基于低壓電力線載波通信的智能電表終端設計

摘 要：以國產芯片PL3201為核心，采用ADE7755為計量芯片設計實現單相智能電表。該設計克服了以往必須采用采集器才能對用戶數據采集的遠程抄表系統的技術難題。其特點在于直接采用電力線通信，不需再進行專線安裝，降低了產品研發成本。

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關鍵詞：電力線載波； 智能電表； PL3201； ADE7755

中圖分類號：TN913.6-34; TM933.4

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0117-04

Design of smart meter terminal based on low voltage power

line carrier-current communication

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WEI Zheng-cong， SONG Shu-xiang， LIANG Cheng-fu， HE Ting-ting

(College of Electronic Engineering， Guangxi Normal University， Guilin 541004， China)

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Abstract：

Taking domestic chip PL3201 as the core， and adopting ADE7755 as the measurement chip to design and implement single-phase smart meter. This design can overcome the difficulties， about which the long-distance meter reading system must use data collector. The design directly used the power lines of communication， did not need to install the special communication line， reduced the product research and development cost.

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Keywords： power line carrier wave; smart meter; PL3201; ADE7755

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收稿日期：2011-08-02

基金項目：廣西研究生教育創新計劃項目(2010106020809M50)

0 引 言

隨著我國工業化的發展，居民用電不斷增長，用戶電表數目也隨之以數倍速度增加，電力公司面臨著巨大的抄表困難。在廣大農村，居民居住相對分散，有時抄表員需要費好幾天才能抄完一個村莊的電表，而且還有可能出現漏抄；在城市，居民居住聚集，面對高層的居民樓需要工作人員爬上爬下挨家挨戶抄表，這不僅費時費力，而且還給用戶日常生活造成了一定的影響[1]。因此，如何在不影響用戶的情況下快速、準確、可靠地抄表，已經成為電力部門和用戶的一種共同需求。為此，該設計將低壓電力線載波通信技術和擴頻通信技術相結合，設計出具有遠程抄表功能的單相智能電表。

1 電力線載波與擴頻通信技術

我國在高壓電力線上的通信技術世界領先，技術已經非常成熟。然而在低壓(220 V)電力線上載波通信[2]仍然存在許多技術難題，如何克服低壓電力線上特有的高阻抗、高噪聲、高污染是開發人員最為關心的問題。在電力線上的通信技術一般有基于鎖相環路的窄帶傳輸技術、 基于相關器的擴頻技術、過零傳輸技術等幾種。目前擴頻技術的應用較為廣泛，PL3201就采用了這種技術[3]。其芯片內集成的載波通信單元采用 QPSK(四相相移鍵控)調制方式；可變偽隨機碼速率(帶寬)的多地址通信技術，其載波中心頻率為120 kHz，偽隨機碼速率可達到15 Kb/s和30 Kb/s。由于它采用了QPSK調制技術，在帶寬不變的情況下，數據傳輸速率是BPSK調制方式的一倍。根據偽隨機碼的速率不同，數據速率可達到1 Kb/s和500 b/s。同時采用了63位Gold/Kasami序列，從而實現了碼分多址，其地址數目最多可達41個，其中33個Gold序列，8個Kasami序列，將使臺區之間的干擾減小到最小；同時PL3201向下兼容PL3105的通信方式(BPSK二相相移鍵控)，及其15/31位偽隨機碼模式，此外PL3201的載波調制輸出信號可由軟件靈活配置成正弦波輸出或方波輸出模式[4]。

擴頻技術是一種信息傳輸方式，在發送端(簡稱發端)采用擴頻碼調制，使信號所占的頻帶寬度遠大于所傳輸信息所需的寬度;在接收端(簡稱收端)采用相同的擴頻碼進行相關解調來解擴以恢復所傳信息的數據。根據C.E.Shannon在信息論研究中得出的帶寬與信噪比互換的關系式，即香農公式：

C=B×log(1+S/N)

式中:C為信道容量，指單位時間內信道中無差錯傳輸的最大信息量，其單位為b/s;B為信號頻帶寬度，單位為Hz;S為信號功率，單位為W;N為噪聲功率，單位為W;S/N為輸入功率與噪聲功率之比，稱為信噪功率比，簡稱信噪比[5]。由公式可以看出在信道容量C不變的情況下，帶寬B與信噪比S/N成反比例關系，即只要增加帶寬B就可以有效抑制信噪比S/N。擴頻通信正是基于這種理論使通信具有很強的抗干擾能力。

2 智能電表的硬件電路設計

2.1 基本框圖及電路原理

智能電表是無線抄表系統的遠程終端，其包含核心單片機PL3201、電源、電量測量、電力載波、繼電器、E2PROM、紅外通信、時鐘電路和最新國標32段LCD顯示等8個模塊，結構如圖1所示。

圖1中電量測量模塊進行電壓、電流采樣，輸出與功率成正比的脈沖。PL3201通過接收和累加來自測量

模塊的脈沖數，計算出用戶用電量并存儲到相應的存儲

模塊E2PROM中。同時根據智能電表要求的循顯功能顯示當前電表用電量和各個狀態量。用戶的各種數據由PL3201以固定幀的格式通過電力載波模塊將信號放大后經公網電力線發送到集中器。集中器根據傳回的數據由監控中心分析并做相應決策，如紅燈報警、繼電器的拉合閘等控制命令，以實現對用戶的遠程監控管理。智能電表的測量和載波通信部分的原理圖如圖2所示。

圖1 單相智能電表的系統框圖

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圖2 智能電表載波與測量部分原理圖

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2.2 智能電表測量原理

圖2中ADE7755具有雙通道采樣電路：通道1由錳銅分流器J4的全差分采樣電路獲取用戶的電流參數，其差分電壓最大輸入時為±470 mV；通道2由電壓采樣電路獲取，其最大全差分輸入時為±500 mV的電壓參量。所采得數據經過內部信息處理如圖3所示。

圖3中芯片的引腳5，6是采樣電流輸入通道，引腳7，8是采樣電壓輸入通道。這兩個通道的信號輸入均為模擬信號，該信號由16位二階Σ-Δ型A/D轉換器分別進行A/D轉換成數字信號。電流通道的數字信號通過高通濾波器消除直流成分，再和轉換后的電壓通道的數字信號相乘，得到瞬時功率P(t)。P(t)經過一個低通濾波器最終獲得有功功率P。P經過數字頻率轉換器D/F轉換后，由引腳22輸出與有功功率成正比的頻率信號。整個過程只有在A/D轉換輸入和基準電壓輸入是模擬信號外，其他信息處理均在數字領域完成使得測量具有很強的抗干擾能力。 在惡劣環境下仍能實現高精度和長期穩定的電能測量。設獲取的采樣電壓和電流信號是正弦信號，則瞬時電壓和電流分別為v(t)=Vcos(ωt+θv)，i(t)=Icos(ωt+θi)，令θ=θv－θi，θ是電壓和電流之間的相位差。由此可以得出瞬時功率P(t)和有功功率P。

P(t)=VI2［cos θ+cos(2ωt+θv+θi)］

(1)

P=1nT∫nT0P(t)dt 

=VI2 cos θ+VI4ωnT［sin(2ωnT+θv+θi)－

sin(θv+θi)］=VI2cos θ

(2)

式中:V是電壓峰值;I為電流峰值;T為電壓、電流基波周期;n是基波周期數，有功功率等于瞬時功率在基波周期內的平均值。

圖3 ADE7755內部測量原理

當獲取的采樣電壓和電流是非正弦信號時，可用傅里葉變換將瞬時電壓v(t)和瞬時電流i(t)分別表示為它們諧波成分[6]之和：

v(t)=V0+2∑∞h≠0Vhsin(hωt+αh)

(3)

i(t)=I0+2∑∞h≠0Ihsin(hωt+βh)

(4)

式中:V0是電壓平均值;I0是電流直流分量;Vh是h次諧波電壓的有效值;Ih是h次諧波電流的有效值;αh是h次諧波電壓的相位角;βh是h次諧波電流的有效值。由式(3)，式(4)算出基波有功功率P1和諧波的有功功率PH可表示為:

P1=V1I1cos θ1， θ1=α1－β1

(5)

PH=∑∞h≠0VhIhcos θh， θh=αh－βh

(6)

因此有功功率P等于其基波有功功率和諧波有功功率之和，即:

P=P1+PH

(7)

2.3 電能計量測試結果及分析

本文所設計的智能電表經多功能電能測試儀檢測，其測試的硬件連接如圖4所示。

圖4中多功能測試儀的零、火線分別接到智能電表的進線零、火線獲取智能電表的輸入電壓，將鉗形互感器夾到電表的出線上獲取出線電流，從輸出脈沖預留檢測接口J6獲取來自ADE7755電能計量模塊輸出的、與功率信息成正比的輸出脈沖。設置合理的電表常數和校驗圈數，即可檢測并記錄智能電表的電流、電壓、用電量脈沖、有功功率、無功功率和功率因數。表1為測試結果。

圖4 多功能電能測試

表1 智能電表電能測量測試結果

電壓 /V電流 /A有功功率 /W無功功率 /Var功率因數電表常數校驗圈數校驗互差

229.00.695159.201.0001 60050.47%

230.63.982919.401.0001 600100.47%

229.01.116182.71780.7151 60050.45%

227.65.4291 203.52430.9741 600100.45%

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根據國家電網公司2009年發布的最新單相智能電能表技術規范[7]要求Q/GDW364_2009中對單相智能電表的測量及監測要求測量誤差不超過±1%。表1中對阻性負載、感性負載和容性負載的不同電流分別進行測試，由表1中可以看出智能電表的測量誤差均符合要求。

2.4 智能電表的載波通信原理

圖2中ADE7755的CF引腳輸出的脈沖正比于即時功率，該脈沖通過高速光耦傳到PL3201進行累加計算出電能計量信息。其中高速光耦對強、弱電都起到很好的隔離作用以避免強電的干擾而產生誤差。PL3201內部集成了擴頻載波調制解調電路，其載波發射專用引腳為P3.7腳，輸出信號經RC串聯電路耦合去除直流成分。Q2，Q3，Q4，Q5是一個互補對稱的放大電路，主要對載波發送的信號進行功率放大。ZD1，ZD2對信號進行限幅以保護三極管，D7，D8起箝位作用，吸收來自電力線上的尖峰干擾。C73和L6組成一個LC濾波電路，濾除載波信號中所包含的諧波成分以免污染電網。VHH為載波發射電壓一般在12~15 V之間，其大小與載波發射功率有密切關系。在一定范圍內提高VHH可以加大發射功率延長通信距離，本文設計VHH為15 V。接收載波信號由PL3201的SIGIN輸入，電路中PD10是一個瞬變二極管，能有效吸收來自電網的浪涌功率，起到保護整個電路的作用。C75，C76，C80和L5并聯組成一個LC并聯選頻網絡對信號具有選頻作用。其頻率計算公式為f=1/(2πLC)，當設計電感L=1 mH，電容C=1.75 nF時，由公式可知載波的中心頻率f=120 kHz，該信號被送入芯片與內部的600 kHz本振信號進行混頻，混頻后信號頻率為兩者之差，即480 kHz。將此混頻信號，輸入陶瓷濾波器B2濾波，濾波后的信號是一個帶通信號再經過限幅放大、 硬件解擴，即可對有效數據進行還原。

3 智能電表的軟件設計

智能終端的軟件設計主要包括：電能計量、存儲、載波發送接收及狀態顯示等。用戶用電量經過計量芯片采樣轉換成有功脈沖，經過高速光耦傳送給PL3201，PL3201收集來自計量模塊的脈沖數換算成用戶用電量并存儲到存儲模塊，其電能計量軟件流程圖如圖5所示。載波發送接收是由PL3201以中斷方式實現，這樣使得電能表能實時偵聽公網電力線上的消息，真正達到隨時在線的功能，其常態為載波接收狀態。載波發送信號經過功率放大耦合到公網電力線上，通過載波通信與安裝在公網電力線上的集中器進行數據交換，集中器再通過GPRS無線網絡與監控中心交換數據，從而完成遠程無線監控的功能。載波數據發送接收軟件流程圖如圖6和圖7所示。

圖5 電能計量流程圖

圖6 載波數據發送流程圖

圖7 載波數據接收流程圖

4 結 語

本文設計的智能電表能對用電量進行高精度的測量，通過低壓電力線載波通信讀取和設置遠程智能電表的相關數據，可實現實時遠程監控。適用于城市小區多用戶和農村住戶相對集中地帶，其優點在于不用再進行專線安裝，直接采用現有電力線作為通信載體，成本低廉。系統不足之處在于通信距離有限，在遠距離通信時系統抄表率下降，可靠性降低。通過軟件設計使智能終端之間可以相互讀取數據，增加抄表的可靠性和延長通信距離是該設計改進的方向。

參 考 文 獻

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［3］丁家俊，談德世.PL2000在低壓電力線載波通信中的應用［J］.元器件與應用，2002(2):31-33.

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［4］北京福星曉程電子科技股份有限公司.PL3201芯片手冊V1.8［EB/OL］.［2011-05-19］.http://www.xiaocheng.com/download/list.php?sort=1.

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［5］韋惠民，張邦寧.擴頻通信技術及應用［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2007.

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［8］呂英杰，鄒和平，趙兵.國內低壓電力線載波通信應用現狀分析[J].電網與清潔能源，2010，26(4):33-36.

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作者簡介：

韋正叢 男，1984年出生，廣西桂林人，碩士。主要研究方向為智能電力管理。

宋樹祥 男，1970年出生，湖南人，副教授，博士。主要研究方向為集成電路設計和智能電力管理。