1、基于电力载波通信的抄表集中器硬件设计 I 基于电力载波通信的抄表集中器硬件设计 摘 要 伴随着电力市场管理的发展要求和现代电子技术、通讯技术、计算机网络技术的飞快进展 ,电能表自动抄表系统的技术研究 ,现已日已引起电力管理部门和电能计量及相关行业的关注和投入。 目前，国内外民用低压电力线载波通信系统仍然存在许多问题。如现有的抄表系统在使用中抄表率均未能达到 100%和准时的要求。本文旨在利用低压电力供电网络低成本高可靠的特性，研究出一种适合我国的低压电力线载波抄表 集中器 。 本文提出了一种基于 FSK 的低压电力线载波抄表 集中器 ，即 电力线 通信芯片ST7536 在低压电力线通信上的应用
2、 。从系统的通信效果来看， 该集中器 有较高的抗干扰，抗信号衰减的能力，系统可达到较远的传输距离，同时由于通信系统的关键部件ST7536（ FSK 电力线调制解调器 ）是根据国内低压电力线特性而专门设计的，性价比高，这些都有利于系统在做进一步的完善后在国内自动抄表行业内的推广。 关键词 ： 自动抄表系统； 低压电力线载波通信； FSK 通信； ST7536 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） II Hardware Design of Meter Reading Collector Base on Power Line Carrier Communication Abstract With t
3、he request of the power market and the fast development of modern electronic, communication technology, computer networks , the research of Auto Meter Reading system has attract the attention of the power apartment and the power industry. At present, the low power line carrier communication system o
4、f the domestic and foreign civil still has many problems. Such as the Meter Reading systems in the use all are not can achieve 100% and the punctual request. This article is for the purpose of using the low power line power supply network low cost, high reliable characteristic, studies one kind low
5、power line carrier communication: Meter Reading collector, which suits our countrys low power line characteristic. This article proposed power line carrier communication collector, which bases on the FSK communication, namely the application of FSK communication chip ST7536 in the low voltage power
6、line. In order to cause the system to communicate under a more real environment, Consider the system communication effect, this collector has a higher antijamming, the anti- signal weakens ability, the system can achieve a farther transmitting range, simultaneously because the communications system
7、essential part ST7536 (FSK Power Line Modem) is specially designed according to the domestic low power line characteristic, the performance price is high, these are all advantageous to the systems promotion. Keywords: Automatic Meter Reading System; Low-Voltage Power Line Carrier Communication; ST75
8、36 基于电力载波通信的抄表集中器硬件设计 III 目 录 摘 要 . I Abstract .II 第一章 绪 论 . 1 1.1 选题背景 . 1 1.2 发展现状 . 1 1.2.1 国外发展现状 . 2 1.2.2 国内应用现状 . 3 1.3 集中器发展现状 . 4 第二章 载波通 信原理与 FSK 技术 . 5 2.1 变频原理 . 5 2.1.1 非线性元件的变频作用 . 5 2.1.2 变频原理 . 6 2.2 二进制频移键控（ 2FSK） . 7 2.3 频移键控的特点 . 7 第三章 电力线信道特性分析 . 9 3.1 低压电力线的阻抗特性 . 9 3.2 低压电力线传输（
9、衰减）特性分析： .10 3.3 低压电力线上存在的干扰： .10 第四章 系统设计 .12 4.1 系统的构成与原理 .12 4.1.1 系统的构成： .12 4.1.2 主站控制层 .12 4.1.3 数据集抄层 .13 4.1.4 数据采集层 .13 4.1.5 系统的特点 .13 4.2 小结 .13 第五章 集 中 器 设 计 .14 5.1 设计目标： .14 5.2 设计框图 .14 5.3 集中器硬件结构 .15 5.3.1 采集板 .15 5.3.2 控制板 .24 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） IV 5.4 系统的特点 .31 5.4.1 软件设计 ： .31 5.5
10、 结论 .32 致 谢 .33 参 考 文 献 .34基于电力载波通信的抄表集中器硬件设计 1 第一章 绪 论 1.1 选题背景 随着电力市场的发展 ,电力营销正逐步走向以提高服务质量 ,提高经济效益为目标的发展道路。“一户一表、抄表到户”等用电政策的逐步深入 ,手工抄表所带来的工作量大、人工干预环节多 ,“错抄、漏抄、估抄”等严重情况日益增加 ,严重影响供电部门的经济和社会效益 ,所以“要大力推行一户一表 ,集中抄表 ,服 务到户 ,收费与银行联网”等要求。居民用户用电量实现自动抄收 ,收费实现自动划拨 ,不仅能够方便广大用户 ,提高供电企业的服务质量 ,树立电力企业良好形象 ,而且能够提高
11、供电企业管理的科技含量 ,实现企业减人增效 ,降低用电成本都具有积极的意义。 而一个好的抄表集中器，在整个集抄系统中，起着至关重要的作用。可以预见，如果集中器级设计的好，整个集抄系统的效率也会有较大提高。 自动抄表系统集计算机技术、通讯技术、用电及电能计量技术于一体 ,具有抄收速度快、计算精度高、抄表同时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。采用自动抄表系 统可以缓解抄表人员的劳动强度 ,降低人为因素造成的抄表误差 ,并能迅速地统计低压实时线损。因此可以说 ,自动抄表系统是提高电力营业管理自动化水平的一项重要技术手段。 国内低压居民用户自动抄表技术和产品已基本达到了实用化水平 ,并形成了多
12、种自动抄表方式并存的格局。主站系统结构已从单机、双机系统发展到网络式的主站系统结构 ,操作系统已从 DOS发展到 WINDOWS95/98/NT,系统功能上也从单纯的抄表功能发展到具有实时线损统计、用电考核、远程控制、计费及银行联网等功能。上行通信信道也从单一的电话拨号方式发展到多种通讯方 式 (电话、无线电、专线等 )混合应用的局面。下行通信信道也从 485总线方式发展到载波方式 ,终端采集和传输产品也呈现了多样化的局面 ,产品包括总线采集器 /集中器、载波采集器 /集中器、单表载波模块、单表集中器、智能电表等多种类型。电力企业的快速发展及两网改造工作的全面深入 ,带动了自动抄表行业的发展
13、,据不完全统计 ,全国从事自动抄表系统生产和研制的单位已有 100多家 ,国家知识产权局受理的自动抄表系统的专利也有 165项 (截止 2004年 12月 )。当前 ,电力企业和自动抄表系统生产企业对于采用何种方式组成居民用户用电量的自动抄 收系统意见 ,对此 ,本文将从自动抄表系统的传输技术出发 ,结合自动抄表系统的技术发展现状 ,提出自动抄表系统应用模式的初步探讨。 1.2 发展现状 自动抄表 AMR(Automatic Meter Reading)是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据，是网络和计算机技术迅速发展的必然结果。公用公司为商业收费而陕西科技大学毕业论 文（设计说
14、明书） 2 进行的抄表工作可以追溯到 100 多年以前。当时的方法是抄表员走家串户，读取用户表计的数据，并记录在抄表记录本上，由此生成用户缴费所需的帐单。当抄表系统采用通信、网络和计算机 技术后，使得抄表系统实现 手持终端抄表，车载无线电抄表以及全自动抄表 (AMR)。采用自动抄表技术不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成账单出错，使管理部门能及时获得准确数据信息。随着现代电子技术的发展，通讯技术和计算机网络技术都有了飞速的进步，而二者结合又进一步演化出许多新的通讯方式和系统， 为自动抄表系统的实现提供了更多的可能。 随着全球范围内电力经营市场化的发展，公用企
15、业自动抄表 (AMR)技术的应用愈加广泛，自动抄表技术成为新的产业部门。国外已有不少厂商辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 已生产出 AMR 系列产品，而且对 AMR 的研究也越来越深入。美国于 1986 年就建立了自动抄表技术协会 (Automatic Meter Reading Association)每一年半左右开一次国际性年会，近年来欧洲自动抄表技术协会 (EUROAMRA)和英国自动抄表技术协会(UKAMRA)又应运而生，电力技术期刊甚至互联网上也经常有相关的研究论文发表。 综上所述 , 电力线载波集中抄表系统由于其自身的特点而受到广泛的重视。已入网试运行的低压电力用户集中抄表系统产品
16、中 80%为电力线载波方式。 因此，本文利用这一优势，适时开发基于 电力线载波的抄表集中器，是适应国际环境与市场需求的。 1.2.1 国外发展现状 1、国外自动抄表技术应用已比较成熟： 根据文献报道美国匹兹堡市的 Duquesne 电灯公司于 1998 年已实现在其供电的 800km2 区域内 56 万个电能表上安装自动抄表系统，其中 8 万单元（每个自动抄表单元是指安装于每个电能表的自动抄表装置，通常每个表装一个 AMR 单元）为移动无线电方式 , 44 万单元为固定无线电方式 , 其余大用户单元用电话线方式采集数据。 对西雅图和奥林匹亚供电的 PSE 公司约有 150 万个 电能表， 19
17、99 年已经完成 83 万单元自动抄表装置的安装，其方式是在半径 0.4 0.55km 的居民小区内约每 2 千个电能表上的固定无线电单元传向设置在电杆上的集数器，再经 928952MHz 的 19 个 2.5kHz 窄带无线电中继传向 4.8km 外的控制中心 ,此外郊区和农村有 60 万只电能表上安装了自动抄表装置。 根据 AMRA1999 年的 Scott 报告，美国已安装和投入使用超过 100 万单元自动抄表系统的电力公司有 AmereUE 公司 (120 万单元固定无线电方式 ) 、 PrePa 公司 (130 万单元配电线载波 PLC 方式 )、 New Century Energ
18、ies公司 (157 万单元车载及固定无线电方式 )等。问卷调查还表明自动抄表系统在北美电力公司中 45%已安装 16%在试点 基于电力载波通信的抄表集中器硬件设计 3 23%已列入计划。 欧盟各国都有自动抄表实施的报告。例如，英国 1998 年已经实现对约 9 万户大于 100W/h 用电负荷用户的每 0.5h 电量数据采集；比利时 In-tertectra 公司在 1997 年就已用 Siemens 的 SEMMS 系统对用户自动抄表；此外，拉美和日本也有自动抄表应用的报导。 2、国外自动抄表应用趋向以电力线载波方式（ PowerLineCarrier）为主： 根据 AMRA1999 年度
19、 Scott 报告 1999 2000 年间全美将有 12.4 *106自动抄表单元投运，其中 98%是 PLC 方式，该方式（尤其是低压载波抄表）辽宁工程技术大学硕士学位论文 3由于无需投资布线、成本低且可靠而倍受关注。我国目前各地试点绝大多敷设的是 PLC 方式。根据不同的用途，国外 PLC 方式载频范围变化很大，我国大多为载频 100kHz 左右。 3、自动抄表的标准化： 由于不同 国家，不同厂家生产的各种电能表和各种自动抄表终端要能在一个数据采集系统中正常工作，就要求表计和终端的接口以及数据传输规约和格式都要能够兼容，因而世界各国都很注意标准化问题。 国际电工委员会 (IEC Inte
20、rnational Electrotechnical Commission)很早就从事电能表数据采集标准的制订工作，目前已经发布 IEC1107直接当地数据交换 1993 年第 1 版 1995 年修订第 2 版和 IEC1142当地总线数据交换 1995 年第 1 版两种标准，而关于用 PSTN 公用电话网及 LINK+规约、管理配电线载波消息服务器通讯规约、应用局部网络数据交换规约和应用层规约 4 种已形成有正式代号的技术报告，待试用一段时间后再修订成标准。北美经多年的努力， 2000 年已由 IEEE（电气电子工程师协会）发布了 ANSI C12.18 ANSI 1 型光口规约规范、 A
21、NSI C12.19 公用企业终端设备表格、 ANSI C12.21 电话调制解调器通讯规约 3 种 AMR 标准，此外 ANSI C2.22 对数据通讯网接口的规约也在制订中（ ANSI ： American National Standards Institute 美国国家标准协会）。由于开始以因特网为通道传送电能表数据，美国公用企业集团 UIG 推荐用电子数据格式 EDI 867、用电量数据和 EDI650 表计物理参数，英国已用欧洲 EDI 格式，采用电子数据格式有利于进一步发展因特网电子商务。 1.2.2 国内应用现状 目前，我国有不少自动抄表系统已经投入运行，但规模都不大，技术也在
22、应用中有待完善，主要有以下两种： 1、车载自动抄表系统：主要由抄表主机、发射频率通道，一个用来连接信号，另一个用 来传送数据。具有一定的局限性。 2、采用载波通讯技术通过输电线路实现通讯方式：具体又分电力线载波通讯、配电线载波通讯和低压用电线载波通讯等。在抄表系统中，低压载波通信必须是双向的，这是陕西科技大学毕业论 文（设计说明书） 4 因为通信中继的需要，低压电网上的噪声是客观存在的，对载波信号所呈现出的阻抗特性是动态的，而且用电负荷很大，阻抗很小的情况也是可能的。因此，设计通信时必须考虑这些问题。再加上其它因素的影响，数据通信质量会受到较大的影响，有时甚至会造成从集中器到表端设备通信的持续
23、性失败，这种情况就需要系统有中继的功能，而切实可行的中继方法是表端设 备 (采集模块或采集终端 )在集中器的干预下进行中继，这就要求从集中器到表端的载波通信必须是双向的，否则将会严重影响数据的完整性，有时会因为通信的原因迫使用户更换采集模块，这种情况会带来很多意想不到的问题。在这样的自动抄表系统中，每个用户装设的电子式电度表就近与采集模块相连接，采集模块采集的电量经交流电力线送出，抄表中心站的主机则定时通过低压电力线以载波通讯方式收集用户电表测得的电能数据信息。这类系统中具有代表性的是英国远程自动抄表公司开发的低压电力载波通讯系统 POWERNET。该系统具有自动抄表 (AMR)用 户需求侧管
24、理(DSM demand side management )和配电自动化 (DA distribution automation)等功能。 自动抄表技术在我国的出现仅有 10 年左右，但发展很快，国内已有不少厂商生产出较为前沿的产品，同时中国电科院对产品质量进行检测把关，在一定程度上保证了设备质量。目前安装试用单位不少，但大多只有小区规模。当前全国上规模的自动抄表系统都是低压配电线载波方式，载频 100kHz 左右按照电力市场化改革的规划，自动抄表规模还将进一步扩大 。 1.3 集中器发展现状 集中器伴随整个集抄系统一起发展了 10余年 。在对上位机通信这里， 从最早的RS485通信，到现在先
25、进的无线 GSM模块，确实有了极大的进步。但是， 在与电表通信上，则相对显的不足。从最早的 RS485专线方式，到如今的少量 GSM无线模块，一户一表使得成本无法下降，应用受到限制。当时 应用仅限于高压电力通信的电力载波方式的优点就明显凸显出来。在我们的设计中，可以明显的发现，电力载波方式是最适合中国国情与经济情况的。 在电力载波方式上，集中器也有了差别。我们使用了 FSK通信技术，但是它必须通过较高的通信功率和较宽的频带才 能完成较好的通信任务。现在，已经有了新型通信技术：扩频通信 。它 有效降低了发射功率，提高了系统的容错性，延长了信号传送距离。但是，由于成本的问题，本文暂不考虑这个载波方
26、式。 因此，本文将从 FSK载波通讯出发，设计一款通讯距离较长，容错性较好，能连续工作的载波集中器，它符合实现低成本、高可靠性的电力自动抄表方案的要求。 基于电力载波通信的抄表集中器硬件设计 5 第二章 载波通信 原理 与 FSK 技术 2.1 变频原理 2.1.1 非线性元件的变频作用 非线性元件是指电压和电流之间的关系不符合欧姆定律得元件，如电子管和晶体管等。它们的伏安特性是一 条曲线。如图 2-1 所示。 非线性元件的伏安特性曲线可由下式来表示： . . . . . . . . .332210 uauauaai （ 2-1） 式中 通过非线性元件的电流； 加在非线性元件上的电压； 由非线
27、性元件的特性曲线的 形状和所选择的工作状态所 决定的系数。 式 2-1 中，一般只取前三项，则： 图 2-1 非线性元件的伏安特性 2210 uauaai （ 2-2） 当然，取得项数越多， 越能精 确的表达非线性元件的特性。 如果将两个不同频率的正弦波电压 tuu mFF sin 和 tuu cmff sin 同时加到非线性元件（二极管 V）上，如图 2-2 所示。 图 2-2 非线性元件的变频作用 左图：电路 右图：输入、输出频谱 这时流过非线性元件的电流为： 2210 )s i ns i n()s i ns i n( tutuatutuaai cmfmFcmfmF （ 2-2） 应用三角
28、公式 2 2c o s1s in 22 xx )c o s ()c o s (s i ns i n2 yxyxyx 陕西科技大学毕业论 文（设计说明书） 6 式 2-2 可化简为： tuuatuuatuatuatuatuauauaaicmfmFcmfmFcmfmFcmfmFmfmF)c o s ()c o s (2c o s22c o s2s i ns i n222222221122220（ 2-3） 式中 F2 ， cc f 2 。 由式 2-3 可见，在输出电路里的组合频谱如图 2-2 右图所示，它不仅包含了外加频率 F 和 cf 成分，以及它们的 2 倍频 F2 和 cf2 ，而且还包含
29、有两个外加频率的和频以及差频 Ffc 成分。通常把 Ffc 成分称为上边频，把 Ffc 成分称为下边频。如果再考虑到高次项，则输出频率成分将更丰富。 上面分析非线性元件的变频作用，这是一个重要的物理现象，它奠定了载波通信的基础。 2.1.2 变频原理 实现频分多路复用的基础就是把通路基带信号，经过频率变换搬移到线路能进行传输的频带 上。因此，载波机的基本功能就是进行多级变频 从载波通到的基本特性介绍可知，线路传输信号的频带要比一个活路的带宽（） 。在载波机种具体实现变频的部件称为变频器，在载波机发送端它由一个调制器和一个滤波器组成。在接受段的变频器又称为反变频器，它是由一个解调器与滤波器组成。下面用图 2-3 所示的单路单方向变频方框图来说明变频器的组成和变频过程。 图 2-3 单路单方向载波变频方框图 如果输入信号 Fu 是一个原始的话音信号，其频带为 0.33.4kHz，作为调制信号输
