基于擴(kuò)頻通信技術(shù)的電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林建宇

(上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，上海 200090)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)是一種可以使配電企業(yè)在遠(yuǎn)方以實(shí)時(shí)方式監(jiān)視、協(xié)調(diào)和操作配電設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng).配電自動(dòng)化是電力系統(tǒng)現(xiàn)代化的必然趨勢(shì)，其主要意義在于:根據(jù)配電網(wǎng)電壓合理控制無(wú)功負(fù)荷和電壓水平，改善供電質(zhì)量;在正常運(yùn)行情況下，通過(guò)監(jiān)視配電網(wǎng)運(yùn)行工況，優(yōu)化配網(wǎng)運(yùn)行方式;當(dāng)配網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，可及時(shí)恢復(fù)供電，縮短停電時(shí)間，減少停電面積;自動(dòng)抄表計(jì)費(fèi)，保證抄表計(jì)費(fèi)的及時(shí)準(zhǔn)確等.為了保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，監(jiān)控電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一般稱為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)［1］，即在供電系統(tǒng)中，對(duì)諧波、負(fù)荷、電流、功率因數(shù)等電力參數(shù)進(jìn)行合理的估算，并采取相應(yīng)的保護(hù)和監(jiān)控措施，如加設(shè)濾波和無(wú)功補(bǔ)償、報(bào)警等.

1 電力線通信技術(shù)

電力線通信(Power Line Communication，PLC)技術(shù)，從廣義上講包含應(yīng)用于高壓輸電網(wǎng)和中低壓配電網(wǎng)的窄帶電力線載波通信，以及在中低壓配電線路上實(shí)現(xiàn)的寬帶數(shù)據(jù)通信.它是利用覆蓋廣泛的電力線信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的一種通信技術(shù)［2］.通信技術(shù)是實(shí)施配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與控制的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化、提高配電網(wǎng)運(yùn)行水平的關(guān)鍵.目前適用于配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與控制的通信方式主要有光纖通信、PLC通信，以及租借移動(dòng)公司的GPRS專用通信網(wǎng)等.國(guó)家電網(wǎng)公司在“十一五”規(guī)劃中已明確推薦采用PLC通信作為配電網(wǎng)自動(dòng)化通信技術(shù)之一.

電力線載波通信技術(shù)是配電網(wǎng)監(jiān)控發(fā)展的重要方向，但電力線的傳輸環(huán)境不利于其數(shù)據(jù)的傳輸［3］:一是變壓器和用戶設(shè)備如空調(diào)、冰箱等有著極低的阻抗，可以使傳輸信號(hào)嚴(yán)重衰減;二是在線負(fù)荷變化大，如家電設(shè)備的瞬間起動(dòng)可變的分布阻抗幾乎對(duì)所有頻率的信號(hào)都起著衰減或隔離的作用，并且這些變化沒(méi)有規(guī)律，呈隨機(jī)狀態(tài);三是噪音模型無(wú)規(guī)律等.針對(duì)以上干擾問(wèn)題，宜采用抗干擾能力強(qiáng)的通信技術(shù)，即采用擴(kuò)頻通信(Spread Spectrum Communications，SSC)技術(shù).SSC技術(shù)是信號(hào)所占帶寬遠(yuǎn)大于發(fā)送信息所必需的最小頻帶寬度的一種傳輸方式.頻帶的擴(kuò)展通過(guò)偽隨機(jī)碼序列來(lái)完成，在接收機(jī)中用同樣的碼進(jìn)行同步接收、解擴(kuò)和數(shù)據(jù)恢復(fù).實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻的主要方法有:直接序列調(diào)制、頻率跳變、時(shí)間跳變，以及利用Chirps掃描頻率進(jìn)行線性脈沖調(diào)頻［4］等.目前，基于SSC技術(shù)的電力線通信芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率在1～2 Mb/s.

2 電力監(jiān)控終端系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)電力監(jiān)控終端系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量電力參數(shù)，同時(shí)完成故障檢測(cè)并報(bào)警，如電壓跌落、接地檢測(cè)、短路檢測(cè)等，并將這些數(shù)據(jù)信息通過(guò)電力載波通信網(wǎng)傳輸至監(jiān)測(cè)主站進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和決策，這就要求配電監(jiān)控終端系統(tǒng)必須穩(wěn)定可靠.

電力監(jiān)控終端系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括擴(kuò)頻載波通信模塊、單片機(jī)控制模塊和電能量計(jì)量模塊.其主要功能是數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程擴(kuò)頻載波收發(fā)、電能計(jì)量和負(fù)荷監(jiān)控等，其工作原理框圖如圖1所示.電能量計(jì)量模塊是該系統(tǒng)的重要部分，它以電能專用計(jì)量芯片ATT7022為核心，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集電網(wǎng)參數(shù)并通過(guò)SPI口傳輸數(shù)據(jù)到單片機(jī).單片機(jī)控制單元主要負(fù)責(zé)電能量數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)與各類統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算和本地存儲(chǔ)，因此要有較大容量的存儲(chǔ)模塊，用以存儲(chǔ)大量的電能量數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的上報(bào)和統(tǒng)計(jì).擴(kuò)頻載波通信模塊采用電力擴(kuò)頻載波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在電力線上的接收和發(fā)送，最終傳輸給監(jiān)測(cè)主站，進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理和決策.

圖1 電力監(jiān)測(cè)終端工作原理示意

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括電能計(jì)量和配電監(jiān)控兩部分.電能計(jì)量部分利用ATT7022A芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶電能參數(shù)的精確采樣，能夠提供除瞬時(shí)有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功電能、無(wú)功電能、功率因數(shù)、相位、電壓有效值、電流有效值、瞬時(shí)合相電流值、線電壓頻率值、四象限無(wú)功、正向和反向有功電能等計(jì)量參數(shù)外，還包括缺相、相序錯(cuò)誤和反向有功指示等狀態(tài)信息;配電監(jiān)控部分則采用電力載波通信對(duì)被監(jiān)控用戶電能表的主要電能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)終端內(nèi)部的軟件分析模塊分析出兩部分?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和報(bào)警標(biāo)志，從而確定是否存在不安全用電情況.配電監(jiān)控通過(guò)擴(kuò)頻載波通信模塊實(shí)現(xiàn)與電力部門(mén)上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊，完成用電遠(yuǎn)程配置和在線管理.在緊急情況下還可以通過(guò)遙控拉閘/合閘來(lái)保證用電安全.

2.1 SSCP300芯片的主要功能特性

SSCP300芯片采用擴(kuò)頻載波通信技術(shù)，其傳輸信道為電力線，能通過(guò)SPI接口與單片機(jī)控制器進(jìn)行串行通信.它符合EIA600 CEBus標(biāo)準(zhǔn):其擴(kuò)頻信號(hào)工作頻率為100～400 kHz的帶寬，數(shù)據(jù)包傳輸速率為10 kb/s.SSCP300芯片主要管腳功能如表1所示.

表1 SSCP300芯片主要管腳功能

2.2 低壓電力線擴(kuò)頻載波通信模塊

低壓擴(kuò)頻載波模塊主要由SSCP300低壓電力線擴(kuò)頻載波芯片、前置功放和電力線耦合電路構(gòu)成，其主要功能是對(duì)單片機(jī)控制單元發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性掃頻調(diào)制，放大后耦合到電力線信道上;反之，對(duì)通過(guò)電力線信道發(fā)送的載波信號(hào)進(jìn)行掃頻解調(diào)后被單片機(jī)控制單元接收.其數(shù)據(jù)通信采用收發(fā)分時(shí)控制的半雙工通訊，與配電變壓器集中器的通信距離約為1 000 m(在信道特性最惡劣的情況下保證不小于600 m).

擴(kuò)頻載波通信模塊通過(guò)SPI接口與單片機(jī)控制單元相連，AT89C52單片機(jī)與 SSCP300通過(guò)CEBus通信協(xié)議通信來(lái)支持命令和數(shù)據(jù)的傳輸.這些命令和數(shù)據(jù)包括將要發(fā)送的分組、已接收到的分組，以及狀態(tài)和設(shè)置信息.SSCP300則向單片機(jī)控制單元提供符合CEBus標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層和EIA-6規(guī)范的物理層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信.在發(fā)送數(shù)據(jù)模式下，電力線通信擴(kuò)頻載波Chirps從SO輸出至濾波器，然后輸出放大器由三態(tài)信號(hào)TS決定是否通過(guò)耦合電路傳輸至電力線信道;在接收數(shù)據(jù)模式下，通信信號(hào)通過(guò)電力線信道傳輸至帶通濾波器，經(jīng)放大后傳輸至SI腳.因此，單片機(jī)控制單元AT89C52通過(guò)SPI接口總線對(duì)SSCP300內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě);低壓電力線擴(kuò)頻載波模塊通過(guò)TS，SO，SI實(shí)現(xiàn)對(duì)功率放大電路單元的控制，可使數(shù)據(jù)信號(hào)放大耦合，完成基于電力線擴(kuò)頻載波技術(shù)的遠(yuǎn)程通信.采用SSCP300擴(kuò)頻載波智能電表的擴(kuò)頻載波模塊在輸入信號(hào)電平為－30 dBV的微弱信號(hào)時(shí)仍能進(jìn)行可靠準(zhǔn)確的檢測(cè)和解調(diào).

2.3 電能計(jì)量模塊

電能量計(jì)量模塊電路主要采用ATT7022A電度表芯片，適用于三相三線或三相四線電表.ATT7022A能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功能量和無(wú)功能量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù).它能滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)量需求［5］.ATT7022A 有功、無(wú)功電能脈沖輸出脈沖CF1和CF2，提供瞬時(shí)有功和無(wú)功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行誤差校正.ATT7022A具有SPI接口，方便與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)和校表參數(shù)的傳遞.ATT7022芯片主要管腳功能如表2所示.

表2 ATT7022A芯片主要管腳功能

ATT7022芯片首先通過(guò)6通道l6位的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來(lái)對(duì)輸入電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量再經(jīng)過(guò)24位DSP數(shù)字信號(hào)處理以完成全部三相電能參數(shù)的運(yùn)算，同時(shí)將電能計(jì)量結(jié)果保存在相應(yīng)的寄存器中，并通過(guò)SPI口與單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.DSP模塊同時(shí)還生成有功/無(wú)功電能脈沖輸出CF1/CF2.ATT7022在設(shè)計(jì)中已考慮到校表的方便性，采用全數(shù)字校表，只需適當(dāng)修改校表寄存器即可實(shí)現(xiàn)校表功能.它可用于現(xiàn)場(chǎng)校表.

ATT7022的寄存器分為計(jì)量參數(shù)和校表參數(shù)兩部分.器件中的計(jì)量參數(shù)寄存器為82個(gè)，其地址在01H～6FH中不連續(xù)分布.未使用部分可留作以后擴(kuò)展用.計(jì)量參數(shù)的計(jì)算全部由硬件完成，用戶只需進(jìn)行單位換算就可得到測(cè)量值.校表參數(shù)寄存器包括相位補(bǔ)償設(shè)置、功率增益、相位校正、電壓/電流校正、比差補(bǔ)償設(shè)置、啟動(dòng)電流、高頻脈沖輸出設(shè)置、斷相閾值電壓設(shè)置，以及合相能量累加模式等36個(gè)寄存器，它們的地址不連續(xù)地分布在0lH～2AH.兩個(gè)寄存器的地址有重疊部分，但它們的物理位置是分開(kāi)的，可以通過(guò)讀寫(xiě)命令來(lái)加以區(qū)分.

3 電力監(jiān)控終端系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方式，其主要性能是滿足電網(wǎng)電能計(jì)量采集的可靠性和精度.電力監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示.

圖2 電力監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理

圖2 中，擴(kuò)頻載波通信模塊按用電管理部門(mén)指令通信，包括接收程序和發(fā)送程序兩部分.監(jiān)測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)電壓和電流監(jiān)測(cè):電壓監(jiān)測(cè)包括停電、過(guò)壓、失壓，以及電壓不平衡、電壓相序錯(cuò)誤;電流監(jiān)測(cè)包括斷流、過(guò)流，以及電流反向、電流不平衡、電流相序錯(cuò)誤、電壓電流相序不匹配等.當(dāng)?shù)綦姳Ｗo(hù)子程序檢測(cè)到電源掉電時(shí)，會(huì)自動(dòng)將當(dāng)前電量和時(shí)間送串行非易失性存儲(chǔ)器保存，等恢復(fù)正常后自動(dòng)以此值累計(jì).存儲(chǔ)、顯示模塊則實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電量和有功功率.

電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件具體流程如圖3所示.

電力監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊需采用有效的抗干擾措施以保證實(shí)際運(yùn)行.當(dāng)干擾信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，通信性能的可靠性與運(yùn)行的安全性都會(huì)降低.在具有衰減、失真的電力線信道上，由于存在隨機(jī)干擾，會(huì)使接收端解調(diào)后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)差錯(cuò)，因此在考慮了通信調(diào)制技術(shù)、解調(diào)技術(shù)以及發(fā)射功率后，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)還必須采用一定的差錯(cuò)控制來(lái)確保數(shù)據(jù)的可靠性.電力線上的干擾脈沖持續(xù)時(shí)間較短，但能量集中，頻譜寬，會(huì)影響若干個(gè)位甚至十幾個(gè)位.為了糾正比較多的誤碼，就需附加多余碼元，導(dǎo)致傳輸效率低下.此外，由于電力線信道的時(shí)變性，難以測(cè)定數(shù)據(jù)通信信道的差錯(cuò)率，當(dāng)系統(tǒng)信道產(chǎn)生的差錯(cuò)超過(guò)其糾錯(cuò)能力，接收端將會(huì)收到錯(cuò)誤信息.因此在電力線數(shù)據(jù)傳輸中，電力監(jiān)控系統(tǒng)通信模塊抗干擾設(shè)計(jì)采用ARQ差錯(cuò)控制作為差錯(cuò)控制協(xié)議，其優(yōu)點(diǎn)是能自動(dòng)調(diào)節(jié)通信信道性能，數(shù)據(jù)傳輸率也可通過(guò)改變接收端的信噪比電平獲得.

圖3 電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程

4 結(jié)語(yǔ)

電力監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有實(shí)用價(jià)值.本文設(shè)計(jì)的電力監(jiān)控終端采用了ATT7022A電能計(jì)量芯片，具有以下3個(gè)功能:電力線路斷相、短路和接地等故障檢測(cè)及報(bào)警功能;監(jiān)測(cè)電力線路工作電壓值、工作電流值越限報(bào)警和電力線路負(fù)荷功能;先進(jìn)的基于電力載波通信技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)記錄報(bào)警數(shù)據(jù)功能.因此，本系統(tǒng)具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值.

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