全数字载波抄表系统的研究与设计

     摘 要：分析了我国低压电力线载波信道特征和传统载波通信电路的机理，指出传统载波通信芯片的抗干扰和抗衰减性能不足以克服低压电力线路的障碍。为此设计出一种符合我国低压电力线载波信道传输特性的数字载波抄表系统，载波电表和集中器的通信电路放弃传统的载波芯片，结合窄带调频通信和宽带扩频通信优势用软件进行载波信号的调制解调，其参数可自适应调整以兼顾抄表的速度和成功率，该系统的抗衰减和干扰的性能具备极大的优势，能够实现可靠的电力载波抄表。

关键词：自动抄表系统；低压电力线载波通信；扩频通信

    预付费电表方式和集中抄表方式都能免去人工抄表的麻烦，但预付费电能表并不能满足自动化配电系统及时了解电网负荷情况的要求，同时在线损计算上也有困难，而自动抄表技术在现代化管理方面具有很大的优势，代表配电自动化的发展趋势。

1自动抄表与载波通信

    集中抄表的媒介可以有低压电力线、双绞线、同轴电缆等，只要有建筑物就会有电力线，以电力线为传输信道免去了重新架设线路的麻烦，能够大大地减少投资和线路维护工作,因此在集中抄表方案中，电力载波自动抄表系统的成本，可限度地发挥电力系统的优势。

    载波抄表系统如图1所示，在载波抄表系统中每个变压器供电台区安置一台集中器，若干块电表。集中器通过低压电力线路接收各电表的数据再通过普通电话调制解调器或其他方式向用电管理中心转发电表数据。电力载波抄表是电力系统特点的自动抄表方案，但低压电力线路的恶劣通信环境造成的抄表成功率低这一现象却阻碍载波抄表技术的大量应用，所以在载波抄表系统中，最的问题是低压电力载波通信。


     本文通过长时间对我国低压电力线路通信特性和现代通信方式的研究以及大量载波抄表系统应用的经验教训，研制出一种成本低，通信可靠性高的数字电力载波抄表系统，能够解决以往电力载波通信成功率低的问题。

2我国电力载波抄表存在的问题

    220V线路并不是专门的通信线路，不可能对线路中的负载作出有效的限制，这使得低压电力线载波信道呈现这样的传输特性：线路衰减严重，各种干扰噪声强而且成分复杂［１］。

   载波信号在电力线路上的衰减主要是电力线上有大量的用电负载和电力设备(如无功补偿电容)造成的。实验表明，载波信号在电力线上的衰减既与用电负载有关又与电力线路距离有关。

   电力线路上的干扰源包括脉冲噪声和等幅振荡波干扰。脉冲噪声是具有瞬间、高能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信号传输的影响相当大，不仅会造成信号的误码率高，使得接收装置无法对信号进行正确的接收。

   由于我国电器上网的电磁兼容性没有欧美控制得严格，因此我国电力网的衰减和干扰要比欧美严重得多，电力线的通信环境也更加恶劣。

   载波通信的成功率主要取决于接收载波信号的信噪比和通信芯片的接收灵敏度。由于电网谐波系数的规定和电表体积和成本的限制，载波发信功率不可能过大，而电网上的噪声却极其复杂，载波信号在接收端经常被大量的噪声淹没，所以抄表的成功率主要取决于载波通信芯片的性能。目前的通讯芯片主要有两类：一类是窄带通讯(如FSK)，另一类是扩频通讯。

    因为窄带FSK通讯方式价格低廉并且较为容易实现，所以在以往的应用中比较流行，典型电路是ST7536通信芯片，该芯片在集成电路内采用了硬件数字滤波因而对通信频带外的干扰有较好的滤波，但抗同频干扰(与载波信号频率接近的干扰)能力差。所以尽管目前不少厂家采用ST7536来进行载波抄表，但其抄收成功率达不到现场要求。

   近年来，国内外一些厂家推出了基于扩频方式的载波芯片，包括美国Intellon公司的SSCP300和国内一些公司推出的电路。所谓扩频通信就是在发信端将信号频谱扩展后再进行传输，在收集端运用相关手段将接收信号解扩后再解调的通信手段。因为扩频载波信号的带宽通常较大(几十至几百kHz)，所以其受干扰的频率范围所占比例相对减小，换句话讲，就是各种噪声仅能影响到一小部分所要传输的信号，而大多数的信号都能够完整、正确的到达目的地，所以对于各种类型的干扰都具有较强的抵抗性。

   从理论上而言，扩频通信具有很强的抗干扰能力，然而在电力线通信实践中却发现这些扩频通信芯片的使用效果与ST7536相比较并无优势。产生这一现象的根本原因有以下两点：

(1)部分扩频通信芯片是针对当地电网情况用于室内通信而设计，其目的是解决室内的计算机联网，通信速率较快(如SSCP300可达10kB/S)使得载波信号解扩之后的规一化信噪比已经不如ST7536；

(2)扩频方式抗干扰的优势是针对与载波信号频带接近的干扰信号，当干扰信号是通信频带外干扰信号时，主要依靠滤波电路来克服。

   国内厂家推出的芯片采用窄带扩频方式，速度一般不超过600bps，克服了上述个缺点，但通信效果并不理想。由于成本的限制这些电路都是以芯片内集成模拟比较器(也称为1位AD转换器)为基础对载波信号采样，然后再进行调解，这就决定了它们的接收灵敏度与ST7536相比无本质上的区别。只有在载波信号超过接收灵敏度且与干扰信号与载波信号的频带相近时才能显示一定的优势，而且由于这些芯片内部的数字滤波性能不如ST7536，其优势还大打折扣。

    目前市场上的载波通信芯片的通信性能都不足以保证克服电力线路对载波信号的衰减，所以抄表的成功率得不到保证。一些厂家用电能表中继接力通信的方法来提高通信成功率，接力抄表效果取决于中继路径选取的准确程度，在无法得知电表与采集器之间以及电表之间的相对距离条件下，中继路径的准确选择是困难的，不管这些厂家如何号称是“自适应路径”还是“神经元中继”，都无法保证抄表系统的实时抄收率。
这就是载波抄表系统虽然是最适合电力系统的抄表模式，却难以大规模推广的根本原因。

3全数字载波抄表系统

    本文研制的数字载波抄表系统针对载波抄表系统的上述问题综合当前先进的通信及信息处理模式从根本上低成本地解决了抄表领域的通信障碍。本抄表系统之所以称为数字载波抄表系统，因为无论集中器还是电表端的通信电路都是以CPU或DSP内进行的数字信号处理为来进行载波信号的调制解调。

     本抄表系统的优势主要在载波通信部分，以往电力载波通信电路所使用的通信方式无论是窄带调频还是宽带扩频通信都各有其特点；当整个频带干扰情况较平均时，宽带扩频通信具有优势。当整个频带干扰严重而载波通信所选择的通信频带内干扰较小时，窄带调频通信具有优势。我们总结了以往电力载波通信电路的基理和中国电网的具体衰减特征，结合窄带调频通信和宽带扩频通信优势，以扩频通信为基础，扩频方式采用直接序列扩频，调制方式为相移键控，同时我们设计的通信频带相对较窄。在相对较窄的频带内传输扩频信号，耦合电路能够挡柱大量的通信频带外干扰，扩频解调方式又能够抵抗远强于载波信号干扰。由于是用软件进行调制解调，当通信频带内出现极强的干扰时，软件可自动选择备用频率进行通信，这些功能使本方案具有强大的抗干扰能力。

    本文集中器和载波电表所采用同样的调制解调方式，而且都是通过软件运算来实现，其区别在于载波信号的采样电路。电表数量大，要求成本低，本文设计使用模拟比较器来取样；由于一个抄表台区只有一个集中器，所以只要能够达到更好的通信指标，通信电路的成本可以高于电表端，本文集中器端的通信电路以DSP控制12位A/D转换器来取样载波信号。

3.1电表的通信性能

    电表端采用本文设计的嵌入式快速CPU，由芯片进行载波信号调制解调、电能脉冲采集管理、载波通信协议处理等电表要求的综合能力，属于典型的SOC(System OneChip)系统［２］。

    如图2所示，该表设计有四个功能模块：①信号采样与电能计量部分，电能计算方式可对机械转盘脉冲采集(机电式)，也可对专用集成电路形成的电能脉冲采集(全电子式)；②数据处理和控制部分，完成电能计算、数据处理显示及负荷控制(可由继电器切断供电线路)；③载波收发电路，包括耦合电路和功率放大电路；④载波信号调制解调。 


   载波信号通过耦合器从电力线接入电表，然后通过模拟比较器对载波信号采样后送至快速CPU运行软件进行数字滤波和解调。其通信方式以扩频通信为基础，结合多种抗干扰算法。

    虽然都采用扩频通信方式进行调制解调，而且都采用模拟比较方式(或1位A/D)来取样载波信号，数字载波电表端的通信性能相对于其他的扩频载波通信芯片具有明显的优势。其主要原因在于：

(1)模拟比较器取样的灵敏度主要取决于基准电压的，专用扩频通信芯片的基准电压都由固定电路产生，当该电压的不稳定会严重影响载波接收灵敏度。本数字载波电表的CPU内集成有10位AD转换器，其转换速度慢，无法用于载波解调，却可以通过采样模拟比较器的基准电压，利用软件进行补偿运算来抵消基准电压的不稳定。所以数字载波电表的通信接收灵敏度虽不如数字载波集中器端(12位A/D采样)，却远强于其他扩频通信芯片；

(2)大部分内通信芯片对载波信号的滤波都是依靠软件完成，其性能严重依赖器件参数，而本设计依靠软件运算完成，滤波更高，而且对器件参数要求不严有利于生产；

(3)本文通过软件进行解调运算时能够根据载波信号的强弱自动灵活调整各种参数以适应信道的衰减变化，能够限度地发挥扩频通信的抗干扰性能。

   通过大量的实验证明，数字载波电表对载波信号的接收能力大大优于其他厂家的产品，而且所采用CPU抗干扰能力强、功耗低，完够同时完成电表管理和载波信号的解调工作。由于没有专门的载波通信芯片，该电表具备高性能、低成本的特点。

3.2集中器的通信性能

   集中器在抄表系统中对各载波电表进行集中抄表和控制，根据管理中心的命令进行实时和定点抄表，具有数据记录、保存和通信功能。该集中器采用双CPU方案，本文设计使用PIC单片进行系统管理、与后台管理中心的信息交换以及载波抄表的协议处理，同时采用DSP来进行载波信号物理层的调制解调和链路层的协议处理，两CPU之间采用串行口来交换数据。

    集中器端的载波通信电路以DSP和12位AD转换器为，载波信号耦合电路与电表端一致，但载波发送功率放大电路的性能远强于电表端。通信算法程序在DSP内，由CPU控制通过12位AD对载波信号采样进行数字信号处理扩频通信芯片虽然可以选择几种通信速率，但只能够通过硬件设置来固定使用一种通信速率，在同一抄表台区中使用的还是一种速率，无法兼顾通信性能和速度。

    本系统则完全克服了这一缺点，电表和集中器端的通信电路均以软件运算为构成。其算法中，除了扩频通信运算外，还加入了模仿生物进化规律的遗传算法(GA)。GA是强调目的性的算法，着重解决现实中的优化问题，是一种基于进化论优胜劣汰、自然选择、适者生存和物种遗传思想的搜索算法，它通过模拟生物在自然界中遗传变异与生存竞争等遗传行为，让问题的解在竞争中得以改进(或进化)，以求得问题的满意解或解。本系统正是根据载波

   信道的条件通过GA方式运算来确定扩频通信的参数，以保证抄表性能和时间匹配，这一过程是由集中器和电表内的通信软件全自动完成，无需人工干预。

   国内公司推出的扩频载波通信芯片的速率一般不超过600bps，本系统采用1000bps速率抄表时，载波电表的通信性能已经优于它们，当本系统根据信道条件自适应降低通信速率以适应抄收远距离电表时，它们只好“望表兴叹”。这样本系统的抄表性能和时间同时取得了优势。

3.3中继抄表时路径选择的优势

    综上所述，本系统对每块电表进行固定抄收时的通信性能相对其他的同类产品有极大的优势。本系统的电表直抄成功率明显高于其他系统，但由于电力线路的复杂特性，本系统同时具备了中继抄表功能以应对衰减和干扰严重的情况。

    所谓中继抄表就是用已经抄收成功的电表作为中间接力去抄收直接抄表未能成功的电表，接力抄表的效果关键取决于中继路径选取的准确程度，在无法得知电表与采集器之间以及电表之间的相对距离条件下，中继路径的准确选择是困难的，不管这些厂家如何号称是“自适应路径”还是“神经元中继”，由于电力线拓扑网络极其复杂，在没有每块电表的接收信号幅度等参数情况下，中继点的选择是根本没有通信理论依据的，其中继只能“摸石头过河”。所以这些厂家虽然采用了中继抄表但仍无法保证实时抄表成功率。

    本系统的中继路径选择与其他系统比较有着本质的不同，由于集中器和电表均是采用软件运算进行调制解调，所以在解调运算的同时还可计算出接收集运算解调，这样可为大幅度提高载波信号接收灵敏度提供坚强的物质基础。经大量实验可达到0.2mV，基本能克服电网的衰减。在抗干扰性能方面，带A/D的数字滤波运算可以滤掉大量复杂的无用信号，其是模拟滤波器和不带A/D的数字滤波远远不能比拟的，在扩频解调上采用软件计算可实现即便是在载波信号很弱时也能成功接收。

4全数字载波抄表系统的整体通信优势

    数字载波电表的通信性能与其他载波电表相比具备相当的通信优势，集中器的通信优势更加明显。由于集中器和电表的通信电路都采用以软件运算为的全数字载波通信技术，它们的组合应用使得本抄表系统的通信性能与其他系统相比具备质的飞跃。

4.1通信性能的上下行匹配

    其他抄表系统电表和集中器采用同样的通信芯片，集中器的载波发送功率远大于电表端，所以在抄表系统中经常出现电表能接收到集中器的下行指令，而集中器却无法收到电表的回应信息现象。
本载波电表的通信电路由于采用模拟比较器采样载波信号结合NS-PL内的软件运算来解调，其通信性能优于其他厂家的产品，但远不如本抄表系统集中器端的通信性能。因此本系统在抄表时，集中器端和电表端的载波发送功率强弱，正好由他们的通信接收性能的差异来弥补。在很大程度上克服了普通抄表系统集中器下行命令容易成功而电表回送信息困难的弊端。

4.2用遗传算法选择扩频通信参数

    扩频通信最本质的特点就是牺牲通信的速率以换取通信的成功率，而抄表系统所要求的通信速率不高，一般接近1kbps的速率就能够被接受。正由于这些因素，抄表领域采用扩频通信已是大势所趋。

    扩频倍数越大，抗干扰能力越强，但通信速率却越低，抄表时间也越长；扩频倍数越小则正好相反。所以扩频倍数的选择必须兼顾通信的性能和抄表的速度。由于供电台区内不同位置电表在抄表时的接收信噪比差异很大，因此如果要兼顾通信性能和抄表速度，就要求扩频倍数随信道特性而自适应变化。

    遗憾的是，目前其他抄表系统都是以固定速率抄表的，部分厂家提供的信号的信噪比等接收信号参数，通过这些参数可准确地判断电表所在的电力相线，还能计算出集中器与电表的电气距离以及电表之间的相对距离，使所选取的接力电表的电气距离正好处于集中器和直抄失败电表的中间区域，经大量实验证明，其度完全满足中继路径的选取范围。这种中继抄表方式和其系统的中继方式相比较，毫无疑问具有质的区别，可称为“准确中继”。

5结束语

   全数字载波抄表系统优越的通信性能和中继接力性能已经在反复实验中证明，我们相信该系统完够成功地进行实时抄表，长期困扰电力系统的集抄难题可望解决。

参考文献
［1］周耀义，鲍滨寿.低压电力用户远程自动抄表系统［J］.电力系统自动化设备，1999，19(2)：64-65.
［2］李治，黄璐，赵伟.利用其他领域成果，推动自动抄表进步.电测与仪表，2001，38(11)5-9.