基于擴頻通信技術的電力監控系統設計

林建宇

(上海電力學院計算機與信息工程學院，上海 200090)

配電自動化系統是一種可以使配電企業在遠方以實時方式監視、協調和操作配電設備的自動化系統.配電自動化是電力系統現代化的必然趨勢，其主要意義在于:根據配電網電壓合理控制無功負荷和電壓水平，改善供電質量;在正常運行情況下，通過監視配電網運行工況，優化配網運行方式;當配網發生故障時，可及時恢復供電，縮短停電時間，減少停電面積;自動抄表計費，保證抄表計費的及時準確等.為了保證電網的安全運行，監控電網的運行狀況，需要對電網進行實時監測，一般稱為數據采集與監控(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)［1］，即在供電系統中，對諧波、負荷、電流、功率因數等電力參數進行合理的估算，并采取相應的保護和監控措施，如加設濾波和無功補償、報警等.

1 電力線通信技術

電力線通信(Power Line Communication，PLC)技術，從廣義上講包含應用于高壓輸電網和中低壓配電網的窄帶電力線載波通信，以及在中低壓配電線路上實現的寬帶數據通信.它是利用覆蓋廣泛的電力線信道傳輸數據信號的一種通信技術［2］.通信技術是實施配電網運行監測與控制的基礎，也是實現配電網自動化、提高配電網運行水平的關鍵.目前適用于配電網運行監測與控制的通信方式主要有光纖通信、PLC通信，以及租借移動公司的GPRS專用通信網等.國家電網公司在“十一五”規劃中已明確推薦采用PLC通信作為配電網自動化通信技術之一.

電力線載波通信技術是配電網監控發展的重要方向，但電力線的傳輸環境不利于其數據的傳輸［3］:一是變壓器和用戶設備如空調、冰箱等有著極低的阻抗，可以使傳輸信號嚴重衰減;二是在線負荷變化大，如家電設備的瞬間起動可變的分布阻抗幾乎對所有頻率的信號都起著衰減或隔離的作用，并且這些變化沒有規律，呈隨機狀態;三是噪音模型無規律等.針對以上干擾問題，宜采用抗干擾能力強的通信技術，即采用擴頻通信(Spread Spectrum Communications，SSC)技術.SSC技術是信號所占帶寬遠大于發送信息所必需的最小頻帶寬度的一種傳輸方式.頻帶的擴展通過偽隨機碼序列來完成，在接收機中用同樣的碼進行同步接收、解擴和數據恢復.實現擴頻的主要方法有:直接序列調制、頻率跳變、時間跳變，以及利用Chirps掃描頻率進行線性脈沖調頻［4］等.目前，基于SSC技術的電力線通信芯片的數據傳輸速率在1～2 Mb/s.

2 電力監控終端系統的硬件設計

配電網電力監控終端系統能及時準確地測量電力參數，同時完成故障檢測并報警，如電壓跌落、接地檢測、短路檢測等，并將這些數據信息通過電力載波通信網傳輸至監測主站進行數據管理和決策，這就要求配電監控終端系統必須穩定可靠.

電力監控終端系統硬件設計主要包括擴頻載波通信模塊、單片機控制模塊和電能量計量模塊.其主要功能是數據信息的遠程擴頻載波收發、電能計量和負荷監控等，其工作原理框圖如圖1所示.電能量計量模塊是該系統的重要部分，它以電能專用計量芯片ATT7022為核心，實時準確地采集電網參數并通過SPI口傳輸數據到單片機.單片機控制單元主要負責電能量數據的處理，實現電量參數與各類統計量的計算和本地存儲，因此要有較大容量的存儲模塊，用以存儲大量的電能量數據，便于數據的上報和統計.擴頻載波通信模塊采用電力擴頻載波技術，實現數據在電力線上的接收和發送，最終傳輸給監測主站，進行數據的管理和決策.

圖1 電力監測終端工作原理示意

該系統設計主要包括電能計量和配電監控兩部分.電能計量部分利用ATT7022A芯片來實現對用戶電能參數的精確采樣，能夠提供除瞬時有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能、功率因數、相位、電壓有效值、電流有效值、瞬時合相電流值、線電壓頻率值、四象限無功、正向和反向有功電能等計量參數外，還包括缺相、相序錯誤和反向有功指示等狀態信息;配電監控部分則采用電力載波通信對被監控用戶電能表的主要電能參數進行實時采集，并通過終端內部的軟件分析模塊分析出兩部分數據的一致性和報警標志，從而確定是否存在不安全用電情況.配電監控通過擴頻載波通信模塊實現與電力部門上位機的實時通訊，完成用電遠程配置和在線管理.在緊急情況下還可以通過遙控拉閘/合閘來保證用電安全.

2.1 SSCP300芯片的主要功能特性

SSCP300芯片采用擴頻載波通信技術，其傳輸信道為電力線，能通過SPI接口與單片機控制器進行串行通信.它符合EIA600 CEBus標準:其擴頻信號工作頻率為100～400 kHz的帶寬，數據包傳輸速率為10 kb/s.SSCP300芯片主要管腳功能如表1所示.

表1 SSCP300芯片主要管腳功能

2.2 低壓電力線擴頻載波通信模塊

低壓擴頻載波模塊主要由SSCP300低壓電力線擴頻載波芯片、前置功放和電力線耦合電路構成，其主要功能是對單片機控制單元發送來的數據進行線性掃頻調制，放大后耦合到電力線信道上;反之，對通過電力線信道發送的載波信號進行掃頻解調后被單片機控制單元接收.其數據通信采用收發分時控制的半雙工通訊，與配電變壓器集中器的通信距離約為1 000 m(在信道特性最惡劣的情況下保證不小于600 m).

擴頻載波通信模塊通過SPI接口與單片機控制單元相連，AT89C52單片機與 SSCP300通過CEBus通信協議通信來支持命令和數據的傳輸.這些命令和數據包括將要發送的分組、已接收到的分組，以及狀態和設置信息.SSCP300則向單片機控制單元提供符合CEBus標準的數據鏈路層和EIA-6規范的物理層網絡服務，最終實現與單片機的通信.在發送數據模式下，電力線通信擴頻載波Chirps從SO輸出至濾波器，然后輸出放大器由三態信號TS決定是否通過耦合電路傳輸至電力線信道;在接收數據模式下，通信信號通過電力線信道傳輸至帶通濾波器，經放大后傳輸至SI腳.因此，單片機控制單元AT89C52通過SPI接口總線對SSCP300內部寄存器進行讀寫;低壓電力線擴頻載波模塊通過TS，SO，SI實現對功率放大電路單元的控制，可使數據信號放大耦合，完成基于電力線擴頻載波技術的遠程通信.采用SSCP300擴頻載波智能電表的擴頻載波模塊在輸入信號電平為－30 dBV的微弱信號時仍能進行可靠準確的檢測和解調.

2.3 電能計量模塊

電能量計量模塊電路主要采用ATT7022A電度表芯片，適用于三相三線或三相四線電表.ATT7022A能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量和無功能量，同時還能測量各相電流電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數.它能滿足電力監控系統的測量需求［5］.ATT7022A 有功、無功電能脈沖輸出脈沖CF1和CF2，提供瞬時有功和無功功率信息，可以直接接到標準表進行誤差校正.ATT7022A具有SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數和校表參數的傳遞.ATT7022芯片主要管腳功能如表2所示.

表2 ATT7022A芯片主要管腳功能

ATT7022芯片首先通過6通道l6位的ADC模數轉換電路來對輸入電流和電壓信號進行采樣，轉換后的數字量再經過24位DSP數字信號處理以完成全部三相電能參數的運算，同時將電能計量結果保存在相應的寄存器中，并通過SPI口與單片機數據處理單元進行數據交換.DSP模塊同時還生成有功/無功電能脈沖輸出CF1/CF2.ATT7022在設計中已考慮到校表的方便性，采用全數字校表，只需適當修改校表寄存器即可實現校表功能.它可用于現場校表.

ATT7022的寄存器分為計量參數和校表參數兩部分.器件中的計量參數寄存器為82個，其地址在01H～6FH中不連續分布.未使用部分可留作以后擴展用.計量參數的計算全部由硬件完成，用戶只需進行單位換算就可得到測量值.校表參數寄存器包括相位補償設置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、比差補償設置、啟動電流、高頻脈沖輸出設置、斷相閾值電壓設置，以及合相能量累加模式等36個寄存器，它們的地址不連續地分布在0lH～2AH.兩個寄存器的地址有重疊部分，但它們的物理位置是分開的，可以通過讀寫命令來加以區分.

3 電力監控終端系統的軟件設計

系統軟件設計采用模塊化設計方式，其主要性能是滿足電網電能計量采集的可靠性和精度.電力監控終端系統軟件設計原理框圖如圖2所示.

圖2 電力監控終端系統軟件設計原理

圖2 中，擴頻載波通信模塊按用電管理部門指令通信，包括接收程序和發送程序兩部分.監測模塊主要實現電壓和電流監測:電壓監測包括停電、過壓、失壓，以及電壓不平衡、電壓相序錯誤;電流監測包括斷流、過流，以及電流反向、電流不平衡、電流相序錯誤、電壓電流相序不匹配等.當掉電保護子程序檢測到電源掉電時，會自動將當前電量和時間送串行非易失性存儲器保存，等恢復正常后自動以此值累計.存儲、顯示模塊則實時顯示當前電量和有功功率.

電力監控系統軟件具體流程如圖3所示.

電力監控系統通信模塊需采用有效的抗干擾措施以保證實際運行.當干擾信號較強時，通信性能的可靠性與運行的安全性都會降低.在具有衰減、失真的電力線信道上，由于存在隨機干擾，會使接收端解調后的數據出現差錯，因此在考慮了通信調制技術、解調技術以及發射功率后，發送數據時還必須采用一定的差錯控制來確保數據的可靠性.電力線上的干擾脈沖持續時間較短，但能量集中，頻譜寬，會影響若干個位甚至十幾個位.為了糾正比較多的誤碼，就需附加多余碼元，導致傳輸效率低下.此外，由于電力線信道的時變性，難以測定數據通信信道的差錯率，當系統信道產生的差錯超過其糾錯能力，接收端將會收到錯誤信息.因此在電力線數據傳輸中，電力監控系統通信模塊抗干擾設計采用ARQ差錯控制作為差錯控制協議，其優點是能自動調節通信信道性能，數據傳輸率也可通過改變接收端的信噪比電平獲得.

圖3 電力監控系統軟件流程

4 結語

電力監控系統的開發具有實用價值.本文設計的電力監控終端采用了ATT7022A電能計量芯片，具有以下3個功能:電力線路斷相、短路和接地等故障檢測及報警功能;監測電力線路工作電壓值、工作電流值越限報警和電力線路負荷功能;先進的基于電力載波通信技術的遠程監控和自動記錄報警數據功能.因此，本系統具有一定的推廣應用價值.

［1］張永健.電網監控與調度自動化［M］.北京:中國電力出版社，2005:7-14.

［2］齊淑清.電力線通信(PLC)技術與應用［M］.北京:中國電力出版社，2005:3.

［3］SHWEHDI M H，KHAN A Z.A power line data communication interface using spread spectrum technology in home automation［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1996，11(3):1 232-1 237.

［4］田日才.擴頻通信［M］.北京:清華大學出版社，2007:6-11.

［5］孫國棟，雷在拴，周玉國，等.綜合電力監控儀表的設計［J］.電測與儀表，2007(7):37-40.