霍弘宇，張劍

（1.廣州番禺供電局廣東廣州511400；2.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院廣東廣州510640）

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的深化改造，現(xiàn)在“一表一戶”甚至“多表一戶”已經(jīng)實(shí)施，傳統(tǒng)的手工抄表方式已經(jīng)不適合現(xiàn)在日益增長(zhǎng)的電表數(shù)量。隨之發(fā)展起來(lái)的是自動(dòng)抄表技術(shù)，現(xiàn)存的自動(dòng)抄表技術(shù)主要分為下面3種方式：總線式、無(wú)線式和電力線載波式[1]。總線式的自動(dòng)抄表系統(tǒng)需要另外布線，工程量大而且需要對(duì)總線進(jìn)行額外的維護(hù)；無(wú)線式的自動(dòng)抄表系統(tǒng)則存在臺(tái)區(qū)覆蓋面積受限制、相鄰區(qū)存在干擾及通信安全等問(wèn)題，難以大規(guī)模應(yīng)用；相比之下，現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)覆蓋所有的電網(wǎng)用戶，而且機(jī)械強(qiáng)度高、可靠性好，如果利用電力線載波式的自動(dòng)抄表系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)抄表，則幾乎不需要新建基礎(chǔ)建設(shè)和日常維護(hù)的費(fèi)用，并且安裝簡(jiǎn)單，因此，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性。

1 基于電力線載波的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)

基于電力線載波的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要由載波電能表、中繼設(shè)備、載波集中器、路由、抄表主機(jī)、主站營(yíng)業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)構(gòu)成，通過(guò)自上而下的控制，實(shí)現(xiàn)抄表收費(fèi)一體化，如圖1所示。

系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 基于電力線載波的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of intelligent remote meter reading system based on power line communication

1）載波電能表電能表的電能計(jì)量模塊采用大規(guī)模專用集成電路，能記錄自身電能記錄，當(dāng)上面需要電能數(shù)據(jù)時(shí)，將電量等數(shù)據(jù)通過(guò)電力線傳到載波集中器，進(jìn)行載波通信，實(shí)現(xiàn)集中抄表。其中每個(gè)載波電能表均分配一個(gè)固定、獨(dú)立的ID號(hào)，并與系統(tǒng)中的用戶資料一一對(duì)應(yīng)，電能表具有自身的Flash，定期記錄下用電數(shù)據(jù)及每次抄表的數(shù)據(jù)，而且方便維護(hù)，即使在掉電期間載波電能表的數(shù)據(jù)也能永久保存。

2）載波集中器每個(gè)變壓器臺(tái)區(qū)配備一臺(tái)載波集中器，一般安裝在變壓器臺(tái)區(qū)附近，負(fù)責(zé)該臺(tái)區(qū)范圍下的電能表的抄收和管理。載波集中器具有電力線載波的通信接口及RJ-45接口，在與載波電能表之間通過(guò)電力線載波通信交換數(shù)據(jù)，下發(fā)抄表命令及接收下面載波電能表的抄表數(shù)據(jù)；在與抄表主機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)接口，經(jīng)過(guò)路由器接入PSTN進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行可靠快速的通信。

3）中繼設(shè)備由于電力線傳輸對(duì)信號(hào)會(huì)有一定的衰減，當(dāng)載波電表與載波集中器的距離太遠(yuǎn)的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致載波電能表與載波集中器的通信不穩(wěn)定，所以超過(guò)一定的距離需要在載波電能表與載波集中器中間添加中繼設(shè)備。

4）抄表主機(jī)一臺(tái)抄表主機(jī)管理若干個(gè)載波集中器，抄表主機(jī)主要運(yùn)行抄表軟件，負(fù)責(zé)載波集中器上傳上來(lái)的數(shù)據(jù)管理及各個(gè)載波集中器的控制。

5）營(yíng)業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)營(yíng)業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)是上層系統(tǒng)，也是整個(gè)系統(tǒng)的控制層，完成對(duì)所有用戶電能表數(shù)據(jù)抄收、存儲(chǔ)及管理等功能，安裝在用電管理處負(fù)責(zé)抄表的部門(mén)。營(yíng)業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)通過(guò)各個(gè)抄表主機(jī)收集到的數(shù)據(jù)系統(tǒng)地管理用戶檔案、電費(fèi)計(jì)算、數(shù)據(jù)查詢、電量系統(tǒng)分析、異常電量計(jì)算、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

2 電力載波芯片

2.1 OFDM原理[2]

為了克服電力線信道固有的各種噪聲干擾、頻率選擇性衰減及多徑傳播特性等影響信道性能的缺點(diǎn)，選擇使用OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)，它是一種多載波調(diào)制傳輸技術(shù)，同時(shí)也是一種復(fù)用技術(shù)，它由等頻率間距的n個(gè)子載波構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)帶寬被等距離地分為n個(gè)子信道。這樣一路高速的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)OFDM技術(shù)處理之后就變?yōu)閚路低速的并行正交的數(shù)據(jù)，對(duì)不同頻率的數(shù)據(jù)使用不同的調(diào)制方式對(duì)不同頻率的子波進(jìn)行調(diào)制，如BPSK、QPSK、QAM等。這種利用多個(gè)相互正交的子載波來(lái)傳送信息的方法，不但大大提高了頻譜利用率，同時(shí)也有效克服了電力線信道中的頻率選擇性衰落和多徑時(shí)延，實(shí)現(xiàn)了高速、可靠的數(shù)據(jù)通信。OFDM頻譜圖如圖2所示。

圖2 OFDM頻譜圖Fig.2 Spectrum diagram of OFDM

2.2 INT5200芯片

INT5200[3-4]是美國(guó)Intellon公司的電力線載波通信專用芯片，集合了OFDM的電力線通信接口并與HomePlug1.0協(xié)議完全兼容。只需要一些簡(jiǎn)單的外圍電路就可以直接與耦合變壓器連接，在像電力線信道這種惡劣的通信環(huán)境下，最高傳輸速率可達(dá)14 Mb/s，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

它可以提供有3種主機(jī)接口，為用戶提供靈活多樣的硬件設(shè)計(jì)方式，其中包括USB1.1接口、MIIPHY/GPSI接口、MIIHost/DTE接口。MAC層集成了CSMA/CA技術(shù)和自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求（ARQ）技術(shù)，以避免通信沖突及保證通信的可靠性，內(nèi)置QoS機(jī)制可以為語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、音頻和視頻等多媒體載荷提供足夠的帶寬。

圖3 INT5200框圖Fig.3 Block diagram of INT5200

3 載波集中器的設(shè)計(jì)

3.1 整體框圖

載波集中器是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的組成部分。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 載波集中器框圖Fig.4 Block diagram of carrier concentration

由于選用了INT5200作為電力線載波通信芯片，所以選擇同樣具有MII接口、集成了MAC控制器的ARM芯片S3C4510B[5]作為核心控制器，這樣S3C4510B可以直接與INT5200連接并通信。MII是符合IEEE 802.3協(xié)議的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于連接MAC層和PHY層的4位并行口。MII在上下行兩個(gè)方向上均具有7個(gè)信號(hào)，其中包括4根并行數(shù)據(jù)傳輸線、時(shí)鐘同步信號(hào)、差錯(cuò)信號(hào)及定界符信號(hào)。同時(shí)，還具有兩個(gè)用于指示是否存在載波和沖突的媒介狀態(tài)信號(hào)。MII傳輸?shù)膸袷饺缦拢?/p>

其中，前同步碼0x55555555555555、定界符0xD5及幀校驗(yàn)序列由INT5200硬件產(chǎn)生，接收數(shù)據(jù)時(shí)候，會(huì)自動(dòng)去掉，而發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，由硬件自動(dòng)添加上。

3.2 存儲(chǔ)方案

存儲(chǔ)方案如圖5所示。S3C4510B的外擴(kuò)Flash采用SST39VF160，單片存儲(chǔ)容量為16 M-bit，用于存儲(chǔ)抄表數(shù)據(jù)，及載波集中器工作記錄，方便系統(tǒng)維護(hù)。由于系統(tǒng)需要運(yùn)行的程序較大，需要外擴(kuò)RAM存儲(chǔ)器，S3C4510B在片內(nèi)具有獨(dú)立的SDRAM刷新控制邏輯，包括行列地址鎖存、數(shù)據(jù)輸入/輸出的屏蔽信號(hào)、時(shí)鐘和時(shí)鐘使能、寫(xiě)使能，對(duì)于必須定期刷新SDRAM，可方便地與其通信，所以系統(tǒng)采用HY57V641620作為S3C4510B的外擴(kuò)SDRAM。HY57V641620單片存儲(chǔ)容量為4×16 M-bit，16位數(shù)據(jù)寬度。由于S3C4510B為32位CPU，可以同時(shí)處理兩片HY57V641620，所以系統(tǒng)采用兩片SDRAM并聯(lián)的外擴(kuò)方式，充分發(fā)揮CPU的數(shù)據(jù)處理能力。

圖5 存儲(chǔ)方案框圖Fig.5 Block diagram of storage solutions

3.3 上行通信方案

選擇網(wǎng)絡(luò)控制器選用CP2200[6]作為以太網(wǎng)控制器，CP2200是Silabs公司于近期推出的一款48引腳獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。它符合IEEE 802.3協(xié)議，支持10 M以太網(wǎng)接入，而且僅需很少的外部電路連線就可滿足絕大多數(shù)嵌入式以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)要求，簡(jiǎn)化了嵌入式以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)，減小了占板空間，降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本。另外，該以太網(wǎng)控制器具有8位并行主機(jī)接口，可以為絕大多數(shù)微控制器或主處理器提供以太網(wǎng)通信功能。8位并行總線接口支持Intel和Motorola總線方式，可以使用復(fù)用或非復(fù)用方式尋址。這些功能加上相關(guān)處理器的TCP/IP協(xié)議棧，使得嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)變得十分簡(jiǎn)易。

3.4 時(shí)鐘電路

系統(tǒng)選用DS1302作為系統(tǒng)時(shí)鐘電路，可以用于記錄日期信息，作為系統(tǒng)日志的時(shí)間基準(zhǔn)。它只要用簡(jiǎn)單的GPIO模擬IIC總線通信格式即可實(shí)現(xiàn)。

3.5 瞬時(shí)保護(hù)及耦合電路

為了避免電力線通信節(jié)點(diǎn)由于雷擊及瞬時(shí)開(kāi)關(guān)的過(guò)壓過(guò)流對(duì)INT5200造成不可恢復(fù)的損害，必須設(shè)計(jì)出瞬時(shí)保護(hù)及耦合電路，電路如圖6所示。其中，耦合變壓器T1的原邊與C8構(gòu)成一個(gè)高通濾波器，通高頻阻低頻。R9、R10構(gòu)成C8的放電回路，用于斷電后為C8放電。R11是壓敏電阻，用于吸收瞬時(shí)浪涌電壓。發(fā)送電路中，串聯(lián)電阻R7和R8可以抑制殘余瞬時(shí)現(xiàn)象傳輸?shù)叫酒?。由于芯片?nèi)部集成了3.3 V供電的CMOS線性驅(qū)動(dòng)器，其允許的電壓范圍為-0.3～3.6 V，因此加上二極管D3～D6使電壓箝位在0～3 V，用于保護(hù)驅(qū)動(dòng)器。同理，在接受通道中，箝位二極管D1和D2也是提供瞬時(shí)保護(hù)作用。齊納二極管D7用于穩(wěn)定電源電壓。

圖6 瞬時(shí)保護(hù)及耦合電路圖Fig.6 The coupling and transient protection circuit

4 結(jié)束語(yǔ)

電力線通信是一種有較好發(fā)展前景的技術(shù)。筆者設(shè)計(jì)了一套低壓電力線遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)，綜合考慮了系統(tǒng)的性能以及成本，用S3C4510B進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制，經(jīng)INT5200電力線接口實(shí)現(xiàn)了電力線網(wǎng)絡(luò)通信。再加以擴(kuò)展，可以應(yīng)用在各個(gè)需要抄表的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，如自來(lái)水、煤氣、天然氣等抄表計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。

[1]Klaus D.電力線通信[M].北京:中國(guó)電力出版社，2003.

[2]姚軼，邵軍力.利用OFDM技術(shù)在低壓電力線上實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001（15）:65-68.

YAO Yi，SHAO Jun-li.High-speed data communication over low-voltage power line with OFDM technology[J].Automation of Electric Power Systerms，2001（15）:65-68.

[3]Intellon Corporation.INT5200 single chip power packet TM transceiver technical reference manual[EB/OL].（2004）[2011-05-11].http://pdf.seekdatasheet.com/88888/2007314111915393.pdf.

[4]賀良華，蔡紅娟.基于INT5200的低壓電力線通信模塊設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（32）:288-289.

HE Liang-hua，CAI Hong-juan.The design of communications in low-voltage power line based on INT5200[J].Control&Automation，2007，23（32）:288-289.

[5]李駒光.ARM應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)詳解——基于S3C4510B的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

[6]Silicon Laboratories，Datasheet for CP2200[EB/OL].（2007）[2011-05-11].http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/CP2200.pdf.