CN106935022A - 一种电力宽带载波通信抄表系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力宽带载波通信抄表系统，包括主站、集中器、现场表计、集中器载波通信模块和表计通信模块，所述集中器通过GPRS通信网络与主站通信连接，所述集中器路通过电力线与现场表计进行通信连接，在所述集中器插入集中器载波通信模块，在所述现场表计内插入表计通信模块，所述集中器载波通信模块通过电力线与表计通信模块进行通信连接，本发明能实现之长距离进行组网通信传输，组网机制时效性强，组网的时间快，而且通过GPRS远程通信不仅提高了集中器与主站之间数据传输的可靠性，保证了采集系统抄表的成功率；集中器和现场表计的通信模块采即插即用通信模块，有助于模块的互换和重用，从而避免系统设计的重复性劳动。
Description
技术领域
本发明涉及电力线载波通信技术领域，尤其涉及一种电力宽带载波通信抄表系统。
背景技术
电力用户集抄系统是一种电能信息采集、处理和实时监控系统。在该系统中集中器是负责收集各采集终端或电能表的数据，并进行处理储存，同时与主站或采集器进行数据交换的设备。集中器能与主站通信，接收主站的命令，向主站传送数据，并且集中器应能接收并转发主站命令，对电能表进行数据的采集和控制。近年来，随着国家电网公司智能电网建设的推进，用电信息采集系统正在逐步完善，人们的用电终端越来越趋于智能化，实现智能抄表、远程通信和远程控制变得原来越重要。现有的智能电能表自动抄表系统，从电能表、采集器到集中器大都采取485布线、窄带电力线载波或Zigbee、475MHz小无线等通信方式，此类通信方式存在距离较短、传输干扰大、抄表速度慢、抄表状态不稳定等问题，使用电终端的数据的可靠性和数据传输实时性大打折扣。然而，电力线初衷是为了进行电能传输，而不是数据的传输，对于数据通信而言，其信道不理想，是一个非常不稳定的传输信道，这具体表现为噪声干扰严重、时变性大以及信号衰减严重等缺点，而目前采用的宽带电力线通信BPLC(BPLC：BroadPower Line Carrier)，电力线载波通讯是一种通过电线进行数据传输的通信技术，换句话说，PLC是利用现有电网作为信号的传递介质，使电网在传输电力的同时可以进行数据通讯；这种方式能够有效监测和控制电网中的电力设备、仪表以及家用电器，大大提高了生产、工作和生活效率，在很大程度上节约了布线施工成本。然而，目前的宽带电力线载波通讯在实际的应用中会存在以下问题：BPLC信号大幅被衰减、通讯通信距离短、传输稳定性差、响应速度慢、可靠性差、通讯距离等问题，受到严重干扰时甚至无法连通，因此，导致抄收率不高或不稳定、系统的前期调试工作繁重、维护工作量大的问题，无法实现集中器的集中化和自动化管理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电力宽带载波通信抄表系统，根据本发明的宽带载波抄表系统能实现之长距离、快速地进行组网通信传输，组网机制时效性强，组网的时间快，具有通信速率高、抗干扰能力强，为了实现上述目的，本发明采用以下技术效果：
根据本发发明的一个方面，提供了一种电力宽带载波通信抄表系统，包括主站、集中器、现场表计、集中器载波通信模块和表计通信模块，所述集中器通过GPRS通信网络与主站通信连接，所述集中器路通过电力线与现场表计进行通信连接，在所述集中器插入集中器载波通信模块，在所述现场表计内插入表计通信模块，所述集中器载波通信模块通过电力线与表计通信模块进行通信连接。
优选的，所述集中器载波通信模块包括载波信号耦合电路、载波信号分时收发电路、电力载波滤波电路、发送放大电路、过零检测电路、电力载波处理器、GPRS通信模块、路由电路和电源电路，所述载波信号耦合电路的采集端连接电力线，所述载波信号耦合电路的收发端通过载波信号分时收发电路、电力载波滤波电路与所述电力载波处理器连接，所述过零检测电路的输入端、载波信号耦合电路的输入端分别与电力线连接，所述过零检测电路的输出端与电力载波处理器连接，电力载波处理器的发送端通过发送放大电路与所述载波信号分时收发电路连接，所述GPRS通信模块、路由电路分别与所述电力载波处理器通信连接，所述电源电路分别与载波信号分时收发电路、电力载波滤波电路、发送放大电路、过零检测电路、电力载波处理器、GPRS通信模块、路由电路连接；
所述表计通信模块包括表计载波耦合电路、表计载波处理电路、表计电力载波处理器和表计接口电路，所述表计载波耦合电路的输入端与电力线连接，所述计载波耦合电路的输出端与表计载波处理电路的输入端连接，该表计载波处理电路与所述表计电力载波处理器通信连接，该表计电力载波处理器的通信控制端与表计接口电路连接。
优选的，所述表计通信模块还包括表计过零检测电路，该表计过零检测电路的输入端与电力线连接，所述表计过零检测电路的输出端与所述表计电力载波处理器的过零检测端连接。
优选的，所述载波信号耦合电路至少包括A相载波信号耦合电路、B相载波信号耦合电路和C相载波信号耦合电路组成，所述载波信号分时收发电路至少包括A相分时收发电路、B相分时收发电路和C相分时收发电路组成，其中，A相载波信号耦合电路的采集输入端与电力线的A相电力线连接，B相载波信号耦合电路的采集输入端与电力线的B相电力线连接，C相载波信号耦合电路的采集输入端与电力线的A相电力线连接；所述A相载波信号耦合电路的收发端与所述A相分时收发电路的收发端连接，所述B相载波信号耦合电路的收发端与所述B相分时收发电路的收发端连接，所述C相载波信号耦合电路的收发端与所述C相分时收发电路的收发端连接，所述A相分时收发电路的接收输出端、B相分时收发电路的接收输出端、C相分时收发电路的接收输出端通过电力载波滤波电路的滤波输出端与所述电力载波处理器的接收输入端连接；所述电力载波处理器的发送输出端与所述发送放大电路的发送输入端连接，发送放大电路的发送输出端分别与所述A相分时收发电路的发送输入端、B相分时收发电路的发送输入端和C相分时收发电路的发送输入端连接；所述过零检测电路的采集输入端与电力线的A相、B相或C相电力线连接，所述过零检测电路的采集输出端分别与A相载波信号耦合电路的耦合输入端、B相载波信号耦合电路的耦合输入端、C相载波信号耦合电路的耦合输入端连接。
优选的，所述电力载波滤波电路包括电阻R300、电容C300、电容C301、电容C302、电容C303、电容C304、电容C305、电感L300、电感L301、电感L302、电感L303、二极管D300、二极管D301、二极管D302和二极管D303；所述A相分时收发电路的正极接收输出端、B相分时收发电路的正极接收输出端、C相分时收发电路的正极接收输出端分别与所述电容C300的一端、电容C301的一端、电感L300的一端连接；所述A相分时收发电路的负极接收输出端、B相分时收发电路的负极接收输出端、C相分时收发电路的负极接收输出端分别与所述电容C301的另一端、电容C302的一端、电感L300的另一端连接，所述电容C302的另一端与所述电感L302的一端连接，所述电容C300的另一端与所述电感L301的一端连接，所述电感L302的另一端分别与所述电容C303的一端、电容C305的一端、电感L303的一端、二极管D302的阳极、二极管D303的阴极连接，所述电感L301的另一端分别与所述电容C303的另一端、电容C304的一端、电感L303的另一端、二极管D300的阳极、二极管D301的阴极连接，所述二极管D301的阳极、二极管D303的阳极分别与地连接，所述二极管D300的阴极、二极管D302的阴极分别与电源电路连接，所述电容C305的另一端与所述电力载波处理器的正极接收输入端连接；所述电容C304的另一端与所述电力载波处理器的负极接收输入端连接。
优选的，所述电力载波处理器和表计电力载波处理器采用的芯片型号为 HM7901。
优选的，所述路由电路采用PH163539网路路由电路。
优选的，所述表计接口电路为串行接口电路。
本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
(1)、本发明将电网中的信号转变为一个高性能的数据传输网络，将电力线中的数据采用分时复用的方式传输至多阶滤波电路进行滤波并输出2MHz～20MHz的宽带载波信号传输至宽带载波芯片中进行调制和解调，然后将宽带载波信号进行放大，然后分时复用的方式将2MHz～20MHz的载波宽带信号耦合到电力线上实现之长距离地进行组网通信传输，可以同时进行电力载波、GPRS远程无线通讯和以太网组网通讯，而且组网机制时效性强，组网的时间快，具有通信速率高、通信性能好、电路结构简单、实施成本低的优点，能够有效的抵抗多路径干扰，使得干扰的信号能够可靠的接收，即使在电网受到严重干扰的情况下，也可提供高带宽并且保证带宽传输效率，从而使得数据的高速可靠通信，实现了的电力线宽带载波的远距离和高速率传输。
(2)、本发明通过GPRS远程通信不仅提高了集中器与主站之间数据传输的可靠性，而且也保证了采集系统抄表的成功率；集中器和现场表计的通信模块采用即插即用通信模块，有助于模块的互换和重复使用，从而避免系统设计的重复性劳动。
(3)、发明的集中器的下行通信采用电力宽带载波通讯方式进行抄表实现高效准确的数据采集和处理，使抄表系统的可靠性和稳定性得到很大的提高。
附图说明
图1是本发明的一种电力宽带载波通信抄表系统的系统原理图
图2是本发明的集中器载波通信模块的原理图；
图3是本发明的载波信号耦合电路和过零检测电路的工作原理图；
图4是本发明电力载波处理器的内部结构图；
图5是本发明电力载波处理器的封装图；
图6是本发明A相分时收发电路与电力载波滤波电路的电路原理图；
图7是本发明B相分时收发电路与电力载波滤波电路的电路原理图；
图8是本发明C相分时收发电路与电力载波滤波电路的电路原理图；
图9是本发明的发送放大电路的工作原理图；
图10是本发明得的表计通信模块的原理图；
图11是本发明得的表计载波耦合电路、表计载波处理电路和表计过零检测电路的电路工作原理图；
附图中，100-载波信号耦合电路、101-载波信号分时收发电路，102-电力载波滤波电路，103-发送放大电路，104-过零检测电路，105-电力载波处理器，106-GPRS通信模块，107-路由电路，108-电源电路，200-表计载波耦合电路，201-表计载波处理电路，202-表计电力载波处理器，203-表计接口电路，204-表计过零检测电路，205-表计供电电源，1001-A相载波信号耦合电路，1002-B相载波信号耦合电路，1003-C相载波信号耦合电路，1011-A相分时收发电路，1012-B相分时收发电路，1013-C相分时收发电路，2001-相表计耦合电路，2002-B相表计耦合电路，2003-C相表计耦合电路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
如图1所示，根据本发明的一种电力宽带载波通信抄表系统，包括主站、集中器、现场表计、集中器载波通信模块和表计通信模块，所述集中器通过GPRS通信网络与主站通信连接，所述集中器路通过电力线与现场表计进行通信连接，在所述集中器插入集中器载波通信模块，在所述现场表计内插入表计通信模块，所述集中器载波通信模块通过电力线与表计通信模块进行通信连接；集中器能够按照设定的抄表时间实时采集现场表计的电量数据，通过GPRS通信网络上传至主站，并及时响应主站下发的各种抄表指令，集中器载波通信模块和表计通信模块采用宽带载波方式实现下行通信抄表，所述现场表计不局限于单相表、三相表、Ⅱ型集中器和Ⅰ型集中器。集中器接收到抄表指令后通过电力宽带载波通信的方式通过电力线进行抄读表计数据，现场表计收到集中器发出的指令后，现场表计通过电力线将电量数据上传至集中器。
如图2所示，所述集中器载波通信模块包括载波信号耦合电路100、载波信号分时收发电路101、电力载波滤波电路102、发送放大电路103、过零检测电路104、电力载波处理器105、GPRS通信模块106、路由电路107和电源电路108，所述载波信号耦合电路的100采集端连接电力线，所述载波信号耦合电路100的收发端通过载波信号分时收发电路101、电力载波滤波电路 102与所述电力载波处理器105连接，所述过零检测电路104的输入端、载波信号耦合电路100的输入端分别与电力线连接，所述过零检测电路104的输出端与电力载波处理器105连接，所述电力载波处理器105的发送端通过发送放大电路103与所述载波信号分时收发电路101连接，所述GPRS通信模块106、路由电路107分别与所述电力载波处理器105通信连接，所述电源电路108分别与载波信号分时收发电路101、电力载波滤波电路102、发送放大电路103、过零检测电路104、电力载波处理器105、GPRS通信模块106、路由电路107连接，所述路由电路107采用PH163539网路路由电路用于以太网通信。所述载波信号耦合电路100至少包括A相载波信号耦合电路1001、B相载波信号耦合电路1002和C相载波信号耦合电路1003组成，所述载波信号分时收发电路101至少包括A相分时收发电路1011、B相分时收发电路1012和C相分时收发电路1013组成，其中，A相载波信号耦合电路1001的采集输入端与电力线的A相电力线连接，B相载波信号耦合电路1002的采集输入端与电力线的B相电力线连接，C相载波信号耦合电路1003的采集输入端与电力线的A相电力线连接；所述A相载波信号耦合电路1001的收发端与所述A相分时收发电路1011的收发端连接，所述B相载波信号耦合电路1002的收发端与所述B相分时收发电路1012的收发端连接，所述C相载波信号耦合电路1003的收发端与所述C相分时收发电路1013的收发端连接，所述A相分时收发电路1011的接收输出端、B相分时收发电路1012的接收输出端、C相分时收发电路1013的接收输出端通过电力载波滤波电路102的滤波输出端与所述电力载波处理器105的接收输入端连接；所述电力载波处理器105的发送输出端与所述发送放大电路103的发送输入端连接，发送放大电路103的发送输出端分别与所述A相分时收发电路1011的发送输入端、B相分时收发电路1012的发送输入端和C相分时收发电路1013的发送输入端连接；所述过零检测电路104的采集输入端与电力线的A相、B相或C相电力线连接，所述过零检测电路104的采集输出端分别与A相载波信号耦合电路1001的耦合输入端、B相载波信号耦合电路1002的耦合输入端、C相载波信号耦合电路1003的耦合输入端连接。
在本发明中，结合图2和图3所示，A相载波信号耦合电路1001包括电阻R1、电阻R2、电容C1和耦合变压器T1，B相载波信号耦合电路1002包括电阻R3、电阻R4、电容C2和耦合变压器T2，C相载波信号耦合电路1003包括电阻R5、电阻R6、电容C3和耦合变压器T3，所述过零检测电路104 包括光电耦合器U1、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C4、电感C5、电感L1和二极管D1；所述电阻R1的一端、电阻R2的一端、耦合变压器T1的第五脚分别与A相电力线连接，电阻R1的另一端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端连接与电阻R2的另一端连接，所述电阻R3的一端、电阻R4的一端、耦合变压器T2的第五脚分别与B相电力线连接，电阻R3的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端连接与电阻R4的另一端连接，所述电阻R5的一端、电阻R6的一端、耦合变压器T3的第五脚分别与C相电力线连接，电阻R5的另一端与电容C3的一端连接，电容C3的另一端连接与电阻R6的另一端连接，在本发明中，A相电力线上的电阻R1与电阻R2为放电电阻并对电容C1进行放电处理，B相电力线上的电阻R3与电阻R4为放电电阻并对电容C2进行放电处理，C相电力线上的电阻R5与电阻R6为放电电阻并对电容C3进行放电处理，以降低每相电力线上的低交流成分对对信号的干扰。所述光电耦合器U1的阳极与所述二极管D1的阴极连接，所述二极管D1的阴极与所述电阻R7的一端连接，该电阻R7的另一端与A相、B相或C相电力线连接，所述光电耦合器U1的阴极分别与所述耦合变压器T1的第六脚、耦合变压器T2的第六脚、耦合变压器T3的第六脚连接，所述光电耦合器U1的集电极与电阻R8的一端、电阻R9的一端连接，所述电阻8的另一端分别与电容C4的一端、电感L1的一端连接，电感L1的另一端与所述电源电路108连接，所述电阻R9的另一端分别与所述电容C5的一端、电力载波处理器105的过零检测端连接，所述光电耦合器U1的发射极、电容C4的另一端、电容C5的另一端都与地连接。光电耦合器U1起光电隔离作用，用于隔离强电与弱电的隔离。所述过零检测电路104检测任意一相电力线的零点电压(本发明通过电阻R7采集和检测A相电力线上的零点电压)；本实施例中，电力载波处理器105接收或发送两种不同频率的载波信号，收发两个载波信号时会有时间差(时间差τ≤10微秒)，在过零点时刻前后时间(t≤4毫秒)里进行数据的收发易导致出错概率，因此，通过零检测电104检测获取到220V工频交流电过零点时刻的脉冲信号，将所检测到的脉冲信号输入至电力载波处理器105的过零检测端ZC_DTCT进行直接检测，从而为电力载波处理器105进行过零检测通信以及相位判别提供依据，在过零时刻进收发送数据可有效消除电力线上的干扰，使电力载波处理器105收发的数据更加准确。
在本发明中，所示电力载波处理器105的型号采用北京华美讯联科技有限公司设计生产的HM7901芯片，如图4和图5所示，该芯片的CPU内嵌 ARM926ej-s内核处理器，最高工作频率为266MHz，内嵌I-Cache 8KB、D-Cache 8KB、ITCM 4KB；外围接口包括1个MII接口且支持10/100Mbits/s网络扩展、1个SPI Master/Slave接口、4个UART接口、32个GPIO接口、1个I2C接口，内部存储接口包括内置SDRAM存储器，最大支持16MB，还支持SPI外接存储器。该电力载波处理芯片HM7901采用OFDM调制技术，输出频率范围为2M Hz～20MHz，其子载波支持BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM调制、子载波自适应调制；具有强大的去噪和纠错能力。
在本发明中，结合图2和图3所示，所述耦合变压器T1的第一脚与所述A相分时收发电路1011的正极接收输入端RXA+连接，所述耦合变压器T1的第四脚与所述A相分时收发电路1011的负极接收输入端RXA-连接，所述耦合变压器T1的第二脚与所述A相分时收发电路1011的正极发送输出端TXA+连接，所述耦合变压器T1的第三脚与所述A相分时收发电路1011的负极发送输出端TXA-连接；所述耦合变压器T2的第一脚与所述B相分时收发电路1012的正极接收输入端RXB+连接，所述耦合变压器T2的第四脚与所述B相分时收发电路1012的负极接收输入端RXB-连接，所述耦合变压器T2的第二脚与所述B相分时收发电路1012的正极发送输出端TXB+连接，所述耦合变压器T2的第三脚与所述B相分时收发电路1012的负极发送输出端TXB-连接；所述耦合变压器T3的第一脚与所述C相分时收发电路1012的正极接收输入端RXC+连接，所述耦合变压器T3的第四脚与所述C相分时收发电路1013的负极接收输入端RXC-连接，所述耦合变压器T3的第二脚与所述C相分时收发电路1013的正极发送输出端TXC+连接，所述耦合变压器T3的第三脚与所述C相分时收发电路1013的负极发送输出端TXC-连接；所述A相分时收发电路1011的正极接收输出端RXA+、所述B相分时收发电路1012的正极接收输出端RXB+、所述C相分时收发电路1013的正极接收输出端RXC+分别与所述电力载波滤波电路102的正极输入端LCRX+连接，所述A相分时收发电路1011的负极接收输出端RXA-、B相分时收发电路1012的负极接收输出端RXB-、C相分时收发电路1013的负极接收输出端RXC-与所述电力载波滤波电路102的负极输入端连接，所述电力载波滤波电路102的正极输出端与所述电力载波处理器105的正极接收输入端连接；所述电力载波滤波电路102的负极输出端与所述电力载波处理器105的负极接收输入端连接；所述电力载波处理器105的正极发送输出端与所述发送放大电路103的正极发送输入端连接，所述电力载波处理器105的负极发送输出端与所述发送放大电路103的负极发送输入端连接，所述发送放大电路103的负极发送输出端分别与所述A相分时收发电路1011的负极发送输入端TXA-、B相分时收发电路1012的负极发送输入端TXB-、C相分时收发电路1013的负极发送输入端TXC-连接，所述发送放大电路103的正极发送输出端分别与所述A相分时收发电路1011的正极发送输入端TXA+、B相分时收发电路1012的正极发送输入端TXB-、C相分时收发电路1013的正极发送输入端连接，所述发送放大电路103的正极发送输出端分别与所述A相分时收发电路1011的正极发送输入端、B相分时收发电路1012的正极发送输入端、C相分时收发电路1012的正极发送输入端连接；所述A相分时收发电路1011的正极发送输出端与所述耦合变压器T1的第二脚连接，所述A相分时收发电路1011的负极发送输出端与所述耦合变压器T1的第三脚连接；所述B相分时收发电路1012的正极发送输出端与所述耦合变压器T2的第二脚连接，所述B相分时收发电路1012的负极发送输出端与所述耦合变压器T2的第三脚连接，所述C相分时收发电路1013的正极发送输出端与所述耦合变压器T3的第二脚连接，所述C相分时收发电路1013的负极发送输出端与所述耦合变压器T3的第三脚连接。
在本发明中，结合图2、图3、图5和图6，所述电力载波滤波电路103包括电阻R300、电容C300、电容C301、电容C302、电容C303、电容C304、电容C305、电感L300、电感L301、电感L302、电感L303、二极管D300、二极管D301、二极管D302和二极管D303；所述A相分时收发电路1011的正极接收输出端LCRXA+、B相分时收发电路1012的正极接收输出端LCRXB+、C相分时收发电路1013的正极接收输出端LCRXC+分别与所述电容C300的一端、电容C301的一端、电感L300的一端连接；所述A相分时收发电路1011的负极接收输出端LCRXA-、B相分时收发电路1012的负极接收输出端LCRXB-、C相分时收发电路1013的负极接收输出端LCRXC-分别与所述电容C301的另一端、电容C302的一端、电感L300的另一端连接，所述电容C302的另一端与所述电感L302的一端连接，所述电容C300的另一端与所述电感L301的一端连接，所述电感L302的另一端分别与所述电容C303的一端、电容C305的一端、电感L303的一端、二极管D302的阳极、二极管D303的阴极连接，所述电感L301的另一端分别与所述电容C303的另一端、电容C304的一端、电感L303的另一端、二极管D300的阳极、二极管D301的阴极连接，所述二极管D301的阳极、二极管D303的阳极分别与地连接，所述二极管D300的阴极、二极管D302的阴极分别与电源电路100输出的+3.3V电源电压连接，所述电容C305的另一端与所述电力载波处理器105的正极接收输入端PLC-RX+连接；所述电容C304的另一端与所述电力载波处理器105的负极接收输入端PLC-RX-连接，本发明的电力载波滤波电路102采用多阶滤波器电路，滤除掉来自电力线上50Hz的工频交流电杂波信号，以提高载波信号接收性能；其中，二极管D300、二极管D301、二极管D302、二极管D303和二极管D304为续流保护二极管，为滤波器信号提供稳定的电流信号且同时防止信号过大，在图6中，所述A相分时收发电路1011包括三极管Q200、MOS开关管T200、MOS开关管T201、MOS开关管T202、MOS开关管T203、MOS开关管T204及其外围电路，其中外围电路包括电阻R200、电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电阻R205、电阻R206、电阻R207、电阻R208、电阻R209、电阻R210、电阻R211、电阻R212、电容C200、电容C201、电容C202、电容C203、电容C204、电感L200、电感L201、二极管D200、二极管D201、二极管D202、二极管D203、二极管D204、二极管D205、二极管D206和二极管D207，载波接收信号从所述A相分时收发电路1011的正极接收输入端RXA+和A相分时收发电路1011的负极接收输入端RXA-输入，即从电感L200的一端和电感L201的一端输入，在图6中的二极管D200、二极管D201、二极管D202和二极管D203对电感L200和电感L201两端的输入信号起作钳位作用，能抑制差分信号的共模噪声。其中，电力载波处理器6的输入/输出控制端口GPIO4通过电阻200、三极管Q200、MOS开关管T200控制MOS开关管T201和MOS开关管T202导通或关闭，其中电阻R201起到分压作用，当电力载波处理器6的输入/输出控制端口GPIO4输出高电平时三极管Q200导通，导通信号经电阻R202连接至MOS开关管T200的栅极使其导通,MOS开关管T200的源极接+12V电源电压，MOS开关管T200的漏极分别与电阻R204的一端、电阻R205的一端、电阻R206的一端、电阻R207的一端连接，电阻R204的另一端与MOS开关管T201的栅极连接，电阻R205的另一端与MOS开关管T202的栅极连接，电阻R206的另一端与MOS开关管T203的栅极连接，电阻R207的另一端与MOS开关管T204的栅极连接，从而实现了电力载波处理器6对MOS开关管T201～MOS开关管T204进行分时选择导通，当耦合变压器T1的第一脚和第四脚耦合输出的两极载波信号通过电感L200和电感L201输入(RXA+端和RXA-端)，通过分时选择MOS开关管T201控制MOS开关管T202导通，将两极载波信号通过电容C200和电容C202输入至电力载波滤波电路3中的电容C300和电容C302输入多阶滤波器进行处理后，分别通过电容C304输出至电力载波处理芯片HM7901的负极接收输入端PLC_RX-(第二十七引脚)，电容C305的输出至电力载波处理芯片HM7901的正极接收输入端PLC_RX+(第二十六引脚)，两路2MHz～20MHz的高频差分信号输入至电力载波处理芯片HM7901的第二十六引脚和第二十七引脚(未图示)进行解调和调制得到从电力线上接收到的电力载波数据信号。
同理，如图7所示，所述B相分时收发电路1012包括三极管Q500、MOS开关管T500、MOS开关管T501、MOS开关管T502、MOS开关管T503、MOS开关管T504及其外围电路，载波接收信号从所述B相分时收发电路21的正极接收输入端RXB+和负极接收输入端RXB-输入，即从电感L500的一端和电感L501的一端输入，其中，电力载波处理器105的输入/输出控制端口GPIO5通过电阻500、三极管Q500、MOS开关管T500控制MOS开关管T501和MOS开关管T502导通或关闭，耦合变压器T2的第一脚和第四脚耦合输出的两极载波信号通过电感L500和电感L501输入，通过分时选择MOS开关管T501控制MOS开关管T502导通，分时选择接收B相电力线上的载波信号，将两极载波信号通过电容C500和电容C502输入至电力载波滤波电路102中的电容C300和电容C302输入多阶滤波器进行处理后，分别通过电容C304输出至电力载波处理芯片HM7901的负极接收输入端PLC_RX-(第二十七引脚)，电容C305的输出至电力载波处理芯片HM7901的正极接收输入端PLC_RX+(第二十六引脚)，两路2MHz～20MHz的高频差分信号输入至电力载波处理芯片HM7901的第二十六引脚和第二十七引脚(未图示)进行解调和调制得到从电力线上接收到的电力载波数据信号。
同理，如图8所示，所述C相分时收发电路1013包括三极管Q600、MOS开关管T600、MOS开关管T601、MOS开关管T602、MOS开关管T603、MOS开关管T604及其外围电路，载波接收信号从所述C相分时收发电路22的正极接收输入端RXC+和负极接收输入端RXC-输入，即从电感L600的一端和电感L601的一端输入，其中，电力载波处理器105的输入/输出控制端口GPIO6通过电阻600、三极管Q600、MOS开关管T600控制MOS开关管T601和MOS开关管T602导通或关闭，耦合变压器T2的第一脚和第四脚耦合输出的两极载波信号通过电感L600和电感L601输入，通过分时选择MOS开关管T601控制MOS开关管T602导通，分时选择接收C相电力线上的载波信号，将两极载波信号通过电容C600和电容C602输入至电力载波滤波电路102中的电容C300和电容C302输入多阶滤波器进行处理后，分别通过电容C304输出至电力载波处理芯片HM7901的负极接收输入端PLC_RX-(第二十七引脚)，电容C305的输出至电力载波处理芯片HM7901的正极接收输入端PLC_RX+(第二十六引脚)，两路2MHz～20MHz的高频差分信号输入至电力载波处理芯片HM7901的第二十六引脚和第二十七引脚(未图示)进行解调和调制得到从电力线上接收到的电力载波数据信号。
在本发明中，电力载波处理芯片HM7901从电力线上接收到的电力载波数据信号进行解调和调制后，再通过电力载波处理芯片HM7901的正极发送输出端PLC_TX+(第二十一引脚)和负极发送输出端PLC_TX-(第二十二引脚)分别发送两路差分信号至发送放大电路4，所述发送放大电路4采用的型号为THS6214放大芯片，如图9所示。电力载波处理芯片HM7901的正极发送输出端PLC_TX+(第二十一引脚)输出的信号和负极发送输出端PLC_TX-(第二十二引脚)输出的信号分别经过发送放大电路103中的电容C11的输入和电容C12的送入载波信号发送放大芯片THS6214的正极输入端D2IN+(第二引脚)和负极输入端D1IN-(第一引脚)进行差分放大，以增大载波的发送功率，结合图2、图3、图5、图6、图7、图8和图9所示，载波信号发送放大芯片THS6214差分放大输出的正载波发送信号和负载波信号分别从第二十引脚、第十七引脚输出，正载波发送信号经过电阻R16、电容C19耦合输出端P_TX+分别输出至A相分时收发电路1011的正极发送输入端TX+(MOS开关管T204的漏极输入)、所述B相分时收发电路1012的正极发送输入端(MOS开关管T504的漏极输入)、所述C相分时收发电路1013的正极发送输入端(MOS开关管T604的漏极输入)连接，负载波发送信号从第十七引脚输出经过电阻R17、电容C20耦合输出端M_TX-分别与所述A相分时收发电路1011的负极发送输入端TX-(MOS开关管T203的漏极输入)、B相分时收发电路1012的负极发送输入端TX-(MOS开关管T503的漏极输入)、C相分时收发电路1013的负极发送输入端TX-(MOS开关管T603的漏极输入)连接，所述A相分时收发电路1011的正极发送输出端TXA+与所述耦合变压器T1的第二脚连接，所述A相分时收发电路1011的负极发送输出端TXA-与所述耦合变压器T1的第三脚连接，通过控制MOS开关管T203和MOS开关管T204的导通实现了载波信号分时发送；所述B相分时收发电路1012的正极发送输出端TXB+与所述耦合变压器T2的第二脚连接，所述B相分时收发电路1012的负极发送输出端 TXB-与所述耦合变压器T2的第三脚连接，所述C相分时收发电路1013的正极发送输出端TXC+与所述耦合变压器T3的第二脚连接，所述C相分时收发电路1013的负极发送输出端TXC-与所述耦合变压器T3的第三脚连接，分别经过耦合变压器T1、经过耦合变压器T2和经过耦合变压器T3分时耦合输出三相电力载波信号并发送至三相电力线上进行传输。
如图10所示，所述表计通信模块包括表计载波耦合电路200、表计载波处理电路201、表计电力载波处理器202、表计接口电路203、表计过零检测电路204和表计供电电源205，所述表计载波耦合电路200的输入端与电力线连接，所述计载波耦合电路200的输出端与表计载波处理电路201的输入端连接，该表计载波处理电路201与所述表计电力载波处理器202通信连接，该表计电力载波处理器202的通信控制端与表计接口电路203连接，所述表计过零检测电路204的输入端与电力线连接，所述表计过零检测电路204的输出端与所述表计电力载波处理器202的过零检测端连接，所述表计供电电源205分别为表计载波耦合电路200、表计载波处理电路201、表计电力载波处理器202、表计接口电路203、表计过零检测电路204提供合适的工作电压，所述表计接口电路为串行接口电路，所述表计电力载波处理器采用的芯片型号为HM7901通过串行接口电路与单相表、三相表、Ⅱ型集中器或Ⅰ型集中器。
在本发明中，结合图10和图11所示，所述表计载波耦合电路200包括电容C100、电容C101、电容C102和耦合变压器T100，所述表计过零检测电路204路包括光电耦合器U100、电阻R100、电阻R101、电阻R102、电容C103和电容C104，所述电容C100的一端、电容C101的一端、电容C102的一端分别与三相电力线连接，电容C100的另一端、电容C101的另一端、电容C102的另一端都与所述耦合变压器T100的第五脚连接，所述光电耦合器U100的阴极与三相电力线连接，所述电阻R100的一端与所述光电耦合器U100的阳极连接，电阻R100的另一端与所述耦合变压器T100的第六脚连接，所述光电耦合器U100的集电极与电阻R101的一端、电阻R102的一端连接，所述电阻R101的另一端分别与电容C104的一端、电感L100的一端连接，电感L100的另一端与所述表计供电电源205连接，所述电阻R102的另一端分别与所述电容C103、表计电力载波处理器202的过零检测端ZC_DTCT连接，所述光电耦合器U100的发射极、电容C103的另一端、电容C104的另一端都与地连接，光电耦合器U100起光电隔离作用，用于隔离强电与弱电的隔离。在本发明中，所述计载波耦合电路200分别由A相表计耦合电路2001、B相表计耦合电路2001和C相表计耦合电路2003组成，A相电力线的信号经过电容C1(A相表计耦合电路2001)与述耦合变压器T1初级输入端(第六脚)连接，B相电力线的信号经过电容C2(B相表计耦合电路2002)与述耦合变压器T1初级输入端(第六脚)连接，C相电力线的信号经过电容C3(C相表计耦合电路2001)与述耦合变压器T1初级输入端(第六脚)连接，表计过零检测电路204检测任意一相电力线的零点电压(本发明检测C相电力线上的零点电压)；本实施例中，表计电力载波处理器202产生两种不同频率的载波信号，收发两个载波信号时会有时间差，在过零点时刻前后时间里进行数据的收发易导致出错概率，因此，通过表计过零检测电路204检测获取到220V/380工频交流电过零点时刻的脉冲信号，将所检测到的脉冲信号输入至表计电力载波处理器202的过零检测端ZC_DTCT进行直接检测，从而为表计电力载波处理器202进行过零通信以及相位判别提供依据，在过零时刻进收发送数据可有效消除电力线上的干扰，使表计电力载波处理器202收发的数据更准确。
在本发明中，如图结合图9、图10和图11所示，所述表计载波处理电路201包括表计载波信号接收电路2010和表计载波信号发送电路2011，所述表计载波信号接收电路2010的接收输入端与所述耦合变压器T100的接收输出端连接，所述表计载波信号接收电路2010的发送输出端与表计电力载波处理器202的接收输入端连接，所述表计载波信号发送电路2011的发送输入端与表计电力载波处理器202的发送输出端连接，所述表计载波信号发送电路2011的发送输出端与所述耦合变压器T100的发送输入端连接，所述表计载波信号接收电路2010的电源端和表计载波信号发送电路2011的电源端还分别与表计供电电源205的电源输出端连接。结合图10、图11所示，所述表计载波信号接收电路2010包括电阻R103、电容C105、电容C106、电容C107、电容C108、电容C109、电容C110、电容C111、电容C112、电容C113、电感L101、电感L102、电感L103、电感L104、二极管D101、二极管D102、二极管D103、二极管D104、二极管D105、二极管D106、二极管D107和二极管D108，所述耦合变压器T100的负极接收输出端RX-(耦合变压器T100的第四引脚)分别与电阻R103的一端、电容C105的一端连接，所述耦合变压器T100的正极接收输出端RX+(耦合变压器T100的第一引脚)分别与电阻R103的另一端、电容C106的一端连接，所述电容C105的另一端分别与二极管D101的阴极、二极管D102阳极、电容C107的一端、电感L101的一端、电感L102的一端连接，所述电容C106的另一端分别与二极管D103的阴极、二极管D104阳极、电容C107的另一端、电感L101的另一端、电感L103的一端连接，电感L102的另一端通过电容C108与电感L104的一端、电容C110的一端、电容C111的一端连接，电感L103的另一端通过电容C109与电感L104的另一端、电容C110的另一端、电容C112的一端连接，电容C111的另一端分别与C113的一端、二极管D105阳极、二极管D106阳极、表计电力载波处理器202的正极接收输入端连接，电容C112的另一端分别与C113的另一端、二极管D107阳极、二极管D108阳极、表计电力载波处理器202的负极接收输入端连接，所述二极管D105阴极与二极管D106的阴极连接，所述二极管D107阴极与二极管D108的阴极连接，所述二极管D101的阳极与地连接，所述二极管D102阴极、二极管D104阴极与表计供电电源205的电源输出端连接。
在本发明中，所述耦合变压器T100的负极接收输出端RX-用于接收负极高频差分载波信号，耦合变压器T100的正极接收输出端RX+用于接收正极高频差分载波信号，所述耦合变压器T100的负极接收输出端RX-分别与电阻R103的一端、电容C105的一端连接，耦合变压器T100的正极接收输出端RX+分别与电阻R3的另一端、电容C106的一端连接，耦合变压器T100从而形成高频差分接收输出端，将耦合输出的高频差分信号输出至表计载波信号接收电路2010，载波信号接收电路2010由四部分组成，由电阻R103、电容C105、电容C106组成低通滤波器，由电感L101、电容C107、电感L102、电感L103组成一阶高通滤波器，由电容C108、电容C109、电感L104、电容C110、电容C111、电容C112、电容C113组成二阶高通滤波器，由二极管D105、二极管D106、二极管D107和二极管D108组成了信号抑制电路。因此，由低通滤波器、一阶高通滤波器、二阶高通滤波器和信号抑制电路组成了载波信号接收电路，向电力载波处理芯片HM7901输出2MHz～20MHz的宽带载波信号进行解调和调制，滤除来自电力线上的杂波干扰，提高载波信号接收性能；其中，二极管D101、二极管D102、二极管D103和二极管D104续流保护二极管，为滤波器信号提供稳定的电流信号且同时防止信号过大，所述二极管D105、二极管D106、二极管D107和二极管D108为钳位二极管能抑制差分信号的共模噪声，表计载波信号接收电路2010中的电容C111的输出端PLC_RX_N将接收的电力载波信号发送至电力载波处理芯片HM7901的负极接收输入端PLC_RX-(第二十七引脚)，电容C112的输出端PLC_RX_P将接收的电力载波信号发送至电力载波处理芯片HM7901的正极接收输入端PLC_RX+(第二十六引脚)，两路高频差分信号输入至电力载波处理芯片HM7901的第二十六引脚和第二十七引脚(未图示)进行解调和调制得到电力线发送来的数据信号，然后将调制后的电力数据信号再通过电力载波处理芯片HM7901的正极发送输出端PLC_TX+(第二十一引脚)和负极发送输出端PLC_TX+(第二十二引脚)分别发送至表计载波信号发送电路2011，所述表计载波信号发送电路2011采用的芯片型号为THS6214，如图9所示，本发明的表计载波信号发送电路2011与发送放大电路103的电路原理相同，即经表计过波信号发送电路2011中的电容C11和电容C12的输入分别送入载波信号发送芯片THS6214的正极输入端D2IN+(第二引脚)和负极输入端D1IN-(第一引脚)进行差分放大，以增大载波的发送功率，载波信号发送电路芯片THS6214差分放大输出的正载波发送信号从第二十引脚输出，然后经过电阻R16、电容C19耦合输出端P_TX+发送至耦合变压器T100的正极发送输入端TX+(耦合变压器T1的第二引脚)，载波信号发送电路芯片THS6214差分放大输出的负载波发送信号从第十七引脚输出经过电阻R17、电容C20耦合输出端P_TX-发送至耦合变压器T100的负极发送极输入端TX-(耦合变压器T100的第三引脚)，经过耦合变压器T100耦合后将电力载波信号输出至三相电力线上进行传输。
本发明基于电力宽带载波高速率优势，集中器可同时对多个现场表计的多个数据量进行连续不断的抄读，大大提高首次采集完整率。集中器和现场表计之间通过“即插即用”实现快速组网进行通讯，集中器可以自动寻表址，在较短时间内完成组网即可在集中器屏显上对该表计进行点抄读，从而实现了安装完毕即调试完毕的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种电力宽带载波通信抄表系统，其特征在于：包括主站、集中器、现场表计、集中器载波通信模块和表计通信模块，所述集中器通过GPRS通信网络与主站通信连接，所述集中器路通过电力线与现场表计进行通信连接，在所述集中器插入集中器载波通信模块，在所述现场表计内插入表计通信模块，所述集中器载波通信模块通过电力线与表计通信模块进行通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种电力宽带载波通信抄表系统，其特征在于：所述集中器载波通信模块包括载波信号耦合电路、载波信号分时收发电路、电力载波滤波电路、发送放大电路、过零检测电路、电力载波处理器、GPRS通信模块、路由电路和电源电路，所述载波信号耦合电路的采集端连接电力线，所述载波信号耦合电路的收发端通过载波信号分时收发电路、电力载波滤波电路与所述电力载波处理器连接，所述过零检测电路的输入端、载波信号耦合电路的输入端分别与电力线连接，所述过零检测电路的输出端与电力载波处理器连接，电力载波处理器的发送端通过发送放大电路与所述载波信号分时收发电路连接，所述GPRS通信模块、路由电路分别与所述电力载波处理器通信连接，所述电源电路分别与载波信号分时收发电路、电力载波滤波电路、发送放大电路、过零检测电路、电力载波处理器、GPRS通信模块、路由电路连接；
所述表计通信模块包括表计载波耦合电路、表计载波处理电路、表计电力载波处理器和表计接口电路，所述表计载波耦合电路的输入端与电力线连接，所述计载波耦合电路的输出端与表计载波处理电路的输入端连接，该表计载波处理电路与所述表计电力载波处理器通信连接，该表计电力载波处理器的通信控制端与表计接口电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种电力宽带载波通信抄表系统，其特征在于：所述表计通信模块还包括表计过零检测电路，该表计过零检测电路的输入端与电力线连接，所述表计过零检测电路的输出端与所述表计电力载波处理器的过零检测端连接。
4.根据权利要求2所述的一种电力宽带载波通信抄表系统，其特征在于：所述载波信号耦合电路至少包括A相载波信号耦合电路、B相载波信号耦合电路和C相载波信号耦合电路组成，所述载波信号分时收发电路至少包括A相分时收发电路、B相分时收发电路和C相分时收发电路组成，其中，A相载波信号耦合电路的采集输入端与电力线的A相电力线连接，B相载波信号耦合电路的采集输入端与电力线的B相电力线连接，C相载波信号耦合电路的采集输入端与电力线的A相电力线连接；所述A相载波信号耦合电路的收发端与所述A相分时收发电路的收发端连接，所述B相载波信号耦合电路的收发端与所述B相分时收发电路的收发端连接，所述C相载波信号耦合电路的收发端与所述C相分时收发电路的收发端连接，所述A相分时收发电路的接收输出端、B相分时收发电路的接收输出端、C相分时收发电路的接收输出端通过电力载波滤波电路的滤波输出端与所述电力载波处理器的接收输入端连接；所述电力载波处理器的发送输出端与所述发送放大电路的发送输入端连接，发送放大电路的发送输出端分别与所述A相分时收发电路的发送输入端、B相分时收发电路的发送输入端和C相分时收发电路的发送输入端连接；所述过零检测电路的采集输入端与电力线的A相、B相或C相电力线连接，所述过零检测电路的采集输出端分别与A相载波信号耦合电路的耦合输入端、B相载波信号耦合电路的耦合输入端、C相载波信号耦合电路的耦合输入端连接。
5.根据权利要求4所述的一种电力宽带载波通信抄表系统，其特征在于：所述电力载波滤波电路包括电阻R300、电容C300、电容C301、电容C302、电容C303、电容C304、电容C305、电感L300、电感L301、电感L302、电感L303、二极管D300、二极管D301、二极管D302和二极管D303；所述A相分时收发电路的正极接收输出端、B相分时收发电路的正极接收输出端、C相分时收发电路的正极接收输出端分别与所述电容C300的一端、电容C301的一端、电感L300的一端连接；所述A相分时收发电路的负极接收输出端、B相分时收发电路的负极接收输出端、C相分时收发电路的负极接收输出端分别与所述电容C301的另一端、电容C302的一端、电感L300的另一端连接，所述电容C302的另一端与所述电感L302的一端连接，所述电容C300的另一端与所述电感L301的一端连接，所述电感L302的另一端分别与所述电容C303的一端、电容C305的一端、电感L303的一端、二极管D302的阳极、二极管D303的阴极连接，所述电感L301的另一端分别与所述电容C303的另一端、电容C304的一端、电感L303的另一端、二极管D300的阳极、二极管D301的阴极连接，所述二极管D301的阳极、二极管D303的阳极分别与地连接，所述二极管D300的阴极、二极管D302的阴极分别与电源电路连接，所述电容C305的另一端与所述电力载波处理器的正极接收输入端连接；所述电容C304的另一端与所述电力载波处理器的负极接收输入端连接。
6.根据权利要求2所述的一种电力宽带载波通信抄表系统，其特征在于：所述电力载波处理器和表计电力载波处理器采用的芯片型号为HM7901。
7.根据权利要求2所述的一种电力宽带载波通信抄表系统，其特征在于：所述路由电路采用PH163539网路路由电路。
8.根据权利要求2所述的一种电力宽带载波通信抄表系统，其特征在于：所述表计接口电路为串行接口电路。
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| 吕美玲: "低压远程用电采集系统的集中器设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》, no. 02, 15 February 2014 (2014-02-15), pages 042 - 326 * |
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