基于電力載波通信技術的智能小區抄表系統

俞海猛，隋仕偉，劉夢爽，趙 艷

(1.國電南瑞南京控制系統有限公司，南京 210000; 2.國網新疆電力有限公司，烏魯木齊 830000; 3.南京工程學院，南京 210000)

0 引言

2012年初，國家發展改革委員會出臺了居民電價按照階梯電價進行計費的文件規定，目前全國除西藏和新疆以外，所有省份都實行居民階梯電價政策。居民階梯電價政策實施后，小區管理員和用戶要求及時測控電功率的消耗，以達到節約電力能源的目的。

鑒于階梯電價在實施過程中存在一些問題。所以2021年國家發展改革委員會提出了“要在不增加居民基本生活用水、用電、用氣負擔的前提下推進資源能源價格改革，完善階梯電價”的改革措施，同時國家的“雙碳”戰略對電力能源管理也提出了更多的要求，因此如何圍繞階梯電價開展電力計量系統的改革就成為研究的熱點。

傳統的電力抄表方式是人工抄表，需要工作人員來到用戶家中抄寫用電的數據，消耗了大量人力，同時存在誤差大的問題。后來出現了IC預付費卡和射頻識別(RFID，radio frequency IDentification)卡抄表系統。但是基于IC預付費卡和RFID卡的電力抄表系統只能顯示整體功率消耗情況，數據必須通過專業設備讀取，不具備報警提醒、階梯計價功能，需進行改造[1]。

智能抄表系統(AMR，automatic meter reading system)的提出消除了傳統系統的所有缺點。智能抄表系統是一個復雜的系統，允許管理員在不訪問網站的情況下收集數據。AMR包括各種先進的數據采集和傳輸技術，如電力載波通信(PLC，power line commutation)、RFID和現代通信網絡等。AMR能夠幫助客戶和能源服務提供商從電表中獲取準確和更新的數據[2]。AMR系統可以按小時、每月或按要求發送能耗。這些數據被發送到中央系統進行計費和故障排除，數據存儲在數據庫服務器中，用于處理和記錄。AMR降低了勞動力成本、收集時間、能源盜竊，避免了延遲付款[3]，提高了數據安全性，改善了客戶服務，減少了售電公司的收入損失。AMR不僅發送數據，還提供電源斷開/連接功能、斷電功能和異常報警功能。所有這些優點使AMR具有巨大的使用優勢。

近年來，基于AMR的電力抄表系統發展較快，特別是在應用領域。解亞軍等在探討分析Zigbee應用在AMR中的可能性后，提出了一種利用ZigBee傳輸協議的電力抄表系統解決方案，該方案能夠實現自動抄表和按需抄表功能，通信穩定，但是需要增設太多的Zigbee無線節點設備，成本較高[4]。葉加星等提出了一種低成本寬量程低功耗無線AMR系統，該系統采取遠程使用公網無線數據傳輸、在線使用紅外接觸抄表相結合的方式，達到快捷電力能源管理的目標，但是同樣存在成本較高，有數據安全隱患的問題[5]。劉卓鴻分析了110 kV以下小區使用智能抄表和非智能抄表前后的經濟效益比，得到使用建設成本更低的AMR系統，后期經濟效益更佳的重要結論[6]。

本文結合電力能源管理需要，提出了一種具備功率計量、階梯電價計費、高電價報警及異常開閘功能的新型智能小區抄表系統。該系統屬于AMR，基于PLC關鍵技術，具有建設成本低、經濟效益好的特點。

1 系統結構及原理

1.1 系統結構

系統工程方法是為了實現系統最優化的目的，對系統的構成元素、整體框架、數據流、控制器、執行機構等開展分析的一種科學方法[7]。它應用先進的組織管理技術，使系統的整體與局部之間的關系協調最優化，最終實現整個系統的總體最優運行。用系統工程方法劃分小區智能抄表系統設計工作。

參照模塊化硬件、軟件開發規范，將小區智能抄表系統的總體設計方案分為用戶終端、小區管理員終端兩部分。

如圖1，用戶終端通過功率智能計量設備計量電功率并處理，后由PLC調制器編碼，經普通供電線路傳輸到小區管理員終端，PLC解調器解碼數據傳輸至上位PC機，小區管理員通過操作上位PC機軟件完成階梯電價計算、異常分析、開閘合閘等測控操作，最終實現對小區電力資源的智能管控。

圖1 方案總體示意圖

1.2 PLC原理

PLC是一種使用現有電纜(如電力線、同軸電纜、雙絞線等)的數據傳輸技術。PLC通過使用現有電纜作為傳輸介質，可以以低成本快速構建網絡[8]。在使用電力線的情況下，電力和數據傳輸可以用一根電纜完成，這可以降低系統的復雜度和建設成本。

PLC是電力系統特有的專用通信模式，它通過載波方式將模擬或數字信號，在電力線中進行高速傳輸。因為它不需要重新布線，所以具有很強的便捷性和成本優勢。

PLC的調制方法是正交頻分復用(OFDM，orthogonal frequency division multiplexing)。如圖2，它將數據信號和高頻的載波信號sin(x)/x在頻域上進行波形疊加運算，實際傳輸時每個載波的帶寬大約為24.4 kHz。PLC發送信號過程模數轉換(DAC，digital to analog converter)是核心：調制芯片將數據先進行串/并轉換，再將OFDM的子載波進行分離，做后通過反傅立葉運算，將頻域信號轉換成時域信號。為了避免傳輸過程中的疊頻干擾，混頻會把子載波升高到對應的傳輸頻率，最后合成發送信號。PLC接收信號的過程是上述步驟的逆向過程，不同的是在混頻之后還有濾波環節，目的也是為了減小干擾。

圖2 PLC基本原理

如圖2，在兩個設備之間傳輸和接收數據時，數據在發射器上進行調制，調制信號疊加在交流或直流電源電壓上。在接收器中，通過使用濾波器分離電源電壓和調制信號并解調調制信號來提取數據[9]。PLC可以用于交流電源線，也可以用于直流電源線。

綜上所述：PLC是一種新型的寬帶接入技術，在這種傳輸模式下，多媒體業務信號(包括高速數據、語音和視頻)都可以通過電力線傳輸。PLC最大的優點是作為一種有線通信技術，它可以連接到任何測量和控制點，信號可以通過電力線傳輸，利用的是電力線路，不需要增加另外架設線路的成本。但是PLC最大的缺點是如傳輸速度不高，對干擾、非線性失真、電力線路通道之間的交叉調制干擾較為敏感。在設計的時候通常使用容量較大的電容和電感構成抗干擾電路，以彌補以上缺點。

1.3 B/S構架

本設計采用的B/S架構即為瀏覽器/服務器結構。瀏覽器是指用戶端的采集終端硬件，采集終端硬件在小區呈分布式排列，它只實現的電力數據采集的事務邏輯。主要的事務邏輯在服務器端，即小區管理員上位PC機端實現的。用戶端的采集終端硬件、小區管理員上位PC機端和數據庫端組成的三層架構。B/S的系統無需特殊安裝。B/S架構將電力數據的處理管理等事務邏輯放到小區管理員上位PC機端上，從而減輕了客戶端的數據計算壓力。

采用B/S架構的主要原因和優點是：(1)它是一個開放的廣域網結構上，通過一定程度的權限控制，就可以達到多客戶接入、強交互的目的。這對于用戶隨時在增減的小區非常實用；(2)B/S架構的功能升級非常簡單，在服務器端口進行即可，不需要升級多個客戶端。這對于未來改變小區階梯電價的收費標準、管理標準等也很容易。

2 用戶端設計

用戶終端主要由功率計量模塊、數據通信模塊、測控主機、PLC轉串口模塊組成。其主要功能是準確采集用戶的用電數據，調制后傳輸到管理員端。設計的基本原則是在滿足設計需求的前提下盡可能的考慮抗干擾措施，同時降低成本。

2.1 功率計量模塊

功率計量模塊易于使用、準確，是廣泛應用中成本效益高的功率測量解決方案的首選儀器，例如：電氣設備的生產線測試、大電流設備的評估、電池或直流驅動設備的評估，質量保證，工業電機、旋轉機械和校準實驗室的效率測量，用于安裝和維護任務，部分用于研發，它還用于測量電網功率[10]。本設計中的功率計量模塊本質是一個實時在線的系統，系統有數據采集與處理、狀態監測和報警、通信功能。設計需求是：配備1個測量通道，可測量交流(AC，alternating current)系統中的所有參數，如視在功率、有功和無功功率、電流、電壓、頻率、功率因數、視在能量、有功和無功能量。

功率計量模塊專用芯片較多，普通居民用電一戶一表總電流一般小于50 A[11]，考慮裕量后選用最大電流量程為50 A的專用功率計量芯片AD7755。AD7755芯片是常用的標準化電力參數測量芯片，其參數指標精度高，測量和采樣結果符合GB/T17215-1998國家標準和IEC 62052-11、IEC 62053-21國際標準。

AD7755芯片的測量原理是通過預設的多根Pin引腳引入電流、電壓數據。AD7755芯片內置兩個ADC都是16位二階模擬轉換器(ADC，analog-to-digital converter)對引入的數據進行數字化，將內部相對匹配電路的預設數值和引入電流、電壓數據的相位進行匹配，待匹配誤差無線接近零值的時候，預設數值即為測量結果。AD7755芯片內部設置了的空載伐值特性，以避免零漂等現象的發生。AD7755芯片采樣速率達900 kHz，滿足本設計的需求。

使用24腳DIP封裝的AD7755芯片，搭建圖3所示外圍電路。

圖3 功率計量電路

外圍電路包括電流采樣、電壓采樣、晶體振蕩三大部分。采樣后的電流Ic輸入V1P和V1N引腳，另通過電阻網絡將電壓Vc采樣結果送至V2P和V2N引腳。Ic、Vc經內部轉換、相乘后得到有功功率瞬時值Pc。Pc從引腳CF以較高頻率輸出至測控主機。

功率計量電路的安全性是計量模塊的重要問題。按照《GB/T 5226.1電氣設備安全標準要求》[12]，本功率計量電路中間用NEC PS2501光電耦合器隔離以保證信號安全。NEC PS2501-1K晶體管輸出光耦光耦合隔離器，由一個砷化鎵發光二極管和一個NPN硅光電晶體管組成，內含一個5 kV的1通道。砷化鎵發光二極管將輸入電信號轉換為光信號，并將其傳輸到NPN硅光電晶體管，將其轉換為電信號輸出[13]。由于沒有直接的電氣連接，它不僅耦合和傳輸信號，而且隔離干擾。

根據電網的國家標準[12]和普通家庭電力能源消耗的普遍情況，實際使用時對模塊作如下設定：輸入電壓220 V AC，Imax=50 A，Ib=5 A，分流器R=10 mΩ，S1= 1，S0= 0，G1=0，G0= 1, 增益G=8。

2.2 數據通信模塊

計量模塊獲得的功率數據最后要傳輸到小區管理員處，供進一步處理。數據傳輸可以采用無線熱點、有線局域網絡等傳統方式進行傳輸[14]。但是傳統傳輸方式需要添置額外的設備，增加了經濟成本和系統的復雜度，此處采用PLC技術進行傳輸功率。

設計選用SENS-01嵌入式電力線載波通訊模塊作為數據傳輸主控。SENS-01嵌入式電力線載波通訊模塊是國產的PLC模塊。模塊中嵌入了專用電力載波IC，其具有通信速度快，抗干擾能力強，誤碼塊低等特點，特別適合國內住宅小區的電力環境。SENS-01嵌入式電力線載波通訊模塊中嵌入了電源模塊，不僅可以從220 V AC取電作為模塊本身的電壓源，還可以穩定輸出5 V DC電源給單片機主控模塊供電。因為本設計的數據采集是單向通道，只能為用戶端到小區管理員端提供，所以SENS-01嵌入式電力線載波模塊的半雙工通信功能較合適。

硬件電路連接圖如圖4，SENS-01的使能端C、B、A分別連接“低高低”TTL電平，使其工作在9 600 Kb/s的速率。使能端C、B、A內置上拉電阻，懸空為高電平，只需將C、A兩端接地。RXD、TXD、GND三個端口均接到測控主機對應的端口以獲取其傳輸出來的計量數據。

圖4 PLC模塊連接示意圖

SENS-01嵌入式電力線載波通訊模塊參數設置如下：普通居民住宅小區小高層一般在30層以下，傳輸距離小于1 000米[15]，因此設置SENS-01模塊工作在125 kHz的頻率下，選擇過零雙模的調制解調方式，通信波特率為9 600 Kb/s。一般來說，同一個小區的所有用戶都在同一臺電力變壓器工作，所以SENS-01嵌入式電力線載波模塊實際是連接在在同一條電力線路上，所以通信模式設置成主從模式，每個用戶端的SENS-01嵌入式電力線載波模塊是獨立并行工作的，互不影響和干擾。

因為小區居民用電存在大功率空調、大功率電熱設備等感性、容性設備，產生的浪涌和尖峰會影響通信，所以SENS-01嵌入式電力線載波通訊模塊在實際使用中，會存在干擾?？紤]到以上情況，在設計本模塊的時候，改進其模擬輸入結構，使其具有寬動態范圍，簡化了傳感器接口。因為測量的有功功率是從瞬時功率信號推導計算出來的，所以為了得到有功功率分量，只要對瞬時功率信號進行低通濾波就行。如圖4，SENS-01濾掉了電流信號中的直流分量，從而消除了由于電壓或電流失調造成的有功功率計算上的誤差。

2.3 測控主機

測控主機功能相對簡單，只要求實現數據處理和用戶終端測控的功能，出于成本的考慮，選擇C8051兼容系列單片機作為解決方案。

測控主機P1.1口和P1.2連接2.1節中功率計量模塊，P1.3和P1.4口連接通信模塊，P.17連接繼電器和空氣開關，以通過繼電器實現合閘和開閘操作控制整個線路的通斷。

2.1節中傳輸到測控主機的功率Pc為瞬時功率，測控主機需對其計數累加才能獲得總功率。設定測控主機INT0引腳負責產生中斷，實現脈沖計數。測控主機累計脈沖個數N, 計數滿N后清零, 并將電能數值減1, 存入內部EEPROM 以保存用電數據。

2.2節中的PLC模塊提供單獨的5 V供電，最大供電功率2 W，完全滿足測控主機的工作，可以用其直接供電。

2.2節中AD7755芯片V2引腳連接的分壓電阻為可調電阻，通過調節電阻阻值調整設定計數脈沖常數[16]。通過反復試驗比較得，將計數脈沖為設定為45 700，即計數45 700個脈沖消耗1度電。

2.4 PLC轉串口模塊

接收端仍然選用SENS-01嵌入式電力線載波通訊模塊作為主控。在SENS-01芯片的RXD和TXD端串聯MAX232芯片，將輸出信號轉換成標準RS232串口信號傳輸至上位PC機。

因為一般小區用戶數都較多，居民用電設備中的空調等大功率感、容性設備的啟停導致的噪聲、浪涌和尖峰干擾對傳輸的功率信號影響較大，按照國家標準GB 38969-2020《電力系統技術導則》[17]，在接收模塊中需前置添耦合濾波網絡。

耦合濾波網絡如圖5，其中二極管D1、D2、D3構成保護電路：RC帶通濾波器通過高通和低通濾波器以及這兩個元件的組合工作。在高通部分，通過電阻R2的電壓分接，低通通過電容器C2。與這兩個組件并聯的輸出電壓Vout隨著輸入頻率接近中心頻率而增大，因此，通過電阻與電容的比值，可以確定通過濾波器的頻帶。

圖5 PLC信號轉串口信號模塊電路圖

同時，外圍電路元器件電容C2、C3，電阻R2和電感L2構成RC二階帶通濾波電路，可以濾除浪涌和尖峰信號[18]。

在設計的時候需要重點考慮模塊的抗干擾特性。因為電容C2對直流電相當于開路，這樣整流電路輸出的直流電壓不能通過C3流到地，所以電壓會加載在RL上。而電流中的交流成分，因為C2容量大，容抗小，所以交流成分能夠通過C2流到地，不會加載在RL上。電路中的電容C2本質是濾波，它通過模擬濾波的方式從單向直流電中分離出電壓U。因此在設計的時候，需要根據用戶端負載的大小，選擇電容C2的容量，兩者成正比關系。同時考慮RC二階帶通濾波電路的工作特性，需要合理地選擇電容C3，電阻R2和電感L2的值，使之對電流中交流成分的容抗小，這樣殘留在負載RL上的交流成分就小，最后達到較好的濾波效果，使系統穩定。

3 小區管理員終端設計

小區管理員終端主要實現對小區各住戶的用電量查詢、電費計算及開閘合閘控制等功能。軟件選擇Visual Studio2008為開發平臺，Visual C++作為開發語言進行軟件的設計和開發。

小區管理員終端需要良好的用戶界面(UI，user interface)，所以選擇基于Windows用戶界面框架(WPF，windows presentation foundation)作為開發框架。WPF框架支持Visual C++直接調用API函數、控件甚至圖片作為程序的UI。本開發中，應用程序采用一般數據模型，直接調用圖片、圖形資源作為小區管理員終端的UI，用MSComm控件控件作為硬件數據傳輸控制核心。

3.1 軟件流程

根據實際使用需求，給軟件設定以下流程工作：初始化軟硬件后接收串口傳來的用戶用電信息，然后判斷用戶的異常狀態，如果異常則進行開閘操作，反之則計算階梯電價。

軟件工作流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

3.2 初始化

初始化模塊功能是通過對計算機串口的設置實現上位機和用戶終端的互聯互通。初始化模塊主要包含開啟串口，設定波特率，建立串行通道等過程。

程序中直接使用SerialPort控件控制串口。SerialPort控件的本質是.NET中用于微機接口通信的System.IO.Ports.SerialPort類。根據SerialPort類提供的操作步驟，能夠完成串口的信息收發過程，本設計中即從特定的串口中接收到數據。

3.3 接收與異常判斷

因為小區用戶數據通常較小，如果以大型數據庫的形式保存數據會增加軟件成本和使用難度，所以采用比較簡單的解決方案，將用戶功率數據以EXCEL文件電子表格XLS的格式保存在上位PC機上，程序和XLS數據表格之間的連接由活動數據對象(ADO，activeX data objects)實現[15]。

ADO由一組用于訪問數據源的組件對象模型對象組成。ADO在編程語言Visual C++和用戶功率數據庫之間提供了中間件層[19]。ADO允許開發人員編寫訪問數據的程序，而不知道數據庫是如何實現的，這樣的方式大大減小了開發的成本和縮短了開發的時間。

連接電子表格數據庫后，就可以對其進行異常判斷操作。異常判斷有很多算法，此處采用傳統算法：將一定時間單位(24小時)的總功率與上一時間單位的總功率相比較，如果增幅在200%以上則彈出預警窗口，提示用電消耗異常。

3.4 階梯電價計算

階梯電價計算和以往的統一電價不同，它按照總用電量的不同區間分別計算，計算依據是階梯電價表。

階梯電價表通過查詢各省市的階梯電價定價規范文件建立。以江蘇省為例，可以根據《江蘇省發展改革委關于完善居民階梯電價有關問題的通知，蘇發改價格發〔2021〕106號》文件建立映射階梯電價簡表如表1所示。

表1 江蘇省居民階梯電價計算簡表

軟件將階梯電價對應關系描述成計算機條件語句便于計算，關鍵代碼如下：

int nh;

float dj;

// 定義階梯電價、定義區間

scanf("%d",&nh);

if(nh<=200 && nh>=0)

dj=0.52*nh;

else if(nh>200 && nh<400)

dj=0.52*200+0.57*(nh-200);

else dj=0.52*200+0.57*199+0.82*(nh-399);

//計算電價結果

3.5 用戶控制

對于用電異常的用戶，軟件可以通過發送命令對其進行開閘控制，如解除異常則進行合閘操作[21]。用戶控制通過將事先約定的命令傳輸給測控主機，測控主機P1.7口輸出動作型號，帶動繼電器以控制開閘和合閘動作。在實際使用中，為了快速達到開閘合閘目的，也可以將繼電器和空氣開關整體更換為交流電路器。

例：發送開閘/關閘命令只需添加如下關鍵語句到發送命令按鈕的單擊事件：

UpdateData(TRUE); //讀取開閘命令

m_ctrlComm.SetOutput(COleVariant(m_strTXData));//發送數據

}

UpdateData(Flase); //讀取開閘命令

m_ctrlComm.SetOutput(COleVariant(m_strTXData));//發送數據

}

4 工程測試與分析

4.1 測試方法

工程實現2節中的硬件如圖7、開發3節所述軟件圖8，構成成套系統后連續對某小區用戶用電情況進行測控。

圖7 硬件實物圖

圖8 上位PC機軟件界面

硬件測試采用靜態調試和動態調試相結合的方式[22]。靜態調試是在圖7電路板加入固定的電源和基本電平信號的條件下，用萬用表測出電路中各點的電位，同設計時候的理論估算值進行比較，判斷電路板工作狀態是否符合設計要求。動態調試是將系統接入小區，在實際工況中檢測系統的功能是否達標。

軟件測試采用灰盒綜合測試法，它是一種將“黑盒”測試與“白盒”測試相結合的方法[23]。具體方法是將小區管理員終端與硬件系統聯試聯調，檢測基于程序運行時的外部表現，同時對小區管理員終端程序設置斷點，讀取斷點的內部邏輯結構和數據[24]，檢測執行程序并采集路徑執行信息、檢測RS232串口等外部用戶接口數據，最后確定軟件是否運行正常，特別是軟件在特殊和極端工況下運行是否正常。

4.2 結果與分析

測控結果表明：(1)基于電力載波通信的智能小區抄表系統工作正常，能夠測量出用戶的瞬時功率并傳輸至小區管理員處，實現電力計量等基本功能。(2)基于電力載波通信的智能小區抄表系統用戶端硬件使用正常、功率低，約為1 kW/月，測量誤差低于±0.1%，符合《GBT 50063-2017 電力裝置電測量儀表裝置設計規范》國家標準。(3)測試中模擬了三種特殊工況：系統出現電磁干擾、電力線路出現浪涌和尖峰、用戶端負荷出現突變。在系統出現電磁干擾，干擾強度不大的時候，系統能夠正常工作，當干擾出現在功率計量模塊旁且較大的時候，系統數據采集和傳輸均出現誤差。電力線路出現浪涌和尖峰時，浪涌和尖峰未超過正常值的50%，系統運行正常。用戶端負荷出現突變時，系統運行正常，當用戶端電流超過功率計額定電流50A的20%時，系統仍穩定工作。(4)上位PC機端軟件不僅能夠計算階梯電價，而且還能夠對超限額的用戶實施遠程關閘操作，工程測試達到預期目標。(5)因為PLC通信是將信號調制后疊加在電力線路中傳輸，調制后的信號頻率調制后的信號工作頻率是900 kHz，這樣的高頻信號不能通過電力變壓器。因為電力變壓器的鐵芯是硅鋼片，900 kHz疊加到50 Hz上的AC上，高頻信號很快會被覆蓋掉。在傳輸路徑中不能有變壓器設備，否則傳輸的調制信號在變壓器的電磁轉換過程中會被徹底破壞，導致本系統系統不能正常工作。

5 結束語

基于電力載波通信的智能小區抄表系統設計方案真實有效，具有成本低廉、通用性好、實用性強的特點。因為在設計時考慮了大量抗干擾措施，所以系統在特殊工況下也能夠穩定的工作。因為PLC的工作原理限制，基于電力載波通信的智能小區抄表系統只能應用在同一臺變壓器下的用戶終端，不適合跨變壓器的小區使用。

基于電力載波通信的智能小區抄表系統可以直接用于居民小區、學生宿舍等場合，也可以稍作改造后用于賓館、公寓等其他一戶一表的場合。