浅谈远程自动抄表技术在电力部门中的应用

赵静

（云南电网公司玉溪供电局，云南 玉溪 653100）

1 宽带电力线通信技术

电力线是用来传输50Hz电能的，不是专门为数据或者语音传输而设计的信道，将其作为通信介质，情况十分复杂，具有线路阻抗小、变化大，信号衰减强、时变性大、干扰大，且存在多径时延等缺点。随着通信技术的发展，新的调制方式，特别是OFDM 调制方式的出现能很好地解决这些问题。

因此电力线高速数据通信技术,近年来得到快速发展，许多地区也已实现利用电力线上网。而本设计就是在此项技术的基础上实现的。

2 系统结构设计

传统的抄表系统结构，一般是电能表通过采集器、集中器和RS-485/RS-232总线连接，然后通过电话或电力线等有线网络，或者无线通信网络传输到供电管理部门服务器。这种方案需要专门铺设线路而且数据传输速率较低，并且要租用电信或移动公司的线路，花费较高。而本设计是在现有的电子电表上嵌入TCP/IP协议栈，利用宽带电力线作为网络传输的信道，并通过以太网控制器，接入以太网。系统结构如图1所示。

这种设计具有以下优点：

1)基于IP宽带局域网，采用TCP/IP协议，不需要铺设专用的通信线路。

2)系统配置灵活，既可应用于行业主管部门，也可应用于小区管理。

3)利用标准的通信协议，便可以对各类电能表进行组网通信。

图1 系统结构

图2 单片机和RTL8019AS接口电路

4)管理中心可设在Internet上任意位置，可实现多级管理。特别适合行业管理部门或大型物业管理公司。

5)远距离传输网络采用IP宽带网，接人可选用宽带局域网或电力线网络。

6)系统容量大，数据高速安全。

7)可同时提供电力线上网服务。

3 嵌入式电表的硬件和软件设计

根据电力系统对电能计量的要求，结合装有宽带电力线的智能小区的管理模式，设计了基于宽带电力线通信的嵌入式电表。

3.1 硬件设计

3.1.1 控制单元MCU

MCU作为智能嵌入式电表的核心部分，是实现自动抄表的关键所在。它主要担负着对计量电路的数据处理和各种操作，如计算、存储、显示等，另外，还要根据数据通信协议和TCP/IP协议将用户电表的电量传给上位机，以供管理人员统计、管理。根据系统功能的要求，MCU 选用C8051F02X。

美国Cygnal公司的C8051F02X系列单片机是集成在1块芯片上的混合信号系统级单片机。该单片机具有32/64位数字I/O端口(引脚)、25 MIPS 高速流水线式8051单片机内核、64 k系统可编程Flash存储器、64 k地址的外部存储器接口、4 352(4 096+256)B片内RAM、各自独立的 SPI、SMBUS/I 2C 和2个UART串行接口等。其最突出的优点就是，通过设置交叉开关寄存器控制片内数字资源映射到外部I/O引脚，这就允许用户根据自己的特定应用，选择通用I/O端口和所需要的数字资源。

3.1.2 数据存储

由于在日常生活中会出现停电现象，在停电其间电表不能正常工作，MCU里面很多的重要数据(如用户的用电量)需要及时存储，否则，停电之后再上电访问MCU时，会出现偏差(与停电前不相符)，给管理上带来极大的不便。所以在掉电检测电路检测到MCU的电源低于正常工作电压时。在很短的时间内，将MCU重要的数据存人外部数据存储单元。

3.1.3 掉电检测

掉电检测电路，主要是检测MCU的工作电压是否处于正常范围，一旦发现异常，便输出信号提醒MCU进行数据保护处理。

3.1.4 以太网控制器RTL8019AS简介

Realtek公司生产的RTL8019AS以太网控制器是一款高度集成的通用以太网接口芯片 ，该单片机接口简单、功能强。RTL8019AS的主要特性如下：

1)符号EthernetII与IEEE 802.3(10Base5、10Base2、10BaseT)标准。

2)全双工，收发可同时达到10 Mbit/s的速率。

3)内置16 k的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求。

4)支持 UTP、AUI、BNC 自动检测，还支持对10BaseT拓扑结构的自动极性修正。

5)允许4个诊断LED引脚可编程输出。

6)支持8/16位数据总线，8个中断申请线以及16个I/O基地址选择。

7)支持Flash存储器的读写。

3.2 接口电路设计

单片机与RTL8019AS的接口电路如图2所示。实现的网络接口采用UTP(无屏蔽双绞线)RJ-45接口。

在图2中，ICCS16B是RTL8019AS 16/8位工作方式的选择脚，当该脚为低电平时，工作在8位模式下；当为高电平时，工作在16位模式下。因为C8051F02X是8位单片机，所以ICCS16B通过下拉电阻接地。RTL8019AS的INTO接单片机的INTO脚。采用中断工作方式由硬件地址连线可以计算当P2口为 (0COXXH-0DFXXH)，就可选中RTL8019AS的I/O地址240H-25FH。

采用10BASE-T布线标准通过双绞线进行以太网通信，而RTL8019AS内置了10BASE-T收发器。所以网络接口的电路比较简单。外接1个隔离LPT10。TPIN±为接收线，TPOUT±为发送线，经隔离后分别与RJ一45接口的RX±、TX±端相连。

时钟电路通过T1和T2接口、1个20 MHz晶振以及2个电容，实现全双工方式。

3.3 软件设计

嵌入式智能电表的功能软件设计，主要包括以下一些程序模块：对转换电路输出脉冲的采集、处理、显示，完成和上位机的各种数据通信，如校对时钟、上传电量、定时抄读、中继上下表计等；可靠上电判断；掉电检测以及相应的数据处理；时钟调用。在复费率的情况下，还有峰、平、谷时段的设置及判断等。本文重点介绍一下和以太网连接的TCP/IP协议。

要想将电表接入到以太网中，必须通过软件执行TCP/IP协议栈。TCP/IP是一系列协议的总称，是实现Internet通信的必不可少的部分，共包括十几个协议标准。

在这里，要实现的是通过网络读取电表的读数，由于操作简单，不需要全部协议，只要执行几个必备的就可以了，如ICMP(因特网控制报文协议)、TCP(传输控制协议)、IP(网络层协议)、ARP(地址解析协议)。其中，IP 协议是TCP/IP协议的核心协议，属于IP层，负责将数据分组从源地址发送到目的地址，每一个分组中都含有一个目的IP地址，同时为了网络间的连接，还要提供ARP，实现IP地址到主机MAC地址的映象。

现在适用于8051嵌入式系统的TCP/IP协议的公开源码很多，可以很方便地移植到系统中，而且运行稳定。下面重点介绍数据帧的接收和发送过程。

(1)发送过程

将待发送的数据按帧格式封装，同时需要设置以太网源地址和目的地址、协议类型，再按所设置的协议类型来设置数据段，之后启动远程DMA，并通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区，再启动本地DMA，然后发出传送命令，完成帧的发送。

(2)接收数据

当RTL8019AS接收到1个以太网帧时，检查这个帧的目的地址和CRC校验正确时，便启动本地DMA，把数据读入接收缓冲区，然后，通过中断通知单片机，单片机通过远程DMA把RTL8019AS中的数据读走。

4 宽带电力接入端设计

电力Modem用于信号的调制解调及信号的传送。电力线调制解调器主要是由电力线通信收发器、以太网物理层收发器、系统可编程单元、耦合电路和电源电路组成 ，如图3所示。

本宽带电力线接入端选用的是Intellon公司电力线通信收发芯片INT51xl。此芯片是一个高速率的MAC/PHY电力线收发器，利用它不需要铺设任何新的线路，就可以在电力线上实现高速数据通信。

INT51xl可以在恶劣的电力线通信环境下，实现速率为14 Mbit/s的数据传输，同时能够根据信道上的信噪比(SNR)选择可用频率，以抵制频率选择性深度衰减、噪声和多径衰落。在低SNR的信道中，不使用导频就可以实现同步。

在INT51xl中，MAC采用具有避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA/CA)方案，并具有优先权设置和自动重复请求(ARQ)、通过报文封装支持Ethernet报文可靠传输的特点。在保证服务质量(QoS)的前提下，为多媒体有效载荷(包括声音、数据、音频和视频)提供必需的带宽。

INT51x是采用Intellon公司的专利技术PowerPacket实现的，是与HomePlug1.0协议完全兼容的一款集成了电力线通信媒介访问控制(MAC)层、物理(PHY)层和模拟前端(AFE)的电力线通信收发芯片。

它提供了USB1.1和以太网接口2种接口，内部还集成了媒体支持接口MII和普通串行接口GP-SI。为了实现外部MAC控制器的互联，还提供了管理数据接口MDI和较为简单的串行外围接口SPI两种选择，以协助MII和GPSI接口的管理控制。

本设计运用以太网接口(INT51xl通过管脚D2、D3来选择接口方式)，并需要芯片核心工作电压1.5 V和I/O工作电压3.3 V两种工作电压。

图3 电力线接入端系统结构

以太网接口电路包括以太网控制芯片、隔离变压器、RJ一45接口3部分。接收以太网上传来的数据包，以太网控制芯片采用Micrel公司的KS8721B，它是一种高性能、高度集成的10/100 M自适应收发器，外加1个MII接口，完全兼容INT51xl的MII接口。

系统可编程单元选用串行EEPROM AT93C46，其中1块用于存储和保存MAC层地址和用户默认的密钥。通过高速同步串行通信接口SPI和INT51xl相连，完成高速数据通信。耦合电路起的作用，包括与电网的安全隔离以及从电力线提取高频电力线通信信号到INT51x的模拟前端，或将INT51x的模拟前端的高频电力线通信信号注入电力线上。

5 系统软件设计

抄表软件运行于Windows系统，使用VC++编写，通过ODBC接口与Access数据库系统连接。抄表系统管理中心服务器与以太网的通信程序，主要功能包括：

(1)远程抄取并存储整个系统各个基表内的所有数据。

(2)实时计算出应交纳的费用，便于用户随时查询。

(3)可以进行实时的用电分析及实时监控。用户数据管理功能，包括对每个数据项的修改、查询，用户的增添、删除、排序等，以及着重显示拖欠费用的用户，以供提醒。

6 抄表系统的可靠性分析

由于抄表系统属于计费系统，数据通信量不大，因此在所有的通信指标里，可靠性排在首位。而我们知道，宽带电力线通信主要是用来提供接入网络服务的，它的实时性、高带宽和高可靠性都超出抄表系统所要求的性能指标。

宽带电力线通信同时也是弥补传统电力线载波或者其他总线通信可靠性能差缺陷的最佳选择。因为从硬件和软件2个方面采取了一定措施，尽量减少线路故障等外在因素带来的影响。如前面硬件电路里加上数据存储单元，以备在线路断了的情况下，可以把重要的数据存储起来；在软件网络安全上，设计了加密算法，对每个设备设置密码，同时对所发送的数据采取加密措施，保证了数据通信安全可靠。

7 结束语

相信随着宽带电力线通信的发展，以及智能化小区的建设，以太网抄表方式将会有更光明的前景。

[1]魏柳钦，曹国朗，孙蕊.远程自动抄表技术及应用.[J].加入WTO和中国科技与可持续发展——挑战与机遇、责任和对策（上册）.2002.09.05.