHAO Jun-li.High-speed data communication over low-voltage power line with OFDM technology[J].Automation of Electric Power Systerms，2001（15）:65-68.

[3]Intellon Corporation.INT5200 single chip power packet TM transceiver technical reference manual[EB/OL].（2004）[2011-05-11].http://pdf.seekdatasheet.com/88888/2007314111915393.pdf.

[4]贺良华，蔡红娟.基于INT5200的低压电力线通信模块设计[J].微计算机信息，2007，23（32）:288-289.

HE Liang-hua，CAI Hong-juan.The design of communications in low-voltage power line based on INT5200[J].Control&Automation，2007，23（32）:288-289.

[5]李驹光.ARM应用系统开发详解——基于S3C4510B的系统设计[M].北京:清华大学出版社，2004.

[6]Silicon Laboratories，Datasheet for CP2200[EB/OL].（2007）[2011-05-11].http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/CP2200.pdf.