基于電力線載波的遠程自動智能抄表系統

霍弘宇，張劍

（1.廣州番禺供電局廣東廣州511400；2.廣東省計量科學研究院廣東廣州510640）

隨著我國電力系統的深化改造，現在“一表一戶”甚至“多表一戶”已經實施，傳統的手工抄表方式已經不適合現在日益增長的電表數量。隨之發展起來的是自動抄表技術，現存的自動抄表技術主要分為下面3種方式：總線式、無線式和電力線載波式[1]。總線式的自動抄表系統需要另外布線，工程量大而且需要對總線進行額外的維護；無線式的自動抄表系統則存在臺區覆蓋面積受限制、相鄰區存在干擾及通信安全等問題，難以大規模應用；相比之下，現有的電力線網絡覆蓋所有的電網用戶，而且機械強度高、可靠性好，如果利用電力線載波式的自動抄表系統進行自動抄表，則幾乎不需要新建基礎建設和日常維護的費用，并且安裝簡單，因此，具有很高的經濟效益和實用性。

1 基于電力線載波的遠程自動抄表系統

基于電力線載波的遠程自動抄表系統主要由載波電能表、中繼設備、載波集中器、路由、抄表主機、主站營業收費系統構成，通過自上而下的控制，實現抄表收費一體化，如圖1所示。

系統圖如圖1所示。

圖1 基于電力線載波的遠程智能抄表系統框圖Fig.1 Block diagram of intelligent remote meter reading system based on power line communication

1）載波電能表電能表的電能計量模塊采用大規模專用集成電路，能記錄自身電能記錄，當上面需要電能數據時，將電量等數據通過電力線傳到載波集中器，進行載波通信，實現集中抄表。其中每個載波電能表均分配一個固定、獨立的ID號，并與系統中的用戶資料一一對應，電能表具有自身的Flash，定期記錄下用電數據及每次抄表的數據，而且方便維護，即使在掉電期間載波電能表的數據也能永久保存。

2）載波集中器每個變壓器臺區配備一臺載波集中器，一般安裝在變壓器臺區附近，負責該臺區范圍下的電能表的抄收和管理。載波集中器具有電力線載波的通信接口及RJ-45接口，在與載波電能表之間通過電力線載波通信交換數據，下發抄表命令及接收下面載波電能表的抄表數據；在與抄表主機之間通過以太網接口，經過路由器接入PSTN進行數據交換，采用TCP/IP協議進行可靠快速的通信。

3）中繼設備由于電力線傳輸對信號會有一定的衰減，當載波電表與載波集中器的距離太遠的時候，會導致載波電能表與載波集中器的通信不穩定，所以超過一定的距離需要在載波電能表與載波集中器中間添加中繼設備。

4）抄表主機一臺抄表主機管理若干個載波集中器，抄表主機主要運行抄表軟件，負責載波集中器上傳上來的數據管理及各個載波集中器的控制。

5）營業收費系統營業收費系統是上層系統，也是整個系統的控制層，完成對所有用戶電能表數據抄收、存儲及管理等功能，安裝在用電管理處負責抄表的部門。營業收費系統通過各個抄表主機收集到的數據系統地管理用戶檔案、電費計算、數據查詢、電量系統分析、異常電量計算、遠程監控等功能。

2 電力載波芯片

2.1 OFDM原理[2]

為了克服電力線信道固有的各種噪聲干擾、頻率選擇性衰減及多徑傳播特性等影響信道性能的缺點，選擇使用OFDM正交頻分復用技術，它是一種多載波調制傳輸技術，同時也是一種復用技術，它由等頻率間距的n個子載波構成，整個系統帶寬被等距離地分為n個子信道。這樣一路高速的串行數據經過OFDM技術處理之后就變為n路低速的并行正交的數據，對不同頻率的數據使用不同的調制方式對不同頻率的子波進行調制，如BPSK、QPSK、QAM等。這種利用多個相互正交的子載波來傳送信息的方法，不但大大提高了頻譜利用率，同時也有效克服了電力線信道中的頻率選擇性衰落和多徑時延，實現了高速、可靠的數據通信。OFDM頻譜圖如圖2所示。

圖2 OFDM頻譜圖Fig.2 Spectrum diagram of OFDM

2.2 INT5200芯片

INT5200[3-4]是美國Intellon公司的電力線載波通信專用芯片，集合了OFDM的電力線通信接口并與HomePlug1.0協議完全兼容。只需要一些簡單的外圍電路就可以直接與耦合變壓器連接，在像電力線信道這種惡劣的通信環境下，最高傳輸速率可達14 Mb/s，其結構框圖如圖3所示。

它可以提供有3種主機接口，為用戶提供靈活多樣的硬件設計方式，其中包括USB1.1接口、MIIPHY/GPSI接口、MIIHost/DTE接口。MAC層集成了CSMA/CA技術和自動重復請求（ARQ）技術，以避免通信沖突及保證通信的可靠性，內置QoS機制可以為語音、數據、音頻和視頻等多媒體載荷提供足夠的帶寬。

圖3 INT5200框圖Fig.3 Block diagram of INT5200

3 載波集中器的設計

3.1 整體框圖

載波集中器是整個系統中最重要的組成部分。系統框圖如圖4所示。

圖4 載波集中器框圖Fig.4 Block diagram of carrier concentration

由于選用了INT5200作為電力線載波通信芯片，所以選擇同樣具有MII接口、集成了MAC控制器的ARM芯片S3C4510B[5]作為核心控制器，這樣S3C4510B可以直接與INT5200連接并通信。MII是符合IEEE 802.3協議的工業標準，用于連接MAC層和PHY層的4位并行口。MII在上下行兩個方向上均具有7個信號，其中包括4根并行數據傳輸線、時鐘同步信號、差錯信號及定界符信號。同時，還具有兩個用于指示是否存在載波和沖突的媒介狀態信號。MII傳輸的幀格式如下：

其中，前同步碼0x55555555555555、定界符0xD5及幀校驗序列由INT5200硬件產生，接收數據時候，會自動去掉，而發送數據的時候，由硬件自動添加上。

3.2 存儲方案

存儲方案如圖5所示。S3C4510B的外擴Flash采用SST39VF160，單片存儲容量為16 M-bit，用于存儲抄表數據，及載波集中器工作記錄，方便系統維護。由于系統需要運行的程序較大，需要外擴RAM存儲器，S3C4510B在片內具有獨立的SDRAM刷新控制邏輯，包括行列地址鎖存、數據輸入/輸出的屏蔽信號、時鐘和時鐘使能、寫使能，對于必須定期刷新SDRAM，可方便地與其通信，所以系統采用HY57V641620作為S3C4510B的外擴SDRAM。HY57V641620單片存儲容量為4×16 M-bit，16位數據寬度。由于S3C4510B為32位CPU，可以同時處理兩片HY57V641620，所以系統采用兩片SDRAM并聯的外擴方式，充分發揮CPU的數據處理能力。

圖5 存儲方案框圖Fig.5 Block diagram of storage solutions

3.3 上行通信方案

選擇網絡控制器選用CP2200[6]作為以太網控制器，CP2200是Silabs公司于近期推出的一款48引腳獨立以太網控制器。它符合IEEE 802.3協議，支持10 M以太網接入，而且僅需很少的外部電路連線就可滿足絕大多數嵌入式以太網接口的設計要求，簡化了嵌入式以太網接口的設計，減小了占板空間，降低了系統開發成本。另外，該以太網控制器具有8位并行主機接口，可以為絕大多數微控制器或主處理器提供以太網通信功能。8位并行總線接口支持Intel和Motorola總線方式，可以使用復用或非復用方式尋址。這些功能加上相關處理器的TCP/IP協議棧，使得嵌入式應用系統的以太網接口實現變得十分簡易。

3.4 時鐘電路

系統選用DS1302作為系統時鐘電路，可以用于記錄日期信息，作為系統日志的時間基準。它只要用簡單的GPIO模擬IIC總線通信格式即可實現。

3.5 瞬時保護及耦合電路

為了避免電力線通信節點由于雷擊及瞬時開關的過壓過流對INT5200造成不可恢復的損害，必須設計出瞬時保護及耦合電路，電路如圖6所示。其中，耦合變壓器T1的原邊與C8構成一個高通濾波器，通高頻阻低頻。R9、R10構成C8的放電回路，用于斷電后為C8放電。R11是壓敏電阻，用于吸收瞬時浪涌電壓。發送電路中，串聯電阻R7和R8可以抑制殘余瞬時現象傳輸到芯片。由于芯片內部集成了3.3 V供電的CMOS線性驅動器，其允許的電壓范圍為-0.3～3.6 V，因此加上二極管D3～D6使電壓箝位在0～3 V，用于保護驅動器。同理，在接受通道中，箝位二極管D1和D2也是提供瞬時保護作用。齊納二極管D7用于穩定電源電壓。

圖6 瞬時保護及耦合電路圖Fig.6 The coupling and transient protection circuit

4 結束語

電力線通信是一種有較好發展前景的技術。筆者設計了一套低壓電力線遠程自動抄表系統，綜合考慮了系統的性能以及成本，用S3C4510B進行網絡控制，經INT5200電力線接口實現了電力線網絡通信。再加以擴展，可以應用在各個需要抄表的計費系統，如自來水、煤氣、天然氣等抄表計費系統。

[1]Klaus D.電力線通信[M].北京:中國電力出版社，2003.

[2]姚軼，邵軍力.利用OFDM技術在低壓電力線上實現高速數據傳輸[J].電力系統自動化，2001（15）:65-68.

YAO Yi，SHAO Jun-li.High-speed data communication over low-voltage power line with OFDM technology[J].Automation of Electric Power Systerms，2001（15）:65-68.

[3]Intellon Corporation.INT5200 single chip power packet TM transceiver technical reference manual[EB/OL].（2004）[2011-05-11].http://pdf.seekdatasheet.com/88888/2007314111915393.pdf.

[4]賀良華，蔡紅娟.基于INT5200的低壓電力線通信模塊設計[J].微計算機信息，2007，23（32）:288-289.

HE Liang-hua，CAI Hong-juan.The design of communications in low-voltage power line based on INT5200[J].Control&Automation，2007，23（32）:288-289.

[5]李駒光.ARM應用系統開發詳解——基于S3C4510B的系統設計[M].北京:清華大學出版社，2004.

[6]Silicon Laboratories，Datasheet for CP2200[EB/OL].（2007）[2011-05-11].http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/CP2200.pdf.