基于低压电力线载波通信的智能电表终端设计[图]
随着我国工业化的发展，居民用电不断增长，用户电表数目也随之以数倍速度增加，电力公司面临着巨大的抄表困难。在广大农村，居民居住相对分散，有时抄表员需要费好几天才能抄完一个村庄的电表，而且还有可能出现漏抄；在城市，居民居住聚集，面对高层的居民楼需要工作人员爬上爬下挨家挨户抄表，这不仅费时费力，而且还给用户日常生活造成了一定的影响。因此，如何在不影响用户的情况下快速、准确、可靠地抄表，已经成为电力部门和用户的一种共同需求。为此，该设计将低压电力线载波通信技术和扩频通信技术相结合，设计出具有远程抄表功能的单相智能电表。
1 电力线载波与扩频通信技术
我国在高压电力线上的通信技术世界领先，技术已经非常成熟。然而在低压（220v）电力线上载波通信仍然存在许多技术难题，如何克服低压电力线上特有的高阻抗、高噪声、高污染是开发人员最为关心的问题。在电力线上的通信技术一般有基于锁相环路的窄带传输技术、基于相关器的扩频技术、过零传输技术等几种。目前扩频技术的应用较为广泛，pl3201就采用了这种技术。其芯片内集成的载波通信单元采用qpsk（四相相移键控）调制方式；可变伪随机码速率（带宽）的多地址通信技术，其载波中心频率为120khz,伪随机码速率可达到15kb/s和30kb/s.
由于它采用了qpsk调制技术，在带宽不变的情况下，数据传输速率是bpsk调制方式的一倍。根据伪随机码的速率不同，数据速率可达到1kb/s和500b/s.同时采用了63位gold/kasami序列，从而实现了码分多址，其地址数目最多可达41个，其中33个gold序列，8个kasami序列，将使台区之间的干扰减小到最小；同时pl3201向下兼容pl3105的通信方式（bpsk 二相相移键控），及其15/31位伪随机码模式，此外pl3201的载波调制输出信号可由软件灵活配置成正弦波输出或方波输出模式。
扩频技术是一种信息传输方式，在发送端（简称发端）采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传输信息所需的宽度；在接收端（简称收端）采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息的数据。
根据c.e.shannon在信息论研究中得出的带宽与信噪比互换的关系式，即香农公式：
式中：c为信道容量，指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量，其单位为b/s;b 为信号频带宽度，单位为hz;s为信号功率，单位为w;n 为噪声功率，单位为w;s/n 为输入功率与噪声功率之比，称为信噪功率比，简称信噪比。由公式可以看出在信道容量c 不变的情况下，带宽b 与信噪比s/n 成反比例关系，即只要增加带宽b 就可以有效抑制信噪比s/n.扩频通信正是基于这种理论使通信具有很强的抗干扰能力。
2 智能电表的硬件电路设计 2.1 基本框图及电路原理
智能电表是无线抄表系统的远程终端，其包含核心单片机pl3201、电源、电量测量、电力载波、继电器、e2prom、红外通信、时钟电路和最新国标32段lcd显示等8个模块，结构如图1所示。
图1 单相智能电表的系统框图
图1中电量测量模块进行电压、电流采样，输出与功率成正比的脉冲。pl3201通过接收和累加来自测量模块的脉冲数，计算出用户用电量并存储到相应的存储模块e2prom 中。同时根据智能电表要求的循显功能显示当前电表用电量和各个状态量。用户的各种数据由pl3201以固定帧的格式通过电力载波模块将信号放大后经公网电力线发送到集中器。集中器根据传回的数据由监控中心分析并做相应决策，如红灯报警、继电器的拉合闸等控制命令，以实现对用户的远程监控管理。智能电表的测量和载波通信部分的原理图如图2所示。
图2 智能电表载波与测量部分原理图
2.2 智能电表测量原理
图2中ade7755具有双通道采样电路：通道1由锰铜分流器j4的全差分采样电路获取用户的电流参数，其差分电压最大输入时为±470mv;通道2由电压采样电路获取，其最大全差分输入时为±500mv的电压参量。所采得数据经过内部信息处理如图3所示。
图3中芯片的引脚5,6是采样电流输入通道，引脚7,8是采样电压输入通道。这两个通道的信号输入均为模拟信号，该信号由16位二阶σ-δ型a/d转换器分别进行a/d转换成数字信号。电流通道的数字信号通过高通滤波器消除直流成分，再和转换后的电压通道的数字信号相乘，得到瞬时功率p（t）。p（t）经过一个低通滤波器最终获得有功功率p.p 经过数字频率转换器d/f转换后，由引脚22输出与有功功率成正比的频率信号。整个过程只有在a/d转换输入和基准电压输入是模拟信号外，其他信息处理均在数字领域完成使得测量具有很强的抗干扰能力。在恶劣环境下仍能实现高精度和长期稳定的电能测量。设获取的采样电压和电流信号是正弦信号，则瞬时电压和电流分别为v（t）=vcos（ωt+θv），i（t）=icos（ωt+θi），令θ=θv-θi,θ是电压和电流之间的相位差。由此可以得出瞬时功率p（t）和有功功率p。
式中：v 是电压峰值；i为电流峰值；t为电压、电流基波周期；n是基波周期数，有功功率等于瞬时功率在基波周期内的平均值。
图3 ade7755内部测量原理
当获取的采样电压和电流是非正弦信号时，可用傅里叶变换将瞬时电压v（t）和瞬时电流i（t）分别表示为它们谐波成分之和：
式中：v0是电压平均值；i0是电流直流分量；vh是h 次谐波电压的有效值；ih是h 次谐波电流的有效值；αh是h 次谐波电压的相位角；βh是h 次谐波电流的有效值。
由式（3），式（4）算出基波有功功率p1和谐波的有功功率ph可表示为：
因此有功功率p 等于其基波有功功率和谐波有功功率之和，即：
2.3 电能计量测试结果及分析
本文所设计的智能电表经多功能电能测试仪检测，其测试的硬件连接如图4所示。
图4中多功能测试仪的零、火线分别接到智能电表的进线零、火线获取智能电表的输入电压，将钳形互感器夹到电表的出线上获取出线电流，从输出脉冲预留检测接口j6获取来自ade7755电能计量模块输出的、与功率信息成正比的输出脉冲。设置合理的电表常数和校验圈数，即可检测并记录智能电表的电流、电压、用电量脉冲、有功功率、无功功率和功率因数。表1为测试结果。
图4 多功能电能测试
表1 智能电表电能测量测试结果
根据国家电网公司2009年发布的最新单相智能电能表技术规范要求q/gdw364_2009中对单相智能电表的测量及监测要求测量误差不超过±1%.表1中对阻性负载、感性负载和容性负载的不同电流分别进行测试，由表1中可以看出智能电表的测量误差均符合要求。
2.4 智能电表的载波通信原理
图2中ade7755的cf引脚输出的脉冲正比于即时功率，该脉冲通过高速光耦传到pl3201进行累加计算出电能计量信息。其中高速光耦对强、弱电都起到很好的隔离作用以避免强电的干扰而产生误差。pl3201内部集成了扩频载波调制解调电路，其载波发射专用引脚为p3.7脚，输出信号经rc串联电路耦合去除直流成分。q2,q3,q4,q5是一个互补对称的放大电路，主要对载波发送的信号进行功率放大。zd1,zd2对信号进行限幅以保护三极管，d7,d8起箝位作用，吸收来自电力线上的尖峰干扰。c73和l6组成一个lc滤波电路，滤除载波信号中所包含的谐波成分以免污染电网。
vhh为载波发射电压一般在12~15v 之间，其大小与载波发射功率有密切关系。在一定范围内提高vhh可以加大发射功率延长通信距离，本文设计vhh为15v。
接收载波信号由pl3201的sigin 输入，电路中pd10是一个瞬变二极管，能有效吸收来自电网的浪涌功率，起到保护整个电路的作用。c75,c76,c80和l5并联组成一个lc并联选频网络对信号具有选频作用。其频率计算公式为f=1/（2π √lc），当设计电感l=1mh,电容c=1.75nf时，由公式可知载波的中心频率f=120khz,该信号被送入芯片与内部的600khz本振信号进行混频，混频后信号频率为两者之差，即480khz.
将此混频信号，输入陶瓷滤波器b2滤波，滤波后的信号是一个带通信号再经过限幅放大、硬件解扩，即可对有效数据进行还原。
3 智能电表的软件设计
智能终端的软件设计主要包括：电能计量、存储、载波发送接收及状态显示等。用户用电量经过计量芯片采样转换成有功脉冲，经过高速光耦传送给pl3201,pl3201收集来自计量模块的脉冲数换算成用户用电量并存储到存储模块，其电能计量软件流程图如图5所示。载波发送接收是由pl3201以中断方式实现，这样使得电能表能实时侦听公网电力线上的消息，真正达到随时在线的功能，其常态为载波接收状态。载波发送信号经过功率放大耦合到公网电力线上，通过载波通信与安装在公网电力线上的集中器进行数据交换，集中器再通过gprs无线网络与监控中心交换数据，从而完成远程无线监控的功能。载波数据发送接收软件流程图如图6和图7所示。
图5 电能计量流程图
图6 载波数据发送流程图
图7 载波数据接收流程图
4 结 语
本文设计的智能电表能对用电量进行高精度的测量，通过低压电力线载波通信读取和设置远程智能电表的相关数据，可实现实时远程监控。适用于城市小区多用户和农村住户相对集中地带，其优点在于不用再进行专线安装，直接采用现有电力线作为通信载体，成本低廉。系统不足之处在于通信距离有限，在远距离通信时系统抄表率下降，可靠性降低。通过软件设计使智能终端之间可以相互读取数据，增加抄表的可靠性和延长通信距离是该设计改进的方向。
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1 电力线载波与扩频通信技术
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由于它采用了qpsk调制技术，在带宽不变的情况下，数据传输速率是bpsk调制方式的一倍。根据伪随机码的速率不同，数据速率可达到1kb/s和500b/s.同时采用了63位gold/kasami序列，从而实现了码分多址，其地址数目最多可达41个，其中33个gold序列，8个kasami序列，将使台区之间的干扰减小到最小；同时pl3201向下兼容pl3105的通信方式（bpsk 二相相移键控），及其15/31位伪随机码模式，此外pl3201的载波调制输出信号可由软件灵活配置成正弦波输出或方波输出模式。
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式中：c为信道容量，指单位时间内信道中无差错传输的最大信息量，其单位为b/s;b 为信号频带宽度，单位为hz;s为信号功率，单位为w;n 为噪声功率，单位为w;s/n 为输入功率与噪声功率之比，称为信噪功率比，简称信噪比。由公式可以看出在信道容量c 不变的情况下，带宽b 与信噪比s/n 成反比例关系，即只要增加带宽b 就可以有效抑制信噪比s/n.扩频通信正是基于这种理论使通信具有很强的抗干扰能力。
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图1 单相智能电表的系统框图
图1中电量测量模块进行电压、电流采样，输出与功率成正比的脉冲。pl3201通过接收和累加来自测量模块的脉冲数，计算出用户用电量并存储到相应的存储模块e2prom 中。同时根据智能电表要求的循显功能显示当前电表用电量和各个状态量。用户的各种数据由pl3201以固定帧的格式通过电力载波模块将信号放大后经公网电力线发送到集中器。集中器根据传回的数据由监控中心分析并做相应决策，如红灯报警、继电器的拉合闸等控制命令，以实现对用户的远程监控管理。智能电表的测量和载波通信部分的原理图如图2所示。
图2 智能电表载波与测量部分原理图
2.2 智能电表测量原理
图2中ade7755具有双通道采样电路：通道1由锰铜分流器j4的全差分采样电路获取用户的电流参数，其差分电压最大输入时为±470mv;通道2由电压采样电路获取，其最大全差分输入时为±500mv的电压参量。所采得数据经过内部信息处理如图3所示。
图3中芯片的引脚5,6是采样电流输入通道，引脚7,8是采样电压输入通道。这两个通道的信号输入均为模拟信号，该信号由16位二阶σ-δ型a/d转换器分别进行a/d转换成数字信号。电流通道的数字信号通过高通滤波器消除直流成分，再和转换后的电压通道的数字信号相乘，得到瞬时功率p（t）。p（t）经过一个低通滤波器最终获得有功功率p.p 经过数字频率转换器d/f转换后，由引脚22输出与有功功率成正比的频率信号。整个过程只有在a/d转换输入和基准电压输入是模拟信号外，其他信息处理均在数字领域完成使得测量具有很强的抗干扰能力。在恶劣环境下仍能实现高精度和长期稳定的电能测量。设获取的采样电压和电流信号是正弦信号，则瞬时电压和电流分别为v（t）=vcos（ωt+θv），i（t）=icos（ωt+θi），令θ=θv-θi,θ是电压和电流之间的相位差。由此可以得出瞬时功率p（t）和有功功率p。
式中：v 是电压峰值；i为电流峰值；t为电压、电流基波周期；n是基波周期数，有功功率等于瞬时功率在基波周期内的平均值。
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当获取的采样电压和电流是非正弦信号时，可用傅里叶变换将瞬时电压v（t）和瞬时电流i（t）分别表示为它们谐波成分之和：
式中：v0是电压平均值；i0是电流直流分量；vh是h 次谐波电压的有效值；ih是h 次谐波电流的有效值；αh是h 次谐波电压的相位角；βh是h 次谐波电流的有效值。
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图4 多功能电能测试
表1 智能电表电能测量测试结果
根据国家电网公司2009年发布的最新单相智能电能表技术规范要求q/gdw364_2009中对单相智能电表的测量及监测要求测量误差不超过±1%.表1中对阻性负载、感性负载和容性负载的不同电流分别进行测试，由表1中可以看出智能电表的测量误差均符合要求。
2.4 智能电表的载波通信原理
图2中ade7755的cf引脚输出的脉冲正比于即时功率，该脉冲通过高速光耦传到pl3201进行累加计算出电能计量信息。其中高速光耦对强、弱电都起到很好的隔离作用以避免强电的干扰而产生误差。pl3201内部集成了扩频载波调制解调电路，其载波发射专用引脚为p3.7脚，输出信号经rc串联电路耦合去除直流成分。q2,q3,q4,q5是一个互补对称的放大电路，主要对载波发送的信号进行功率放大。zd1,zd2对信号进行限幅以保护三极管，d7,d8起箝位作用，吸收来自电力线上的尖峰干扰。c73和l6组成一个lc滤波电路，滤除载波信号中所包含的谐波成分以免污染电网。
vhh为载波发射电压一般在12~15v 之间，其大小与载波发射功率有密切关系。在一定范围内提高vhh可以加大发射功率延长通信距离，本文设计vhh为15v。
接收载波信号由pl3201的sigin 输入，电路中pd10是一个瞬变二极管，能有效吸收来自电网的浪涌功率，起到保护整个电路的作用。c75,c76,c80和l5并联组成一个lc并联选频网络对信号具有选频作用。其频率计算公式为f=1/（2π √lc），当设计电感l=1mh,电容c=1.75nf时，由公式可知载波的中心频率f=120khz,该信号被送入芯片与内部的600khz本振信号进行混频，混频后信号频率为两者之差，即480khz.
将此混频信号，输入陶瓷滤波器b2滤波，滤波后的信号是一个带通信号再经过限幅放大、硬件解扩，即可对有效数据进行还原。
3 智能电表的软件设计
智能终端的软件设计主要包括：电能计量、存储、载波发送接收及状态显示等。用户用电量经过计量芯片采样转换成有功脉冲，经过高速光耦传送给pl3201,pl3201收集来自计量模块的脉冲数换算成用户用电量并存储到存储模块，其电能计量软件流程图如图5所示。载波发送接收是由pl3201以中断方式实现，这样使得电能表能实时侦听公网电力线上的消息，真正达到随时在线的功能，其常态为载波接收状态。载波发送信号经过功率放大耦合到公网电力线上，通过载波通信与安装在公网电力线上的集中器进行数据交换，集中器再通过gprs无线网络与监控中心交换数据，从而完成远程无线监控的功能。载波数据发送接收软件流程图如图6和图7所示。
图5 电能计量流程图
图6 载波数据发送流程图
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