CN101136723A - 自适应电力载波集中器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自适应电力载波集中器，包括微处理器，连接于微处理器的电力载波通讯单元、外部存储单元、红外通讯接口、连接于电力载波通讯单元的电力线耦合接口，以及连接在电力载波通讯单元与电力耦合接口之间的功放电路，其特点是电力载波通讯单元由专用扩频载波芯片构成，用于以码分多址扩频方式与各抄表终端通讯；功放电路由正弦波放大电路构成，用于对电力载波通讯单元输出的信号进行正弦波放大；集中器还包括一纠错编码单元，对发送给电力载波通讯单元的数据进行前向纠错编码，对从电力载波通讯单元接收的数据进行纠错解码；一巡测单元，通过执行巡测步骤，建立与各抄表终端通讯的路由表。本发明可在不提高发送功率的条件下提高通讯的稳定性，有利于减少对电力线的谐波污染。

Description

自适应电力载波集中器

技术领域

本发明涉及一种用于自动抄表的自适应电力载波集中器。

背景技术

电力行业中利用电力线载波技术实现自动抄表的应用可以大大提高供电部门抄表工作的效率，减轻工作人员的抄表工作强度。现在，自动抄表技术已成为电力智能管理的潮流，是电力营销信息系统必不可少的组成部分。寻求简单、可靠、高性价比的抄表技术是仪表通讯领域的重要研究内容。

在自动抄表技术的底层通讯中最受关注的还是通过电力线载波方式。图1示出现有的一种集中器模块结构框图。如图1所示，通用集中器100基本组成部分有主控单元MCU 101，外部存储单元102、红外通讯单元103、电力线载波控制单元104、电力线耦合接口105和电源模块106。

MCU101是整个系统的核心，执行对各项指令的操作和对外部单元数据的存取。电力线载波通讯模块104是载波通讯的核心部件，通过它在低压电网上和其它相关产品实现通讯，把数字信号通过调制器转换为模拟信号，经过过放大、整形，通过电力线耦合接口105直接耦合在交流220V低压电网上，解调电路是把在电网上传送的信号解调还原成数字信号，一般采用FSK后或DPLSK方式。外部存储单元102，主要是存放一些重要数据信息和一些运算常量，一般是电表的表示数。红外通讯接口103，主要是通过红外口可以对集中器内的数据刷新修改，为本地维护提供保障。电源模块106提供整个系统的动力，一般采用线性电源较为稳定工作。

目前的集中器结构简单维护使用方便，电力线通讯组网迅速可靠，但也存在一个不足。由于从用户角度分析，通讯产品要适应一切可能的恶劣工作环境，通讯系统必须保证网络通讯正常，通常采用放大载波发送功率的方式来提高通讯质量，但这样谐波成分过高，对电网产生污染；或者采用提高增益的措施，但也往往都是不可能完全彻底解决通讯质量问题。引用IEC611334总则中一段话，要解决配电线通讯信道上信号传输衰减大，噪声电平高，耦合阻抗随时会有不可预测的变化的问题，只从物理层信到的通讯能力上下工夫是做不到的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于自动抄表的自适应电力载波集中器，在不提高发送功率的前提下保证网络通讯正常。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种自适应电力载波集中器，包括微处理器，连接于微处理器的电力载波通讯单元、外部存储单元、红外通讯接口、连接于电力载波通讯单元的电力线耦合接口，以及连接在电力载波通讯单元与电力耦合接口之间的功放电路，其特点是所述电力载波通讯单元由专用扩频载波芯片构成，用于以码分多址扩频方式与各抄表终端通讯；所述功放电路由正弦波放大电路构成，用于对电力载波通讯单元输出的信号进行正弦波放大；所述集中器还包括：一纠错编码单元，对发送给电力载波通讯单元的数据进行前向纠错编码，对从电力载波通讯单元接收的数据进行纠错解码；一巡测单元，通过执行巡测步骤，建立与各抄表终端通讯的路由表。

所述的自适应电力载波集中器，其中，所述巡测步骤包括按照抄表终端地址顺序对各抄表终端进行召测，发送报文，将召测成功的抄表终端记录在路由表中，将召测次数超过设定值而仍未召测成功的抄表终端记录在异常表中。

所述的自适应电力载波集中器，其中，所述巡测单元执行第一次巡测步骤，建立包括能够成功召测的抄表终端的一级路由表；在第一次巡测中，如有未能成功召测的抄表终端，建立一级异常表，并执行第二次巡测步骤，通过一级路由表的节点中继转发未成功召测的抄表终端，建立二级路由表，依次类推；如果经过N次巡测后，仍有未能成功召测的抄表终端，则停止巡测，建立N级路由表和N级异常表，其中N＝2，3，4...。

所述的自适应电力载波集中器，其中，所述路由表和异常表储存在所述外部存储单元中。

所述的自适应电力载波集中器，其中，所述巡测单元每隔一设定时间执行所述巡测步骤。

所述的自适应电力载波集中器，其中，所述微处理器采用基于ARM核的MCU。

所述的自适应电力载波集中器，其中，所述电力载波通讯单元采用PL3200或者PL3201专用扩频载波芯片。

所述的自适应电力载波集中器，其中，所述功放电路包括信号整形电路和功率输出电路，所述信号整形电路输入端与所述电力载波通讯单元输出端连接，所述功率输出电路输入端与信号整形电路输出端连接，输出端连接到所述电力耦合接口。

本发明自适应电力载波集中器相比现有集中器的优点是：

1.电力线载波通讯采用扩频通讯码分多址方式，伪随机数达到63位，可在噪声淹没信号的环境下识别有效信号。

2.采用前向纠错编码技术，可以在一帧有效报文受到干扰时仍然能够还原，减少通讯次数提高通讯成功率。

3.主控单元硬件采用基于ARM为核心的MCU为系统的稳定性和快速响应提供保障。

4.电力线载波供放电路采用AGC自动增益控制，输出信号为正弦波，减少谐波分量对电网的干扰。

5.动态调整中继通讯接点，记录每个路由生成表。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明的特征和优点，其中：

图1是已有的电力载波集中器的结构框图；

图2是本发明自适应电力载波集中器的结构框图；

图3是本发明自适应电力载波集中器的功放电路的电原理图；

图4是本发明自适应电力载波集中器的巡测步骤流程图；

图5是本发明自适应电力载波集中器的中继网络拓扑图；

图6是本发明自适应电力载波集中器的发送报文流程图；

图7是本发明自适应电力载波集中器的接收报文流程图。

具体实施方式

图2是本发明自适应电力载波集中器的结构框图。请参阅图2，本发明自适应电力载波集中器包括微处理器1、电力载波通讯单元2、电力线耦合接口3、功放电路4、外部存储单元5、红外通讯接口6、以及电源模块7和电池电容8。微处理器1连接电力载波通讯单元2，电力载波通讯单元2连接电力线耦合接口3，以接收输入的调制信号，功放电路4连接在电力载波通讯单元2和电力线耦合接口3之间，以对输出的调制信号进行放大。外部存储单元5和红外通讯接口6连接于微处理器1，外部存储单元5提供扩展的存储空间，以存储微处理器1建立的路由表等，采用了电池电容8双保电的方法，可靠保证断电的情况下，数据依然存在。红外通讯接口6用于对集中器内的数据刷新修改。

电力载波通讯单元2采用码分多址扩频通讯方式进行通讯，采用PL3200(或者PL3201)专用扩频载波芯片，这是一块带有51系列核心的芯片，可以方便通过编程来完成双向通讯功能，采用QPSK(四相相移键控)调制技术，在带宽不变的情况下数据传输速率是BPSK(二相相移键控)的一倍，采用CDMA码分多址扩频方式63位PN码，其地址数最多可达到41个，将台区之间的干扰减小到最低。电力载波单元2在发送状态时，用于将来自微处理器1的数字信号进行QPSK调制后输出，电力载波单元2为接收状态时，用于设定本地与接收到的伪随机码序列相位同步的捕获门限值，PL3200(或者PL3201)芯片的硬件将会按每个伪码周期对本地产生的伪码与接收到的伪码进行相关计算，计算的结果与门限值比较，若小于门限值将进行码序列相位调整，直到相关计算结果高于设定的捕获门限。

图3是本发明自适应电力载波集中器的功放电路的电原理图。请结合参阅图3所示，功放电路4包括一个信号整形电路41和一个功放输出电路42，信号整形电路41是由运放NE5532及电阻电容组成的前置放大电路，其输入端连接在扩频载波芯片PL3200的PSKOUT口；功放输出电路42是由一对互补管BD237、BD238及其他三极管、二极管和电阻构成的互补推挽功率放大电路，其输入端耦接在信号整形电路41的输出端，其输出端与电力线耦合接口连接；在功率输出电路42中还设有保护电路P6KE，防止电网的浪涌损坏电路。扩频载波芯片PL3200接收端采用电感、阻容滤波滤出高频分量，通过10nf电容耦合进入扩频载波芯片。耦合变压器Trans采用负温度系数磁性材料，保证输出和接口信号的传递性能启到较好的阻抗匹配。

在本实施例中，微处理器1较佳地采用较为先进的32位基于ARM核的MCU，具有高的指令吞吐量、出色的实时中断响应、高性价比的宏单元，为系统的稳定性和快速响应提供保障。集中器中包括一纠错编码单元11和一个巡测单元12，耦接于微处理器1，分别承担通讯中的纠错编码、解码和巡测任务的执行，可以理解，纠错编码单元11和巡测单元12均可通过对微处理器1的编程实现。

本集中器经过纠错编码，利用码分多址扩频方式直接与各抄表终端通讯，在一般情况下，前向纠错编码可保证网络通讯正常。但在电力载波通信线路环境很恶劣的情况下，集中器可能无法直接与每个抄表终端通讯，因此本集中器由巡测单元12采用一系列巡测步骤来建立与各抄表终端的路由表，从而形成一个连通所有抄表终端的网络拓扑。

图4是本发明自适应电力载波集中器的巡测步骤流程图。请参阅图4所示，该程序流程包括以下步骤：

S1：启动巡测任务状态标志；

S2：执行定时巡测步骤，按照抄表终端的地址顺序逐次召测，召测的过程是对抄表终端发送报文(步骤S21)，并检验报文是否正确地被接收(步骤S22)，如果没有，则一般重复3次(步骤S23)，对于连续3次未召测成功的，记录在一级异常表中(步骤S24)，在所有抄表终端都巡测完后，生成一级路由表(步骤S25)；

S3：检测是否出现异常记录，如果有，则启动中继转发(步骤S31)，即返回巡测步骤S2，通过一级路由表的节点中继转发未成功召测的抄表终端，原则上优先采用就近节点中继转发，例如采用地址编号为n-1或n+1的抄表终端中继地址编号为n的抄表终端，但其并非唯一可实施的例子；如果没有异常记录，则返回程序主循环(步骤S32)。

微处理器1每隔一定时间执行巡测步骤，刷新路由表和异常表，按照巡测步骤的执行次数，生成一级、二级、…、N级路由表和一级、二级、…、N级异常表，其中N为自然数，但N一般不超过3，亦即经过三次巡测后仍然未召测到的，停止巡测，根据路由表建立如图5所示的中继拓朴图，该拓朴图包括由本集中器构成的首接点501、由部分抄表终端构成的一级中继点502、由部分抄表终端构成的二级中继点503、以及由其他抄表终端构成的三级中继点504，作为首节点501的集中器根据各节点的通信状况动态调整它们所处的关系，因此一级、二级或者三级中继点以及它们之间的中继关系是可随网络通讯状况变化而动态变化的，动态变化则是通过巡测步骤实现。巡测过程中获得的路由表和异常表，可储存在外部存储单元5中。

图6是本发明自适应电力载波集中器的发送报文流程图。请参阅图6所示，上述发送报文的步骤S21进一步包括步骤：调用纠错编码单元11，进行纠错编码(步骤S211)；请求发送巡测报文(步骤S212)；检查发送启动标志位是否有效(步骤S213)，如果发送启动标志位无效，可能其它任务程序占用(步骤S214)，在发送启动标志位有效的前提下，调用纠错编码单元11的纠错编码程序，拼装报文结构帧，发送报文(步骤S215)。

图7是本发明自适应电力载波集中器的接收报文流程图。请参阅图7所示，上述接收报文的步骤S22进一步包括步骤：先检查接受缓冲器标志位(步骤S221)；如果接受缓冲器标志位置位的话，说明其它任务占用(步骤S222)，如果接受缓冲器标志位为零，可以接收帧报文(步骤S223)；然后调用纠错编码单元11的纠错解码程序(步骤S224)，检查原始报文是否完整(步骤S225)；如果正确的话，去执行处理报文(步骤S226)，否则，转入重发处理(步骤S227)。

其中纠错编码包括步骤：

a.纠错编码设计：设计一个GF(2⁴)上能纠三个差错的本原RS码，根据RS码参数，这是十六进制码q＝16，码长n＝q-1＝15。生成多项式g(x)＝(x+a)(x+a²)…(x+a⁶)＝a⁴+a⁹x+a⁴x³+a¹⁴x⁴+a¹⁰x⁵+x⁶，设计发送是全零码C＝(000000000000000)，接受的码字为R＝(00a₄00000a₃00a₇000)或R(x)＝a⁴x¹²+a³x⁶+a⁷x³；

纠错解码包括步骤：

b.计算伴随式：根据本原多项式P(x)＝X⁴+X+1的根生成的循环群，将a多项式的4个系数抽出后顺序排列，形成一个四重结构。推导出：

S₁＝a¹⁰+a⁹+a＝a¹²；

S₂＝a¹³+1+a¹³＝1；

S₃＝a⁴+a¹²+a⁷＝a¹⁰；

S₄＝a⁷+a³+a⁴＝0；

S₅＝a⁷+a³+a⁴＝0；

S₆＝a¹⁰+a⁹+a¹²＝a¹²；

c.求差错位置多项式：通过迭带得到σ(x)＝1+a⁷x+a⁴x²+a⁶x³，v＝3，即σ₀＝1，σ₁＝σ₇，σ₂＝σ₄，σ₃＝σ₆，其余σ_i＝0(i>3)；

d.求差错位置数：把1，a，a²，…，a¹⁴带入d(x)检验，发现a³，a⁹，a¹²是σ(x)的根。这些根的倒数a³＝a¹²，a⁹＝a⁶，a¹²＝a³即是差错位置。因此，差错出现的x³，x⁶，x¹²三个位置上，即β₁＝a³，β₁＝a⁶，β₃＝a¹²；

e.求差错幅值：将σ₀＝1，σ₁＝σ₇，σ₂＝σ₄，σ₃＝σ₆，和β₁＝a₃，β₁＝a₆，β₃＝a₁₂以及v＝3，{S₁S₂S₃S₄S₅S₆}＝{X¹²1X¹⁴X¹⁰0X¹²}代入σ_ji＝σ_i+σ_j(I-1)β_j，得出差错幅值e_ji＝(1·a¹⁴+a²·1+a⁹·a¹²)/(1·a³⁶+a²a²⁴+a⁹a¹²)；

f.纠错：

C(x)＝R(x)-E(x)＝R(x)＝(r_n-1x_n-1+r_n-2x_n-2+…r₁x+r₀)-(e_j1x_j1+e_j2+…+e_jvx_jv)＝(a⁴x¹²+a³x⁶+a⁷x³)-(a⁴x¹²+a³x⁶+a⁷x³)＝0即C＝(000000000000000)。可见，差错被纠正。

如果β是扩域GF(2^m)的非本原，则由g(x)＝(x+β)(x+β²)…(x+β^2t)生成的q＝2^m进制码是非本原纠t差错的RS码，该码的长度就等于β的阶数。非本原RS码的译码方法与本原RS码的译码方法相同。本领域技术人员在阅读上述编码和解码步骤后，可容易地进行编程。

以上的实施例说明仅为本发明的较佳实施例说明，本领域技术人员可依据本发明的上述实施例说明而作出其它种种等效的替换及修改。然而这些依据本发明实施例所作的种种等效替换及修改，属于本发明的发明精神及由权利要求所界定的专利范围内。

Claims (8)

1.自适应电力载波集中器，包括微处理器，连接于微处理器的电力载波通讯单元、外部存储单元、红外通讯接口、连接于电力载波通讯单元的电力线耦合接口，以及连接在电力载波通讯单元与电力耦合接口之间的功放电路，其特征在于，

所述电力载波通讯单元由专用扩频载波芯片构成，用于以码分多址扩频方式与各抄表终端通讯；

所述功放电路由正弦波放大电路构成，用于对电力载波通讯单元输出的信号进行正弦波放大；

所述集中器还包括：一纠错编码单元，对发送给电力载波通讯单元的数据进行前向纠错编码，对从电力载波通讯单元接收的数据进行纠错解码；一巡测单元，通过执行巡测步骤，建立与各抄表终端通讯的路由表。

2.如权利要求1所述的自适应电力载波集中器，其特征在于，所述巡测步骤包括按照抄表终端地址顺序对各抄表终端进行召测，发送报文，将召测成功的抄表终端记录在路由表中，将召测次数超过设定值而仍未召测成功的抄表终端记录在异常表中。

3.如权利要求1所述的自适应电力载波集中器，其特征在于，

所述巡测单元执行第一次巡测步骤，建立包括能够成功召测的抄表终端的一级路由表；

在第一次巡测中，如有未能成功召测的抄表终端，建立一级异常表，并执行第二次巡测步骤，通过一级路由表的节点中继转发未成功召测的抄表终端，建立二级路由表，依次类推；

如果经过N次巡测后，仍有未能成功召测的抄表终端，则停止巡测，建立N级路由表和N级异常表，N＝2，3，4...。

4.如权利要求1所述的自适应电力载波集中器，其特征在于，所述路由表和异常表储存在所述外部存储单元中。

5.如权利要求1所述的自适应电力载波集中器，其特征在于，所述巡测单元每隔一设定时间执行所述巡测步骤。

6.如权利要求1所述的自适应电力载波集中器，其特征在于，所述微处理器采用基于ARM核的MCU。

7.如权利要求1所述的自适应电力载波集中器，其特征在于，所述电力载波通讯单元采用PL3200或者PL3201专用扩频载波芯片。

8.如权利要求1所述的自适应电力载波集中器，其特征在于，所述功放电路包括信号整形电路和功率输出电路，所述信号整形电路输入端与所述电力载波通讯单元输出端连接，所述功率输出电路输入端与信号整形电路输出端连接，输出端连接到所述电力耦合接口。

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