CN110007138B - 一种居民小区的电能计量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种居民小区的电能计量系统，包含集中控制器和各电能计量表，采用电力线通信方法，向电网周波电压过0区特定点发送宽脉冲信号产生突变电流，作为信号的位取值，集中控制器接收各电能计量表采集的数据，不同变压器台区的集中控制器之间利用路灯电缆线路实现电力线半波通信，由提供电力线半波通信电源的变压器台区内的集中控制器汇总通信数据。

Description

一种居民小区的电能计量系统

(一)技术领域：

本发明涉及一种居民小区的电能计量系统，包含集中控制器和各电能计量表，采用电力线通信方法，向电网周波电压过0区特定点发送宽脉冲信号产生突变电流，作为信号的位取值，集中控制器接收各电能计量表采集的数据，不同变压器台区的集中控制器之间利用路灯电缆线路实现电力线半波通信，由提供电力线半波通信电源的变压器台区内的集中控制器汇总通信数据。

(二)背景技术：

当前电力线通信主要指电力线载波通信和双向工频通信。电力线载波通信PLC利用现有电力线通过载波方式传输信号。但是配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，同时在三相电力线间传送又有很大信号损失，所以电力载波信号只能在一个配电变压器台区内传送，并且只能在单相电力线上传输。实际应用中，电力线空载时点对点载波信号可传输到几公里，但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米，因此目前电力线载波通信只应用在远程抄表上，还需配合其它通信手段。

双向工频通信TWACS利用在工频电压基波过零区加入调制信号，用这一区域的电压或电流波形的畸变信号携带信息。TWACS系统设备只存在于变电站和用户端。其中由变电站向用户端传输的通道为输出通道，利用电压波形的调制携带信息，由用户端向变电站传输的通道为输入通道，利用电流波形的变化传输信息。其收发信号均通过耦合变压器与电力网交联。

TW A CS信号的检测主要是基于时域差分技术，这些方法大都数据处理复杂，实时性差，设备成本高，需要采集多个周波大量的信号比较并分别进行A/D转换，再进行复杂计算，才能确定该信号位是“1”还是“0”，由于计算的严谨性，干扰信号会严重影响所检测信号的判定结果，因此原有方法很难在我国应用。

本发明设置时钟计时器和同步计时器，其同步计时器及周波信号的真假判定甄别参考本人2016年相关专利。

(三)发明内容：

电力线双向工频通信是当调制电路的可控硅在过零点前30°触发导通时,通过隔离变压器产生调制信号，使电网周波发生短路畸变，其输出调制信号的频率在200～600Hz范围变化，接收端通过对多组周波畸变信号的采集、A/D转换和一系列计算解调出有用信息。但是我国电力网采用中性点不接地或小电流接地系统，用电情况复杂，电力线双向工频通信在我国很难得到实际应用。

本发明涉及一种居民小区的电能计量系统，由采集用户电能信息的电能计量表、集中控制器、电力线通信组成。电能计量表采集各用电户的用电数据，通过电力线通信方法上传至集中控制器，不同变压器台区的两个集中控制器之间利用路灯电缆线路实现电力线半波通信，由提供电力线半波通信电源的变压器台区内的集中控制器汇总电能计量数据，电力线通信与电力线半波通信是两种完全不同的通信方式。

所述电力线通信是通过对电网周波电压设定的信号发送点和信号接收点的精确定位实现通信，在设定的信号发送点发送通信用正极或负极的一个矩形波宽脉冲从而产生突变电流，该突变电流在配电变压器的短路阻抗上引起一个电压降叠加于电网电压波形上，从而完成一次信号调制过程，接收端在电网周波电压设定的信号接收点解调信号；所述一个正极矩形波宽脉冲是指脉冲的高电平部分即从0到高再回到0。因为仅发送单个矩形波宽脉冲对电网影响很小，并且结构简单信号检出率高。系统的微控制器用STC15F2K60S，采用外部晶振，频率35MHz，通信程序用汇编语言编写，以减少通信指令占用时间。或采用其它型号高速微控制器。

信号收发位置的设置：在电网周波正半周的电压过0处设置过0电压比较器，在电网周波正半周的电压21V—40V之间的一个设定周波电压位置设置信号电压比较器。这样，信号电压比较器的输出在一个周波正半周的设定周波电压的两个位置实现翻转。在周波正半周上升段的所述设定周波电压的位置作为第一信号位置，其设定信号收发点的周波电压位置称为第一信号设定点，在周波正半周下降段的所述设定周波电压的位置作为第二信号位置，其设定信号收发点的周波电压位置称为第二信号设定点。微控制器STC15F2K60S可以设置外部中断为上升沿触发或下降沿触发，当过0电压比较器和信号电压比较器在电网周波正半周的上升段或下降段产生翻转触发中断后均改变中断触发方式，或且由不同的中断源产生中断。

信号收发所具备的条件：所述过0电压比较器和信号电压比较器均采用ns级的高速电压比较器。采用高速微控制器和高速电压比较器可以减小翻转和触发中断的时间误差，并有足够高的检测翻转触发中断时间的分辨率，配合信号的位擦除和同步计时器的技术手段提高了电网周波携带信息的检出率。通过ns级的高速电源控制开关依据信号传送距离经试验确定将所发送的正35V至60V之间的一个设定矩形波宽脉冲电压加载于电网周波上的信号发送点，该矩形波宽脉冲电压比被加载的电网周波位置的电压高。依据信号传送距离经试验确定矩形波宽脉冲电压的宽度为0.3ms～0.5ms，能提供信号电流1A—20A。使周波电压在该信号位置的时间发生移位，从而使接收端的高速电压比较器在信号接收点未翻转，作为信号中的位(BIT)取“0”发送，否则为信号中的位(BIT)取“1”发送。因此仅当信号中的位取值使信号电压比较器在信号接收点应当翻转，由于干扰不发生翻转才有被干扰作用。

信号接收端设置：信号接收端由双电压比较器、高速控制开关和信号电压比较器构成，电网周波经电阻分压后与双电压比较器输入端相接，双电压比较器设置由高门限电压和低门限电压的门限范围构成的低电压窗口区。在微控制器控制下，当输入的周波电压落在双电压比较器设置的低电压窗口区时，使高速控制开关处于接通状态，信号电压比较器直接在周波电压的信号接收位置接收信号和测量周波时间参数，确定所接收的信号是否在设定的信号接收点误差范围内，在低电压窗口区以外使高速控制开关处于关断状态。因此，电网周波电压经高速控制开关控制，仅在周波正半周的两个低电压窗口区直接经调理滤波后接至信号电压比较器输入端，滤除高频干扰通过工频基波信号再解调通信信号，隔离了电网周波高电压，降低了由分压电路所造成的误差。双电压比较器设置低电压窗口区时，需保证第一信号位置和第二信号位置始终落在该低电压窗口区内。

信号中位取值的擦除和重发：在发送端发送信号期间，当高速电源控制开关打开后，发送端所发送的信号同时被接收端的信号电压比较器接收，如果接收的位取值信息与发送的位取值信息不同，则接着发送该位的擦除信号。每一帧信息中每一数据位均可擦除重发，采用控制位收发擦除信号，如果连续两次擦除不成功，即发送擦除帧的信号，从而提高了信号检出率。只有当被擦除位的数量超过设定值时，才擦除和重发信息帧。

信息帧生成：所述位均为二进制位。每个信息帧由起始位、地址或数据位、结束位组成。每位占用一个周期，地址或数据位共8位。位取值以信号电压比较器在信号接收点未翻转为发送位信号“0”，翻转为发送位信号“1”。微控制器在收发过程中记录有效的地址或数据位数和擦除过程所占用的位数，其中有效地址或数据位数达到设定8位数时即表明地址或数据位传送结束。其中地址或数据位的第一信号设定点为收发地址或数据，第二信号设定点为确认或擦除第一信号设定点发送的信息，发送“1”为确认,发送“0”为擦除。起始位中信号电压比较器在第一信号设定点发送“0”为开始发送,在第二信号设定点发送“0”为发送地址帧,发送“1”为数据帧。结束位在第一信号设定点以发送“1”结束，第二信号设定点不用。

信号收发位置误差的补偿：我国正弦交流电电网频率为50Hz，电压有效值为220V，其瞬时电压u由下式计算：

u＝Umsin100πt；………………………………………1

式中：U_m为我国电网电压峰值

如图1所示，系统以周波正半周上升段的电压过0处为时间起点到第一信号设定点的时间间隔为标称值T_m1；周波正半周上升段的电压过0处为时间起点到第二信号设定点的时间间隔为标称值T_m2。所述T_m1和T_m2由1式计算得到，式中u为设定周波电压。

同时测量过0电压比较器在周波正半周上升段的过0翻转时的时间为时间起点到信号电压比较器在第一信号位置翻转时的时间间隔的实时测量值T_c1；该过0翻转时间为时间起点到信号电压比较器在第二信号位置翻转时的时间间隔的实时测量值T_c2；信号电压比较器在第二信号位置翻转时到过0电压比较器在周波正半周下降段的过0翻转时的时间间隔的实时测量值T_c3；过0电压比较器在两个相邻周波的周波正半周上升段的过0翻转时的时间间隔为周波周期实时测量值Tzu。

由于电网过0误差表现为过0点的左右抖动，但收发端同步过0并均以过0翻转为基准测量周波时间参数，过0抖动对测量周波时间参数影响很小，因此忽略过0电压比较器过0翻转及中断误差。当检测到的周波及其相邻的两个周波均为真，同时检测到的周波周期实时测量值Tzu在20ms及其误差范围时，测量该周波以过0电压比较器在周波正半周上升段的过0翻转时为时间起点到信号电压比较器在第一信号位置翻转时的时间间隔的基准值T_c01和该过0翻转为时间起点到信号电压比较器在第二信号位置翻转时的时间间隔的基准值T_c02，保存30至50中的一个设定个数的连续测量所得到的基准值T_c01和T_c02并计算所保存的T_c01的平均值T_p1和所保存的T_c02的平均值T_p2,将T_p1和T_p2保存在相应的存储单元中。

则信号电压比较器翻转时间的误差补偿值T_b由下式确定：

T_b＝{(T_m2－T_m1)－(T_p2－T_p1)}÷2；………………2

将T_b保存。T_b为正时说明实际信号收发点的位置偏高。

上述所述的测量，其中T_c1或T_c01是以过0电压比较器和信号电压比较器在周波正半周过0位置和信号位置的翻转时间为基准，但实际测量是以电压比较器翻转触发中断后的计时器的计时时间为基准，这样，当过0电压比较器在周波正半周上升段的过0翻转后触发中断并起动计时器的过程，存在指令执行时间，它需加到所述测量的计时时间中；同时，所述测量的计时时间需减去在第一信号位置翻转后的触发中断并读计时器的过程的指令执行时间。其中翻转后触发中断还需包含翻转后微控制器正在执行的一条指令的执行时间，它会推迟中断发生，微控制器STC15F2K60S是1T的单片机，该条指令时间容易得出。在第二信号位置测量T_c2或T_c02与此相似，测量T_c3时也是与上述相似。

周波真伪的判定：将T_c1与T_p1；T_c2与T_p2；Tzu与20ms分别作比较，如果均分别在其允许的周波误差范围内，则检测到的该周波信号为真，否则有一项比较超差则检测到的周波信号为假。不在通信期间和在通信期间的所述T_c1与T_p1；T_c2与T_p2分别作比较时分别设置不同的周波误差范围，由于通信期间第一信号位置和第二信号位置被移位，而取较大的周波误差范围。

系统设置时钟计时器和同步计时器，其中同步计时器保存每个周波周期用20ms计算的周波周期累计值作为同步时间。上述判定周波信号为真时，保存Tzu并取20ms与同步计时器计时时间相加，将相加的值回存入同步计时器中，如果检测到的周波信号为假，则将周波信号为假期间的计时时间与20ms乘以为假期间的周波数的积比较，如果在误差范围内，取20ms乘以为假期间的周波数的积与同步计时器计时时间相加，当重新检测到周波信号为真时同步计时时间得到准确纠正，否则用周波信号为假期间的计时时间与同步计时器计时时间相加。由于电力系统频率偏差允许值为0.2Hz，一般运行时为±0.1Hz，当所述比较误差超过6ms时，说明电网发生了较大故障。

信号收发的同步：通信是在同步时间控制下实现。每一次通信传送多个信息帧，每次通信的开始时间采用同步时间，均为预置或由集中控制器指令约定，根据电网质量和信号结构需要每一帧信息中的数据位占用1个至多个的设定字节数，电网质量好取较大的设定字节数。每一帧通信结束后留有两个周波周期的时钟计时器时间，用于更新T_c1、T_c2和T_c3。之后开始下一帧的通信，如果在一帧通信中检测到周波信号为假，重发该信息帧。

通信信息的收发端通过每一帧信息的起始位、结束位实现通信中的周波按序同步接续。集中控制器或电能计量表在所述两个帧的通信时间间隙，分别测量和存储T_c1、T_c2和T_c3，并分别计算两个实时测量值T_c1的平均值T_k1、T_c2的平均值T_k2和T_c3的平均值T_k3，并分别存入两组存储单元，即T_c1、T_c2和T_c3的存储单元和T_k1、T_k2和T_k3存储单元，当从存储单元取出T_k1、T_k2和T_k3后清零两组存储单元。所述存储单元可存放16个实时测量值T_c1、T_c2和T_c3。不在通信期间，分别测量连续的16个实时测量值T_c1、T_c2和T_c3，如果甄别到周波信号为假，则清零所述T_c1、T_c2和T_c3的各自存储单元，在甄别到周波信号为真时继续测量和存储，存满时每存入一个T_c1、T_c2和T_c3，均先移除最先存入的一个T_c1、T_c2和T_c3，同时按2至15中的一个设定取出数，取出最后存入的一组T_c1、T_c2和T_c3，当电网质量差时选较小设定取出数，计算所取出的每一组的T_c1的平均值T_k1、T_c2的平均值T_k2和T_c3的平均值T_k3并替换原先保存的T_k1、T_k2和T_k3，采用平均值T_k1、T_k2和T_k3降低电网电压和频率波动的影响。

发送信号时间的确定：通信是在电网的一个变压器台区内的单相的相线上实施，并按同步计时器时间预先约定开始通信时间。通信时先由集中控制器广播带地址信息的握手信号，当集中控制器要求某个电能计量表向集中控制器反馈信息时，该电能计量表才向集中控制器发送信息。集中控制器或电能计量表在预先约定的通信同步时间收发信息之前，必须甄别出连续的不少于16个的电网周波，即实时测量存储单元中存有不少于16个的T_c1、T_c2和T_c3，如果未检测到连续的16个的T_c1、T_c2和T_c3则依序延时直到检测到16个为止。发送端从存储单元中取出T_k1、T_k2和T_k3的值分别加上T_b，得到带误差补偿的第一信号实际收发点T_d1和第二信号实际发送点T_d2：

T_d1＝T_k1－T_b；………………………………………………3

T_d2＝T_k2+T_b；………………………………………………4

带误差补偿的第二信号实际接收点T_d3：

T_d3＝T_k3－T_b；………………………………………………5

保存T_d1、T_d2和T_d3在各自存储单元中。发送每一帧信息后T_k1、T_k2和T_k3都被更新。

发送信号时，微控制器分别用T_d1和T_d2作为开关信号定时器的定时时间中点并依所采用的矩形波宽脉冲电压高低取一定的偏移量，再以矩形波宽脉冲的宽度时间作为开关信号定时器的计时长度，容易计算出高速电源控制开关接通时间点，即用于T_d1点发送矩形波宽脉冲的设定发送时间T_f1和T_d2点的矩形波宽脉冲的设定发送时间T_f2：

T_f1＝T_d1－(T_m/2)－T_an；…………………………………6

T_f2＝T_d2－(T_m/2)－T_an；…………………………………7

式中T_m为信号矩形波宽脉冲宽度，T_an为所述偏移量。

在周波正半周上升段，由于矩形波宽脉冲加载于周波正半周的初期，矩形波宽脉冲电压相对于周波电压高的更多，因此所发送的矩形波宽脉冲功率更大，产生的信号接收点移位更多，在加载过程的其它时间段信号电压比较器设定翻转电压，已经离开信号接收点的电压位置；周波正半周下降段则是在矩形波宽脉冲加载于周波过程的末期产生的信号接收点移位更多，这样，依据实际采用的矩形波宽脉冲电压，经试验测量接收点移位确定发送端的开关信号定时器时间的中点位置与T_d1或T_d2之间的偏移量T_an，使信号接收更可靠。

信号发送过程：发送端在周波正半周上升段周波过0电压比较器翻转产生过0中断，经延时T_i1或T_i2后，起动开关信号定时器并接通高速电源控制开关，将单个的矩形波宽脉冲电压叠加于电网周波上，使工频基波在T_d1或T_d2的电压在时间轴上产生微小的位移，并会向系统注入一定的谐波。

设过0中断后中断处理程序、起动测量T_c1的定时器和接通开关信号定时器指令的执行时间为Tin

当向T_d1发送信号时：

T_i＝T_f1－T_in；…………………………………………………8

当向T_d2发送信号时：

T_i2＝T_f2－T_in。…………………………………………………9

T_i和T_i2的取值还依据接收端的信号点移位多少实时调节。

开关信号定时器计时溢出中断时在中断服务程序中关闭高速电源控制开关，从而完成一次信号调制过程。

考虑到信号传输过程的衰减，以及解调是以周波电压过零点作为时间基准，这样信号在远距离传送时，收发端的周波电压相位差会造成设定接收信号时间位置与实际信号时间位置之间出现偏差而影通信性能，因此在没有采取消除偏差的方法时，将通信距离限制在同一变压器台区内。

信号的解调：接收端在接收信号时的信号电压比较器在第一信号位置实时测量的T_c1减去T_b后的值与从存储器中取出最后存入的T_c1的前一个T_c1减去T_b后的值作比较是否在允许的信号误差范围内，确定第一信号位置接收到信号中位取值；信号电压比较器在第二信号位置实时测量的T_c3减去T_b后的值与从存储器中取出最后存入的T_c3的前一个T_c3减去T_b后的值作比较是否在允许的信号误差范围内，确定第二信号位置接收到信号中位取值。

信号发送功率的控制：当发送端开关信号定时器起动并接通高速电源控制开关后，微控制器立即打开信号接收端的外部中断口，检测信号电压比较器在周波正半周第一信号位置和第二信号位置的翻转时间，与T_d1和T_d3相比较是否移位及其移位量，如果信号电压比较器翻转时间越靠近T_d1，说明发送的矩形波宽脉冲能量相对越小或电网阻抗相对较低。如果测量的信号电压比较器翻转时间越靠近T_d1，则增加T_i时间，如果矩形波宽脉冲电压比较器翻转时间越靠近T_d2则减少T_i2时间。

不同变压器台区之间采用电力线半波通信：

两个不同变压器台区的集中控制器之间利用路灯电缆线路实现电力线半波通信，由提供电力线半波通信电源的变压器台区内的集中控制器汇总通信数据。

路灯使用三相电源或单相电源，前者耗费电缆多，后者三相负载平衡差。为了方便道路上的路灯控制，每个路灯回路负载电流一般不大于20A，如果使用LED灯负载电流更小。路灯只在晚间工作白天不供电，工作时智能监控器控制各路灯的启闭和工作模式。

利用白天路灯停止工作实现电力线半波通信，将大大提高路灯电力线路的利用率。电力线半波通信具体内容见本发明人2016年6月10日申请的授权专利ZL2016104477381以下称为参考文件。

电力线半波通信线路两端及各路灯节点均设置单相双电源自动转换电路。其中电力线半波通信线路靠近路灯智能监控器的一端称为始端，提供电力线半波通信电源，另一端称为终端，始端的电力线半波通信中主控器是各个转换节点的单相双电源自动转换电路的控制指令发送器，称之为主令控制器，电力线半波通信时电源转换是在主令控制器检测到电力线周波过零点附近切换。

图3是各节点单相双电源自动转换电路的电原理方框图。图中KA是始端的单相双电源自动转换电路，其中路灯供电线路L1为火线N1为零线，该端接于路灯智能监控器。电力线半波通信电源线L2为火线N2为零线。图中KA是接入电力线半波通信电源的一端，KC是电力线半波通信的终端节点，处于另一个变压器台区，KC端用于电力线半波通信的主控器与所处变压器台区的电力线通信的集中控制器中微控制器模块之间通信信道通过光电隔离。KB是电力线半波通信两端之间的各个路灯节点的单相双电源自动转换电路。如图，KA、KB和KC基本电路结构相同。DN是路灯节点，FU是熔断器。

电力线半波通信与路灯工作时间错开，其时间由KA端电力线半波通信中主控器计时控制，平时L1、N1不带电，电力线半波通信的主控器安装一个L1、N1的周波检测电路，如果检测到L1、N1存在周波信号，说明路灯线路在用或在维修，暂停电力线半波通信。

切换为电力线半波通信后，电源模块S3与电力线半波电源相接，作为各个转换节点的单相双电源自动转换电路中直流线圈接触器和继电器的直流驱动电源。因此电力线半波通信电源L2、N2是提供各个转换节点单相双电源自动转换电路保持转换工作状态的电源。

各路灯节点和终端节点的单相双电源自动转换电路中，由电力线半波电源经电容C降压、桥式整流后送入电源模块4，提供微控制器S1的电源。电容C的容量在1u至2.2u左右，微控制器S1选用89C4051。

周波输入模块S5由电力线电源经电阻降压、二极管稳压供KA、KB和KC中微控制器S1作周波检测。

直流线圈接触器K1和继电器K2、继电器K3的驱动由电源模块S3提供。通信前主令控制器先向KA发出一个切换指令，经KA中信号放大器2驱动使继电器K2线包得电，其常开触头K21吸合，从而使直流线圈接触器K1得电，其常闭触头K12断开，常开触头K11吸合，K2失电后K1自保实现电力电源切换。通信结束主令控制器在周波过零点附近发出一个恢复路灯供电的切换指令使继电器K3得电，其常闭触头K31断开K1失电K11断开K12闭合路灯恢复供电状态。

所述控制指令由主令控制器向各转换节点的单相双电源自动转换电路KA、KC和KB发送，各节点的周波输入模块S5接收主令控制器的控制指令。L2、N2在电力线半波通信时处于半波通信半波供电状态，每一个周波时间只有半个周波供电称为一个供电半周波。所述控制指令包含地址位和控制位，每条指令开头设置30个至50个周波时间供电，该供电周波经电源模块S4中电容充电后，提供微控制器S1的接收和保存指令的电能，其后间隔一个周波时间为起始位，接着为地址位和指令代码位，共设5个周波时间为地址位，其中前3个供电半周波为全部路灯节点地址，后2个供电半周波为终端节点地址，每2个供电半周波中间间隔一个供电半周波，组成3个供电半周波为始端节点地址，其后3个周波时间为指令代码，前2个供电半周波为通信开始指令，后1个供电半周波为通信结束指令，最后间隔一个周波时间为停止位。各节点微控制器S1根据接收的指令内容和继电器状态判定当前工作状态依操作顺序执行指令操作，例如通信开始应先接收到始端节点指令之后是终端节点指令，接着才是各路灯节点指令，通信开始时始端节点指令其它节点收不到，各节点接收到的指令均保存，用于操作顺序判定，通信结束后删除其保存内容。指令保存在存储器中，然后依序取出指令执行。电力线半波通信开始，在始端KA完成电源切换后主令控制器即向KC发送电源切换指令，最后向各路灯节点的KB发送切断路灯电源指令，KC和KB电源切换过程相同。通信结束是在其它节点完成切换后再开始始端节点电源切换。

图3中电力线半波通信电路S8仅包含参考文件中的通信电子开关、开关驱动模块、周波甄别电路和主控器，用于电力线半波通信的电力网交流电源L2、N2与图3中通信电子开关S6的输入端以及参考文件中的开关驱动模块、周波甄别电路输入端相连，其中主控器S7与集中控制器S9中的微控制器模块1经RS232口通信，集中控制器S9与电力线半波通信电路S8以及单相双电源自动转换电路之间的连接，在KA端与在KC端的区别仅是在KC端通信信道中加光电隔离S10，这是由于在KA端集中控制器S9与电力线半波通信电路S8属于同一变压器台区，在KC端是属于不同地变压器台区。

(四)附图说明：

图1是电网周波收发信号位置数据关系示意图；

图2是一种居民小区的电能计量系统的电路结构方框图。

图3是利用路灯电缆线路实现电力线半波通信的电路结构方框图。

(五)具体实施方式：

一种居民小区的电能计量系统的电路结构如图2和图3所示。由集中控制器和多个电能计量表及通信系统构成。集中控制器由信号发送端A、信号接收端B、电脑2和微控制器模块1构成。集中控制器中的微控制器模块1通过RS232与电脑2连接,有的电脑没有RS232接口就通过USB–RS232转换器连接，从而可以使用电脑和打印机处理采集的数据。电能计量表由信号发送端A、信号接收端B、电能计量芯片模块10和微控制器模块1构成。集中控制器与电能计量表采用所述电力线通信。

集中控制器和电能计量表中所述电力线通信的信号发送端A、信号接收端B和微控制器模块1和电源模块4的硬件结构相同。

所述电力线通信的信号发送端A由高速电源控制开关5、开关信号定时器3构成，电网电压接至高速电源控制开关5的输出端。

所述电力线通信的信号接收端B由双电压比较器7、高速控制开关6、过0电压比较器8和信号电压比较器9构成。电网周波经电阻分压后与双电压比较器7输入端相接，过0电压比较器8和信号电压比较器9均采用ns级的高速电压比较器MAX319。

微控制器模块1采用高速微控制器STC15F2K60S，这是一种单时钟/机器周期(1T)的单片机，速度比STC12还快20％，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，无AD转换。

电网的单相火线和零线接信号发送端输出端口和接收端的输入端口，其中电网的零线接地端。所述窗口区电网电压控制在55V电压范围内，整机外壳保护接地，并有高电压区的安全警示，故障检修应加装变比为1：1的隔离变压器，避免因故障意外触电。

通信时先由集中控制器广播带地址信息的握手信号，当集中控制器要求某个电能计量表向集中控制器反馈信息时，该电能计量表才向集中控制器发送信息。

Claims (6)

1.一种居民小区的电能计量系统的实现方法，在一个变压器台区内各电能计量表采集的用电数据通过电力线通信方法上传至集中控制器，不同变压器台区的两个集中控制器之间利用路灯电缆线路实现电力线半波通信；

所述电力线通信是通过对电网周波电压设定的信号发送点和信号接收点的精确定位实现通信，在设定的信号发送点发送通信用正极或负极的一个矩形波宽脉冲从而产生突变电流，该突变电流在配电变压器的短路阻抗上引起一个电压降叠加于电网电压波形上，从而完成一次信号调制过程，接收端在电网周波电压设定的信号接收点解调信号；所述一个正极矩形波宽脉冲是指脉冲的高电平部分即从0到高再回到0；

所述在电网周波电压的设定信号发送点和设定信号接收点的信号调制解调步骤包括：

发送：当设置在周波正半周上升段的周波过0电压比较器翻转产生过0中断，经延时后使其延时后的发送时间落在周波电压设定的信号发送点，起动开关信号定时器并接通高速电源控制开关，将单个的正脉冲电压信号叠加于电网周波上；

接收：由双电压比较器设置的由高门限电压和低门限电压的门限范围构成的低电压窗口区，在微控制器控制下，当输入的周波电压落在双电压比较器设置的低电压窗口区时，使高速控制开关处于接通状态，信号电压比较器直接在周波电压的信号接收位置接收信号和测量周波时间参数，确定所接收的信号是否在设定的信号接收点误差范围内，在低电压窗口区以外使高速控制开关处于关断状态；

其特征在于，设定的信号发送点和信号接收点是在电网周波正半周的电压过0处设置过0电压比较器，在电网周波正半周的一个设定周波电压位置设置信号电压比较器，所述信号电压比较器的输出在一个周波正半周的设定周波电压的两个位置实现翻转；在周波正半周上升段的所述设定周波电压的位置作为第一信号位置，其设定信号收发点的周波电压位置称为第一信号设定点，在周波正半周下降段的所述设定周波电压的位置作为第二信号位置，其设定信号收发点的周波电压位置称为第二信号设定点；

所述信号电压比较器是设置在电网周波正半周的电压21V—40V之间的一个设定周波电压位置；

所述将单个的正脉冲电压信号叠加于电网周波上，是将一个正35V至60V之间的设定矩形波宽脉冲电压加载于电网周波上的信号发送点，矩形波宽脉冲电压的宽度值为0.3ms～0.5ms，能提供信号电流值1A—20A。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是在电力线半波通信线路两端及各路灯节点均设置单相双电源自动转换电路，其中电力线半波通信线路靠近路灯智能监控器的一端称为始端，另一端称为终端，始端的电力线半波通信中主控器是各个转换节点的单相双电源自动转换电路的控制指令发送器，称之为主令控制器，电力线半波通信时电源转换是在主令控制器检测到电力线周波过零点附近切换﹔

切换为电力线半波通信后，节点电源模块(S3)与电力线半波电源相接，作为各个转换节点的单相双电源自动转换电路中直流线圈接触器和继电器的直流驱动电源﹔

各路灯节点和终端节点的单相双电源自动转换电路中，由电力线半波电源经电容C降压、桥式整流后送入电源模块(S4)，提供微控制器(S1)电源﹔所述控制指令由主令控制器向各转换节点的单相双电源自动转换电路发送，各节点的周波输入模块接收主令控制器的控制指令，在电力线半波通信时电力电源处于半波通信半波供电状态，每一个周波时间只有半个周波供电称为一个供电半周波﹔

所述控制指令包含地址位和控制位，每条指令开头设置30个至50个周波时间供电，该供电周波经电源模块(S4)中电容充电后，提供微控制器(S1)的接收和保存指令的电能，其后间隔一个周波时间为起始位，接着为地址位和指令代码位，共设5个周波时间为地址位，其中前3个供电半周波为全部路灯节点地址，后2个供电半周波为终端节点地址，每2个供电半周波中间间隔一个供电半周波，组成3个供电半周波为始端节点地址，其后3个周波时间为指令代码，前2个供电半周波为通信开始指令，后1个供电半周波为通信结束指令，最后间隔一个周波时间为停止位，指令保存在存储器中，然后依序取出指令执行，电力线半波通信开始，在始端节点完成电源切换后其它节点开始切换，反之通信结束是在其它节点完成切换后再开始始端节点电源切换。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在设定的信号接收点解调信号，包含确认或擦除从设定的信号发送点发送的信号，在发送端发送信号期间，发送端所发送的信号同时被接收端接收，如果接收的位取值信息与发送的位取值信息不同，则接着发送该位的擦除信号，每一帧信息中每一数据位均可擦除和重发，如果连续两次擦除不成功，即发送擦除帧的信号，从而提高了信号检出率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设定的信号发送点和信号接收点的精确定位包含所设置的信号发送点和信号接收点的误差补偿，同时过0电压比较器和信号电压比较器均采用ns级高速电压比较器及高速微控制器。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述位取值以信号电压比较器在信号接收点未翻转为发送位信号“0”，翻转为发送位信号“1”，其中地址或数据位的第一信号设定点为收发地址或数据，第二信号设定点为确认或擦除第一信号设定点发送的信息，发送“1”为确认,发送“0”为擦除，起始位中信号电压比较器在第一信号设定点发送“0”为开始发送,在第二信号设定点发送“0”为发送地址帧,发送“1”为数据帧，结束位在第一信号设定点以发送“1”结束，第二信号设定点不用。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，信号发送点和信号接收点的精确定位及其误差的补偿方法是先计算系统以周波正半周上升段的电压过0处为时间起点到第一信号设定点的时间间隔为标称值T_m1；周波正半周上升段的电压过0处为时间起点到第二信号设定点的时间间隔为标称值T_m2；

并测量过0电压比较器在周波正半周上升段的过0翻转时的时间为时间起点到信号电压比较器在第一信号位置翻转时的时间间隔的实时测量值T_c1；该过0翻转时间为时间起点到信号电压比较器在第二信号位置翻转时的时间间隔的实时测量值T_c2；信号电压比较器在第二信号位置翻转时到过0电压比较器在周波正半周下降段的过0翻转时的时间间隔的实时测量值T_c3；过0电压比较器在两个相邻周波的周波正半周上升段的过0翻转时的时间间隔为周波周期实时测量值Tzu；

当检测到的周波及其相邻的两个周波均为真，同时检测到的周波周期实时测量值Tzu在20ms及其误差范围时，测量该周波以过0电压比较器在周波正半周上升段的过0翻转时为时间起点到信号电压比较器在第一信号位置翻转时的时间间隔的基准值T_c01和该过0翻转为时间起点到信号电压比较器在第二信号位置翻转时的时间间隔的基准值T_c02，保存30至50中的一个设定个数的连续测量所得到的基准值T_c01和T_c02并计算所保存的T_c01的平均值T_p1和所保存的T_c02的平均值T_p2,将T_p1和T_p2保存在相应的存储单元中；

则信号电压比较器翻转时间的误差补偿值T_b由下式确定：

T_b＝{(T_m2－T_m1)－(T_p2－T_p1)}÷2；

将T_b保存，T_b为正时说明实际信号收发点的位置偏高；

根据电网质量和信号结构需要每一帧信息中的数据位占用1个至多个的设定字节数，每一帧通信结束后留有两个周波周期的时钟计时器时间，用于更新T_c1、T_c2和T_c3，之后开始下一帧的通信，如果在一帧通信中检测到周波信号为假，重发该帧的信息；

通信信息的收发端通过每一帧信息的起始位、结束位实现通信中的周波按序同步接续，集中控制器或电能计量表在周波接续中两个帧的通信时间间隙，分别测量和存储T_c1、T_c2和T_c3，并分别计算两个实时测量值T_c1的平均值T_k1、T_c2的平均值T_k2和T_c3的平均值T_k3，并分别存入两组存储单元，即T_c1、T_c2和T_c3的存储单元和T_k1、T_k2和T_k3存储单元，当从存储单元取出T_k1、T_k2和T_k3后清零两组存储单元，所述存储单元可存放16个实时测量值T_c1、T_c2和T_c3，不在通信期间，分别测量连续的16个实时测量值T_c1、T_c2和T_c3，如果甄别到周波信号为假，则清零所述T_c1、T_c2和T_c3的各自存储单元，在甄别到周波信号为真时继续测量和存储，存满时每存入一个T_c1、T_c2和T_c3，均先移除最先存入的一个T_c1、T_c2和T_c3，同时按2至15中的一个设定取出数，取出最后存入的一组T_c1、T_c2和T_c3，当电网质量差时选较小设定取出数，计算所取出的每一组的T_c1的平均值T_k1、T_c2的平均值T_k2和T_c3的平均值T_k3并替换原先保存的T_k1、T_k2和T_k3；

发送信号时间的确定：收发信息之前必须甄别出连续的不少于16个的电网周波，即实时测量存储单元中存有不少于16个的T_c1、T_c2和T_c3，如果未检测到连续的16个的T_c1、T_c2和T_c3则依序延时直到检测到16个为止，发送端从存储单元中取出T_k1、T_k2和T_k3的值分别加上T_b，得到带误差补偿的第一信号实际收发点T_d1和第二信号实际发送点T_d2：

T_d1＝T_k1－T_b；

T_d2＝T_k2+T_b；

带误差补偿的第二信号实际接收点T_d3：

T_d3＝T_k3－T_b；

保存T_d1、T_d2和T_d3在各自存储单元中，发送每一帧信息后T_k1、T_k2和T_k3都被更新；

发送信号时，微控制器分别用T_d1和T_d2作为开关信号定时器的定时时间中点并依所采用的矩形波宽脉冲电压高低取一定的偏移量，再以矩形波宽脉冲的宽度时间作为开关信号定时器的计时长度，容易计算出高速电源控制开关接通时间点，即用于T_d1点发送矩形波宽脉冲的设定发送时间T_f1和T_d2点的矩形波宽脉冲的设定发送时间T_f2：

T_f1＝T_d1－(T_m/2)－T_an；

T_f2＝T_d2－(T_m/2)－T_an；

式中T_m为信号矩形波宽脉冲宽度，T_an为所述偏移量；

矩形波宽脉冲加载于周波正半周的初期，矩形波宽脉冲电压相对于周波电压高的更多，产生的信号接收点移位更多，周波正半周下降段则是在矩形波宽脉冲加载于周波过程的末期产生的信号接收点移位更多，产生所述移位不均匀，经试验测量接收点移位确定发送端的开关信号定时器时间的中点位置与T_d1或T_d2之间的偏移量T_an；

信号发送过程：电网周波电压接至高速电源控制开关输出端口，当周波正半周上升段的周波过0电压比较器翻转产生过0中断，经延时T_i1或T_i2后，起动开关信号定时器并接通高速电源控制开关，将单个的正脉冲电压信号叠加于电网周波上，使工频基波在T_d1或T_d2的电压在时间轴上产生微小的位移；

设过0中断后中断处理程序、起动测量T_c1的定时器和接通开关信号定时器指令的执行时间为Tin

当向T_d1发送信号时：

T_i＝T_f1－Tin；

当向T_d2发送信号时：

T_i2＝T_f2－Tin；

T_i和T_i2的取值还依据接收端的信号点移位多少实时调节；

开关信号定时器计时溢出中断时在中断服务程序中关闭高速电源控制开关，从而完成一次信号调制过程；

上述T_i2的取值还依据接收端的信号点移位多少实时调节，方法为：如果测量的信号电压比较器翻转时间越靠近T_d1，则微控制器控制高速电源控制开关加大矩形波宽脉冲电压，如果信号电压比较器翻转时间越靠近T_d2则减少T_i2时间；

所述电力线通信的发送端由高速电源控制开关、开关信号定时器构成；

所述电力线通信的接收端由双电压比较器、高速控制开关、过0电压比较器和信号电压比较器构成；

所述电力线通信的接收端，是由电网周波电压经高速控制开关控制，仅在周波正半周的两个低电压窗口区直接经调理滤波后接至信号电压比较器输入端，高速控制开关仅在信号收发点周围的低电压窗口区打开，隔离了电网周波高电压，信号电压比较器直接在周波电压的信号接收位置接收信号和测量周波时间参数；

所述电力线通信的发送端，电网电压接至高速电源控制开关输出端，在周波正半周上升段周波过0电压比较器翻转产生过0中断，经延时T_i1或T_i2后，起动开关信号定时器并接通高速电源控制开关，将单个的矩形波宽脉冲电压叠加于电网周波上。

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