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【中心議題】

• 介紹了一種基于擴頻電力線通信技術的智能電表終端系統設計
• 該系統能提高抗干擾能力，具有較高的實用價值

【解決方案】

• 用AD7751芯片作為電量計量的主要部件
• 將電能量參數通過SSCP300擴頻載波通信模塊傳輸到低壓電力線

0引言

智能電網，是指通過建立數字化的電網系統架構，從整個網絡系統的各個節點處（電表、變電站、發電廠等）獲得所需的智能化信息。它包括先進計量體系（AMI）、高級配電運行（ADO）、高級輸電運行（ATO）和高級資產管理（AAM）四大模塊。其中，AMI是智能電網的關鍵體系，而智能電表又是AMI的核心。智能計量是實現智能電網智能化和智能數據管理的關鍵基礎技術和重要功能。因此，智能電表是智能電網的重要終端。

自動抄表系統AMRS（Automatic Meter Reading System），是對電能計量自動抄收的自動控制系統，能提高電力系統用電管理的現代化水平。當電表計量系統具備電力線載波通信、無線電通信、RS-485等通信功能時，電能的自動抄表系統的性能得到提升。

1電力線通信技術（PLC）

電力線通信PLC（Power Line Communication）技術，從廣義上講包含應用于高壓輸電網和中低壓配電網的窄帶電力線載波通信，以及在中低壓配電線路上實現的寬帶數據通信。它是利用覆蓋廣泛的電力線信道傳輸數據信號的一種通信技術。

當前電力線通信技術的發展相當迅速,將擴頻載波通信模塊加入到多功能電能表當中,實現對電能數據的傳輸,在自動抄表領域將會有很大的應用前景。電力線載波通信技術是自動抄表發展的重要方向，但電力線的傳輸環境具有不利于數據傳輸的特性：變壓器和用戶設備如空調、冰箱等有著極低的阻抗，可以使傳輸信號嚴重衰減；在線負荷變化大，如家電設備的瞬間起動可變的分布阻抗幾乎對所有頻率的信號都起著衰減或隔離的作用，并且這些變化沒有規律，呈隨機狀態；噪聲模型無規律等問題。針對以上干擾問題，宜采用抗干擾能力強的通信技術，即電力線載波采用擴頻通信技術。擴頻通信技術是信號所占帶寬遠遠大于發送信息所必需的最小頻帶寬度的一種傳輸方式。頻帶的擴展通過偽隨機碼序列來完成，在接收機中用同樣的碼進行同步接收、解擴和數據恢復。實現擴頻的主要方法有:直接序列調制、頻率跳變、時間跳變和利用Chirps掃描頻率進行線性脈沖調頻。目前，基于SSC技術的電力線通信芯片的數據傳輸速率在1～2 Mb/s。

2智能電表系統的硬件設計

在遠程電能抄表系統中，具有遠程載波通信能力的智能電表系統是核心設備。智能電表系統硬件設計主要包括擴頻載波通信模塊、單片機控制模塊和電能量計量模塊。其主要功能為數據信息的遠程擴頻載波收發、電能計量和負荷監控等。

它的總體工作原理框圖如圖1所示。擴頻載波通信模塊采用電力擴頻載波技術，實現數據在電力線上的接收發送。電能量計量模塊是該系統的重要部分，它以電能專用計量芯片ADE7751為核心，將模擬的電流、電壓信號采樣后計算出瞬時功率，累加得到電能量值并將電能量數據存放在片內寄存器中。智能電能表主要負責電能量數據的采集，因此要有較大容量的存儲模塊，用以存儲大量的電能量數據，以便數據上報和統計。

2.1 SSCP300芯片的主要功能特性

SSCP300芯片采用擴頻載波通信技術，其傳輸信道為電力線，能通過SPI接口與單片機控制器進行串行通信。它符合EIA600 CEBus標準，擴頻信號工作頻率范圍為100～400kHz的帶寬，其數據包傳輸速率為10Kb/s.SSCP300芯片主要管腳功能如表1所示。

2.2低壓電力線擴頻載波通信模塊

低壓擴頻載波模塊主要由SSCP300低壓電力線擴頻載波芯片、前置功放和電力線耦合電路構成，其主要功能是對單片機控制單元發送來的數據進行線性掃頻調制，放大后耦合到電力線信道上；反之，對通過電力線信道發送的載波信號進行掃頻解調后被單片機控制單元接收。其數據通信采用了收發分時控制的半雙工通訊，與配電變壓器集中器的通信距離約為1000m。在信道特性最惡劣的情況下保證不小于600m。

擴頻載波通信模塊通過串行外圍接口（Serial Peripheral Interface，SPI）與單片機控制單元相連，AT89C51單片機與SSCP300通過CEBuS通信協議通信來支持命令和數據的傳輸。這些命令和數據包括將要發送的分組、已接收到的分組和狀態及設置信息。

SSCP300則向單片機控制單元提供符合CEBus標準的數據鏈路層和EIA-6規范的物理層網絡服務，最終實現了與單片機的通信。在發送數據模式下，電力線通信擴頻載波Chirps從SO輸出到濾波器，然后輸出放大器由三態信號TS決定是否通過耦合電路傳輸到電力線信道上；在接收數據模式下，通信信號通過電力線信道傳輸到帶通濾波器，經放大后傳輸到SI腳。因此，單片機控制單元AT89C51通過SPI接口總線對SSCP300內部寄存器進行讀寫；低壓電力線擴頻載波模塊通過TS、SO、SI實現對功率放大電路單元的控制，使數據信號放大耦合在電力網中傳輸，完成基于電力線擴頻載波技術的遠程通信。采用SSCP300擴頻載波智能電表的擴頻載波模塊在輸入信號電平-30dB的微弱信號時仍然能夠可靠準確地檢測、解調。

2.3電能量計量模塊

電能量計量模塊電路主要采用AD7751電度表芯片，可對50/60Hz單相交流電進行電能計量。在500：1的動態范圍內，測量誤差小于0.3%，符合IEC 1036國際標準。內部具有上電、掉電自動復位電路。它能實現有功功率測量、故障檢測、防竊電、負荷控制以及顯示等功能。AD7751芯片主要管腳功能如表2所示。

AD7751芯片引腳fc以高頻脈沖形式輸出有功功率瞬時值，可用于電表校驗或與MCU接口。芯片的f1A、f1B引腳上以負脈沖的形式輸出有功功率平均值的信息，可直接驅動機電式計數器。芯片內部具有故障檢測電路，當相線電流和中線電流相差12.5%時，即從FAULT腳輸出高電平，可驅動發光二極管或蜂鳴器進行光聲報警。當智能電表檢測到負功率用電時，輸出REVP信號。電能量計量模塊的REVP和FAULT信號對于電度表現場錯接線和防竊電具有實用意義。電量計量模塊的表征負荷的即時有功功率的脈沖信號（f）c，通過單片機控制系統對其進行累加計數運算形成電能數據；由AD7751輸出的fc信號連接到AT89C51的T0、T1接口，對fc脈沖進行累加計數，最后計算出有功功率P和電能W。AT89C51單片機通過P1口和INT0引腳模擬了SPI的接口電路，關于有功功率P和電能W的串行數據通過此接口發送給SSCP300。表征負荷的平均有功功率的脈沖信號（f1），能給用戶現場提供電度度表運行的指示。此外，表征用戶電力線漏電的信號（CURP）和電壓異常信號（VOLP），可以作為負荷控制的判據。單片機控制模塊向負荷控制模塊輸出負荷控制指令（Close）和（Trip），推動負荷控制模塊動作，執行停電或送電。為了保證自動抄表的實時性和掉電后數據不丟失。存儲模塊采用了AT45DB321C，具有SPI接口，工作頻率為44MHz。其容量是32M字節。共8192頁，每頁528字節。并且具有2個528字節的讀寫緩存SRAM，能加快讀寫速度。此外，LED顯示模塊通過MAX7219來顯示輸出電量電能數據。

3智能電表系統的軟件設計

系統軟件設計采用模塊化設計思想，其主要性能是滿足電網電能計量采集的可靠性和精度。智能電表系統軟件設計原理框圖如圖2所示。

其擴頻載波通信子程序則按用電管理部門指令通信，包括接收程序和發送程序兩部分。故障保護子程序能自動監測過載和竊電等故障，具有自保護等功能，最終實現智能化監控；當掉電保護子程序檢測到電源掉電，則自動將當前電量和時間送串行非易失性存儲器保存，等恢復正常后自動以此值累計。異常保護子程序如果監測到用戶用電過載、線路漏電或電網供電電壓過高則通過負荷控制電路自動斷電。存儲、顯示子程序則實時顯示當前電量和有功功率。智能電表系統軟件具體流程如圖3所示。

此外，智能電表系統需采用有效的抗干擾措施以保證實際運行。當干擾信號較強時，系統性能的可靠性與運行安全性都會降低。在具有衰減、失真的電力線信道上，由于隨機干擾，都會使得接收端解調后的數據出現差錯。因此在考慮了通信調制技術、解調技術以及發射功率后，發送數據時必須采用一定的差錯控制來確保數據可靠的通信。電力線上的干擾脈沖持續雖然短，但能量集中，頻譜寬，能影響若干個位甚至十幾個位。為了糾錯比較多的誤碼，就需附加多余碼元，這就使得傳輸效率低下。此外，由于電力線信道的時變性，難以測定數據通信信道的差錯統計特性。當系統的信道產生的差錯超過其糾錯能力，接收端將收到錯誤信息。因此智能電表系統的抗干擾設計是在電力線數據傳輸中采用ARQ差錯控制為差錯控制協議，其優點是能自動調節通信信道性能，數據傳輸率也可通過接收端的信噪比電平來進行改變。

4結論

智能電表系統采用了SSCP300和AD7751等芯片，主要實現了通信、電能計量、數據處理等功能。此系統的主要創新點是能利用電力載波擴頻通信技術實現了電能量參數測量、數據通信，提高抗干擾能力，突破傳統的電度表概念，把用戶電度表終端設計成一個智能化的綜合性通信終端。除了完成電量的計量和存儲外，它還具有用戶現場防竊電、故障保護、和負荷控制等功能。其數據傳輸速率為1～2 Mb/s，能滿足自動抄表的數據量。通過對低壓配電網智能電表自動抄收系統的實驗、調試和試運行，可以做到正確無誤的自動抄收。由于該系統的數據量小，可以降低傳輸速率，從而可以降低誤碼率。