多用戶組合式智能表中的載波通信研究

劉 佳，田家益，李 明，李 森，楊嘉良

（1.保定潤民供電服務有限公司清苑區分公司，河北 保定 071100；2.國網河北省電力有限公司保定市清苑區供電分公司，河北 保定 071100）

1 載波通信中信號傳輸特性分析

在多用戶組合電表中，采用低電壓線路通信的優勢日益顯現。該技術的主要特性參數包括通信信道、阻抗、信號衰減以及干擾。在將電源線用作信號的傳播媒介前，有必要研究其通道特征。目前，利用10 kV及以上的高電壓傳送信號的電子載波技術已經被大量應用于高電壓輸電線路，且相關技術已經比較成熟。但是，與高壓線路的載波通信相比，220/380 V低電壓線路的信號傳輸仍然存在環境惡劣、傳輸線路阻抗小、信號衰減大、易受干擾以及時變等缺點[1]。

2 常用的低壓載波通信技術

2.1 窄帶通信技術

窄帶通信技術的優勢在于制造成本較低且易于實施。目前，該技術存在以下問題。一是帶寬太窄，會有一小部分的噪聲侵入接收機。二是接收端的高質量因子濾波器會被瞬間沖擊的噪聲影響，造成接收端出現接收錯誤。使用低頻濾波器一方面增加了信號的通帶寬度，抑制了暫態信號對信號的影響，但另一方面引入了更多噪聲，使得接收端出現接收錯誤。窄帶通信技術對由沖擊噪聲引起的自干擾和外部因素的抵抗能力不強，因此逐漸被其他通信技術所替代。

2.2 雙音多頻調制技術

雙音多頻調制技術是一種基于數字綜合技術的信號處理技術，可以有效抑制信號間的相互影響，同時能夠實現窄帶頻調制。傳送信號的方式由傳統的單脈沖升級為2個音頻信號構成的混合信號，進一步增強通信的安全性和可靠性。目前，該技術廣泛應用于程控電話系統[2]。

2.3 線性調頻脈沖技術

線性調頻（Linear Frequency Modulation，LFM）脈沖技術是一種基于快速可同步的Chirps通信技術，在載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）系統中廣泛應用。單頻Chirps信號線性掃頻帶寬相對較寬，線性加速度快，且在高頻等幅激波擾動下，頻率加速度相對平穩，因此對單頻Chirps信號采取濾波措施可消除等幅激波擾動[3]。

2.4 多載波調制技術

多載波調制技術是一種多載頻傳播體制，將輸入信息轉換成多路并行信號，并調制相互完全正交的載波。

2.5 擴頻通信技術

隨著通信業的發展，擴展頻譜通信技術（即擴頻通信技術）取得了蓬勃發展。該技術傳送信息的寬度比其自身的寬度要大得多，并能夠在接收端還原原來的信息。該技術的最大優勢是高度隱蔽和高度機密。目前，根據擴展頻譜的方式，擴頻通信系統可以分為跳頻方式、直接序列擴頻方式、跳時方式、Chirp方式以及混合方式。其中，較常見的擴展方法是跳頻和直接序列擴頻。跳頻方式是采用特定的編碼順序選取多個頻移鍵控，存在一個偽隨機序列可以控制頻率合成器，用擴頻碼序列調制頻移鍵控，從而使頻率合成器輸出的頻率能夠隨著偽隨機碼狀態的變化而發生改變。通過調制信息流，頻率合成器的輸出頻率構成一個無線電信號，并通過天線發射。直接序列擴頻方式指直接使用具有高碼率的擴頻碼序列，通過多種調制方式，在發射端共享擴展信號的頻譜，在接收端采用同樣的擴頻碼序列進行譯碼，將擴展后的擴頻信號還原為原來的信息。擴頻通信是一種采用特定偽噪聲（Pseudo Noise，PN）碼進行二倍化的數字調制方法。隨著微電子技術的不斷進步，擴頻通信在通信中得到越來越廣泛的運用[4,5]。

3 基于載波通信組合式電能表的框架設計

3.1 計量與控制部分

計量與控制部分的原理如圖1所示。a、b、c為三相進水口，每相安裝不超過8個的控制繼電器和1個單相計量裝置，供應客戶不超過8個。控制繼電器是一個重要的執行元件，可以按照用戶的電費情況實施通、斷供電操作。通過計費與信息管理部分輸出的邏輯電平控制信號，經過電力驅動后獲得控制信號。為降低保護繞組的功耗，所有的保護裝置都使用磁阻保護。記錄每只表在每個時間段內的用電量，實時監視用戶的用電信息，了解其欠壓、停電時間以及次數。當監測到盜電等情形時，電表會出現異常數據，此時需要及時將數據上傳到監控中心。

圖1 計量與控制部分的原理

3.2 計費與信息管理部分

3.2.1 0.5級三相測試儀

0.5級三相測試儀是一種重要的電力設備，能夠在最短時間內檢測到電力系統出現的各種不正常現象。在計費與信息管理部分，實時記錄各個客戶的用電量，并與進口總電量進行對比，根據其是否達到均衡來判定該場景是否出現了異常用電行為。按照相同的原則，將總電量上載，結合配變監控系統或低壓電力客戶集中抄表系統，可以計算上一階段的用電量，從而在更大范圍內監控用戶的異常用電行為。

3.2.2 可編程邏輯界面

可編程邏輯界面采用一塊MAX Ⅱ大型可編程邏輯芯片實現相關功能。該芯片具有鎖存、巡檢以及選擇性輸出功能。第一，鎖存功能。基于鎖存式微處理器發出的繼電器控制信號能夠實現鎖存功能。將功率加到相應的鎖止信號上，能夠得到磁性保持繼電器所需的加載信號和關斷信號。第二，巡檢功能。采集24臺單相計量器和1臺三相計量器所發出的低頻率信號，利用合適的方法傳送到單相計量器實現巡檢功能。第三，選擇性輸出功能。在組合式電能表外設有6個低頻率脈沖輸出端口，能夠滿足組合式電能表各量測元件對測量準確度的要求。

3.2.3 電能表

電能表是一種計費儀表，能夠實時記錄每個客戶的用電量和電費等情況。為保證儀表的安全可靠，將安全數碼（Secure Digital，SD）卡安裝在電能表中。

3.2.4 集成電路

射頻卡片中的集成電路包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、存儲單元和對象存儲（Cloud Object Storage，COS）。除了可以存儲信息，它還可以進行指令處理，保護數據信息。外部讀取/寫入裝置僅與CPU相連，與內存緩存區進行數據交互時，不能直接讀取卡片中帶電可擦可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）中的數據，從而實現對射頻卡片EEPROM中數據的保密。

3.2.5 載波通信

從串行端口RS-232發送載波通信中的數據，經過MAX232電平轉換后被傳送到PL3201芯片。PL3201芯片先通過通用異步收發器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）接收數據，然后通過內置的8051微型處理器進行處理，再將該數據發送到載波通信裝置，并將該數據按碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）的直接順序進行擴頻，將擴頻后的信號以120 kHz的載頻調頻后輸出。這些信號經過電源線路接口電路，經過放大和濾波后，與低電壓線路相連，從而完成電源線路中的載波通信。在接收終端，通過電力線接口電路，將來自電力線路的信號分離出去，并對其進行濾波器和削波。削波后的信號被送到PL3201芯片，用于采集、同步和擴展，然后通過嵌入式8051進行加工，通過PL3201的UART串口進行傳輸。

4 基于載波通信組合式電能表的軟件設計

數據集中系統采用總線模式進行通信，載波單元的常規狀態需要設定為接收態，并且可以為不同的載波模塊指定不同的通信地址。收到校驗符的正確指令后，僅響應具有同一地址的組件。載波的通信速度比主頻率慢得多，為提高CPU的利用率，將數據的收發都設置為中斷模式，并在每一個中斷中都執行一次收發數據的動作。使用C語言開發智能電能表軟件，使用AVR Studio軟件編寫程序，再通過GNU編譯器套件（GNU Compiler Collection，GCC）進行交叉編譯，最終獲得可在單片機上執行的HEX文件。該程序是一個循環型主要函數，各項功能都以調用子函數為基礎，包括數據收發、用電量計算、液晶顯示、本地存儲與讀取、指令解析與封裝以及繼電器控制與延遲等。

智能電能表終端上電后，首先需要初始化系統，包括對控制器各寄存器狀態、電能表及擴頻通信芯片的工作方式、液晶顯示屏（Liquid Crystal Display，LCD）以及存儲器等的配置。通過計數器計算消耗的電力數據，將數據存儲到內存，并更新LCD。其次，接收中央設備發出的指令，如果沒有收到指令，繼續計算功耗；一旦收到指令，立即解析并執行。指令包括系統權限管理、上傳用電量、設置自動抄表周期、負荷越限設置以及遠程斷電等。完成后，智能電能表終端將執行結果和狀態數據打包并上傳到集中器。最后，根據系統管理員設置的時間間隔進行下一次循環。

5 結 論

作為電網建設最基本的組成部分，智能電表的應用對于電網的智能化和信息化建設不可或缺。由于輸電線路具有堅固的支撐結構，在傳輸頻率電流時，載波信號的傳輸越來越頻繁，電能表的管理收費也變得越來越復雜，給抄表工作提出了新的挑戰。實施智能電網建設已經成為今后電力行業發展的必由之路。