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摘 要：本文设计实现了一种基于电力线载波通信技术的自动抄表系统。首先介绍该系统的整体结构及技术特点。然后通过对系统中载波信息电表的软、硬件设计方案介绍说明电力线载波通信功能的实现。最后对系统通信性能进行测试，对提高载波通信可靠性的技术措施进行了探讨。
关键词：电力线载波通信；自动抄表；载波信息电表
中图分类号：TP18文献标识码：A
The Design and Research on Power Line Communication Automatic Reading Meter System
WANG Zhen-chao，GUO Wei-dong，WANG Yi-jin
(College of Electronic and Information Engineering, Hebei University, HebeiBaoding 071002)
Key words: power line Carrier communication; AMR; Carrier information meter
近年来，随着我国住宅产业和电力事业的高速发展，供电部门仅依靠传统的人工抄表，在实时性和准确性等方面都存在着严重的不足。建立一种新型的自动抄表系统已成为电力企业的重要课题。自动抄表系统简称AMRS(Automatic Meter Reading System)，是一种采用传感、通讯、计算机网络技术完成抄读和处理用户消耗能源的智能化管理系统[1]。它集计量、数 据采集、处理、通讯、管理于一体，并对城市居民户用耗能信息加以综合处理的系统。近年来，这一技术在国内外应运而生，而且发展非常迅速。
1 自动抄表系统现状
近年来，自动抄表系统在国内外发展迅速，并已步入实用阶段。系统中最关键的研究在于通信方式的选择，它占据了投资的相当大的部分。选择一种合适的通信方式，可以在很大程度上提高系统的可靠性和实用性，从而使系统得到广泛的推广。目前国内外研究中常见的自动抄表系统数据传输方式主要可以分为两种：
（1）独立总线通信方式。包括RS485总线等通信方式。此方式需另外铺设专用的通信信道，耗资较大，还给住户带来不便，难以在实际中推广[2]。
（2）无线通信方式。包括无线电通信和红外通信等方式。此方案技术成熟，通信成功率高，传输频带宽，通信容量较大，安装调试方便。但其设备及安装成本较高，且易产生信道相互干扰。所以这种通信方式的使用场合有一定的限制，在自动抄表系统中多作为上层通信方案而不用于底层通信通道[3]。
（3）低压电力线载波通信方式。低压电力载波通信（Low-Power Line Carrier Communication，L-PLC）是利用现有的低压配电线路（220V或380V交流供电线路）作为通信介质，实现数据、话音、图像等综合业务传输的通信技术。PLC技术充分利用现有的电力线资源实现数据的传输，建设速度快，投资少，连接方便，覆盖范围大。基于低压电力线载波通信技术的自动抄表系统，无需线路投资，自动化程度高，易于与用电管理系统连接，其独特的优势给实际推广带来了极大的方便，应用日益广泛。是目前主要的发展方向[4]。
2 电力线载波自动抄表系统结构
低压电力线载波自动抄表系统是集电表数据采集、载波传输、数据存储、数据通信、数据处理及通断电控制等功能于一体的自动化系统。系统具有三层结构，即抄表管理中心、载波集中器、载波信息电表和多路采集终端。系统结构如图1所示：
2.1抄表管理中心
抄表管理中心由抄表管理计算机和上位机抄表管理系统软件组成，是抄表管理人员与本系统直接交流的部分。管理中心负责将数据集中器传输上来的用户电量信息汇总、整理后加以处理，提供给收费系统、用电管理系统使用。并通过上位机管理系统对辖区各载波集中器和载波电表进行管理，定期抄取集中器的数据。最后，还可以通过与银行建立合作关系，把管理中心的数据库和银行联网，由银行从用户在该行的存款账户上扣取电费，实现收费方式的全自动化。
2.2载波集中器
载波集中器是载波通信的中央设备，安装在低压配电变压器的低压侧，是整个系统的中心层。它向上通过公用电话线或GSM数据通道与抄表管理中心通讯，接收抄表管理中心的指令，自动完成电表数据抄录。向下通过低压电力线载波通信方式汇集该配变下所有载波信息电表和采集终端的数据，定时或不定时抄录载波信息电表和采集终端采集到的用户电量数据，并根据设置将数据保存。此外还需根据抄表管理中心的指令向载波表或采集终端发送用户供、断电分合指令，完成对用户的远程供、断电控制工作。
2.3载波信息电表
本方案中设计的是单相电子式载波信息电表。其位于用户端，直接采集用户电量数据，通过电力线载波通信方式向上传输给数据集中器。载波表集计量、显示、通讯功能于一体，具有外围元器件少、结构简单、可靠性高、载波通信能力强等优点。更适合用户比较分散台区的自动抄表，既规范又有一定的价格优势。
2.4多路采集终端
多路采集终端是针对小区中广泛采用的集中表箱安装方式设计的，即用一个采集终端采集同一表箱内的多块电表。其由多路主控模块、脉冲采集模块和继电控制模块组成。完成多路脉冲采集、载波信道收发、继电控制等工作。实现了多块电表对载波通信接口和脉冲采集的复用，具有优异的性能价格比，减少电表改造成本，现场安装方便。
3 载波信息电表设计方案
3.1 技术方案的选择
可供选择的电力线载波信息电表技术方案主要有以下几种：
(1)LonWorks技术方案。
(2)采用通用微处理器（MCU）+通信电路模块的多芯片解决方案。
(3)采用Soc(System on Chip)技术的多功能载波信息电表整体解决方案。
3.2 设计方案介绍
经过多方比较选择，本设计中采用了北京福星晓程公司专为多功能电能表推出的专用Soc芯片PL3201。该芯片内嵌兼容8051微处理器和福星晓程第四代电力线载波扩频通信内核，具有电能计量、载波通信等多项功能。由于采用了扩频调制技术，芯片的通信速率与抗干扰能力较高，而且具有多址通信能力，从而可解决多个相邻台区同时抄表造成的相互干扰[7]。
PL3201的内部逻辑功能框图如图2所示。
载波信息电表的结构框图如图3所示，具有电能计量、电力线载波通信、LCD驱动以及继电控制等功能。
3.3 载波通信模块硬件实现
载波通信模块硬件结构框图如图4所示。通信采用半双工方式进行。载波发送信号由芯片输出，首先经功率放大电路放大，然后由滤波电路滤波，最后经载波耦合电路耦合到电力线上；接收信号则先由载波耦合电路耦合至接收电路，由接收电路进行带通滤波和接收衰减后送入芯片进行后续处理。芯片内部将接收到的120KHz信号与内部的600KHz本振信号进行混频，得到480KHz中频带宽的差频信号。再将此混频信号输入到陶瓷滤波器进行滤波，滤波后送回芯片进行内部限幅放大、硬件解扩，进行有效数据的还原。整个通信过程需要芯片配合外围功率放大、接收回路协同工作完成。
3.4 载波通信模块软件设计
PL3201载波通信单元采用QPSK（四相相移键控）调制方式，可变伪随机码速率（带宽）的多地址通信技术。将要发送的信息用伪随机码序列扩展到较宽的频带上，在接收端用同样的伪随机码序列来进行同步接收，恢复信息。本设计为提高CPU效率，接收和发送采用中断方式处理，每次进入中断，完成对1字节数据的接收或发送处理。
在发送端，载波通信单元会在每次置为发送状态后由硬件首先发送40个（个数可变）伪码周期的全“1”序列用于使接收端与发送端伪随机码产生同步，然后由硬件自动发送帧头序列，其后跟数据体。载波通信发送中断程序框图如图5所示。
在接收端，载波通信的扩频、解扩工作完全由Soc内部的硬件电路实现。捕获和同步过程由载波通信控制单元的硬件电路自动完成，采用滑动窗口方式接收载波通信的同步帧头。数据接收采用中断方式处理，帧头接收成功后，每收到1字节数据，就产生一次中断，进入中断服务程序。载波通信接收中断程序框图如图6所示。
由于载波通信为总线方式通信，所以载波模块的常态设置为接收态。不同的载波模块分配不同的通信地址。载波模块接收到数据帧后，首先进行地址判别，地址相同的模块按规约进行应答，完成通信过程。
4 实验评价
利用样机在河北大学电信学院实验楼电力线环境下进行现场通信性能测试。通信距离30米，主要负荷为电脑、示波器、直流电源等实验室设备。通信方式采用主从式半双工通信方式进行。首先进行的是不加任何差错控制措施的通信性能测试。系统平均通信成功率达到74.92%。然后，系统加入检错重发措施（最大重发次数为3），在同样的实验环境下重新进行通信性能测试。系统平均通信成功率达到了98.55%，加入检错重发措施后系统通信性能有很大提高。最后，再对加入检错重发措施的系统接入1.5kw电阻性负荷进行通信性能测试。平均通信成功率下降为95.49%，可见，大功率用电负荷的接入对系统通信性能有较大影响。
通过对实验结果进行分析，发现大功率用电器接入造成通信成功率下降的原因是大功率用电器吸入了大部分信号能量，使信号衰减增大。同时又导致功放电路的等效阻抗变小，使发送端的信号输出电平减小。所以，优化功放电路和接收电路设计，提高功放电路的带负载能力和接收电路的灵敏度是提高通信可靠性的关键技术措施之一。
5 结束语
本文提出了一种基于电力线载波通信技术的自动抄表系统实现方案。该方案由Soc芯片PL3201作为核心实现，性价比好、集成度高、工作可靠。通过对其通信性能的试验评价，系统表现出了较高的接收灵敏度和较强的抗干扰能力。在加入简单的检错重发措施后，通信成功率就获得了较大提高。若通过后续研究引入高效的纠、检错编、译码方案以及合理的重传策略和自动中继措施，可望使系统通信性能达到令人满意的程度，具有较大的应用和推广价值。
参考文献：
[1]王月志，刘伯刚.自动抄表系统[J].电测与仪表，2004，(9):48-51.
[2]温晓楠，黄克强.基于电力线载波和前向纠错（FEC）技术的住宅小区自动抄表系统[J].自动化与仪表, 2004,(2).
[3]杨宏业，张跃，吕芳.自动抄表系统中通信方案的现状与展望[J].电测与仪表，2001，(8):8-10.
[4]王思彤，袁瑞铭，孙志杰.低压电力载波技术及其在抄表系统中的应用[J].电测与仪表，2008，(3)：31-34.
[5]北京福星晓程电子科技股份有限公司.PL3201 芯片手册[M].北京:北京福星晓程电子科技股份有限公司,2005.
基金项目：河北省科技攻关计划项目（072135190）
关键词：电力线载波通信；自动抄表；载波信息电表
中图分类号：TP18文献标识码：A
The Design and Research on Power Line Communication Automatic Reading Meter System
WANG Zhen-chao，GUO Wei-dong，WANG Yi-jin
(College of Electronic and Information Engineering, Hebei University, HebeiBaoding 071002)
Key words: power line Carrier communication; AMR; Carrier information meter
近年来，随着我国住宅产业和电力事业的高速发展，供电部门仅依靠传统的人工抄表，在实时性和准确性等方面都存在着严重的不足。建立一种新型的自动抄表系统已成为电力企业的重要课题。自动抄表系统简称AMRS(Automatic Meter Reading System)，是一种采用传感、通讯、计算机网络技术完成抄读和处理用户消耗能源的智能化管理系统[1]。它集计量、数 据采集、处理、通讯、管理于一体，并对城市居民户用耗能信息加以综合处理的系统。近年来，这一技术在国内外应运而生，而且发展非常迅速。
1 自动抄表系统现状
近年来，自动抄表系统在国内外发展迅速，并已步入实用阶段。系统中最关键的研究在于通信方式的选择，它占据了投资的相当大的部分。选择一种合适的通信方式，可以在很大程度上提高系统的可靠性和实用性，从而使系统得到广泛的推广。目前国内外研究中常见的自动抄表系统数据传输方式主要可以分为两种：
（1）独立总线通信方式。包括RS485总线等通信方式。此方式需另外铺设专用的通信信道，耗资较大，还给住户带来不便，难以在实际中推广[2]。
（2）无线通信方式。包括无线电通信和红外通信等方式。此方案技术成熟，通信成功率高，传输频带宽，通信容量较大，安装调试方便。但其设备及安装成本较高，且易产生信道相互干扰。所以这种通信方式的使用场合有一定的限制，在自动抄表系统中多作为上层通信方案而不用于底层通信通道[3]。
（3）低压电力线载波通信方式。低压电力载波通信（Low-Power Line Carrier Communication，L-PLC）是利用现有的低压配电线路（220V或380V交流供电线路）作为通信介质，实现数据、话音、图像等综合业务传输的通信技术。PLC技术充分利用现有的电力线资源实现数据的传输，建设速度快，投资少，连接方便，覆盖范围大。基于低压电力线载波通信技术的自动抄表系统，无需线路投资，自动化程度高，易于与用电管理系统连接，其独特的优势给实际推广带来了极大的方便，应用日益广泛。是目前主要的发展方向[4]。
2 电力线载波自动抄表系统结构
低压电力线载波自动抄表系统是集电表数据采集、载波传输、数据存储、数据通信、数据处理及通断电控制等功能于一体的自动化系统。系统具有三层结构，即抄表管理中心、载波集中器、载波信息电表和多路采集终端。系统结构如图1所示：
2.1抄表管理中心
抄表管理中心由抄表管理计算机和上位机抄表管理系统软件组成，是抄表管理人员与本系统直接交流的部分。管理中心负责将数据集中器传输上来的用户电量信息汇总、整理后加以处理，提供给收费系统、用电管理系统使用。并通过上位机管理系统对辖区各载波集中器和载波电表进行管理，定期抄取集中器的数据。最后，还可以通过与银行建立合作关系，把管理中心的数据库和银行联网，由银行从用户在该行的存款账户上扣取电费，实现收费方式的全自动化。
2.2载波集中器
载波集中器是载波通信的中央设备，安装在低压配电变压器的低压侧，是整个系统的中心层。它向上通过公用电话线或GSM数据通道与抄表管理中心通讯，接收抄表管理中心的指令，自动完成电表数据抄录。向下通过低压电力线载波通信方式汇集该配变下所有载波信息电表和采集终端的数据，定时或不定时抄录载波信息电表和采集终端采集到的用户电量数据，并根据设置将数据保存。此外还需根据抄表管理中心的指令向载波表或采集终端发送用户供、断电分合指令，完成对用户的远程供、断电控制工作。
2.3载波信息电表
本方案中设计的是单相电子式载波信息电表。其位于用户端，直接采集用户电量数据，通过电力线载波通信方式向上传输给数据集中器。载波表集计量、显示、通讯功能于一体，具有外围元器件少、结构简单、可靠性高、载波通信能力强等优点。更适合用户比较分散台区的自动抄表，既规范又有一定的价格优势。
2.4多路采集终端
多路采集终端是针对小区中广泛采用的集中表箱安装方式设计的，即用一个采集终端采集同一表箱内的多块电表。其由多路主控模块、脉冲采集模块和继电控制模块组成。完成多路脉冲采集、载波信道收发、继电控制等工作。实现了多块电表对载波通信接口和脉冲采集的复用，具有优异的性能价格比，减少电表改造成本，现场安装方便。
3 载波信息电表设计方案
3.1 技术方案的选择
可供选择的电力线载波信息电表技术方案主要有以下几种：
(1)LonWorks技术方案。
(2)采用通用微处理器（MCU）+通信电路模块的多芯片解决方案。
(3)采用Soc(System on Chip)技术的多功能载波信息电表整体解决方案。
3.2 设计方案介绍
经过多方比较选择，本设计中采用了北京福星晓程公司专为多功能电能表推出的专用Soc芯片PL3201。该芯片内嵌兼容8051微处理器和福星晓程第四代电力线载波扩频通信内核，具有电能计量、载波通信等多项功能。由于采用了扩频调制技术，芯片的通信速率与抗干扰能力较高，而且具有多址通信能力，从而可解决多个相邻台区同时抄表造成的相互干扰[7]。
PL3201的内部逻辑功能框图如图2所示。
载波信息电表的结构框图如图3所示，具有电能计量、电力线载波通信、LCD驱动以及继电控制等功能。
3.3 载波通信模块硬件实现
载波通信模块硬件结构框图如图4所示。通信采用半双工方式进行。载波发送信号由芯片输出，首先经功率放大电路放大，然后由滤波电路滤波，最后经载波耦合电路耦合到电力线上；接收信号则先由载波耦合电路耦合至接收电路，由接收电路进行带通滤波和接收衰减后送入芯片进行后续处理。芯片内部将接收到的120KHz信号与内部的600KHz本振信号进行混频，得到480KHz中频带宽的差频信号。再将此混频信号输入到陶瓷滤波器进行滤波，滤波后送回芯片进行内部限幅放大、硬件解扩，进行有效数据的还原。整个通信过程需要芯片配合外围功率放大、接收回路协同工作完成。
3.4 载波通信模块软件设计
PL3201载波通信单元采用QPSK（四相相移键控）调制方式，可变伪随机码速率（带宽）的多地址通信技术。将要发送的信息用伪随机码序列扩展到较宽的频带上，在接收端用同样的伪随机码序列来进行同步接收，恢复信息。本设计为提高CPU效率，接收和发送采用中断方式处理，每次进入中断，完成对1字节数据的接收或发送处理。
在发送端，载波通信单元会在每次置为发送状态后由硬件首先发送40个（个数可变）伪码周期的全“1”序列用于使接收端与发送端伪随机码产生同步，然后由硬件自动发送帧头序列，其后跟数据体。载波通信发送中断程序框图如图5所示。
在接收端，载波通信的扩频、解扩工作完全由Soc内部的硬件电路实现。捕获和同步过程由载波通信控制单元的硬件电路自动完成，采用滑动窗口方式接收载波通信的同步帧头。数据接收采用中断方式处理，帧头接收成功后，每收到1字节数据，就产生一次中断，进入中断服务程序。载波通信接收中断程序框图如图6所示。
由于载波通信为总线方式通信，所以载波模块的常态设置为接收态。不同的载波模块分配不同的通信地址。载波模块接收到数据帧后，首先进行地址判别，地址相同的模块按规约进行应答，完成通信过程。
4 实验评价
利用样机在河北大学电信学院实验楼电力线环境下进行现场通信性能测试。通信距离30米，主要负荷为电脑、示波器、直流电源等实验室设备。通信方式采用主从式半双工通信方式进行。首先进行的是不加任何差错控制措施的通信性能测试。系统平均通信成功率达到74.92%。然后，系统加入检错重发措施（最大重发次数为3），在同样的实验环境下重新进行通信性能测试。系统平均通信成功率达到了98.55%，加入检错重发措施后系统通信性能有很大提高。最后，再对加入检错重发措施的系统接入1.5kw电阻性负荷进行通信性能测试。平均通信成功率下降为95.49%，可见，大功率用电负荷的接入对系统通信性能有较大影响。
通过对实验结果进行分析，发现大功率用电器接入造成通信成功率下降的原因是大功率用电器吸入了大部分信号能量，使信号衰减增大。同时又导致功放电路的等效阻抗变小，使发送端的信号输出电平减小。所以，优化功放电路和接收电路设计，提高功放电路的带负载能力和接收电路的灵敏度是提高通信可靠性的关键技术措施之一。
5 结束语
本文提出了一种基于电力线载波通信技术的自动抄表系统实现方案。该方案由Soc芯片PL3201作为核心实现，性价比好、集成度高、工作可靠。通过对其通信性能的试验评价，系统表现出了较高的接收灵敏度和较强的抗干扰能力。在加入简单的检错重发措施后，通信成功率就获得了较大提高。若通过后续研究引入高效的纠、检错编、译码方案以及合理的重传策略和自动中继措施，可望使系统通信性能达到令人满意的程度，具有较大的应用和推广价值。
参考文献：
[1]王月志，刘伯刚.自动抄表系统[J].电测与仪表，2004，(9):48-51.
[2]温晓楠，黄克强.基于电力线载波和前向纠错（FEC）技术的住宅小区自动抄表系统[J].自动化与仪表, 2004,(2).
[3]杨宏业，张跃，吕芳.自动抄表系统中通信方案的现状与展望[J].电测与仪表，2001，(8):8-10.
[4]王思彤，袁瑞铭，孙志杰.低压电力载波技术及其在抄表系统中的应用[J].电测与仪表，2008，(3)：31-34.
[5]北京福星晓程电子科技股份有限公司.PL3201 芯片手册[M].北京:北京福星晓程电子科技股份有限公司,2005.
基金项目：河北省科技攻关计划项目（072135190）