电力载波通信抄表集中器硬件设计.docx

1、电力载波通信抄表集中器硬件设计西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）电力载波通信抄表集中器硬件设计年 级:2007级学 号:*专 业:电气工程及其自动化*2012年 4 月院 系 电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 年 级 2007级 姓 名 叶勇 题 目 电力载波通信抄表集中器硬件设计指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业设计（论文）任务书班 级 2007级电气 学生姓名 叶勇 学号 07934040 发题日期：2012年4月1日 完成日期：2012年4月15日题 目 电力载波通信抄表集中器硬件设计1

2、、本论文的目的、意义 随着我国电力事业的迅速发展，传统的用电抄收管理方式己经不能满足市场需求。本文在大量收集查阅国内外有关远程抄表系统资料、深入用户及用电管理部门广泛调研的基础上，提出了一种采用低压电力线载波通信技术的远程自动抄表系统。该系统具有三层网络结构，即上位机管理系统、集中器和载波电表。重点分析研究了集中器及其与各组成部分的通信。由于我国低压电力线上存在的高削减、高噪声、高变形，必须采用特殊的通信技术。2、学生应完成的任务 第一步：全面掌握相关的理论基础，积极收集材料，拟定大纲 第二步：依据指导老师修改后的论文提纲编写论文 第三步：向指导老师提交初稿 第四步：依据指导老师对论文反复修改

3、 第五步：论文定稿并对论文进行装订 第六步：对论文答辩进行准备 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周）第一部分 绪论 （1周）第二部分 理论综述 （2周）第三部分 电力载波抄表系统的总体设计 （4周）第四部分 电力载波集中器的设计 （4周）评阅其答辩 （1周）备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日电力载波通信抄表集中器硬件设计摘 要随着我国电力事业的迅速发展，传统的用电抄收管理方式己经不能满足市场需求。本文在大量收集查阅国内外有关远程抄表系统资料、深入用户及用电管理部门广泛调研的基础上，提出了一种采用低压电力线载波通信技术的远程自动抄表系统。该系统具有三层网络结构，即上

4、位机管理系统、集中器和载波电表。重点分析研究了集中器及其与各组成部分的通信。由于我国低压电力线上存在的高削减、高噪声、高变形，必须采用特殊的通信技术。本文首先分析了高频信号在电力线中的传输特性；重点讨论了扩频通信技术在电力线载波通信中的应用；深入研究了以扩频调制解调技术通信技术为基础的、高性能的电力线载波专用MODEM芯片SSC P300的内部工作原理。在此基础上，采用SSC P300实现了远程抄表系统中集中器与终端载波电表之间可靠的数据传输。集中器是连接上位机与终端载波电表之间的枢纽，起着上传下达的作用。根据中华人民共和国电力行业标准规定的集中器的主要功能及性能指标要求，本文重点研究设计了集

5、中器的硬件系统。其中硬件系统主要包括主控制器、外部扩展数据存储器、时钟模块、看门狗模块、上位机通信接口电路以及电力线载波通信电路及其外围电路等。关键词：电力线载波，扩频通信技术，集中器，抄表系统Hardware Design of Power Line Communication Meter Reading ConcentratorABSTRACTWith the rapid development of power undertaking of our country, the traditional ways of meter reading can not satisfy the dem

6、and of market any more. Based on the vast collecting and consulting of the concerned information of the remote meter reading system of the home and abroad and going deep into the consumers and power consumption administrative departments to investigate and research widely, a remote meter reading sys

7、tem adopting carrier communication technology of the low-voltage power line communication (PLC) had been proposed in this paper. It had network structure of three layers，i.e. the computer administrative system，concentrator and carrier meter. And the functions and characteristics of the whole system

8、together with its every component had been analyzed. Because high attenuation，high noise and high distortion exist in the low-voltage power lines of our country ,special communication technology must be adopted.First of all, the transmission characteristic when high-frequency signal was transmitted

9、through power lines was analyzed. Secondly, the application of spread spectrum communication technology to carrier communication of the power line was emphatically discussed. Thirdly，the interior principle of the special MODEM IC SSC P300 adopting Spread-spectrum modem communication technology was d

10、eeply studied. Based on this，SSC P300 was selected to the reliable data transmission between the concentrator of the long-distance meter reading system and the terminal signal carrier ammeter. Being the heart of the automatic meter reading system，the concentrator connected the computer with the term

11、inal carrier meter. The hardware system of the concentrator was emphatically designed according to the main functions and the demands for performance targets of the concentrator stated in the power trade standard of PRC. It was mainly composed of MCU external expanded RAM，clock module，watchdog modul

12、e，the computer communication interface circuit and the PLC communication circuit together with its peripheral circuitsKEYWORDS： carrier power line, spread spectrum communication technology, concentrator, meter reading system1 绪论1.1电力线载波通信的意义及发展状况当今世界，作为输送能源的电力线是一个近乎天然、入户率绝对第一的物理网络。而电力线现在的功能仅仅是传送电能，如

13、何利用网络资源潜力，在不影响传输电能的基础上实现窄带通信或宽带通信，使之成为继电信、电话、无线通信和卫星通信之后的又一通信网，是多年来国内外科技人员的又一目标。要使电力网成为一个新的通信网，技术手段只有载波通信。电力线载波通信就是以电力网作为信道，实现数据传递和信息交换。因为电源线路是每个家庭最为普通也是覆盖最为宽广的一种物理媒介，其覆盖面超过有线电视网络甚至电话线路，同时由于利用现有的电力网实现数字通信，可以大大减少通信网建设的费用，因而利用电源线路实现数据通信的技术有着可观的经济效益和应用前景。电力线载波通信又分为35KV以上的高压载波通信、10KV配电网的载波通信和民用（400V以下）电

14、力线载波通信。在技术上高压载波通信主要为业内业务通信，由于网络专一性，其简单的数据通信在国内外基本成熟，进入千家万户的民用电力网才是最大的通信物理网络。但在该网络上实现通信一直是全世界科技工作者的研究课题。由于低压电力线上实现通信又很多技术难点，如网络不规范、节点多、隔离多、随机干扰等。也可以说民用电力网对通信而言是一个不确定、无规则、网络特性呈拓扑特性的非标准通信网，是通信网络的一大挑战课题。本文研究的对象正是低压电力线通信。1.2低压电力线通信的特点总的说来，低压电力线信道的特点主要包括下面几个方面的内容：(1) 噪声和干扰大低压电力线网络中，各式各样的家用电器和办公设备产生的噪声和干扰严

15、重污染着电力线通信环境。己有的研究结果表明，噪声的大量存在是实现数据在低压电力线上优质传输的主要障碍之一。现在把各种噪声干扰主要来源归纳为4个方面：(a) 可控硅器件和一些电源电路产生的60Hz的倍频谐波(注:美国电力线频率为60Hz)； (b) 平滑频谱噪声，其频谱平坦，可以看作有限带宽的白噪声，家电中的小电机是产生这类噪音的根源；(c) 单脉冲干扰，通常由开关切换、闪电、温度调节器或电容充放电引起；(d) 非同步周期噪声，如电视的行扫描频率对电网的干扰。(2) 信号衰减大信号在电力线上传输过程中的衰减是低压载波通信遇到的另一难点。同时，由于低压配电网直接面向用户，负荷情况复杂，各节点阻抗不

16、匹配，所以信号会产生反射、谐振等现象，使得信号的衰减变得极其复杂。信号的衰减随着传输距离的增加而增加，同时，信号的衰减与频率、工频电源的相位有关，一般来说，随着频率的增加，信号的衰减也将增加，而在某些特殊的频段，由于反射、谐振及传输线效应等的影响，衰减会出现突然剧增。在100- 400kHz频带内，信号的平均衰减为40dB，标准偏差为20dB。(3) 随机性和时变性低压电力线直接面向用户的特点导致其干扰具有随机性和时变性，这是低压载波通信面临的又一挑战。由于用户负荷的随机接入和切除，网络结构的变化以及不可抗拒的自然因素，如雷电等的影响，使得其干扰表现出很强的随机性和时变性，从而难以找到一个准确

17、的数学模型来加以描述。1.3国内外研究现状和动态在国外，自动抄表系统的技术发展比较早，欧美等国在上个世纪七、八十年代就开始试验探索自动抄表技术，70年代美国引进欧洲音频电力负荷控制系统的基础上开发研制了负荷监控及抄表系统，80年代，以色列研制成功低压电力线载波集中抄表技术，九十年代初自动抄表技术逐渐成熟，在世界各地得到了迅猛的发展。近年来，美国、以色列、德国和英国的科技人员一直从事这方面的技术研究与开发。90年代初，自动抄表技术被引进到中国，早期的AMR系统主要用于大电网的电能量考核结算。中国电力科学研究院自1997年开始研究电力线载波通信PLC(Power Line Carrier)技术，主

18、要考虑PLC技术用于低压抄表系统，1998年开发出样机，并通过了试验室功能测试，1999年在现场进行试运行，获得了产品登记许可。1999年5月开始进行PLC系统的研究开发工作。主要对我国低压配电网络的传输特性进行了测试，并对测试结果进行了数据处理和分析，基本取得了我国低压配电网传输特性和参数，为进行深入研究和系统开发提供依据。采用低压电力线载波则具有它的先天优势，只要解决相关的技术性问题，它的成本将是最低的。它的研究成功不仅可以替代人工日常抄表工作，提高工作效率，减少人为差错，加强用户管理，而且能够实现远程监控管理工作的全面自动化，是电力部门实现远程自动抄表的发展趋势，具有广阔的应用前景。目前

19、，国内虽然出现了一些自动抄表系统，但是安装量并不大，而且技术并不成熟，成功率低，所以自动抄表系统的研究还是有较大的发展空间。本课题就是在这种情况下，将现场总线技术、低压电力线载波通讯技术和电话通讯技术结合起来，以实现远程集中式抄表系统的自动化和智能化。1.4设计电力载波抄表集中器的目的和意义自动抄表系统是指采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据的一项新技术。发展自动抄表技术是提高物业管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然需要。采用自动抄表技术，不仅能节约人力资源，而且可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成账单出错，使相关管理部门能及时准确获得数据信息，由于用户不再需要

20、与抄表者预约上门抄表时间，还能迅速查询账单，故这种技术越来越受到用户的欢迎。随着电价的改革，供电部门为迅速出账，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、分时电量和负荷曲线等，自动抄表为实现上述需求提供了切实可行的技术手段。近10年来，美国、英国、德国、以色列、中国等国的科技人员一直从事这方面的技术研究与开发。到目前为止，国内外己有一些企业开发出了用于电力线载波通信的产品:如开发的电力线载波抄表系统在技术上取得了可喜的进步和成功，但尚未能符合用户使用要求，由于专用芯片的原因，抄表系统的抄到率最高仅能达到90%左右。尽管如此，目前我国在该方面的技术属先进行列。实践证明用进口通用通信芯片不可

21、能实现我国民用电力网的可靠载波通信。但是随着市场需求和技术的发展，将来的民用电力线载波通信必将成为一个很大的通信网。1.5课题的可行性分析本课题所设计的自动抄表系统主要的难点是解决低压电力线载波通讯技术和电话网通讯技术，随着扩频载波技术被应用到在低压电力线载波通讯中，在规定的通信距离中，其抄表的成功率高达100%，在我国已经开发研制成功；而电话网络经过多年的发展，己经被实践所检验，基本上不存在任何问题。因此，本自动抄表系统在技术层面来讲是可行的。在经济实用性方面，本课题设计的自动抄表系统有着绝对的优势，本系统在设计中所采用的通讯媒介是低压电力线网络和现有的电话网络，不需要另外再铺设通讯设施，因

22、此在经济实用性方面也是完全可行的。综合以上两个方面，可见本课题所设计的自动抄表系统是完全切实可行的。1.6本文的主要任务本课题是在总结前人的自动抄表系统的基础上，结合我国的实际情况，设计出一种经济实用的自动抄表系统。该系统底层通讯方式采用低压电力线载波通信的方式，载波芯片使用Intel Lon公司的SSCP300扩频载波芯片；上层通讯采用电话网络 图1-1 载波接口电路2 电力载波抄表系统总体设计2.1自动抄表系统的组成图2-1是基于电力线调制解调器的自动抄表系统的结构示意图，系统以供电局的计算机抄表中心为主站，以电力变压器10KV/380V供电的每个小区为相对独立的子系统，在这些子系统中，集

23、中器又相当于主站，电能表以及数据采集器为从站。采集器的作用是采集多个用户的电表数据，通过电力Modem的调制解调，并经22OV低压电力网用载波方式送到集中器，集中器再通过公用电话网或专用通信网(如光纤或无线电通信等)把数据传送到供电局的计算机抄表中心。 由系统结构示意图可知，自动抄表系统是将电表数据从下而上逐级传送完成，也可以根据实际情况的需要进行数据双向传输，该系统可分为五个主要组成部分：(1) 电能用户表；(2) 数据采集器；(3) 电力线Modem；(4) 集中器；(5) 计算机抄表中心。 图2-1 系统结构示意图4抄表系统各组成部分的功能是:(1) 电能用户表对于电磁式电能表，需在表内

24、加装一只传感器或光电模块，将电能表的数据转换成电信号输出；对于电子式电能表，则可以直接利用表的电脉冲输出。(2) 数据采集器数据采集器实际上是计一费终端和数据集中器中间的一个桥梁，它的主要功能在于同时采集多个用户电能表的电量脉冲信息，并经过处理和存储，通过电力线Modem沿低压电网送到集中器上。并且当接收到上层的命令时，数据采集器能够向计费终端发出抄表或者断电的命令。(3) 电力线Modem主要是对采集器送来的数据进行调制和解调，增强对低压电网的抗干扰性和减低信道传输的误码率。(4) 数据集中器数据集中器是安装在小区的配电站区的，它的功能是向采集器发出命令，抄收计费终端的数据，然后再通过公用电

25、话网络传送给远方的数据中心；数据集中器能够接收的数据中心的命令，并把相关命令再转发给辖区内的指定的数据采集器。此外，数据集中器还可以定时抄收计费终端的数据，并把抄收到的数据存储到数据存储器中。(5) 计算机抄表中心通过通信网对集中器送来的电量数据进行分类和储存、校对抄录时间、设置用户编号和抄表时间、发布抄录命令以及统计和计价、为收取电费、线损计算、负荷控制提供服务。(6) 集中器与数据中心之间的通信数据集中器与数据中心之间的通讯采用公用电话网络作为通讯媒介，自动抄表系统的数据中心与数据集中器之间的通讯主要是电话线Modem模块之间的通讯，在电力线载波集中抄表器的设计中，我们利用单片机进行两地间

26、的数据通信，通过单片机及对应的控制电路和FSK(移频键控)调制解调器（MODEM）相结合，借助现有的公用电话交换网（PSTN进行传输，来实现两地之间的数据通信功能。图3-2 集中器与上位机的通信框图【7】发送端从PC的RS-232口出来，经RS-232/TTL电平转换芯片将RS-232电平转换成TTL电平送到调制解调器，调制解调器将数据调制成音频信号，通过电话通信网传到对方的调制解调器，对方的调制解调器将音频信号解调成数据，再送到对方的单片机中，进行数据处理。反之亦然(7) 数据采集器与数据集中器之间的通信低压电力线载波数据不能够跨越变压器，所以数据集中器基本上是被设置在住宅小区配电站以内，数

27、据采集器与集中器之间的通讯采用低压电力线载波通信方式。 3 电力载波抄表集中器的硬件设计3.1电力线载波远程抄表系统集中器的硬件设计集中器是集中下属的数据采集器的数据，并发给中心服务器，集中器有两个通信对象，面对不同对象时，需要采取不同的通信方式，在于数据采集器通信时，使用电力线载波通信，并通过电话线与中心服务器实现通信。集中器的信息存储和处理量较大，我们需采用处理速率较高的处理器并进行存储器的扩展。集中器是安装在小区供电变压器低压侧，作为载波抄表系统的中心环节，是整个系统的核心，是连接机与用户电表之间的枢纽。3.1.1集中器的功能及技术指标8设计任何一个产品之前明确它的功能和技术指标是非常必

28、要的。集中器作为电力线载波抄表的一部分，起着上传下达的作用。集中器的主要功能有：(1) 抄收功能根据设置的抄收方式采集抄收电表的数据。集中器可根据上位机下载的定时抄表，在每月一次按时启动月冻结抄表；具有实时抄表和对某些特定表进行抄表的功能。(2) 设置功能可通过上位机对集中器进行设置，包括抄表时间设置、固定中继设置等。(3) 通信功能集中器接收上位机下载数据，包括电表数量、表号、抄表参数以及中继管理需要的信息，可根据设置抄收载波电表的数据。(4) 数据处理数据处理包括数据的存储、冻结等。(5) 校时功能集中器可通过上位机进行系统校时，调整时间误差。3.1.2集中器的结构框图集中器本身是由主控单

29、元、数据库存储单元、时钟单元、载波通信单元、数据传送通信单元等部分组成。集中器既要做上位机的从机，又是载波电表的主机，其软、硬件的设计要求从根本上保证系统可靠、稳定。主控器是集中器的核心，数据的采集、处理与传送都是在主控器的控制下进行的，外部扩展数据存储模块和时钟模块。数据存储器主要用于存储参数、变量、集中器自身的参数、所负责电表的参数以及电表电量等；实时时钟为集中器定时抄表提供时间标准；上行通道即集中器与上位机之间的通信线路，采用公用电话网络作为通信介质，上位机与集中器进行通信时要设置集中器连线所连接的电话号码；下行通道即集中器与载波电表之间的通信，采用以SSC P300为核心的电力载波方式

30、进行抄表通信。集中器的组成结构框图如图4-1所示。图3-l 集中器组成结构框图3.2集中器主控器的设计 3.2.1 主控器的作用11集中器是通信的枢纽，它负责中心计算机和采集终端之间的联系。一方面接收来自计算机的各种操作命令并下传采集终端；另一方面，将采集终端的各种信息回传管理中心计算机，同时还存储所辖表计的数据和有关参数，并具有定时和实时抄收采集终端(智能表)数据，实时监视采集终端(智能表)的工作状态等功能。集中器上行通信采取MODME通过电话线与中心基站联系，或是通过串口直接与计算机联系。所以选择主控器时必须考虑它的处理速度、存储空间和驱动能力。主控器是集中器的核心部件，选择时一般从以下几

31、个指标：价格、速度、位数、电压、功耗、系统扩展与驱动能力等。另外，件开发的难易也会在很大程度上影响用户的选择。51系列单片机有极多的器件可供选择，并且数量还在日益增多，价格便宜，技术成熟，扩展力强。因此，对于各种各样的项目而言，51系列单片机是一种较好的选择。3.2.2 主控器的选型11在集中器的设计中，单片机既要与上位机通信，又要和电话网进行通信，所以需要两个串口。本文采用W77E58作为主控制器，在它的控制下进行数据的传送与接收。在它内部20kB的程序存储器，而且扩展能力强，完全能满足系统的要求。W77E58是一个快速8051 兼容微控制器；它的内核经过重新设计，提高了时钟速度和存储器访问周期速度。经过这种改进以后，在相同的时钟频率下，它的指令执行速度比标准8051 要快许多。一般说，按照指令的类型，W77E58的指令执行速度是标准8051的1.5-3倍。整体来看，W77E58的速度比标准的8051快2.5倍。在相同的吞吐量及低频时钟情况下，电源消耗也降低。由于采用全静态CMOS设计，W77E58能够在低时钟频率下运行。W77E58内含32KB Flash EPROM，工作电压为4.5V-5.5V，具有 1KB片上外部数据存储器，当用户应用时使用片上SRAM代替外部SRAM，可节省更多I/O口。其主要性能参数：(1) 8位CMOS微控制器