单相智能电表之电力线载波通信

单相智能电表之电力线载波通信1、争论设计背景综述低压电力线载波PLC(PowerLineCarrier) 通信是以低压配电线(380V／220V)作为信息传输媒介进展数据或语音等传输的一种特别通信方式。电力线网络是目前掩盖范围最广的网络，有着巨大的潜在利用价值。国外对此争论已有近百年的历史，在理论和技术上有着确定的优势。我国电力网比较独特，直接利用国外先进技术和产品并不能取得令人满足的效果。目前国内参与低压电力载波通信争论的公司、高校及争论机构日益增多，已经在通信信道的特性分析和建模、关键的调制技术的争论、通信芯片及相应产品的研制和应用、市场化运营及相关法规制定等方面取得了肯定的成果。开展历程及现状国外开展状况电力线是最普及、掩盖范围最为宽阔的一种物理介质，因此，电力线载波通20年月的产物，现在利用电力线高速数据通信技术仍旧是国内外很多大公司的热点。97NorwebNortel()利用丌发的数字电1Mbits的速率数据传输的远程通信，并进展了该技术市场推广。随后，很多国家争论机构纷纷开展了高速电力线通信技术的争论和开发，产品1Mbit／s2、1424Mbit／s甚至更高。PLCIntellon14、5485200Mbit／sDS245200Mbits芯片等等。其中Intellon14Mbit／s芯片应用最为普遍，大局部电力线载波系统都是基于该芯片开发的。目前，电力线载波通信在欧洲开展比较快，欧盟为促进电力线载波技术开展，在2023年启动了OPERA(OpenPLCEuropeanResearchAlliance) 的方案，致力于制定欧洲统一的PLC技术标准，推动大规模的商业化应用，并将PLC作为实现信息化欧洲的重要技术手段。美国也不甘示弱，在它提倡下成立了“家庭插电联盟〞，致力于标准争论，1/15PLCHome．Plu910。PLC的态度，经受了从初期疑心否认、到开放试验、直至今日的乐观推动的三个阶段。PLC将来PLC商业化只是一个时间问题。国内开展状况相比国外而言，我国的电力载波通信起步较晚，但开展快速。最早开放争论1997年由中国电力科学争论院进展的对我国低压配电网传输特性和参数的90年月末期，针对国内电网特性而设计的载波处理方案的制定使得早期产品在稳定性上逐步接近有用。2023年我国开头引进国外的PLC芯片，研制2Mbps2023年末，国家电力总公司公布了关于利用电力线载波集中抄表2023年初成立了电力线通2023信〞技术的核心产品一电力调制解调器及多个相关产品，其传输速率可以到达10Mbps。2023年初，国家电力公司在北京广华轩小区进展了通过电力线上网的试验，小区用户2023EPLC45MEPL．14M2023年以中电飞华公司为代表，已在北京开通了 5个以上的电力线上网试验小区，用户反映格外满足，只是网速会在特定的时候突然衰减。近十年来，包括清华大学、西安交通大学和华中科技人学在内的高校和科研单位及困内相关公司对低压电力载波通信进展了大量争论， 并取得了肯定的成果[91。国内前期的争论主要侧蕈于利用国外已有的固化PLC调制技术和芯片进展扩开放发。近几年针对国内配电网的信道特性所进展的调制技术的争论及载波芯片研制取得了突破。但是目前国内相关的法律法规及政策还不健全，如何充分开发仍需要很长一段时间的争论和摸索。电力线载波通信前景以及争论重点由于低压电力载波通信技术已经渐渐成为国内外通信领域的争论热点， 其具有极大的市场潜力和宽阔的应用前景。由于我国低压电力网格外独特，通信环境相当恶劣，不利于通信信道的分析和建模，更不能直接利用国外的技术和产品。2/15但随着国内越来越多的争论机构和公司的参与，我国的低压电力学载波通信消灭论文方兴未艾的局面。自主电力载波芯片的研制标志着我国在这一领域迈出了实质性的一大步。目前国外不少重量级公司(例如Microsoft 、Intellon 、3COM、AMD)都不惜昂扬的研发费用，致力于高速、牢靠、平安的低压电力载波通信系统5～10年内的争论重点将包括四个方面：(1)低压电力线通信信道的分析和建模； (2)载波通信关键技术的争论lrlO,J ；(3)高速、平安且低功耗的电力载波芯片和模块的研制；(4)相关组织、技术标准和法律法规的建设。其具体的应用方向除了远程自动抄表及监控治理系统、家居智能化以及型智能化小区外，在农业节水浇灌监测与掌握和农产品流通过程信息化方面也将有着宽阔的应用前景。2、争论设计过程功能模块介绍单相智能电表总的框图如以以下图所示：1、单相智能电表框图采集器信号采集，通过穿将假设干用户单元的信号转换成数字信号传递到单I/O口，输入的采集信号将承受单片机的处理、存储并在接收到发送信号以后，通过对通信芯片的掌握，把信号转化为能够在电力线传到的特别波形信号使信号在电力线网络上进展传导，然后在另一端的电力载波通信芯片将侦测到该信号，并将其转换为数字信号传输给集中器，集中器通过与上位计算机的通信将采集到的信号统一处理并加以掌握，以到达整个网络实现的通信目的。其中，电力线载波通信系统由载波耦合电路、信号发送电路〔信号功率放大电路和功率输出掌握电路〕、滤波接收单元〔承受滤波电路和解调电路〕、电力线载波扩频通信芯片等组成。其主要模块框图如以以下图2所示：3/15输出功率掌握电路线 信号功率放大电路 载波芯片力电载波耦合电路 滤波接收单元2、电力线载波通信模块框架图软件介绍本次设计当中，主要用Protel99SE 软件进展设计和仿真。Protel99SE 是Protel 公司近10年来致力于Windows平台开发的最结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的全局部析、验证和设ProtelPCB〔印制电路板〕设计工PCB为核心的整个物理设计。最版本ProtelOrcad、Pads、Accel(PCAD)EDA公司设计EDA平台。Protel99SE 5PCB设计〔包含信号完整性PLD设计。以下是一些Protel99SE的局部最功能：30多种格式的电气连接网络表；◆强大的全局编辑功能；◆在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；PCBPCB图间允许双向穿插查找元器件、引脚、网络PCB〕，也可以进展反向注释PCBPCB在设计上的全都性；◆满足国际化设计要求〔包括国标标题栏输出， GB4728国标库〕；便利易用的数模混合仿真〔兼容SPICE3f5 〕；4/15CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件；PCB3216-16个机加工层；◆强大的“规那么驱动〞设计环境，符合在线的和批处理的设计规那么检查；◆智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；◆供给大量的工业化标准电路板做为设计模版；◆放置汉字功能；DXF、DWGAutoCAD等软件的数据交换PGABGA封装很有用〕；◆便利的打印PCB3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；CAM件、测试点报告等；◆经过充分验证的传输线特性和仿真准确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；◆反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合；◆专家导航帮您解决信号完整性问题。常用电力线载波通信技术窄带通信方式窄带通信方式价格低廉并且较易实现，所以在以往的应用中比较常用。但窄带技术的缺点是抗干扰力量较差，尽管窄带通信中的接收器具有较窄的宽带，使得仅有一小局部噪声能进入接收器，但由于此类接收装置中的滤波器具有高品质因数，瞬间的脉冲噪声会使其发生自干扰，引起它对传输来的信号产生误操作；而是用低品质因数的滤波器又会使通带带宽加大， 令更多的噪声进入接收器，所以窄带通信对脉冲噪声的抵抗性较差。双音多频调制方式双音多频是利用数字合成技术的一种编码方式，是窄带频率调制的一种，传输信号的方式不是脉冲而是由两个音频信号组成的混合信号， 在程控 系统中已经有广泛应用。线性调频脉冲方式5/15CSMA网络，它利用一系列短促的、可自同步的ChirpsChirps100毫秒，它代表了最根本的通Chirps信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多，其线性加速度也较高，而等幅震荡波干扰的频率加速度一般是稳定的，所以只要将滤波器设计成只能通过具有特定角速度的信号，就可以将等幅震荡波干扰排解在外。多载波调制方式多载波调制是一种多载频并传体制，其根本原理是将输入信息转换成多路并行信号，对相互完全正交的一组载波进展调制。因此，多载波调制方式技术的实质是将时分多路的数据传输转换为频分多路的数据传输。由于各载波之间的正交性，完全消退了彼此之间的串扰，同时可以在接收端利用一样的正交载波组来恢复原始信号。扩频通信方式有用扩频技术在上个世纪50年月中开展起来，起初扩频技术只用于军用通信、制导等军事领域，由于它具有很多特点，使得其理论和实践开展快速。扩频通信技术在90年月才开头应用到民用上，目前已经在低压电力线通信商得到广泛应用，并已经取得了很大的开展，成为电力线载波通信的热点。扩频通信方式是一种简便、易实现、价格低廉的方式。芯片选择以及介绍国外很早对电力线载波通讯技术进展了争论，多家公司推出了自己的电力线载波modem 芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美洲地区电网(480Y/277V，208Y/120Vac)的标准频率范围100kHz~450kHz 和针对欧洲地区电网(400Y/230Vac)的标准频率范围9kHz~150kHz。各家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，承受各种特定专有技术，设计出各自的电力线载波modem芯片。由于国外电力线载波modem 芯片是针对本地区电网特性、电网构造，且一般是针对家庭内部自动化而设计，在国内使用都难尽人意。实现电力线载波数据传输的关键是要抑制电力线上所存在的问题，归结起来就是功能强大和性能优越的电力线载波专用modem 芯片的设计和应用。为此，在进展本工程的设计时，我们在芯片选择上花了极大的功夫。6/15现有几种电力线载波芯片比较几种电力线载波芯片比较表FarhillSep9,2023ST7535SSCP200型号 LM1893 ST7536SSCP300PLT-22ST7537SSCP485调制方式 FSK FSKSSCBPSK窄带132kHz()带宽特点 窄带100-400KHz50-300kHz115kHz()灵敏度 2mV 2mV1mV信号动态110dB 60dB范围70dB80dB波特率时钟 无 无无有缓存 无 无有无(1)XR2210/XR2206 LM1893这是比较早的电力线载波芯片。XR2210/XR2206 是一组FSK方式的调制解调芯片，并不是特地针对电力线载波通讯设计的，还可用于有线和无线通讯。LM1893是美国国家半导体公司生产的modem 芯片，承受FSK调制解调方式。它只是对一般FSK调制解调芯片稍作改进，目前，这两款modem 芯片在国内根本没有承受。(2)ST7536ST7536是SGS-THOMSON 公司专为电力线载波通讯而设计的 modem芯片。由于它是专用modem 芯片，所以除有一般modem 芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用参与了很多特别的信号处理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。ST7536是半双工的FSKmodem 芯片，600bps 时灵敏度为2mV，1200bps 时灵敏度为3mV。它针对电力线载波通讯承受了数字滤波器、AFC(自动频率掌握)、ALC(自动输出幅度掌握)以及软7/15件上的3字节容错等现代通讯技术。ST7536 也是较早的电力线载波modem芯片，调制解调技术是较落后的 FSK方式，加上 3字节容错，最高波特率只能到达400bps。另外它无CSMA(网络载波侦听)功能，这些限制了它的应用。目前，在国内电力线载波抄表领域， ST7536是最适合的modem 芯片。但它通讯距离不是很抱负；需要作中继器时，通讯速度太慢；它是每位中断一次，按

1200bps 计833μs中断一次，对更简单的应用来讲，833μs(3)SSCP300SSCP300Intellonmodem芯(Chirp)DSPCSMA技术以及标CEBusmodemmodem芯片的开展趋势。但在国内电力线载波抄表领域使用效果还不如较早的 ST7536。究其缘由，SSCP300 Intellon公司按北美地区频率标准、电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围100kHz~400kHz，电网电压480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可承受线－地藕合方式。由于针对家庭自动化，主要一家一户式独立住宅，所以在通讯距离上，它还承受陷波器隔离，防止干扰邻近住宅。因此比较适合基于电力线网的家庭局域网的应用。(4)PLT-22PLT-22是Echelon 公司最电力载波收发器，它是针对工业掌握网而设计的。它承受BPSK调制解调技术以及多种容错及纠错技术，目前在中国电力线网上应用效果较抱负。但是由于它是 Lonworks网络专用，使用该模块设计低压电力线载波Modem时，必需协作含嵌人式网络操作系统的专用 Neuron芯片来完成掌握操作。因此，整个系统的本钱较高，仅适用于某些专业通信的领域，无法应用于类似民用电能表等对价格敏感的场合。国产载波芯片PL3200介绍考虑到国内电力线状况简单，谐波较多，通讯环境恶劣的状况，我们最终承受北京福星晓程电子科技股份开发的PL3200系列载波芯片，该芯片能够稳定工作于国内电力线环境。PL3200内嵌有增加型8051兼容微处理器，使得设计电路时可以到达一个芯8/15片实现多中功能的作用，大大节约了开发时间，也使得电路板整体电耗掌握在很小的范围，增加了电路的牢靠性，PL3200内置256bytes+1024bytesSRAM bytes的EEPROM，协作8051处理器实现程序的存储，在电能计量局部，能提供高精度电能计量，供给有功功率和无功功率瞬时值输出，指示正负功，介于PL3200的强大功能，比照了众多电力线 modem之后我们小组打算承受80针脚的PL3200实现工程设计。PL3200芯片主要特点是：〔1〕高精度电能计量单元〔2/解调电路120KHz载频，带宽15KHz500bps接收灵敏度：50mVRMS(500bps)1000m抗干扰力量：抗20倍功率的噪声-80dB9/15〔3〕数字调校实时钟〔451内核〔5〕16KBYTESE2PROM 片内程序存储器，支持ISP〔在系统编程〕〔6LCD/LED/驱动电路〔7〕内置两个全双工串口：38KHZRS485通信模式〔8〕电源电压监测、看门狗电路3、模块设计结果3.1电力线耦合模块低压电力线是一种通信环境格外恶劣的信道，有很多问题有待进一步争论。低压电力线传送着220V/50Hz的电能，在低压电力线上并接了很多不同阻抗的用电器，低压电力线的这一固有特点，给低压电力线通信带来了很大的困难。因此，低压电力线通信必需首先解决以下两个难题：150Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰；同时，考虑到整个通信系统的平安，必需进展强电隔离。2〕低压电力线上并接的全部用电器的“统计载波阻抗〞要高，以确保较高的载波信号加载效率。上述问题，正是低压电力线通信的耦合技术问题，也是耦合电路好坏的唯一评价标准。依据低压电力线通信耦合技术的要求：一方面，必需进展强电隔离；另一方面，要确保较高的载波信号加载效率。为此，必需承受“电磁耦合〞与“阻容耦10/15合〞相结合的“复合耦合技术〞。T1有着双重作用。一方面，耦合载波信号；另一方面，使通信电220v50Hz的强电隔离。假设不使用隔离变压器，而是使用电感作为高通滤波器的感性元件，那么电力线就会直接连到低压电路的公共端，电力线载波芯片无法承受如此高的电压。由于低压电网的工频和本系统扩频信号的信号频率〔120KHz2500倍，因此电容和耦合线圈原边电感对这两种频率信号的阻抗各不一样。对于工频信号，电容的阻抗远大于线圈原边电感的阻抗，所以电容120KHz的载波信号，线圈原边电感的阻抗远远大于电容的阻抗，所以系统载波信号几乎都加在了耦合线圈上。这个电路能把工D7起着防冲击电压作用，最大双18VD1、D2起限幅作用，用来保护后续电路。其调谐回路的谐振频率应满足：1f02 LC假设将中心频率选在感 L的取值在

460kHz，电容取值为22nF,经计算可得电5.7微亨左右，即通过调整变压器初级绕组电感量来调整中心频率。T1将电力线与耦合电路的其余局部相隔离，从电力线上承受载波信号，滤除来自电力线上得干扰噪声。信号功率放大电路低压电力线一般是由铜或其他电的良导体加上而成，其本身的阻抗很小。220V电力线不是抓用的通信线，电力线上有大量的用电负载和电力设备〔如无功补偿电容等〕，这些器件对载波信号的衰减格外严峻，其高频等效阻抗变化范11/150.1200欧姆，这就使其信号衰减值严峻100dB以上