智能电能表并行载波通讯测试方法的研究

步志文 李娟娟

摘   要：针对智能电能表检测装置中串行载波通信的不足，提出了一种并行载波通讯的方法。该方法将智能电能表和抄控器串行连接，组成串联抄表电路，各个表位之间抄表电路为多路并行电路，并引入两级衰减电路，使其组成能够衰减电路中的载波信号的隔离滤波器，从而有效地避免载波信号对其他表位形成串扰。通过实验，本方法可以同时实现多个电能表的载波通信，从而节约了读表时间，提高了读表效率。

关键词：载波通讯;智能电能表;隔离滤波器;衰减

中图分类号：TM933                                        文献标识码：A

Research on Test Method of Parallel Carrier

Communication for Smart Electricity Meter

BU Zhi-wen1?，LI Juan-juan2

（1. State Grid Beijing Electric Power Company，Beijing 100032，China;

2. State Grid Beijing Fengtai Electric Power Supply Company，Beijing 100071，China）

Abstract：Aiming at the shortcomings of serial communication of smart electricity meters，a method of parallel carrier communication is proposed. The method connects the smart electricity meter to the copy controller to form a series meter reading circuit，two level attenuating circuit is introduced to form an isolation filter capable of attenuating the carrier signal in the circuit，Thereby effectively avoiding the carrier signal to form crosstalk on the other epitopes. The experiment analysis shows，this method can realize the carrier communication of several energy meters at the same time，which saves the time of reading the meter and improves the efficiency of reading meter.

Key words：carrier communication;smart electricity meter;isolation filter;attenuation

随着科技的进步，国家电网日益重视电能计量工作的开展[1-3]，电能计量产品、电力载波通信产品在市场需求和国家政策的双重驱动下快速进入市场，集中器、电能表、采集器等产品已层出不穷[4-6]，这些计量产品的精确度以及计量工具的检测对国民生产发挥着举足轻重的作用[7-8]。同时在进行大批量产品测试时，以及在生产、开发、测试、应用的过程中缺乏有效地测试、验证手段，造成集中器、电能表、采集器等计量工具在实际电网运行中以及在计量检测过程中，面临着受电力线通信环境中的动态阻抗、随机噪音、时变衰减以及电压波动等因素的影响[9-11]，对分析和验证计量工具的产品性能、可靠性、适应性、准确性存在巨大的挑战[12-13]。在错综复杂的不稳定的电网测试环境中，不论采集器还是载波电能表的测试，各表位之间容易产生串扰，这对被测对象将产生严重的干扰，致使测试数据不准确[14-15]。

引用一种并行载波通信测试方法，能有效地解决相邻表位在测试过程中的信号串扰问题。能使各工位之间独立测试，不影响其它表位信号。对电网环境中的现场噪音、时变阻抗、动态衰减等干扰信号也起到隔离、阻止作用，为被测对象提供干净、纯净的测试环境，保证了测试数据的准确、可靠。

1   技术方案设计

设计中，硬件部分主要包括电源、滤波网络电路、衰减器、滤波器，除此，还有测试平台。在本方法中，电源可为程控电源，也可以使用其它电源，主要为被测试的载波设备提供工作电源。载波抄控器能够发射不同频率的载波信号，用与单三相电能表上的载波模块进行通信，能够抄读电能表地址、电能表用电量等信息。滤波网络电路是采用电感和电容组成的LC滤波网络电路，采用单相、三相四线或者三相三线的接线方式，一端与电源相连，另一端与被检对象的输入相连。滤波电路能有有效地滤除电网杂波，使被测试端不受周围测试信号的影响，保证了测试数据的准确、可靠。LC滤波网络电路实质是由衰减器、滤波器组成，其中衰减器主要用于将高能量的载波信号进行衰减，测试载波模块的载波信号接收能力。滤波器主要用于滤除载波信号，防止抄控器发出的载波信号串扰到其他表位的载波通信。

图1为并行载波通信的工作原理，通常在载波通信中，只需两条电压线即可实现载波通信功能，利用电压线将电能表和抄控器连接在一起，工控机将所有载波箱的串行通信端口连接在一起。在进行并行载波通信设计时，首先工控机通过串口总线给载波箱发送指令如抄读表地址指令，载波箱抄控器在收到指令后，N个抄控器同时发出读表地址的载波命令，载波信号通过载波箱中电压线经衰减器、表位侧电压线到电能表载波模块，电能表载波模块收到信號后将表地址通过载波信号返回至抄控器，至此一个载波通讯结束。当N个抄控器同时发送载波信号时，为了避免载波信号通过电源侧电压线传送至其他电能表，因此，设计了两级衰减电路组成的隔离滤波器，将载波信号衰减掉，从而避免信号对其他表位形成串扰。

在本系统设计中，其更具体地为单相电能表并行载波通讯系统结构框图，三相电能表并行载波通讯与单相电能表并行载波通讯类似，但载波箱中的切换功能不同，可以将载波信号分别切换至A、B、C相中实现通信，原理与单相并行载波相同。通过滤波网络电路实现临位集中器的独立测试，不受各自工位测试的干扰，进行独立测试，为整个测试系统提供干净、无干扰的测试环境。满足现场对集中器或则其它被测对象载波通信功能的测试要求，操作简单，易携带。

2   滤波器电路图设计及衰减数据模型

2.1   滤波器电路图设计

图2为隔离滤波器中的滤波电路，在对电路的具体设计中，载波通讯采用两根电压线，在读三相电能表时，只可一相一相的通讯，下面将结合图2进行具体的说明。

以三相载波滤波电路为例，如图2所示，如果进行A相载波通信，继电器4为双刀双掷继电器，可将继电器4的JK4A触点3掷向触点4，同时继电器JK4B触点6掷向触点5，载波信号从ZB_UA和ZB_UN两路线进来，通过UA_OUT和N_OUT进入三相电能表，同时载波信号经过L7、L8、L1、L4、C8、C9、C2组成的两级衰减电路衰减后，避免载波信号通过UA_IN和N_IN两条线进入其他表位电能表，从而起到了隔离载波信号的作用。

本电路的设计用于隔离电能表通讯过程中的载波信号，避免电能表表位间载波信号的串扰，其原理类似于电力载波衰减器的电路原理，但载波衰减比例不同。在本设计的滤波电路中，其载波衰减比例相对较大，该比例的衰减几乎将载波信号衰减殆尽，通过滤波网络电路实现临位集中器的独立测试，不受各自工位测试的干扰，进行独立测试，为整个测试系统提供干净、无干扰的测试环境。

2.2   衰减器的数学模型及衰减计算方法

在衰减电路设计中，引入了衰减器的计算数学模型，其衰减模型如图3所示。

当选择L = 500 μH，C = 150 nF，衰减器的衰减倍数为52.68 dB;

当选择L = 500 μH，C = 100 nF，衰减器的衰减倍数为49.15 dB;

在本文设计中，按照L = 500 μH，C = 150 nF设计固定衰减值的衰减器，这样的电容在这里既起到衰减载波通信信号的作用，还起到给载波通信产品提供外界负载的作用。

在选择L和C设计固定衰减值的衰减器时，也有优化方法来确定这些参数。比如通过改变衰减器的电阻值，通过改变输入信息的幅值、相位、纹波等。由于滤波器电路是一个复杂的系统的电路（参见图2），每个元素的改变都可能改变衰减电路的特性。在本文设计中，重点以上述数学模型作为示例说明。

3   实验分析与验证

在试验过程时，被测对象可为集中器、采集器、电能表等，在本试验中，选用单相智能电能表作为测试对象进行实验。首先，将单相电能表放置于测试平台上，测试平台可根据现场或则实验室需设置，规格、大小、型号根据实际情况调整、不限，放置位置也是根据实际情况放置，不固定测试平台位置。测试工具为载波信号转换工具。

测试平台为国网北京市电力公司提供的DZ603三相电能表校验装置，主要设备为载波箱、三相电能表载波模块以及示波器等设备。其中载波箱中有东软、鼎信及力合微等厂家载波抄控器，用于与三相电能表中载波模块通信，示波器為100 MHz带宽，2.5GS/S的采样率的泰克3012。通过测试，衰减前的载波通信波形信号图如图4所示。

测试方法为：将示波器插至DZ603三相表校验装置表位1电能表载波模块的UA和UN中，利用软件控制东软抄控器向表位1电能表的载波模块发送载波信号，提取示波器中的载波信号，然后将示波器插至表位2电能表载波模块的同样位置中，看是否有载波信号，并与表位1提取的载波信号进行对比。如图4为表位1中的载波信号，如图5为表位2中的载波信号。在进行衰减计算时，利用上述应用到的衰减原理进行计算。即公式（1）：

将计算后的结果通过波形显示出来，则通过波形图可以得出，经过滤波电路对载波信号的衰减，可以将载波信号滤除，从而避免对其他表位的载波信号造成干扰，实现了载波信号隔离的作用。

通过测试，采用本技术方案的载波通讯能够大大衰减电能表检定装置的测试数据，大大提高通讯线路中的纯洁度，从而提高电能表检定数据的准确度。

4   结 论

针对智能电能表并行载波通讯的方法进行了研究。通过设计出并行载波通信电路实现多路并行通信，在多路通信电路中引入一种新颖的载波滤波电路，可以实现多只电能表同时进行载波通信，节约了读表时间，但同时也需要有对应于多个电能表的载波箱才能实现并行载波通讯。电路简单，便于安装、维修、携带。通过试验，测试工位之间无串扰、无干扰，测试环境纯洁。有效地解决了前期测试单一、效率低下的测试弊端，为整个测试系统提供干净、无干扰的测试环境。满足现场对集中器或则其它被测对象载波通信功能的测试要求，为计量行业中的表计通讯做出贡献。

参 考 文 献

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