基于電力載波通信的供電鎖相測控系統(tǒng)

高　蒙　張秋菊　馮　濤

摘 要：隨著信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,使用電力線載波進(jìn)行通信的手段變得越來越廣泛。依據(jù)目前供電系統(tǒng)的主要性能和市場需求,運(yùn)用先進(jìn)的鎖相倍頻技術(shù)及PL3105直接序列擴(kuò)頻電力線載波通信的方式,對一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶的電能狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制管理,形成了一套完善的供電測控實(shí)施系統(tǒng)。該系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)、載波通信、網(wǎng)絡(luò)傳輸、功率計(jì)算、數(shù)據(jù)顯示、計(jì)算機(jī)控制等功能于一體的自動(dòng)化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了供電管理的數(shù)字化、精確化和智能化。

關(guān)鍵詞：PL3105；電力線載波通信；直接序列擴(kuò)頻；鎖相測控

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-122-04

Phase Lock Measuring and Controlling Power Supply System

Based on Power Line Carrier Communication

GAO Meng,ZHANG Qiuju,FENG Tao

(Shijiazhuang Railway Institute,Shijiazhuang,050043,China)

Abstract：With rapid development of the information science technology,the application of the power line carrier communication is more and more popular.According to the performance and market demand of the power supply system,in this paper,the phase lock and the direct sequence spread spectrum technology of power line carrier communication of PL3105 are put forward.The real-time monitoring and the user managing in the net are completed.The system is an integrated automatic system which can realize the functions such as data collection and memory,carrier communication,network transmission,power measurement and control,data display,and so on.The way of power supply management is digital,precise and intelligent.

Keywords：PL3105;power line carrier communication;direct sequence spread spectrum;phase lock measurement and control

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,供電測控設(shè)備的種類越來越多,其中支持測控系統(tǒng)傳輸信息的手段也越來越多樣化。作為分布最廣泛的網(wǎng)絡(luò),電力線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)力能源傳輸網(wǎng)絡(luò),除了輸送電能以外,還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

電力線載波通信(Power Line Carrier Communication,PLCC)是指以電力線為信息傳輸媒介,信號經(jīng)過載波調(diào)制技術(shù),實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳遞的一種通信方式。但是,電力線通信信道存在噪聲干擾強(qiáng),阻抗隨負(fù)載變化大,信號衰減大等缺點(diǎn),嚴(yán)重制約了它的有效利用。常規(guī)的載波技術(shù)顯然不能滿足實(shí)際需求,必須采用具有高抗干擾能力的載波調(diào)制措施改善通信質(zhì)量。目前,低壓電力線載波通信技術(shù)已從傳統(tǒng)的頻帶傳輸(ASK、FSK、PSK)發(fā)展到了擴(kuò)頻通信(SSC)技術(shù)、多載波正交頻分多址(OFDM)技術(shù)以及光波分復(fù)用(WDM)技術(shù)等［1］。就擴(kuò)展頻譜方式的不同,擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為：直接序列(Direct Sequence,DS)擴(kuò)頻,跳頻(Frequency Hopping,FH),跳時(shí)(Time Hopping,TH),線性調(diào)頻(Chirp)以及上述各種基本方式的組合,如：FH／DS,DH／TS等［2］。

現(xiàn)設(shè)計(jì)了一種用戶供電測控系統(tǒng),系統(tǒng)利用電力載波通信完成用電信息的傳輸控制。采用了直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum Communication,DS-SSC)技術(shù),該系統(tǒng)優(yōu)勢是用戶不必重新架設(shè)線路,而是利用原來的電力線網(wǎng)絡(luò)完成用電信息的傳輸,而且電力線傳輸不占用現(xiàn)有的頻譜資源,同時(shí),該系統(tǒng)還可以通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。電力線載波通信還具有現(xiàn)有物理鏈路、易維護(hù)、易推廣、易使用等優(yōu)點(diǎn)。

1 DS-SSC技術(shù)原理

根據(jù)信息論中著名的香農(nóng)定理：

C=Blog2(1+S/N) b/s

(1)

信道容量C給定后,信道帶寬B與信噪比S/N可以互換。由此可以推得,在信息速率C不變的情況下,只要增加信道帶寬B,就可以降低對信噪比S/N的要求［3］。

擴(kuò)頻通信(SSC)技術(shù)的基礎(chǔ)是香農(nóng)定理,利用與被傳輸信息無關(guān)的碼對信息進(jìn)行頻譜擴(kuò)展,使擴(kuò)展后的頻帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被傳送信息所必需的最小帶寬(即增大B的值),在接收機(jī)中利用同一碼進(jìn)行相關(guān)接收和恢復(fù)信息。

直接序列擴(kuò)頻(DS-SSC)技術(shù)是指用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息速率的偽隨機(jī)序列(PN)與信號相乘,來達(dá)到擴(kuò)展信號的帶寬B。在發(fā)送端先對信號進(jìn)行擴(kuò)頻再進(jìn)行DPSK調(diào)制,擴(kuò)頻載波信號經(jīng)過功率放大之后耦合到電力線上進(jìn)行傳輸。在接收端DPSK解調(diào)后用于發(fā)送端同步的本地PN序列解擴(kuò)即可恢復(fù)信號。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于電力線載波通信的供電測控系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、載波通信、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、功率計(jì)算、數(shù)據(jù)顯示、計(jì)算機(jī)控制等功能于一體的自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)由三部分構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 供電測控系統(tǒng)構(gòu)成框圖

各個(gè)電能表把用電信息通過電力線以載波的方式傳送到數(shù)據(jù)集中器,數(shù)據(jù)集中器經(jīng)局域網(wǎng)將信息發(fā)送到用電管理中心,管理中心的上位機(jī)完成用電數(shù)據(jù)的處理,并利用載波通信方式給數(shù)據(jù)集中器以及電能表下達(dá)命令。

2.1 電子式電能表

用戶電子式電能表能夠同步地采集一路用戶用電的電壓電流、時(shí)鐘校準(zhǔn)、精確計(jì)算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù),并具有載波收發(fā)及收發(fā)成功顯示功能。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電能表結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 PL3105微處理器

為有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電測控功能,電能表的核心處理器采用FXXC公司PL3000系列具有DS-SSC功能的專用芯片PL3105［4］。

PL3105內(nèi)嵌一個(gè)高速CPU,其指令周期為1T,串口、定時(shí)器等是嚴(yán)格的12T。外部時(shí)鐘(主時(shí)鐘)在經(jīng)過時(shí)鐘模塊后一分為二,其中一路經(jīng)過2分頻后得到的f osc提供給CPU和相應(yīng)的資源模塊,另一路直接供給載波和ISP模塊,這里采用外部9.6 MHz的主頻晶振。

PL3105采用了8/16位微處理器8051兼容內(nèi)核,它內(nèi)部集成了2路16位的A/D,3個(gè)16位定時(shí)器,2路多功能串口,LED/LCD顯示控制模塊,采用8個(gè)中斷源兩級中斷。PL3105內(nèi)置了16 kB的E2PROM程序存儲(chǔ)器和1 KB的SRAM,其內(nèi)部的256 B SRAM和實(shí)時(shí)鐘在主電源掉電的情況下可由備用電池繼續(xù)供電維持。PL3105采用直序擴(kuò)頻,DPSK調(diào)制/解調(diào),半雙工電力載波通信單元,500/250 b/s通信速率可選。

2.1.2 A/D鎖相倍頻技術(shù)

PL3105內(nèi)部集成了兩路A/D,其中一路用來采集負(fù)載端電壓,另一路用來采集負(fù)載電流,本設(shè)計(jì)用鎖相倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率的精確測量。

用戶電力線為標(biāo)準(zhǔn)的50 Hz電源輸入,由于實(shí)際交流電源的頻率不穩(wěn),為提高計(jì)量精度,必須考慮采樣與電源的同步問題,采用鎖相倍頻電路將負(fù)載電壓和電流的模擬量離散化,電路如圖3所示。

圖3 負(fù)載功率測量電路

該電路可以完成嚴(yán)格的整周期采樣,設(shè)電路鎖相倍頻系數(shù)為N,由于采樣脈沖與電源頻率嚴(yán)格鎖定,該電路在一個(gè)電源周期內(nèi)可以同步采樣N點(diǎn)電壓電流值,這樣,計(jì)算機(jī)可以利用離散積分求和式(2)精確計(jì)算出負(fù)載功率：

Pz=CN∑Nk=1vkik

(2)

式中,N為電源周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù),vk,ik為電壓電流的瞬時(shí)采樣值；C為一常數(shù)。

采用數(shù)字鎖相芯片CD4046和分頻芯片CD4040［5］構(gòu)成鎖相電路。該電路可以將電源的一個(gè)周期嚴(yán)格等分為N份,這里的N=27=128。電源電壓經(jīng)過電壓互感器輸入CD4046的BIN引腳和PL3105的ADIN2引腳。AIN和BIN端分別為4046內(nèi)部鑒相器的兩個(gè)輸入端,分頻前的方波由4046內(nèi)部壓控振蕩器輸出端VCOUT連接到4040的CLK腳,該方波頻率為50 Hz×128=6 400 Hz。分頻后形成的50 Hz鎖定方波由Q7腳輸出至4046的AIN引腳。將6 400 Hz方波作為采樣中斷脈沖送入PL3105的A/D中斷輸入端XINT1,則計(jì)算機(jī)可按照該頻率進(jìn)行每周期128點(diǎn)的A/D循環(huán)采樣,并利用式(2)完成負(fù)載功率的精確測量。

2.1.3 電力線載波通信

PL3105芯片內(nèi)集成了直接序列擴(kuò)頻調(diào)制電路,外圍連接的電路主要包括功率放大、濾波、載波耦合及接收電路。

采用軟件配置,載波功能被使能后,載波信號由PL3105芯片的I/O引腳PSK_OUT輸出,波形為0～5 V的方波,包含豐富的諧波。功率放大電路使PSK_OUT點(diǎn)的方波信號放大,在一定范圍內(nèi)有效地加大發(fā)射功率、延長通信距離。放大后的信號富含諧波,需要進(jìn)行濾波整形。設(shè)計(jì)可用電感、電容組合完成整形濾波,再通過耦合線圈T1耦合到低壓電力線上。

電力線下行傳輸微機(jī)命令信息時(shí),信號經(jīng)載波耦合到接收電路,電感和電容組成并聯(lián)諧振回路,諧振中心頻率120 kHz,完成對有效信號的帶通濾波。接收信號引入到芯片PL3105內(nèi)部進(jìn)行混頻處理,SIGIN被內(nèi)部上拉后平移到2.5±0.7 V。載波通信速率為500 b/s,15位偽碼,同步捕獲門限默認(rèn)為30H,帶寬 ±7.5 kHz［6］。

2.1.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分完成單路用戶的用電信息的存儲(chǔ),設(shè)計(jì)采用鐵電存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片電路

2.2 數(shù)據(jù)集中器

數(shù)據(jù)集中器能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以便查詢,并能以載波通信方式上行、下行傳輸信息。

它采用電力線載波專用芯片PL3105為微控制器,負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集存儲(chǔ),系統(tǒng)通信協(xié)調(diào)處理。載波通信部分由3路(對應(yīng)3相電源)載波收發(fā)處理組成,實(shí)現(xiàn)載波下行通信功能。上位通信部分通過RS 232轉(zhuǎn)換接口接收上位機(jī)管理,響應(yīng)上位機(jī)指令。它可以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ),最大容量為65 536戶(電能表)。通信速率 500 b/s,可實(shí)現(xiàn)多級中繼。

數(shù)據(jù)集中器設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)三相電力線連接,必須保證每一相電源上信息的完整傳輸,載波通信部分設(shè)計(jì)由 3路收發(fā)處理電路組成,如圖5所示。

圖5 三相載波收發(fā)電路構(gòu)成框圖

由PL3105芯片I/O引腳PSK_OUT輸出待載波傳輸信息,經(jīng)一路功放濾波、載波耦合電路,送到單相電力線上。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有三路載波通信線路,分別將待傳輸信息發(fā)送到A、B、C三相上,同時(shí)三相電力線設(shè)有共用的載波接收電路,可以將來自電力線的數(shù)據(jù)信息通過SIGIN引腳接收到PL3105處理器中。

2.3 管理中心

管理中心系統(tǒng)由完成測控的計(jì)算機(jī)和上位機(jī)軟件構(gòu)成,直接由管理人員來操控。計(jì)算機(jī)配合上位機(jī)軟件,實(shí)現(xiàn)如下功能：

實(shí)時(shí)監(jiān)控電表狀態(tài)；

繳費(fèi)狀況檢索與繼電器通斷操作；

用電數(shù)據(jù)的接收、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示；

設(shè)置集中器的自動(dòng)抄表周期和系統(tǒng)校時(shí)；

用戶負(fù)荷監(jiān)控和電量異常報(bào)警；

給集中器和電能表下達(dá)各種命令。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)上電,對所用變量進(jìn)行初始化設(shè)置,包括串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的清零、載波收發(fā)狀態(tài)清零、收發(fā)指示燈狀態(tài)、變量賦初值等。配置串口通訊方式,設(shè)定波特率。外部INT1中斷為采集一次A/D的中斷信號,載波通信控制器采用幀同步方式的串行移位通信,使能外部INT2中斷(EX2=1)。

開INT1中斷,判斷串口有無中斷信號,有中斷信號則開始一次A/D采集。XINT1是由鎖相變頻電路輸出到微處理器PL3105的控制信號,從采集完一次到采集下一次等待此中斷,在一個(gè)電源周期內(nèi)(0.02 s)采集128次數(shù)據(jù),采集完畢關(guān)中斷,周期個(gè)數(shù)M累加。

開INT2中斷,INT2作為載波通信同步信號的中斷。使能載波通信控制位PLM_SSC,進(jìn)入載波收發(fā)子程序。載波收發(fā)控制位PLM_RS=1時(shí),載波控制器處于發(fā)送狀態(tài)；PLM_RS=0時(shí),載波控制器處于接收狀態(tài)。

圖6 軟件流程框圖

利用式(2)計(jì)算功率,程序延時(shí),M個(gè)采集周期循

環(huán)工作,中值濾波精確計(jì)算負(fù)載功率,并累計(jì)電量。遇

惡性負(fù)載時(shí),上位機(jī)實(shí)施強(qiáng)制斷電,程序結(jié)束。

4 結(jié) 語

針對集中供電系統(tǒng)特點(diǎn)和功能,完成了供電測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),建立了一個(gè)上下位機(jī)控制方式、電力線通信、網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)合一體的系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)通過電力線載波通信的方式,以PL3105為核心主控模塊,把直接序列擴(kuò)頻技術(shù)運(yùn)用到通信測控系統(tǒng)中,完成了用電計(jì)量計(jì)費(fèi)、查詢功能、控制電路通斷功能、顯示功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、過流保護(hù)、掉電保護(hù)功能。上位機(jī)通過集中器和局域網(wǎng)構(gòu)成遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶用電信息的實(shí)時(shí)管理和監(jiān)測控制。

參考文獻(xiàn)

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［2］鄧海洋,魏豐,熊敏.利用擴(kuò)頻載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力線數(shù)據(jù)通信［J］.電力系統(tǒng)通信,2000(1)：38-401.

［3］鄧家先,康耀紅.信息論與編碼［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

［4］北京福星曉程電子科技股份有限公司.PL3105 date sheet.

［5］http://www.21ic.com.

［6］楊杰,張建飛.基于直序擴(kuò)頻的電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì).武漢：武漢理工大學(xué),2006.

作者簡介高 蒙 男,1956年出生,教授,碩士導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)橥ㄐ烹娮?、電?計(jì)算機(jī)測控。

張秋菊 女,1982年出生,在讀研究生。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)檢測與控制。

馮 濤 男,1979年出生,助教。主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化,計(jì)算機(jī)測控。