基于低压电力线载波的远程抄表系统集中器的设计

电力18讯：    一, 设计背景
1.远程自动抄表简介:
    远程自动抄表系统就是一种可以自动采集和记录电力系统客户负荷的用电情况,并且通过一定的通信方式,自动将记录的数据和客户信息通过信道传回电力用电管理中心,并由系统进行数据处理,自动完成电力系统用电客户的电能量计费和管理功能的系统.
2. 低压电力线载波通信:
    低压电力线载波通信以低压电力线为通信媒介,用户终端的用电数据与集中器之间的通信通过电力线载波技术来完成.
3.基于电力线载波通信远程自动抄表系统组成:
    系统主要由采集用户电能表电能量信息的采集终端,集中器,信道和主站等设备组成.集中器安装于输电变压器附近,用来抄收采集终端采集普通电能表的数据,利用拨号,Internet 等多种信道送到抄表中心,并将抄表中心的命令传输到采集终端.
4. 低压电力线载波的远程抄表的优点:
    利用现有的电力线作为通信介质,进行远程抄表和实时监控是一种高新技术,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,减小人为差错,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,以其低廉的成本成为市场的首选技术.而且通信技术,计算机技术和智能控制的发展,为电力线载波抄表创造了条件.
5.低压电力线载波的远程抄表系统实现的技术难点:
    低压电力线载波通信的通信距离和通信质量是系统的实现的难点.影响电力线载波传输质量的主要因素有:电力网络的阻抗特性,衰减特性及噪声的干扰.前两者制约信号的传输距离,后者决定数据传输的质量.这是由电压电力线本身的传输特性决定的.
(1) 线路的干扰和衰减很大.低压电力线路上随机接入很多的用电设备,部分会产生很大的干扰.如开关电源,变频设备等.部分可能对载波信号的衰减很大.
(2) 线路的阻抗随时间变化.由于低压电力线上的用电设备接入有很大的随机性,
而每个用电设备在线路上都是衰减源,从而使得线路上的阻抗呈动态变化,这使得线路上的设备之间传输数据时阻抗无法与线路匹配,造成信号反射和注入线路信号减弱,直接影响传输的质量.
(3) 传输的质量随时间变化,由于干扰,衰减和线路阻抗是动态变化的,所以不同时段的传输质量有很大的差异.
(4) 点对点的传输存在不确定性.就低压电力线路上的两个设备而言,其传输的成功与否是随时间变化的,在用电低谷调制的信号可以被传输的很远,两个设备可以直接通讯,而在用电高峰调制信号很快被衰减,并受到很强的干扰,两个设备可能不能直接
通讯.
二, 设计目标
1. 实现集中器的基本功能
集中器的基本功能如下:
a) 抄收功能,抄收采集终端采集的用户用电数据.
b) 设置功能,包括抄表时间设置,固定中继设置.
c) 通信功能,集中器接收上位机下载数据.
d) 数据处理,包括数据的存储,冻结.
e) 校时功能,可通过上位机进行系统校时,调整时间误差.
f) 中继功能,增加传输距离.
2. 引进实时操作系统μC/OS-Ⅱ,增强系统的实时性,可维护性和可扩展性.
    一般的嵌入式软件系统的设计都是采用前后台式的设计方法,前台程序是实时中断程序,用来处理异步事件.后台程序是一个无限的循环,循环中调用相应的函数完成相应的操作.系统在处理信息及时性上,比实际上可以做到的要差;当系统任务多时,要实现多个任务实时操作的传统方法是采用多级嵌套来实现多个任务并行处理,增加了软件的编写难度,降低了软件系统的可靠性;各任务之间信息交换困难.前后台设计方法一般采用全局变量的方法来解决统讯问题,情况复杂时容易出错,如果调用不当就会发
生死锁.
3. 采用嵌入式Internet技术,通过网络接口实现集中器和主站的通信.
    随着网络技术的发展,Internet 技术成为信息交换的重要途径.在系统中实现网络接口,为用户提供更友好的操作界面.
4. 实现一种自动中继算法,弥补固定中继算法的不足.
    传统的解决电力线通信距离的方法是采用固定的中继算法.固定中继算法对于系统的扩展和系统的维护都有很大的缺陷.我们拟实现一种自动中继的算法,当电力通信不能可靠完成时,系统自动完成数据的中继,从而增加系统的一次抄表成功率.
三, 设计框图
    集中器本身由主控单元,数据存储单元,时钟单元,载波通信单元,数据传送通信
单元等部分组成.
    主控单元采用STR912FW44ARM芯片,主要完成整个系统的监控,与上位机采集终端通信,数据存储,系统配置功能.
    电话MODEM单元主要利用公用电话网和集中器通信.上位机通过公用电话网实现对用户数据抄收,系统较时和系统设置功能.
    电力MODEM和电力线接口单元完成集中器和采集终端的通信功能.电力MODEM单元完成用户数据的调制和解调功能.我们采用意法半导体公司生产的电力MODEM芯片ST7538作为调制解调器;电力线接口单元主要完成调制后的数据与电力线的耦合.
    红外模块单元主要是用来系统的初始配置功能,在上位机和集中器远程通信受阻时,允许工作人员通过红外模块完成数据的抄收等功能.
    网络接口模块主要是用来完成上位机通过公用Internet网络和集中器通信的功能,采用嵌入式WEB
技术,为用户提供更友好的操作界面.
四, 设计实现
    为了提高项目的开发进度,我们采用英蓓特公司生产的Embest STR912 开发板作为开发调试的主控板,利用开发板上面的网络接口和串口接口模块进行调试开发工作.
    我们把系统上面的电力MODEM模块,电话MODEM模块和红外线模块在实验板上面实现.利用开发板和实验板构建了一个简易的开发平台,设计和验证系统功能.目前正在调试主控板和实验板上面电力线模块之间的通信.