多用户组合式智能表中的载波通信研究

刘 佳，田家益，李 明，李 森，杨嘉良

（1.保定润民供电服务有限公司清苑区分公司，河北 保定 071100；2.国网河北省电力有限公司保定市清苑区供电分公司，河北 保定 071100）

1 载波通信中信号传输特性分析

在多用户组合电表中，采用低电压线路通信的优势日益显现。该技术的主要特性参数包括通信信道、阻抗、信号衰减以及干扰。在将电源线用作信号的传播媒介前，有必要研究其通道特征。目前，利用10 kV及以上的高电压传送信号的电子载波技术已经被大量应用于高电压输电线路，且相关技术已经比较成熟。但是，与高压线路的载波通信相比，220/380 V低电压线路的信号传输仍然存在环境恶劣、传输线路阻抗小、信号衰减大、易受干扰以及时变等缺点[1]。

2 常用的低压载波通信技术

2.1 窄带通信技术

窄带通信技术的优势在于制造成本较低且易于实施。目前，该技术存在以下问题。一是带宽太窄，会有一小部分的噪声侵入接收机。二是接收端的高质量因子滤波器会被瞬间冲击的噪声影响，造成接收端出现接收错误。使用低频滤波器一方面增加了信号的通带宽度，抑制了暂态信号对信号的影响，但另一方面引入了更多噪声，使得接收端出现接收错误。窄带通信技术对由冲击噪声引起的自干扰和外部因素的抵抗能力不强，因此逐渐被其他通信技术所替代。

2.2 双音多频调制技术

双音多频调制技术是一种基于数字综合技术的信号处理技术，可以有效抑制信号间的相互影响，同时能够实现窄带频调制。传送信号的方式由传统的单脉冲升级为2个音频信号构成的混合信号，进一步增强通信的安全性和可靠性。目前，该技术广泛应用于程控电话系统[2]。

2.3 线性调频脉冲技术

线性调频（Linear Frequency Modulation，LFM）脉冲技术是一种基于快速可同步的Chirps通信技术，在载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）系统中广泛应用。单频Chirps信号线性扫频带宽相对较宽，线性加速度快，且在高频等幅激波扰动下，频率加速度相对平稳，因此对单频Chirps信号采取滤波措施可消除等幅激波扰动[3]。

2.4 多载波调制技术

多载波调制技术是一种多载频传播体制，将输入信息转换成多路并行信号，并调制相互完全正交的载波。

2.5 扩频通信技术

随着通信业的发展，扩展频谱通信技术（即扩频通信技术）取得了蓬勃发展。该技术传送信息的宽度比其自身的宽度要大得多，并能够在接收端还原原来的信息。该技术的最大优势是高度隐蔽和高度机密。目前，根据扩展频谱的方式，扩频通信系统可以分为跳频方式、直接序列扩频方式、跳时方式、Chirp方式以及混合方式。其中，较常见的扩展方法是跳频和直接序列扩频。跳频方式是采用特定的编码顺序选取多个频移键控，存在一个伪随机序列可以控制频率合成器，用扩频码序列调制频移键控，从而使频率合成器输出的频率能够随着伪随机码状态的变化而发生改变。通过调制信息流，频率合成器的输出频率构成一个无线电信号，并通过天线发射。直接序列扩频方式指直接使用具有高码率的扩频码序列，通过多种调制方式，在发射端共享扩展信号的频谱，在接收端采用同样的扩频码序列进行译码，将扩展后的扩频信号还原为原来的信息。扩频通信是一种采用特定伪噪声（Pseudo Noise，PN）码进行二倍化的数字调制方法。随着微电子技术的不断进步，扩频通信在通信中得到越来越广泛的运用[4,5]。

3 基于载波通信组合式电能表的框架设计

3.1 计量与控制部分

计量与控制部分的原理如图1所示。a、b、c为三相进水口，每相安装不超过8个的控制继电器和1个单相计量装置，供应客户不超过8个。控制继电器是一个重要的执行元件，可以按照用户的电费情况实施通、断供电操作。通过计费与信息管理部分输出的逻辑电平控制信号，经过电力驱动后获得控制信号。为降低保护绕组的功耗，所有的保护装置都使用磁阻保护。记录每只表在每个时间段内的用电量，实时监视用户的用电信息，了解其欠压、停电时间以及次数。当监测到盗电等情形时，电表会出现异常数据，此时需要及时将数据上传到监控中心。

图1 计量与控制部分的原理

3.2 计费与信息管理部分

3.2.1 0.5级三相测试仪

0.5级三相测试仪是一种重要的电力设备，能够在最短时间内检测到电力系统出现的各种不正常现象。在计费与信息管理部分，实时记录各个客户的用电量，并与进口总电量进行对比，根据其是否达到均衡来判定该场景是否出现了异常用电行为。按照相同的原则，将总电量上载，结合配变监控系统或低压电力客户集中抄表系统，可以计算上一阶段的用电量，从而在更大范围内监控用户的异常用电行为。

3.2.2 可编程逻辑界面

可编程逻辑界面采用一块MAX Ⅱ大型可编程逻辑芯片实现相关功能。该芯片具有锁存、巡检以及选择性输出功能。第一，锁存功能。基于锁存式微处理器发出的继电器控制信号能够实现锁存功能。将功率加到相应的锁止信号上，能够得到磁性保持继电器所需的加载信号和关断信号。第二，巡检功能。采集24台单相计量器和1台三相计量器所发出的低频率信号，利用合适的方法传送到单相计量器实现巡检功能。第三，选择性输出功能。在组合式电能表外设有6个低频率脉冲输出端口，能够满足组合式电能表各量测元件对测量准确度的要求。

3.2.3 电能表

电能表是一种计费仪表，能够实时记录每个客户的用电量和电费等情况。为保证仪表的安全可靠，将安全数码（Secure Digital，SD）卡安装在电能表中。

3.2.4 集成电路

射频卡片中的集成电路包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、存储单元和对象存储（Cloud Object Storage，COS）。除了可以存储信息，它还可以进行指令处理，保护数据信息。外部读取/写入装置仅与CPU相连，与内存缓存区进行数据交互时，不能直接读取卡片中带电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）中的数据，从而实现对射频卡片EEPROM中数据的保密。

3.2.5 载波通信

从串行端口RS-232发送载波通信中的数据，经过MAX232电平转换后被传送到PL3201芯片。PL3201芯片先通过通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）接收数据，然后通过内置的8051微型处理器进行处理，再将该数据发送到载波通信装置，并将该数据按码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）的直接顺序进行扩频，将扩频后的信号以120 kHz的载频调频后输出。这些信号经过电源线路接口电路，经过放大和滤波后，与低电压线路相连，从而完成电源线路中的载波通信。在接收终端，通过电力线接口电路，将来自电力线路的信号分离出去，并对其进行滤波器和削波。削波后的信号被送到PL3201芯片，用于采集、同步和扩展，然后通过嵌入式8051进行加工，通过PL3201的UART串口进行传输。

4 基于载波通信组合式电能表的软件设计

数据集中系统采用总线模式进行通信，载波单元的常规状态需要设定为接收态，并且可以为不同的载波模块指定不同的通信地址。收到校验符的正确指令后，仅响应具有同一地址的组件。载波的通信速度比主频率慢得多，为提高CPU的利用率，将数据的收发都设置为中断模式，并在每一个中断中都执行一次收发数据的动作。使用C语言开发智能电能表软件，使用AVR Studio软件编写程序，再通过GNU编译器套件（GNU Compiler Collection，GCC）进行交叉编译，最终获得可在单片机上执行的HEX文件。该程序是一个循环型主要函数，各项功能都以调用子函数为基础，包括数据收发、用电量计算、液晶显示、本地存储与读取、指令解析与封装以及继电器控制与延迟等。

智能电能表终端上电后，首先需要初始化系统，包括对控制器各寄存器状态、电能表及扩频通信芯片的工作方式、液晶显示屏（Liquid Crystal Display，LCD）以及存储器等的配置。通过计数器计算消耗的电力数据，将数据存储到内存，并更新LCD。其次，接收中央设备发出的指令，如果没有收到指令，继续计算功耗；一旦收到指令，立即解析并执行。指令包括系统权限管理、上传用电量、设置自动抄表周期、负荷越限设置以及远程断电等。完成后，智能电能表终端将执行结果和状态数据打包并上传到集中器。最后，根据系统管理员设置的时间间隔进行下一次循环。

5 结 论

作为电网建设最基本的组成部分，智能电表的应用对于电网的智能化和信息化建设不可或缺。由于输电线路具有坚固的支撑结构，在传输频率电流时，载波信号的传输越来越频繁，电能表的管理收费也变得越来越复杂，给抄表工作提出了新的挑战。实施智能电网建设已经成为今后电力行业发展的必由之路。