智能電能表并行載波通訊測試方法的研究

步志文 李娟娟

摘? ?要：針對智能電能表檢測裝置中串行載波通信的不足，提出了一種并行載波通訊的方法。該方法將智能電能表和抄控器串行連接，組成串聯(lián)抄表電路，各個表位之間抄表電路為多路并行電路，并引入兩級衰減電路，使其組成能夠衰減電路中的載波信號的隔離濾波器，從而有效地避免載波信號對其他表位形成串?dāng)_。通過實驗，本方法可以同時實現(xiàn)多個電能表的載波通信，從而節(jié)約了讀表時間，提高了讀表效率。

關(guān)鍵詞：載波通訊;智能電能表;隔離濾波器;衰減

中圖分類號：TM933? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Research on Test Method of Parallel Carrier

Communication for Smart Electricity Meter

BU Zhi-wen1?，LI Juan-juan2

（1. State Grid Beijing Electric Power Company，Beijing 100032，China;

2. State Grid Beijing Fengtai Electric Power Supply Company，Beijing 100071，China）

Abstract：Aiming at the shortcomings of serial communication of smart electricity meters，a method of parallel carrier communication is proposed. The method connects the smart electricity meter to the copy controller to form a series meter reading circuit，two level attenuating circuit is introduced to form an isolation filter capable of attenuating the carrier signal in the circuit，Thereby effectively avoiding the carrier signal to form crosstalk on the other epitopes. The experiment analysis shows，this method can realize the carrier communication of several energy meters at the same time，which saves the time of reading the meter and improves the efficiency of reading meter.

Key words：carrier communication;smart electricity meter;isolation filter;attenuation

隨著科技的進步，國家電網(wǎng)日益重視電能計量工作的開展[1-3]，電能計量產(chǎn)品、電力載波通信產(chǎn)品在市場需求和國家政策的雙重驅(qū)動下快速進入市場，集中器、電能表、采集器等產(chǎn)品已層出不窮[4-6]，這些計量產(chǎn)品的精確度以及計量工具的檢測對國民生產(chǎn)發(fā)揮著舉足輕重的作用[7-8]。同時在進行大批量產(chǎn)品測試時，以及在生產(chǎn)、開發(fā)、測試、應(yīng)用的過程中缺乏有效地測試、驗證手段，造成集中器、電能表、采集器等計量工具在實際電網(wǎng)運行中以及在計量檢測過程中，面臨著受電力線通信環(huán)境中的動態(tài)阻抗、隨機噪音、時變衰減以及電壓波動等因素的影響[9-11]，對分析和驗證計量工具的產(chǎn)品性能、可靠性、適應(yīng)性、準確性存在巨大的挑戰(zhàn)[12-13]。在錯綜復(fù)雜的不穩(wěn)定的電網(wǎng)測試環(huán)境中，不論采集器還是載波電能表的測試，各表位之間容易產(chǎn)生串?dāng)_，這對被測對象將產(chǎn)生嚴重的干擾，致使測試數(shù)據(jù)不準確[14-15]。

引用一種并行載波通信測試方法，能有效地解決相鄰表位在測試過程中的信號串?dāng)_問題。能使各工位之間獨立測試，不影響其它表位信號。對電網(wǎng)環(huán)境中的現(xiàn)場噪音、時變阻抗、動態(tài)衰減等干擾信號也起到隔離、阻止作用，為被測對象提供干凈、純凈的測試環(huán)境，保證了測試數(shù)據(jù)的準確、可靠。

1? ?技術(shù)方案設(shè)計

設(shè)計中，硬件部分主要包括電源、濾波網(wǎng)絡(luò)電路、衰減器、濾波器，除此，還有測試平臺。在本方法中，電源可為程控電源，也可以使用其它電源，主要為被測試的載波設(shè)備提供工作電源。載波抄控器能夠發(fā)射不同頻率的載波信號，用與單三相電能表上的載波模塊進行通信，能夠抄讀電能表地址、電能表用電量等信息。濾波網(wǎng)絡(luò)電路是采用電感和電容組成的LC濾波網(wǎng)絡(luò)電路，采用單相、三相四線或者三相三線的接線方式，一端與電源相連，另一端與被檢對象的輸入相連。濾波電路能有有效地濾除電網(wǎng)雜波，使被測試端不受周圍測試信號的影響，保證了測試數(shù)據(jù)的準確、可靠。LC濾波網(wǎng)絡(luò)電路實質(zhì)是由衰減器、濾波器組成，其中衰減器主要用于將高能量的載波信號進行衰減，測試載波模塊的載波信號接收能力。濾波器主要用于濾除載波信號，防止抄控器發(fā)出的載波信號串?dāng)_到其他表位的載波通信。

圖1為并行載波通信的工作原理，通常在載波通信中，只需兩條電壓線即可實現(xiàn)載波通信功能，利用電壓線將電能表和抄控器連接在一起，工控機將所有載波箱的串行通信端口連接在一起。在進行并行載波通信設(shè)計時，首先工控機通過串口總線給載波箱發(fā)送指令如抄讀表地址指令，載波箱抄控器在收到指令后，N個抄控器同時發(fā)出讀表地址的載波命令，載波信號通過載波箱中電壓線經(jīng)衰減器、表位側(cè)電壓線到電能表載波模塊，電能表載波模塊收到信號后將表地址通過載波信號返回至抄控器，至此一個載波通訊結(jié)束。當(dāng)N個抄控器同時發(fā)送載波信號時，為了避免載波信號通過電源側(cè)電壓線傳送至其他電能表，因此，設(shè)計了兩級衰減電路組成的隔離濾波器，將載波信號衰減掉，從而避免信號對其他表位形成串?dāng)_。

在本系統(tǒng)設(shè)計中，其更具體地為單相電能表并行載波通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，三相電能表并行載波通訊與單相電能表并行載波通訊類似，但載波箱中的切換功能不同，可以將載波信號分別切換至A、B、C相中實現(xiàn)通信，原理與單相并行載波相同。通過濾波網(wǎng)絡(luò)電路實現(xiàn)臨位集中器的獨立測試，不受各自工位測試的干擾，進行獨立測試，為整個測試系統(tǒng)提供干凈、無干擾的測試環(huán)境。滿足現(xiàn)場對集中器或則其它被測對象載波通信功能的測試要求，操作簡單，易攜帶。

2? ?濾波器電路圖設(shè)計及衰減數(shù)據(jù)模型

2.1? ?濾波器電路圖設(shè)計

圖2為隔離濾波器中的濾波電路，在對電路的具體設(shè)計中，載波通訊采用兩根電壓線，在讀三相電能表時，只可一相一相的通訊，下面將結(jié)合圖2進行具體的說明。

以三相載波濾波電路為例，如圖2所示，如果進行A相載波通信，繼電器4為雙刀雙擲繼電器，可將繼電器4的JK4A觸點3擲向觸點4，同時繼電器JK4B觸點6擲向觸點5，載波信號從ZB_UA和ZB_UN兩路線進來，通過UA_OUT和N_OUT進入三相電能表，同時載波信號經(jīng)過L7、L8、L1、L4、C8、C9、C2組成的兩級衰減電路衰減后，避免載波信號通過UA_IN和N_IN兩條線進入其他表位電能表，從而起到了隔離載波信號的作用。

本電路的設(shè)計用于隔離電能表通訊過程中的載波信號，避免電能表表位間載波信號的串?dāng)_，其原理類似于電力載波衰減器的電路原理，但載波衰減比例不同。在本設(shè)計的濾波電路中，其載波衰減比例相對較大，該比例的衰減幾乎將載波信號衰減殆盡，通過濾波網(wǎng)絡(luò)電路實現(xiàn)臨位集中器的獨立測試，不受各自工位測試的干擾，進行獨立測試，為整個測試系統(tǒng)提供干凈、無干擾的測試環(huán)境。

2.2? ?衰減器的數(shù)學(xué)模型及衰減計算方法

在衰減電路設(shè)計中，引入了衰減器的計算數(shù)學(xué)模型，其衰減模型如圖3所示。

當(dāng)選擇L = 500 μH，C = 150 nF，衰減器的衰減倍數(shù)為52.68 dB;

當(dāng)選擇L = 500 μH，C = 100 nF，衰減器的衰減倍數(shù)為49.15 dB;

在本文設(shè)計中，按照L = 500 μH，C = 150 nF設(shè)計固定衰減值的衰減器，這樣的電容在這里既起到衰減載波通信信號的作用，還起到給載波通信產(chǎn)品提供外界負載的作用。

在選擇L和C設(shè)計固定衰減值的衰減器時，也有優(yōu)化方法來確定這些參數(shù)。比如通過改變衰減器的電阻值，通過改變輸入信息的幅值、相位、紋波等。由于濾波器電路是一個復(fù)雜的系統(tǒng)的電路（參見圖2），每個元素的改變都可能改變衰減電路的特性。在本文設(shè)計中，重點以上述數(shù)學(xué)模型作為示例說明。

3? ?實驗分析與驗證

在試驗過程時，被測對象可為集中器、采集器、電能表等，在本試驗中，選用單相智能電能表作為測試對象進行實驗。首先，將單相電能表放置于測試平臺上，測試平臺可根據(jù)現(xiàn)場或則實驗室需設(shè)置，規(guī)格、大小、型號根據(jù)實際情況調(diào)整、不限，放置位置也是根據(jù)實際情況放置，不固定測試平臺位置。測試工具為載波信號轉(zhuǎn)換工具。

測試平臺為國網(wǎng)北京市電力公司提供的DZ603三相電能表校驗裝置，主要設(shè)備為載波箱、三相電能表載波模塊以及示波器等設(shè)備。其中載波箱中有東軟、鼎信及力合微等廠家載波抄控器，用于與三相電能表中載波模塊通信，示波器為100 MHz帶寬，2.5GS/S的采樣率的泰克3012。通過測試，衰減前的載波通信波形信號圖如圖4所示。

測試方法為：將示波器插至DZ603三相表校驗裝置表位1電能表載波模塊的UA和UN中，利用軟件控制東軟抄控器向表位1電能表的載波模塊發(fā)送載波信號，提取示波器中的載波信號，然后將示波器插至表位2電能表載波模塊的同樣位置中，看是否有載波信號，并與表位1提取的載波信號進行對比。如圖4為表位1中的載波信號，如圖5為表位2中的載波信號。在進行衰減計算時，利用上述應(yīng)用到的衰減原理進行計算。即公式（1）：

將計算后的結(jié)果通過波形顯示出來，則通過波形圖可以得出，經(jīng)過濾波電路對載波信號的衰減，可以將載波信號濾除，從而避免對其他表位的載波信號造成干擾，實現(xiàn)了載波信號隔離的作用。

通過測試，采用本技術(shù)方案的載波通訊能夠大大衰減電能表檢定裝置的測試數(shù)據(jù)，大大提高通訊線路中的純潔度，從而提高電能表檢定數(shù)據(jù)的準確度。

4? ?結(jié) 論

針對智能電能表并行載波通訊的方法進行了研究。通過設(shè)計出并行載波通信電路實現(xiàn)多路并行通信，在多路通信電路中引入一種新穎的載波濾波電路，可以實現(xiàn)多只電能表同時進行載波通信，節(jié)約了讀表時間，但同時也需要有對應(yīng)于多個電能表的載波箱才能實現(xiàn)并行載波通訊。電路簡單，便于安裝、維修、攜帶。通過試驗，測試工位之間無串?dāng)_、無干擾，測試環(huán)境純潔。有效地解決了前期測試單一、效率低下的測試弊端，為整個測試系統(tǒng)提供干凈、無干擾的測試環(huán)境。滿足現(xiàn)場對集中器或則其它被測對象載波通信功能的測試要求，為計量行業(yè)中的表計通訊做出貢獻。

參 考 文 獻

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