摘 要：以國(guó)產(chǎn)芯片PL3201為核心，采用ADE7755為計(jì)量芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單相智能電表。該設(shè)計(jì)克服了以往必須采用采集器才能對(duì)用戶數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的技術(shù)難題。其特點(diǎn)在于直接采用電力線通信，不需再進(jìn)行專線安裝，降低了產(chǎn)品研發(fā)成本。

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關(guān)鍵詞：電力線載波； 智能電表； PL3201； ADE7755

中圖分類號(hào)：TN913.6-34; TM933.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)01-0117-04

Design of smart meter terminal based on low voltage power

line carrier-current communication

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WEI Zheng-cong， SONG Shu-xiang， LIANG Cheng-fu， HE Ting-ting

(College of Electronic Engineering， Guangxi Normal University， Guilin 541004， China)

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Abstract：

Taking domestic chip PL3201 as the core， and adopting ADE7755 as the measurement chip to design and implement single-phase smart meter. This design can overcome the difficulties， about which the long-distance meter reading system must use data collector. The design directly used the power lines of communication， did not need to install the special communication line， reduced the product research and development cost.

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Keywords： power line carrier wave; smart meter; PL3201; ADE7755

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收稿日期：2011-08-02

基金項(xiàng)目：廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2010106020809M50)

0 引 言

隨著我國(guó)工業(yè)化的發(fā)展，居民用電不斷增長(zhǎng)，用戶電表數(shù)目也隨之以數(shù)倍速度增加，電力公司面臨著巨大的抄表困難。在廣大農(nóng)村，居民居住相對(duì)分散，有時(shí)抄表員需要費(fèi)好幾天才能抄完一個(gè)村莊的電表，而且還有可能出現(xiàn)漏抄；在城市，居民居住聚集，面對(duì)高層的居民樓需要工作人員爬上爬下挨家挨戶抄表，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且還給用戶日常生活造成了一定的影響[1]。因此，如何在不影響用戶的情況下快速、準(zhǔn)確、可靠地抄表，已經(jīng)成為電力部門和用戶的一種共同需求。為此，該設(shè)計(jì)將低壓電力線載波通信技術(shù)和擴(kuò)頻通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出具有遠(yuǎn)程抄表功能的單相智能電表。

1 電力線載波與擴(kuò)頻通信技術(shù)

我國(guó)在高壓電力線上的通信技術(shù)世界領(lǐng)先，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。然而在低壓(220 V)電力線上載波通信[2]仍然存在許多技術(shù)難題，如何克服低壓電力線上特有的高阻抗、高噪聲、高污染是開發(fā)人員最為關(guān)心的問題。在電力線上的通信技術(shù)一般有基于鎖相環(huán)路的窄帶傳輸技術(shù)、 基于相關(guān)器的擴(kuò)頻技術(shù)、過零傳輸技術(shù)等幾種。目前擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，PL3201就采用了這種技術(shù)[3]。其芯片內(nèi)集成的載波通信單元采用 QPSK(四相相移鍵控)調(diào)制方式；可變偽隨機(jī)碼速率(帶寬)的多地址通信技術(shù)，其載波中心頻率為120 kHz，偽隨機(jī)碼速率可達(dá)到15 Kb/s和30 Kb/s。由于它采用了QPSK調(diào)制技術(shù)，在帶寬不變的情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率是BPSK調(diào)制方式的一倍。根據(jù)偽隨機(jī)碼的速率不同，數(shù)據(jù)速率可達(dá)到1 Kb/s和500 b/s。同時(shí)采用了63位Gold/Kasami序列，從而實(shí)現(xiàn)了碼分多址，其地址數(shù)目最多可達(dá)41個(gè)，其中33個(gè)Gold序列，8個(gè)Kasami序列，將使臺(tái)區(qū)之間的干擾減小到最?。煌瑫r(shí)PL3201向下兼容PL3105的通信方式(BPSK二相相移鍵控)，及其15/31位偽隨機(jī)碼模式，此外PL3201的載波調(diào)制輸出信號(hào)可由軟件靈活配置成正弦波輸出或方波輸出模式[4]。

擴(kuò)頻技術(shù)是一種信息傳輸方式，在發(fā)送端(簡(jiǎn)稱發(fā)端)采用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號(hào)所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳輸信息所需的寬度;在接收端(簡(jiǎn)稱收端)采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來解擴(kuò)以恢復(fù)所傳信息的數(shù)據(jù)。根據(jù)C.E.Shannon在信息論研究中得出的帶寬與信噪比互換的關(guān)系式，即香農(nóng)公式：

C=B×log(1+S/N)

式中:C為信道容量，指單位時(shí)間內(nèi)信道中無差錯(cuò)傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，其單位為b/s;B為信號(hào)頻帶寬度，單位為Hz;S為信號(hào)功率，單位為W;N為噪聲功率，單位為W;S/N為輸入功率與噪聲功率之比，稱為信噪功率比，簡(jiǎn)稱信噪比[5]。由公式可以看出在信道容量C不變的情況下，帶寬B與信噪比S/N成反比例關(guān)系，即只要增加帶寬B就可以有效抑制信噪比S/N。擴(kuò)頻通信正是基于這種理論使通信具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

2 智能電表的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 基本框圖及電路原理

智能電表是無線抄表系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端，其包含核心單片機(jī)PL3201、電源、電量測(cè)量、電力載波、繼電器、E2PROM、紅外通信、時(shí)鐘電路和最新國(guó)標(biāo)32段LCD顯示等8個(gè)模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中電量測(cè)量模塊進(jìn)行電壓、電流采樣，輸出與功率成正比的脈沖。PL3201通過接收和累加來自測(cè)量

模塊的脈沖數(shù)，計(jì)算出用戶用電量并存儲(chǔ)到相應(yīng)的存儲(chǔ)

模塊E2PROM中。同時(shí)根據(jù)智能電表要求的循顯功能顯示當(dāng)前電表用電量和各個(gè)狀態(tài)量。用戶的各種數(shù)據(jù)由PL3201以固定幀的格式通過電力載波模塊將信號(hào)放大后經(jīng)公網(wǎng)電力線發(fā)送到集中器。集中器根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)由監(jiān)控中心分析并做相應(yīng)決策，如紅燈報(bào)警、繼電器的拉合閘等控制命令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。智能電表的測(cè)量和載波通信部分的原理圖如圖2所示。

圖1 單相智能電表的系統(tǒng)框圖

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圖2 智能電表載波與測(cè)量部分原理圖

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2.2 智能電表測(cè)量原理

圖2中ADE7755具有雙通道采樣電路：通道1由錳銅分流器J4的全差分采樣電路獲取用戶的電流參數(shù)，其差分電壓最大輸入時(shí)為±470 mV；通道2由電壓采樣電路獲取，其最大全差分輸入時(shí)為±500 mV的電壓參量。所采得數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部信息處理如圖3所示。

圖3中芯片的引腳5，6是采樣電流輸入通道，引腳7，8是采樣電壓輸入通道。這兩個(gè)通道的信號(hào)輸入均為模擬信號(hào)，該信號(hào)由16位二階Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。電流通道的數(shù)字信號(hào)通過高通濾波器消除直流成分，再和轉(zhuǎn)換后的電壓通道的數(shù)字信號(hào)相乘，得到瞬時(shí)功率P(t)。P(t)經(jīng)過一個(gè)低通濾波器最終獲得有功功率P。P經(jīng)過數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器D/F轉(zhuǎn)換后，由引腳22輸出與有功功率成正比的頻率信號(hào)。整個(gè)過程只有在A/D轉(zhuǎn)換輸入和基準(zhǔn)電壓輸入是模擬信號(hào)外，其他信息處理均在數(shù)字領(lǐng)域完成使得測(cè)量具有很強(qiáng)的抗干擾能力。 在惡劣環(huán)境下仍能實(shí)現(xiàn)高精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定的電能測(cè)量。設(shè)獲取的采樣電壓和電流信號(hào)是正弦信號(hào)，則瞬時(shí)電壓和電流分別為v(t)=Vcos(ωt+θv)，i(t)=Icos(ωt+θi)，令θ=θv－θi，θ是電壓和電流之間的相位差。由此可以得出瞬時(shí)功率P(t)和有功功率P。

P(t)=VI2［cos θ+cos(2ωt+θv+θi)］

(1)

P=1nT∫nT0P(t)dt 

=VI2 cos θ+VI4ωnT［sin(2ωnT+θv+θi)－

sin(θv+θi)］=VI2cos θ

(2)

式中:V是電壓峰值;I為電流峰值;T為電壓、電流基波周期;n是基波周期數(shù)，有功功率等于瞬時(shí)功率在基波周期內(nèi)的平均值。

圖3 ADE7755內(nèi)部測(cè)量原理

當(dāng)獲取的采樣電壓和電流是非正弦信號(hào)時(shí)，可用傅里葉變換將瞬時(shí)電壓v(t)和瞬時(shí)電流i(t)分別表示為它們諧波成分[6]之和：

v(t)=V0+2∑∞h≠0Vhsin(hωt+αh)

(3)

i(t)=I0+2∑∞h≠0Ihsin(hωt+βh)

(4)

式中:V0是電壓平均值;I0是電流直流分量;Vh是h次諧波電壓的有效值;Ih是h次諧波電流的有效值;αh是h次諧波電壓的相位角;βh是h次諧波電流的有效值。由式(3)，式(4)算出基波有功功率P1和諧波的有功功率PH可表示為:

P1=V1I1cos θ1， θ1=α1－β1

(5)

PH=∑∞h≠0VhIhcos θh， θh=αh－βh

(6)

因此有功功率P等于其基波有功功率和諧波有功功率之和，即:

P=P1+PH

(7)

2.3 電能計(jì)量測(cè)試結(jié)果及分析

本文所設(shè)計(jì)的智能電表經(jīng)多功能電能測(cè)試儀檢測(cè)，其測(cè)試的硬件連接如圖4所示。

圖4中多功能測(cè)試儀的零、火線分別接到智能電表的進(jìn)線零、火線獲取智能電表的輸入電壓，將鉗形互感器夾到電表的出線上獲取出線電流，從輸出脈沖預(yù)留檢測(cè)接口J6獲取來自ADE7755電能計(jì)量模塊輸出的、與功率信息成正比的輸出脈沖。設(shè)置合理的電表常數(shù)和校驗(yàn)圈數(shù)，即可檢測(cè)并記錄智能電表的電流、電壓、用電量脈沖、有功功率、無功功率和功率因數(shù)。表1為測(cè)試結(jié)果。

圖4 多功能電能測(cè)試

表1 智能電表電能測(cè)量測(cè)試結(jié)果

電壓 /V電流 /A有功功率 /W無功功率 /Var功率因數(shù)電表常數(shù)校驗(yàn)圈數(shù)校驗(yàn)互差

229.00.695159.201.0001 60050.47%

230.63.982919.401.0001 600100.47%

229.01.116182.71780.7151 60050.45%

227.65.4291 203.52430.9741 600100.45%



根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司2009年發(fā)布的最新單相智能電能表技術(shù)規(guī)范[7]要求Q/GDW364_2009中對(duì)單相智能電表的測(cè)量及監(jiān)測(cè)要求測(cè)量誤差不超過±1%。表1中對(duì)阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載的不同電流分別進(jìn)行測(cè)試，由表1中可以看出智能電表的測(cè)量誤差均符合要求。

2.4 智能電表的載波通信原理

圖2中ADE7755的CF引腳輸出的脈沖正比于即時(shí)功率，該脈沖通過高速光耦傳到PL3201進(jìn)行累加計(jì)算出電能計(jì)量信息。其中高速光耦對(duì)強(qiáng)、弱電都起到很好的隔離作用以避免強(qiáng)電的干擾而產(chǎn)生誤差。PL3201內(nèi)部集成了擴(kuò)頻載波調(diào)制解調(diào)電路，其載波發(fā)射專用引腳為P3.7腳，輸出信號(hào)經(jīng)RC串聯(lián)電路耦合去除直流成分。Q2，Q3，Q4，Q5是一個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱的放大電路，主要對(duì)載波發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行功率放大。ZD1，ZD2對(duì)信號(hào)進(jìn)行限幅以保護(hù)三極管，D7，D8起箝位作用，吸收來自電力線上的尖峰干擾。C73和L6組成一個(gè)LC濾波電路，濾除載波信號(hào)中所包含的諧波成分以免污染電網(wǎng)。VHH為載波發(fā)射電壓一般在12~15 V之間，其大小與載波發(fā)射功率有密切關(guān)系。在一定范圍內(nèi)提高VHH可以加大發(fā)射功率延長(zhǎng)通信距離，本文設(shè)計(jì)VHH為15 V。接收載波信號(hào)由PL3201的SIGIN輸入，電路中PD10是一個(gè)瞬變二極管，能有效吸收來自電網(wǎng)的浪涌功率，起到保護(hù)整個(gè)電路的作用。C75，C76，C80和L5并聯(lián)組成一個(gè)LC并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)具有選頻作用。其頻率計(jì)算公式為f=1/(2πLC)，當(dāng)設(shè)計(jì)電感L=1 mH，電容C=1.75 nF時(shí)，由公式可知載波的中心頻率f=120 kHz，該信號(hào)被送入芯片與內(nèi)部的600 kHz本振信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻后信號(hào)頻率為兩者之差，即480 kHz。將此混頻信號(hào)，輸入陶瓷濾波器B2濾波，濾波后的信號(hào)是一個(gè)帶通信號(hào)再經(jīng)過限幅放大、 硬件解擴(kuò)，即可對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行還原。

3 智能電表的軟件設(shè)計(jì)

智能終端的軟件設(shè)計(jì)主要包括：電能計(jì)量、存儲(chǔ)、載波發(fā)送接收及狀態(tài)顯示等。用戶用電量經(jīng)過計(jì)量芯片采樣轉(zhuǎn)換成有功脈沖，經(jīng)過高速光耦傳送給PL3201，PL3201收集來自計(jì)量模塊的脈沖數(shù)換算成用戶用電量并存儲(chǔ)到存儲(chǔ)模塊，其電能計(jì)量軟件流程圖如圖5所示。載波發(fā)送接收是由PL3201以中斷方式實(shí)現(xiàn)，這樣使得電能表能實(shí)時(shí)偵聽公網(wǎng)電力線上的消息，真正達(dá)到隨時(shí)在線的功能，其常態(tài)為載波接收狀態(tài)。載波發(fā)送信號(hào)經(jīng)過功率放大耦合到公網(wǎng)電力線上，通過載波通信與安裝在公網(wǎng)電力線上的集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，集中器再通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心交換數(shù)據(jù)，從而完成遠(yuǎn)程無線監(jiān)控的功能。載波數(shù)據(jù)發(fā)送接收軟件流程圖如圖6和圖7所示。

圖5 電能計(jì)量流程圖

圖6 載波數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

圖7 載波數(shù)據(jù)接收流程圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的智能電表能對(duì)用電量進(jìn)行高精度的測(cè)量，通過低壓電力線載波通信讀取和設(shè)置遠(yuǎn)程智能電表的相關(guān)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。適用于城市小區(qū)多用戶和農(nóng)村住戶相對(duì)集中地帶，其優(yōu)點(diǎn)在于不用再進(jìn)行專線安裝，直接采用現(xiàn)有電力線作為通信載體，成本低廉。系統(tǒng)不足之處在于通信距離有限，在遠(yuǎn)距離通信時(shí)系統(tǒng)抄表率下降，可靠性降低。通過軟件設(shè)計(jì)使智能終端之間可以相互讀取數(shù)據(jù)，增加抄表的可靠性和延長(zhǎng)通信距離是該設(shè)計(jì)改進(jìn)的方向。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

韋正叢 男，1984年出生，廣西桂林人，碩士。主要研究方向?yàn)橹悄茈娏芾?。?/p>

宋樹祥 男，1970年出生，湖南人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)和智能電力管理。