单相智能电表之电力线载波通信汇总.docx
《单相智能电表之电力线载波通信汇总.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单相智能电表之电力线载波通信汇总.docx（15页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
单相智能电表之电力线载波通信汇总
单相智能电表之电力线载波通信
1、研究设计背景
1.1综述
低压电力线载波PLC（PowerLineCarrier）通信是以低压配电线（380V／220V电力线）作为信息传输媒介进行数据或语音等传输的一种特殊通信方式。
电力线网络是目前覆盖范围最广的网络，有着巨大的潜在利用价值。
国外对此研究已有近百年的历史，在理论和技术上有着绝对的优势。
我国电力网比较独特，直接利用国外先进技术和产品并不能取得令人满意的效果。
目前国内参与低压电力载波通信研究的公司、高校及研究机构日益增多，已经在通信信道的特性分析和建模、关键的调制技术的研究、通信芯片及相应产品的研制和应用、市场化运营及相关法规制定等方面取得了一定的成果。
1.2发展历程及现状
1.2.1国外发展情况
电力线是最普及、覆盖范围最为广阔的一种物理介质，因此，电力线载波通信作为上一世纪20年代的产物，现在利用电力线高速数据通信技术仍然是国内外许多大公司的热点。
97年英国的Norweb通讯公司和加拿大Nortel（北电网络）利用丌发的数字电力线载波技术，实现了在低压配电网上进行的1Mbit／s的速率数据传输的远程通信，并进行了该技术市场推广。
随后，许多国家研究机构纷纷开展了高速电力线通信技术的研究和开发，产品的传输速率也从1Mbit／s发展到2、14、24Mbit／s甚至更高。
国际各大公司纷纷推出PLC调制解调芯片，其中主要有美国Intellon公司的14、54、85和200Mbit／s芯片，西班牙DS2公司45和200Mbit／s芯片等等。
其中以美国Intellon公司的14Mbit／s芯片应用最为普遍，大部分电力线载波系统都是基于该芯片开发的。
目前，电力线载波通信在欧洲发展比较快，欧盟为促进电力线载波技术发展，在2004年启动了OPERA（OpenPLCEuropeanResearchAlliance）的计划，致力于制定欧洲统一的PLC技术标准，推动大规模的商业化应用，并将PLC作为实现信息化欧洲的重要技术手段。
美国也不甘示弱，在它倡导下成立了“家庭插电联盟”，致力于标准研究，并发布了第一个PLC标准Home．Plu91．0。
日本对PLC的态度，经历了从初期怀疑否定、到开放试验、直至今日的积极推动的三个阶段。
到目前为止，PLC的试验网络已经遍及各大洲许多国家，未来PLC商业化只是一个时间问题。
1.2.2国内发展情况
相比国外而言，我国的电力载波通信起步较晚，但发展迅速。
最早展开研究的是1997年由中国电力科学研究院进行的对我国低压配电网传输特性和参数的测试和分析。
90年代末期，针对国内电网特性而设计的载波处理方案的制定使得早期产品在稳定性上逐步接近实用。
2000年我国开始引进国外的PLC芯片，研制了2Mbps样机。
2000年末，国家电力总公司颁布了关于利用电力线载波集中抄表技术的若干技术条件。
国家电力公司国电通信中心于2001年初成立了电力线通信推广办公室。
2001年底，福建电力实验研究院开发成功了“电力线高速数据通信”技术的核心产品一电力调制解调器及多个相关产品，其传输速率可以达到10Mbps。
2002年初，国家电力公司在北京广华轩小区进行了通过电力线上网的试验，小区用户反映良好。
2003年我国成功研制出了EPLC一45M和EPL．14M系统。
2006年以中电飞华公司为代表，已在北京开通了5个以上的电力线上网实验小区，用户反映非常满意，只是网速会在特定的时候突然衰减。
近十年来，包括清华大学、西安交通大学和华中科技人学在内的高校和科研单位及困内相关公司对低压电力载波通信进行了大量研究，并取得了一定的成果[91。
国内前期的研究主要侧蕈于利用国外已有的固化PLC调制技术和芯片进行扩展开发。
近几年针对国内配电网的信道特性所进行的调制技术的研究及载波芯片研制取得了突破。
但是目前国内相关的法律法规及政策还不健全，如何充分开发和利用宝贵的电力网络资源，实现低压电力载波通信高速、安全和大规模的应用，仍需要很长一段时间的研究和摸索。
1.3电力线载波通信前景以及研究重点
由于低压电力载波通信技术已经逐渐成为国内外通信领域的研究热点，其具有极大的市场潜力和广阔的应用前景。
由于我国低压电力网非常独特，通信环境相当恶劣，不利于通信信道的分析和建模，更不能直接利用国外的技术和产品。
但随着国内越来越多的研究机构和公司的参与，我国的低压电力学载波通信出现论文方兴未艾的局面。
自主电力载波芯片的研制标志着我国在这一领域迈出了实质性的一大步。
目前国外不少重量级公司（例如Microsoft、Intellon、3COM、AMD等）都不惜高昂的研发费用，致力于高速、可靠、安全的低压电力载波通信系统的研发。
考虑到与国外的差距和发展现状，我困低压电力载波通信在未来5～10年内的研究重点将包括四个方面：
（1）低压电力线通信信道的分析和建模；
（2）载波通信关键技术的研究lrlO,J新；（3）高速、安全且低功耗的电力载波芯片和模块的研制；（4）相关组织、技术标准和法律法规的建设。
其具体的应用方向除了远程自动抄表及监控管理系统、家居智能化以及新型智能化小区外，在农业节水灌溉监测与控制和农产品流通过程信息化方面也将有着广阔的应用前景。
2、研究设计过程
2.1功能模块介绍
单相智能电表总的框图如下图所示：
图1、单相智能电表框图
采集器信号采集，通过穿将若干用户单元的信号转换成数字信号传递到单片机的I/O口，输入的采集信号将接受单片机的处理、存储并在接收到发送信号以后，通过对通信芯片的控制，把信号转化为能够在电力线传到的特殊波形信号使信号在电力线网络上进行传导，然后在另一端的电力载波通信芯片将侦测到该信号，并将其转换为数字信号传输给集中器，集中器通过与上位计算机的通信将采集到的信号统一处理并加以控制，以达到整个网络实现的通信目的。
其中，电力线载波通信系统由载波耦合电路、信号发送电路（信号功率放大电路和功率输出控制电路）、滤波接收单元（接受滤波电路和解调电路）、电力线载波扩频通信芯片等组成。
其主要模块框图如下图2所示：
图2、电力线载波通信模块框架图
2.2软件介绍
本次设计当中，主要用Protel99SE软件进行设计和仿真。
Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。
因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。
最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel（PCAD）等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。
Protel99SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。
以下是一些Protel99SE的部分最新功能：
◆可生成30多种格式的电气连接网络表；
◆强大的全局编辑功能；
◆在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；
◆同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络
◆既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；
◆满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）；方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE3f5）；
◆支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件；
PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；
◆强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；
◆智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；
◆提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；
◆放置汉字功能；
◆可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；
◆智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；
◆方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；
◆独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；
◆强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；
◆经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；
◆反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合；
◆专家导航帮您解决信号完整性问题。
2.3常用电力线载波通信技术
2.3.1窄带通信方式
窄带通信方式价格低廉并且较易实现，所以在以往的应用中比较常用。
但窄带技术的缺点是抗干扰能力较差，尽管窄带通信中的接收器具有较窄的宽带，使得仅有一小部分噪声能进入接收器，但由于此类接收装置中的滤波器具有高品质因数，瞬间的脉冲噪声会使其发生自干扰，引起它对传输来的信号产生误操作；而是用低品质因数的滤波器又会使通带带宽加大，令更多的噪声进入接收器，所以窄带通信对脉冲噪声的抵抗性较差。
2.3.2双音多频调制方式
双音多频是利用数字合成技术的一种编码方式，是窄带频率调制的一种，传输信号的方式不是脉冲而是由两个音频信号组成的混合信号，在程控电话系统中已经有广泛应用。
2.3.3线性调频脉冲方式
此方式多用于类似于以太网的CSMA网络，它利用一系列短促的、可自同步的扫描频率Chirps作为载体，每个Chirps一般持续100毫秒，它代表了最基本的通信符号时间。
由于Chirps信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多，其线性加速度也较高，而等幅震荡波干扰的频率加速度一般是稳定的，所以只要将滤波器设计成只能通过具有特定角速度的信号，就可以将等幅震荡波干扰排除在外。
2.3.4多载波调制方式
多载波调制是一种多载频并传体制，其基本原理是将输入信息转换成多路并行信号，对相互完全正交的一组载波进行调制。
因此，多载波调制方式技术的实质是将时分多路的数据传输转换为频分多路的数据传输。
由于各载波之间的正交性，完全消除了彼此之间的串扰，同时可以在接收端利用相同的正交载波组来恢复原始信号。
2.3.5扩频通信方式
实用扩频技术在上个世纪50年代中发展起来，起初扩频技术只用于军用通信、制导等军事领域，由于它具有许多特点，使得其理论和实践发展迅速。
扩频通信技术在90年代才开始应用到民用上，目前已经在低压电力线通信商得到广泛应用，并已经取得了很大的发展，成为电力线载波通信的热点。
扩频通信方式是一种简便、易实现、价格低廉的方式。
2.4芯片选择以及介绍
国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波modem芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。
目前有针对北美洲地区电网（480Y/277V，208Y/120Vac）的标准频率范围100kHz~450kHz和针对欧洲地区电网（400Y/230Vac）的标准频率范围9kHz~150kHz。
各家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术，设计出各自的电力线载波modem芯片。
由于国外电力线载波modem芯片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，在国内使用都难尽人意。
实现电力线载波数据传输的关键是要克服电力线上所存在的问题，归结起来就是功能强大和性能优越的电力线载波专用modem芯片的设计和应用。
为此，在进行本项目的设计时，我们在芯片选择上花了极大的功夫。
2.4.1现有几种电力线载波芯片比较
几种电力线载波芯片比较表
FarhillSep9,2006
型号
LM1893
ST7535
ST7536
ST7537
SSCP200
SSCP300
SSCP485
PLT-22
调制方式
FSK
FSK
SSC
BPSK
带宽特点
窄带
50-300kHz
窄带
窄带100-400KHz
窄带132kHz（主频）
115kHz（辅频）
灵敏度
2mV
2mV
1mV
0.8mV
信号动态
范围
110dB
60dB
70dB
80dB
波特率
4.8Kbps
2.4Kbps
7.5Kbps
5.4/3.6Kbps
时钟
无
无
无
有
缓存
无
无
有
无
（1）XR2210/XR2206套片或LM1893
这是比较早的电力线载波芯片。
XR2210/XR2206是一组FSK方式的调制解调芯片，并不是专门针对电力线载波通讯设计的，还可用于有线和无线通讯。
LM1893是美国国家半导体公司生产的modem芯片，采用FSK调制解调方式。
它只是对一般FSK调制解调芯片稍作改进，目前，这两款modem芯片在国内基本没有采用。
（2）ST7536
ST7536是SGS-THOMSON公司专为电力线载波通讯而设计的modem芯片。
由于它是专用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。
目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。
ST7536是半双工的FSKmodem芯片，600bps时灵敏度为2mV，1200bps时灵敏度为3mV。
它针对电力线载波通讯采用了数字滤波器、AFC（自动频率控制）、ALC（自动输出幅度控制）以及软件上的3字节容错等现代通讯技术。
ST7536也是较早的电力线载波modem芯片，调制解调技术是较落后的FSK方式，加上3字节容错，最高波特率只能达到400bps。
另外它无CSMA（网络载波侦听）功能，这些限制了它的应用。
目前，在国内电力线载波抄表领域，ST7536是最适合的modem芯片。
但它通讯距离不是很理想；需要作中继器时，通讯速度太慢；它是每位中断一次，按1200bps计算，每833μs中断一次，对更复杂的应用来讲，833μs间隔短了一点。
（3）SSCP300
SSCP300是Intellon公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波modem芯片。
它采用了扩频（Chirp方式）调制解调技术、现代DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBus协议，可称为智能modem芯片，体现了modem芯片的发展趋势。
但在国内电力线载波抄表领域使用效果还不如较早的ST7536。
究其原因，SSCP300是Intellon公司按北美地区频率标准、电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。
频率范围100kHz~400kHz，电网电压480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。
它可采用线－地藕合方式。
由于针对家庭自动化，主要一家一户式独立住宅，所以在通讯距离上，它还采用陷波器隔离，防止干扰邻近住宅。
因此比较适合基于电力线网的家庭局域网的应用。
（4）PLT-22
PLT-22是Echelon公司最新电力载波收发器，它是针对工业控制网而设计的。
它采用BPSK调制解调技术以及多种容错及纠错技术，目前在中国电力线网上应用效果较理想。
但是由于它是Lonworks网络专用，使用该模块设计低压电力线载波Modem时，必须配合含嵌人式网络操作系统的专用Neuron芯片来完成控制操作。
因此，整个系统的成本较高，仅适用于某些专业通信的领域，无法应用于类似民用电能表等对价格敏感的场合。
2.4.2国产载波芯片PL3200介绍
考虑到国内电力线情况复杂，谐波较多，通讯环境恶劣的情况，我们最后采用北京福星晓程电子科技股份有限公司开发的PL3200系列载波芯片，该芯片能够稳定工作于国内电力线环境。
PL3200内嵌有增强型8051兼容微处理器，使得设计电路时可以达到一个芯片实现多中功能的作用，大大节省了开发时间，也使得电路板整体电耗控制在很小的范围，增强了电路的可靠性，PL3200内置256bytes+1024bytesSRAM和16Kbytes的EEPROM，配合8051处理器实现程序的存储，在电能计量部分，能提供高精度电能计量，提供有功功率和无功功率瞬时值输出，指示正负功，介于PL3200的强大功能，对比了众多电力线modem之后我们小组决定采用80针脚的PL3200实现工程设计。
PL3200芯片主要特点是：
（1）高精度电能计量单元
（2）扩频通信调制/解调电路
相移键控，120KHz载频，带宽15KHz，传输速率500bps
接收灵敏度：
50mVRMS（500bps）
发射功率0.5w，单级传输距离≥1000m
抗干扰能力：
抗20倍功率的噪声
抗衰减：
-80dB
（3）数字调校实时钟
（4）增强型51内核
（5）16KBYTES E2PROM片内程序存储器，支持ISP（在系统编程）
（6）LCD/LED显示控制/驱动电路
（7）内置两个全双工串口：
38KHZ红外模式、RS485通信模式
（8）电源电压监测、看门狗电路
3、模块设计结果
3.1电力线耦合模块
低压电力线是一种通信环境非常恶劣的信道，有许多问题有待进一步研究。
低压电力线传送着220V/50Hz的电能，在低压电力线上并接了许多不同阻抗的用电器，低压电力线的这一固有特点，给低压电力线通信带来了很大的困难。
因此，低压电力线通信必须首先解决以下两个难题：
1）电力网50Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰；同时，考虑到整个通信系统的安全，必须进行强电隔离。
2）低压电力线上并接的所有用电器的“统计载波阻抗”要高，以确保较高的载波信号加载效率。
上述问题，正是低压电力线通信的耦合技术问题，也是耦合电路好坏的唯一评价标准。
根据低压电力线通信耦合技术的要求：
一方面，必须进行强电隔离；另一方面，要确保较高的载波信号加载效率。
为此，必须采用“电磁耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”。
上述电路中，T1有着双重作用。
一方面，耦合载波信号；另一方面，使通信电路与220v、50Hz的强电隔离。
如果不使用隔离变压器，而是使用电感作为高通滤波器的感性元件，那么电力线就会直接连到低压电路的公共端，电力线载波芯片无法承受如此高的电压。
由于低压电网的工频和本系统扩频信号的信号频率（120KHz）相差近2500倍，因此电容和耦合线圈原边电感对这两种频率信号的阻抗各不相同。
对于工频信号，电容的阻抗远大于线圈原边电感的阻抗，所以电容承担了电力线上得交流电压；对于120KHz的载波信号，线圈原边电感的阻抗远远大于电容的阻抗，所以系统载波信号几乎都加在了耦合线圈上。
这个电路能把工频与扩频信号叠加和分离开来。
瞬态抑制二极管D7起着防冲击电压作用，最大双向钳位为18V，对电路进行浪涌保护。
二极管D1、D2起限幅作用，用来保护后续电路。
其调谐回路的谐振频率应满足：
若将中心频率选在460kHz，电容取值为22nF,经计算可得电感L的取值在5.7微亨左右，即通过调节变压器初级绕组电感量来调节中心频率。
变压器T1将电力线与耦合电路的其余部分相隔离，从电力线上接受载波信号，滤除来自电力线上得干扰噪声。
3.2信号功率放大电路
低压电力线一般是由铜或其他电的良导体加上而成，其本身的阻抗很小。
220V电力线不是抓用的通信线，电力线上有大量的用电负载和电力设备（如无功补偿电容等），这些器件对载波信号的衰减非常严重，其高频等效阻抗变化范围很大，有时小于0.1欧姆，有时又突然增加到200欧姆，这就使其信号衰减值严重时会达到100dB以上。
这样就需要输出电路的带负载能力很强，即输出电阻要小。
这样的电路常用功率放大器来实现。
信号功率放大电路的作用是将载波芯片发送的载波信号进行功率放大，载波芯片发射功率不能直接耦合到电力线，功率过小的信号在电力线上衰减非常快，有效信号必须经过放大方可耦合到电力线，功率放大电路实现的就是信号的跟随放大作用，信号功率放大电路的评价标准也即是功率放大效果和信号畸变程度的大小。
如上图所示的耦合电路，为三极管复合放大电路，Q9和Q7组合成PNP与NPN型BJT复合管，Q8和Q6组合成NPN与PNP型BJT复合管，电力线载波芯片发出信号经P_OUT传入，经过电容耦合，信号以0V为平衡点交变信号，当在0V以上时，Q9和Q7将信号放大到耦合电路，0V以下时Q6和Q8导通，信号幅度进行放大后经耦合电路耦合到电力线，形成一种跟随放大效果。
载波发射功率的大小与供电电压VHH的大小有关，一定范围内提高电源电压，可以有效加大发射功率、从而延长通信距离，电路中供电电压VHH的取值范围可在12~20V。
3.3综合原理图
PL3200内置微处理器和看门狗电路，为了更好的体现其内部modem主芯片PL2100和51单片机之间的互联关系，我们组画出了分解电路图如下图所示：
4、项目感想
在罗老师和董老师的指导下，我们组三个同学利用研一上学期的时间，查找资料分析和学习通讯工程，电力线通讯技术不同于其他通讯技术，发展较晚，国内发展受限于低压电网的低品质电力供应，发展较为迟缓。
然后我们又学习了protel软件的应用，现在能熟练应用protel绘制电路图和对图库补充元件，下一步我们要努力学习protel中有关PCB板的应用，争取掌握这门手艺。
在学习方面，通过这次工程设计，我们分析问题解决问题的能力获得了很大提升，敢于应用学过的知识独立解决问题，敢于接受项目，敢于挑战未知。
升级会员 