CN102185638A - 一种电力线载波和双向工频通信混合组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种电力线载波和双向工频通信混合组网方法，是在台区变压器低压侧电力线安装载波工频集中器，并在低压居民用户电能表处安装载波工频采集器；并将载波工频集中器的所述下行通信模块中加入工频通道，载波工频采集器的所述上行通信模块中加入工频通道。本发明利用双向工频通信传输距离远、通信可靠性高、成本低廉的特点，通过与电力线载波通信的混合组网应用，解决电力线载波通信的“孤岛”问题。通过安装载波工频集中器和载波工频采集器，实现了低压居民用户电能信息采集系统下行通信的双通道通信，大大提高了抄收覆盖率和数据准确性，为电能信息采集与管理系统“全采集、全覆盖、全预付费”的建设目标提供了保证。

Description

一种电力线载波和双向工频通信混合组网方法

技术领域：

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种电力线载波和双向工频通信混合组网方法。

背景技术：

通信是电能信息采集与管理系统的关键，通信的可靠性直接影响系统的应用效果。目前低压居民用户电能信息采集常用的下行通信方式有低压电力线载波、有线电缆、短距离无线等，但这些方式均存在一定的缺陷，难以实现100％的抄收覆盖率。电力线载波通信无须架设专用通信线路，直接利用原有的电力线资源，在低压居民用户电能信息采集系统中应用广泛。但低压载波信道的衰减、干扰与随机动态变化限制了载波通信物理层通信能力的提升，从而造成一个或者多个载波通信盲点，可称之为“孤岛”。要解决“孤岛”问题，必须借助电力线载波通信以外的其它通信方式。双向工频通信也是利用电力线进行通信，是在工频电压的过零点附近调制下行电压信号与上行电流信号，利用电网工频电压和电流波形的微小畸变来携带信息的一种特殊电力线通信技术。相对于电力线载波通信技术来说，双向工频通信具有通信距离远，传输可靠性高，成本低廉等特点。工频信号在电力线上传输衰减很小，受电力线的分布电容的影响小，没有驻波和盲区现象。更重要的是，由于工频信号的调制频率在180～600Hz之内，并利用50Hz作为载波频率，与电力线载波信号3kHz～500kHz的频率范围互不干扰，因此可实现电力线载波和双向工频两种通信信号的同时传输，无须增加任何额外设备，为两种通信方式的混合组网应用奠定了基础。

发明内容：

针对上述的不足，本发明的目的在于，提供一种电力线载波与双向工频通信的混合组网方法，用于低压居民用户电能信息采集系统的下行通道建设，以满足“全采集、全覆盖、全预付费”的系统建设目标。

本发明提供的一种电力线载波和双向工频通信混合组网方法，所述方法的装置包括载波工频集中器和载波工频采集器；所述载波工频集中器包括主控单元、存储模块、人机交互模块、外围电路、上行通信模块和下行通信模块；所述下行通信模块包括载波通道和RS485通道；所述主控单元分别与所述存储模块、所述人机交互模块、所述外围电路、所述上行通信模块和所述下行通信模块连接；所述载波工频采集器包括主控单元、存储单元、LCD显示、外围电路、上行通信模块和下行通信模块；所述上行通信模块包括红外通道和载波通道；所述主控单元分别与所述存储单元、所述LCD显示、所述外围电路、所述上行通信模块和下行通信模块连接；

其改进之处在于，在台区变压器低压侧电力线安装载波工频集中器，并在低压居民用户电能表处安装载波工频采集器；将所述载波工频集中器的所述下行通信模块中加入工频通道；

将所述载波工频采集器的所述上行通信模块中加入工频通道。

本发明提供的第一优选方案的方法，其改进之处在于，所述工频通道包括过零同步电路和调制解调电路。

本发明提供的第二优选方案的方法，其改进之处在于，所述载波工频集中器的主控单元为ARM处理器。

本发明提供的第三优选方案的方法，其改进之处在于，所述载波工频集中器的存储模块包括闪速存储器和静态存储器。

本发明提供的第四优选方案的方法，其改进之处在于，所述载波工频集中器的所述人机交互模块包括键盘和LCD显示。

本发明提供的第五优选方案的方法，其改进之处在于，所述外围电路包括硬件时钟和系统电源。

本发明提供的第六优选方案的方法，其改进之处在于，所述载波工频集中器的所述存储模块、所述人机交互模块、所述外围电路、所述上行通信模块和所述下行通信模块均通过芯片总线连接主控单元；所述载波工频采集器的所述存储单元、所述LCD显示、所述外围电路、所述上行通信模块和所述下行通信模块均通过芯片总线连接主控单元。

本发明提供的第七优选方案的方法，其改进之处在于，所述载波工频集中器的所述上行通信模块包括GPRS通道、以太网通道、红外通道、RS232通道；所述载波工频采集器的所述下行通信模块包括RS485通道。

本发明提供的较优选方案的方法，其改进之处在于，所述载波工频集中器的所述工频通道的所述过零同步电路包括依次连接的电压互感器、放大电路、滤波电路、移相电路和电压比较电路；所述调制电路包括依次连接的可控硅和触发保护电路，所述保护电路为阻容滤波电路。

本发明提供的另一优选方案的方法，其改进之处在于，所述载波工频采集器的所述工频通道的所述过零同步电路包括依次连接的电压互感器、放大电路、滤波电路、移相电路和电压比较电路；所述解调电路包括依次连接的电流互感器、放大电路、滤波电路。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明利用双向工频通信传输距离远、通信可靠性高、成本低廉的特点，通过与电力线载波通信的混合组网应用，解决电力线载波通信的“孤岛”问题。

本发明通过安装载波工频集中器和载波工频采集器，实现了低压居民用户电能信息采集系统下行通信的双通道通信，大大提高了抄收覆盖率和数据准确性，为电能信息采集与管理系统“全采集、全覆盖、全预付费”的建设目标提供了保证。

附图说明

图1为本发明的电力线载波和双向工频混合组网方案；

图2为本发明的载波工频集中器结构框图；

图3为本发明的载波工频集中器的工频通道原理框图；

图4为本发明的载波工频采集器结构框图；

图5为本发明的载波工频采集器的工频通道原理框图；

图6为本发明的载波工频采集器的主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

图1是本发明的电力线载波和双向工频混合组网方案，其是在台区变压器低压侧电力线安装载波工频集中器，并在低压居民用户电力线与电能表连接之间安装载波工频采集器。所述载波工频集中器下行通道能够实现电力线载波和双向工频两种通信方式。所述载波工频集中器通过连接A、B、C三相低压电力线发送载波和工频下行信号并接收载波上行信号，通过连接配电变压器A、B、C三相电流互感器的出线接收工频通信上行信号。在低压居民用户电能表处安装载波工频采集器，所述载波工频采集器上行通道能够实现电力线载波和双向工频两种通信方式。所述载波工频采集器通过连接220V火线和零线实现载波和工频两种通信信号的收发。该方案以载波为主，工频为辅，两者互相协调，并可自动切换。当载波信道畅通时，采用速率相对较高的载波通信方式进行通信；当载波信道受阻时，则采用工频通信方式进行通信；当两种通信方式都受阻时，通过中继路由技术解决。

图2是载波工频集中器结构框图。本实施例的载波工频集中器包括主控单元MCU、存储模块、人机交互、外围电路、上行通信和下行通信。主控单元MCU选用基于ARM处理器技术的32bit嵌入式系统级芯片，支持嵌入式操作系统下多种通信方式和复杂中继路由算法应用，同时对工频信号处理和检测算法提供支持。存储模块包括闪速存储器和静态存储器，闪速存储器用于存储系统程序、电能量数据及路由信息，静态存储器用于存储临时变量，并为系统程序运行提供内存，均通过芯片总线连接MCU。人机交互包括键盘和LCD显示，与MCU相连，其中键盘是用于人工输入集中器测量点、通信通道等各种设置的参数，LCD液晶显示电路用于集中器运行状态和各种参数的本地显示。外围电路包括硬件时钟、系统电源等，连接MCU。上行通信包括GPRS通道、以太网通道、红外通道、RS232通道，其中GPRS和以太网通道用于与主站的通信，红外通道用于与手持设备的数据交互，RS232串口用于系统调试和维护。下行通信包括载波通道、工频通道和RS485通道，通过串行外设接口连接MCU，其中载波通道和工频通道用于实现与载波工频采集器的通信，RS485通道也可用于实现与载波工频采集器的通信，或者用于读取电能表数据。

为实现载波通信，采用专用电力线载波芯片ST7540。ST7540采用FSK调制方式，内部集成调制解调器、电压及电流控制、滤波器、振荡器、串行接口等功能模块，具有8个可编程载波频率，最高传输速率4800bps，接收灵敏度可达500μV(rms)。ST7540通过串行接口与MCU相连，并通过耦合滤波电路与低压电力线相连，实现载波信号的接收与发送。为实现双向工频通信，增加工频通道，包括工频通信过零同步电路(附图3中的1)、下行信号调制电路(附图3中的2)和上行信号解调电路(附图3中的3)，如图3所示。过零同步电路为工频信号调制解调提供时间基准，由电压互感器(PT)、放大电路、滤波电路、移相电路及电压比较电路组成。220V工频电压信号经电压互感器取样后送至前置放大器进行放大，并进行必要的相位补偿。滤波电路采用二阶有源低通滤波器，防止高频噪声影响电压比较电路造成过零点不稳。移相电路将经过处理后的50Hz正弦信号移相90°，然后经电压过零比较器产生50Hz方波信号，送至MCU的外部中断引脚，产生信号调制和解调的时间基准。工频下行信号调制电路主要由可控硅和触发保护电路组成，实现工频下行信号的调制。工频通信下行信号发送时，由主控MCU输出控制信号到触发电路，触发电路利用带光隔离的小功率可控硅MOC3052驱动后面的大功率可控硅，其中还包括阻容滤波保护电路，用以防止电压上升过快引起可控硅的误触发。工频上行信号解调电路由电流互感器(CT)、放大电路、滤波电路及MCU内部的AD转换电路组成。由于工频通信方式上行信号通过调制电流波形实现，因此载波工频集中器需要从台区变压器的电流互感器出线采集信号，经过上述解调电路处理后送入MCU，由相关检测算法实现工频通信上行信号的解调。

图4是本发明的载波工频采集器结构框图。如图4所示，本发明的载波工频采集器包括主控单元MCU、存储单元、LCD显示、外围电路、上行通信模块、下行通信模块。主控单元MCU可选用32bit ARM芯片，提供较强的实时运算处理能力。上行通信模块包括红外通道、载波通道和工频通道，红外通道用于手持设备对采集器的本地数据交换，载波和工频通道用于采集器和集中器之间的通信。下行通信模块采用RS485通道，用以完成对RS485电能表的数据采集。为实现载波通信，采用专用电力线载波芯片ST7540。ST7540通过串行接口与MCU相连，并通过耦合滤波电路与低压电力线相连，实现载波信号的接收与发送。为实现双向工频通信，增加工频通道，包括工频通信过零同步电路(附图5中的1)、下行信号解调电路(附图5中的2)和上行信号调制电路(附图5中的3)，如图5所示。过零同步及上行信号调制电路与载波工频集中器类似，不再赘述。下行信号解调电路实现工频通信下行信号的检测，由前置放大、滤波、后级放大电路组成。首先对电压互感器输出的信号进行前置放大，然后送入滤波电路进行处理。滤波电路采用4阶Bessel有源带通滤波器，具有最优的线性相频特性，通带频率200～800Hz。由于带通滤波电路消除了50Hz基波信号，而调制信号和各次谐波幅值较小，需要对经过滤波后的信号再进行后级放大，将信号处理成MCU内部AD容许的范围之内，然后送入MCU进行模数转换，经相关信号处理和检测算法处理后解调出工频通信下行信号。

由于载波工频集中器功能模块较多，既要完成和主站的通信，也要和采集器交换数据，同时还要控制LCD显示等，传统的前后台系统已很难满足集中器软件设计要求，建议采用多任务机制的嵌入式操作系统。集中器应用软件主要实现监视任务、下行抄表任务、上行通信任务、人机交互任务、路由搜索任务等。监视任务具有最高的优先级，负责系统初始化、其它任务运行状况监视、硬件看门狗复位等操作；下行抄表任务包括下行通信信道切换、数据接收和发送、下行通信协议解析等；上行通信任务包括上行通信信道切换、通信链路的连接、数据收发、上行通信协议解析等；人机交互任务负责集中器的常用参数、数据以及通信状况等信息的显示和设置，提供可视化人机接口；路由搜索任务根据相应的组网算法，在载波信道和工频信道同时失效时，搜索每个采集器的可行路径并更新路由信息。各任务之间通过嵌入式操作系统的多任务机制相互调用，真正实现多线程。在软件设计过程中还涉及到多种语言的混合编程，不同的功能模块采用合适的编程语言实现，兼顾代码执行效率和可移植性。

采集器功能相对简单，采用传统的前后台系统实现，程序流程如图6所示。采集器完成初始化之后，首先检查是否收到指令，若没有指令到达，则通过RS485通道定时采集用户电能表数据，存储后返回。如果接收到指令数据，则通过载波通道或工频通道接收数据。若为中继指令，则通过相应信道向其它采集器转发指令；若为抄表指令，则向集中器发送数据，否则执行相应指令操作，最后返回指令应答。其中下行通信协议参照DL/T 645-2007规约，上行通信协议参照DL/T 698-2009相关通信规约。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (10)

1.一种电力线载波和双向工频通信混合组网方法，所述方法的装置包括载波工频集中器和载波工频采集器；所述载波工频集中器包括主控单元、存储模块、人机交互模块、外围电路、上行通信模块和下行通信模块；所述下行通信模块包括载波通道和RS485通道；所述主控单元分别与所述存储模块、所述人机交互模块、所述外围电路、所述上行通信模块和所述下行通信模块连接；所述载波工频采集器包括主控单元、存储单元、LCD显示、外围电路、上行通信模块和下行通信模块；所述上行通信模块包括红外通道和载波通道；所述主控单元分别与所述存储单元、所述LCD显示、所述外围电路、所述上行通信模块和下行通信模块连接；

其特征在于，在台区变压器低压侧电力线安装载波工频集中器，并在低压居民用户电能表处安装载波工频采集器；将所述载波工频集中器的所述下行通信模块中加入工频通道；

将所述载波工频采集器的所述上行通信模块中加入工频通道。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工频通道包括过零同步电路和调制解调电路。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载波工频集中器的主控单元为ARM处理器。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载波工频集中器的存储模块包括闪速存储器和静态存储器。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载波工频集中器的所述人机交互模块包括键盘和LCD显示。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外围电路包括硬件时钟和系统电源。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载波工频集中器的所述存储模块、所述人机交互模块、所述外围电路、所述上行通信模块和所述下行通信模块均通过芯片总线连接主控单元；所述载波工频采集器的所述存储单元、所述LCD显示、所述外围电路、所述上行通信模块和所述下行通信模块均通过芯片总线连接主控单元。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载波工频集中器的所述上行通信模块包括GPRS通道、以太网通道、红外通道、RS232通道；所述载波工频采集器的所述下行通信模块包括RS485通道。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述载波工频集中器的所述工频通道的所述过零同步电路包括依次连接的电压互感器、放大电路、滤波电路、移相电路和电压比较电路；所述调制电路包括依次连接的可控硅和触发保护电路，所述保护电路为阻容滤波电路。

10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述载波工频采集器的所述工频通道的所述过零同步电路包括依次连接的电压互感器、放大电路、滤波电路、移相电路和电压比较电路；所述解调电路包括依次连接的电流互感器、放大电路、滤波电路。

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