淺談遠程自動抄表技術在電力部門中的應用

趙靜

（云南電網公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100）

1 寬帶電力線通信技術

電力線是用來傳輸50Hz電能的，不是專門為數據或者語音傳輸而設計的信道，將其作為通信介質，情況十分復雜，具有線路阻抗小、變化大，信號衰減強、時變性大、干擾大，且存在多徑時延等缺點。隨著通信技術的發展，新的調制方式，特別是OFDM 調制方式的出現能很好地解決這些問題。

因此電力線高速數據通信技術,近年來得到快速發展，許多地區也已實現利用電力線上網。而本設計就是在此項技術的基礎上實現的。

2 系統結構設計

傳統的抄表系統結構，一般是電能表通過采集器、集中器和RS-485/RS-232總線連接，然后通過電話或電力線等有線網絡，或者無線通信網絡傳輸到供電管理部門服務器。這種方案需要專門鋪設線路而且數據傳輸速率較低，并且要租用電信或移動公司的線路，花費較高。而本設計是在現有的電子電表上嵌入TCP/IP協議棧，利用寬帶電力線作為網絡傳輸的信道，并通過以太網控制器，接入以太網。系統結構如圖1所示。

這種設計具有以下優點：

1)基于IP寬帶局域網，采用TCP/IP協議，不需要鋪設專用的通信線路。

2)系統配置靈活，既可應用于行業主管部門，也可應用于小區管理。

3)利用標準的通信協議，便可以對各類電能表進行組網通信。

圖1 系統結構

圖2 單片機和RTL8019AS接口電路

4)管理中心可設在Internet上任意位置，可實現多級管理。特別適合行業管理部門或大型物業管理公司。

5)遠距離傳輸網絡采用IP寬帶網，接人可選用寬帶局域網或電力線網絡。

6)系統容量大，數據高速安全。

7)可同時提供電力線上網服務。

3 嵌入式電表的硬件和軟件設計

根據電力系統對電能計量的要求，結合裝有寬帶電力線的智能小區的管理模式，設計了基于寬帶電力線通信的嵌入式電表。

3.1 硬件設計

3.1.1 控制單元MCU

MCU作為智能嵌入式電表的核心部分，是實現自動抄表的關鍵所在。它主要擔負著對計量電路的數據處理和各種操作，如計算、存儲、顯示等，另外，還要根據數據通信協議和TCP/IP協議將用戶電表的電量傳給上位機，以供管理人員統計、管理。根據系統功能的要求，MCU 選用C8051F02X。

美國Cygnal公司的C8051F02X系列單片機是集成在1塊芯片上的混合信號系統級單片機。該單片機具有32/64位數字I/O端口(引腳)、25 MIPS 高速流水線式8051單片機內核、64 k系統可編程Flash存儲器、64 k地址的外部存儲器接口、4 352(4 096+256)B片內RAM、各自獨立的 SPI、SMBUS/I 2C 和2個UART串行接口等。其最突出的優點就是，通過設置交叉開關寄存器控制片內數字資源映射到外部I/O引腳，這就允許用戶根據自己的特定應用，選擇通用I/O端口和所需要的數字資源。

3.1.2 數據存儲

由于在日常生活中會出現停電現象，在停電其間電表不能正常工作，MCU里面很多的重要數據(如用戶的用電量)需要及時存儲，否則，停電之后再上電訪問MCU時，會出現偏差(與停電前不相符)，給管理上帶來極大的不便。所以在掉電檢測電路檢測到MCU的電源低于正常工作電壓時。在很短的時間內，將MCU重要的數據存人外部數據存儲單元。

3.1.3 掉電檢測

掉電檢測電路，主要是檢測MCU的工作電壓是否處于正常范圍，一旦發現異常，便輸出信號提醒MCU進行數據保護處理。

3.1.4 以太網控制器RTL8019AS簡介

Realtek公司生產的RTL8019AS以太網控制器是一款高度集成的通用以太網接口芯片 ，該單片機接口簡單、功能強。RTL8019AS的主要特性如下：

1)符號EthernetII與IEEE 802.3(10Base5、10Base2、10BaseT)標準。

2)全雙工，收發可同時達到10 Mbit/s的速率。

3)內置16 k的SRAM，用于收發緩沖，降低對主處理器的速度要求。

4)支持 UTP、AUI、BNC 自動檢測，還支持對10BaseT拓撲結構的自動極性修正。

5)允許4個診斷LED引腳可編程輸出。

6)支持8/16位數據總線，8個中斷申請線以及16個I/O基地址選擇。

7)支持Flash存儲器的讀寫。

3.2 接口電路設計

單片機與RTL8019AS的接口電路如圖2所示。實現的網絡接口采用UTP(無屏蔽雙絞線)RJ-45接口。

在圖2中，ICCS16B是RTL8019AS 16/8位工作方式的選擇腳，當該腳為低電平時，工作在8位模式下；當為高電平時，工作在16位模式下。因為C8051F02X是8位單片機，所以ICCS16B通過下拉電阻接地。RTL8019AS的INTO接單片機的INTO腳。采用中斷工作方式由硬件地址連線可以計算當P2口為 (0COXXH-0DFXXH)，就可選中RTL8019AS的I/O地址240H-25FH。

采用10BASE-T布線標準通過雙絞線進行以太網通信，而RTL8019AS內置了10BASE-T收發器。所以網絡接口的電路比較簡單。外接1個隔離LPT10。TPIN±為接收線，TPOUT±為發送線，經隔離后分別與RJ一45接口的RX±、TX±端相連。

時鐘電路通過T1和T2接口、1個20 MHz晶振以及2個電容，實現全雙工方式。

3.3 軟件設計

嵌入式智能電表的功能軟件設計，主要包括以下一些程序模塊：對轉換電路輸出脈沖的采集、處理、顯示，完成和上位機的各種數據通信，如校對時鐘、上傳電量、定時抄讀、中繼上下表計等；可靠上電判斷；掉電檢測以及相應的數據處理；時鐘調用。在復費率的情況下，還有峰、平、谷時段的設置及判斷等。本文重點介紹一下和以太網連接的TCP/IP協議。

要想將電表接入到以太網中，必須通過軟件執行TCP/IP協議棧。TCP/IP是一系列協議的總稱，是實現Internet通信的必不可少的部分，共包括十幾個協議標準。

在這里，要實現的是通過網絡讀取電表的讀數，由于操作簡單，不需要全部協議，只要執行幾個必備的就可以了，如ICMP(因特網控制報文協議)、TCP(傳輸控制協議)、IP(網絡層協議)、ARP(地址解析協議)。其中，IP 協議是TCP/IP協議的核心協議，屬于IP層，負責將數據分組從源地址發送到目的地址，每一個分組中都含有一個目的IP地址，同時為了網絡間的連接，還要提供ARP，實現IP地址到主機MAC地址的映象。

現在適用于8051嵌入式系統的TCP/IP協議的公開源碼很多，可以很方便地移植到系統中，而且運行穩定。下面重點介紹數據幀的接收和發送過程。

(1)發送過程

將待發送的數據按幀格式封裝，同時需要設置以太網源地址和目的地址、協議類型，再按所設置的協議類型來設置數據段，之后啟動遠程DMA，并通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發送緩存區，再啟動本地DMA，然后發出傳送命令，完成幀的發送。

(2)接收數據

當RTL8019AS接收到1個以太網幀時，檢查這個幀的目的地址和CRC校驗正確時，便啟動本地DMA，把數據讀入接收緩沖區，然后，通過中斷通知單片機，單片機通過遠程DMA把RTL8019AS中的數據讀走。

4 寬帶電力接入端設計

電力Modem用于信號的調制解調及信號的傳送。電力線調制解調器主要是由電力線通信收發器、以太網物理層收發器、系統可編程單元、耦合電路和電源電路組成 ，如圖3所示。

本寬帶電力線接入端選用的是Intellon公司電力線通信收發芯片INT51xl。此芯片是一個高速率的MAC/PHY電力線收發器，利用它不需要鋪設任何新的線路，就可以在電力線上實現高速數據通信。

INT51xl可以在惡劣的電力線通信環境下，實現速率為14 Mbit/s的數據傳輸，同時能夠根據信道上的信噪比(SNR)選擇可用頻率，以抵制頻率選擇性深度衰減、噪聲和多徑衰落。在低SNR的信道中，不使用導頻就可以實現同步。

在INT51xl中，MAC采用具有避免沖突的載波偵聽多路存取(CSMA/CA)方案，并具有優先權設置和自動重復請求(ARQ)、通過報文封裝支持Ethernet報文可靠傳輸的特點。在保證服務質量(QoS)的前提下，為多媒體有效載荷(包括聲音、數據、音頻和視頻)提供必需的帶寬。

INT51x是采用Intellon公司的專利技術PowerPacket實現的，是與HomePlug1.0協議完全兼容的一款集成了電力線通信媒介訪問控制(MAC)層、物理(PHY)層和模擬前端(AFE)的電力線通信收發芯片。

它提供了USB1.1和以太網接口2種接口，內部還集成了媒體支持接口MII和普通串行接口GP-SI。為了實現外部MAC控制器的互聯，還提供了管理數據接口MDI和較為簡單的串行外圍接口SPI兩種選擇，以協助MII和GPSI接口的管理控制。

本設計運用以太網接口(INT51xl通過管腳D2、D3來選擇接口方式)，并需要芯片核心工作電壓1.5 V和I/O工作電壓3.3 V兩種工作電壓。

圖3 電力線接入端系統結構

以太網接口電路包括以太網控制芯片、隔離變壓器、RJ一45接口3部分。接收以太網上傳來的數據包，以太網控制芯片采用Micrel公司的KS8721B，它是一種高性能、高度集成的10/100 M自適應收發器，外加1個MII接口，完全兼容INT51xl的MII接口。

系統可編程單元選用串行EEPROM AT93C46，其中1塊用于存儲和保存MAC層地址和用戶默認的密鑰。通過高速同步串行通信接口SPI和INT51xl相連，完成高速數據通信。耦合電路起的作用，包括與電網的安全隔離以及從電力線提取高頻電力線通信信號到INT51x的模擬前端，或將INT51x的模擬前端的高頻電力線通信信號注入電力線上。

5 系統軟件設計

抄表軟件運行于Windows系統，使用VC++編寫，通過ODBC接口與Access數據庫系統連接。抄表系統管理中心服務器與以太網的通信程序，主要功能包括：

(1)遠程抄取并存儲整個系統各個基表內的所有數據。

(2)實時計算出應交納的費用，便于用戶隨時查詢。

(3)可以進行實時的用電分析及實時監控。用戶數據管理功能，包括對每個數據項的修改、查詢，用戶的增添、刪除、排序等，以及著重顯示拖欠費用的用戶，以供提醒。

6 抄表系統的可靠性分析

由于抄表系統屬于計費系統，數據通信量不大，因此在所有的通信指標里，可靠性排在首位。而我們知道，寬帶電力線通信主要是用來提供接入網絡服務的，它的實時性、高帶寬和高可靠性都超出抄表系統所要求的性能指標。

寬帶電力線通信同時也是彌補傳統電力線載波或者其他總線通信可靠性能差缺陷的最佳選擇。因為從硬件和軟件2個方面采取了一定措施，盡量減少線路故障等外在因素帶來的影響。如前面硬件電路里加上數據存儲單元，以備在線路斷了的情況下，可以把重要的數據存儲起來；在軟件網絡安全上，設計了加密算法，對每個設備設置密碼，同時對所發送的數據采取加密措施，保證了數據通信安全可靠。

7 結束語

相信隨著寬帶電力線通信的發展，以及智能化小區的建設，以太網抄表方式將會有更光明的前景。

[1]魏柳欽，曹國朗，孫蕊.遠程自動抄表技術及應用.[J].加入WTO和中國科技與可持續發展——挑戰與機遇、責任和對策（上冊）.2002.09.05.