CN2323496Y - 远程自动抄表装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电力有效管理的远程自动抄表装置。采用扩频通信技术,克服现有电力线载波数据通信使用的FSK制式存在误码率高、传输速率低、实时采集能力差、电路集成度低、发射功率大、成本高等缺点。本实用新型采用LON网现场总线控制系统,主要由神经元芯片、扩频通信收发器、RS－232接口分组驱动器、路由器节点、中央计算机、结合滤波器,电度表及相应的系统和单元通信软件组成。特别适用于电力、石化、汽车检测线、楼寓、医药、安保等工业生产自动化行业。

Description

远程自动抄表装置

本实用新型是一种远程自动抄表装置，特别适用高压线无人值守遥控遥测网络，属通信网络类。

电能是使用最为广泛的主要能源，涉及国民经济所有领域和社会生活的各个方面。电能的显著特征是不能大量储存，其生产、传输和使用都在同一时间进行。因此需要有效管理，但目前这种供、用电管理同题日益突出。

造成目前这种状况的主要原因之一是现行输电线路在线计量、遥测、调度及保护功能采用传统的FSK(移频键控)制式电力线载波通信方式。传统通信方式受到系统有效灵敏度的限制，抗干扰、误码率性能均不理想，导致系统传输速率低，一路最大传输速率600bps。传输速低就无法实现在线数据的实时采集，只能采集一定时间间隔内的电荷变化量(积分量)而不是实时在线的绝对电荷量、所造成的后果是：

1．无法实现在线“关口”实时计量、遥测、调试功能。

电力网调度一般分国调、网调、地调三级(关口指高压电网入口和出口的总称)。调度过程是根据用户用电量的需求，在三级电网之间进行频繁的在线调度，三级电网之间的调度命令是通过电力线载波电话或微波通信、光纤通信进行。其中唯有发电厂的发电量有实时数据可查，而各关口处的电荷量由于传输速率低为600bps，却无实时的数据可依、造成供方有据、需方无数，界面不清的混乱状态，给其中的窃电户提供可乘之机。

2．缺乏侦破窃电户每年给国家造成大于40亿经济损失的有力手段。

占全国用电量82％的工业(含农业)用户，特别是各地区的高压大用户，要将潜伏其中的窃电户曝光，就需要建立一套能对高压大用户实施在线实时电荷监测的自动管理体系。目前也由于系统传输速率低而无法实施。

3．高海拨地区的高压电网不能安全可靠地执行在线继电保护功能。

高海拨地区空气稀薄造成电网沿线电晕现象严重，使目前FSK制电力线载波通信不能安全可靠工作。尽管企图加大载波发射功率如增至100W，但收效甚微。因此高压电网潜伏一旦短路无法切电保护的危机。

4．现行FSK制电力载波通信设备费用昂贵

目前采用80年水平的各类FSK制电力线载波通信设备。国产(734厂)一对“一路数传600bps、一路活恪、发射功率10～20W、接收灵敏度一38dB”的设备30万。

这里要特别指出的是，虽然现在电网调度也采用微波或光纤网通信，但它们只能作为二线通信设备使用，因为三级电网调度要依据在线的一线电力线载波通信设备所采集到的电荷数据进行，而二级通信设备是不能直接在线采集电荷数据，所以只起到辅助通信的目的。这就是为什么FSK制电力载波通信设备尽管昂贵也只得采用的原因。

本实用新型的目的在于提供一种由节点、路由器节点及中央计算机组成的远程自动抄表装置。装置采用LONWORKS网络技术和扩频通信技术，以克服现有电力线载波数据通信中传统使用的FSK(移频键控)制式存在的抗干能力低、误码率高、传输速率低(600bps)、实时采集能力差、电路集成度低、发射功率大、成本高等缺点。

本实用新型的具体内容由如下技术方案实现：该远程自动抄表装置包括节点、路由器节点、结合滤波器及中央计算机。节点由神经元芯片、RS-232接口分组驱动器，扩频通信收发器及宽频功率放大器组成，神经元芯片通过RS-232接口分组驱动器将电度值处理后保存在芯片的内部存储器内，处理后的电度值可通过扩频通信收发器产生的直扩信号码变换成曼彻斯特码最后形成传输信号，再通过宽频功率放大器和结合滤波器加载到高压供电网上，神经元芯片的外部存储器中存有通信协议固件，可实现通信和所有的任务调度；路由器节点由两个节点组成，实现跨网中继的信息交换；中央计算机由PC计算机、适配器和结合滤波器组成，高压电力线上的扩频通信信号与PC机的信息交换是通过结合滤波器由适配器完成，中央计算机完成各节点内存储电度表信息的收集、监测、抄表。

本实用新型的优点是：采用LONWORKS网络技术、有效地把扩频通信技术与计算机处理、通信结合起来；系统简单、工作稳定可靠；发射功率小，抗干扰能力强；具有很强的可扩展性。

本实用新型的具体结构由图1～11给出。

图1远程自动抄表装置总体方框图：

图2节点方框图；

图3神经元芯片示意图；

图4路由器节点方框图；

图5中央计算机组成方框图；

图6节点线路图；

图7路由器节点(发送)线路图；

图8路由器节点(接收)线路图；

图9中央计算机线路图；

图10宽带功率放大器线路图；

图11节点供电电源线路图。

图中主要结构为：节点1．路由器节点2．结合滤波器3．适配器4．神经元芯片5．RS-232接口分组驱动器6．扩频通信收发器7．宽频功率放大器8．节点供电电源9．电表10．PC计算机11、外部存储器12。

下面结合附图对本实用新型加以详细说明。

以神经元芯片(Neuron)为核心所组成的节点1是根据LONWORKS网络特点自行设计的网络节点，一个典型的网络节点由六部分组成，这六部分是：神经元芯片5、可扩展的外部存储器12、RS-232接口分组驱动器6、扩频通信收发器7、宽频功率放大器8、节点供电电源9。神经元芯片(见示意图3)，既能管理通信，又有输入输出和控制等功能。另外附有固件，该固件固化在外部存储器ROM中，可执行LONTALK通信协议和所有的任务调度。神经元芯片有3个8位的CPU。第1个CPU为媒体访问控制处理器，处理Lontalk协议的第1和第2层，即物理层和数据链路层。功能包括媒体访问，数据包，驱动通信子系统硬件和执行冲突避免算法。第2个CPU为网络处理器，处理LonTalk协议的第3层到第6层，即网络层、传送层、会话层、表达层。它进行网络变量的处理，寻址，事务处理，证实，背景诊断，软件计时器，网络管理和函数路径选择等。它们控制网络通信口并发送、接收数据包。第3个CPU为应用处理器，处理LONTALK协议的第七层即应用层。它执行由编写的代码及用户的代码所调用的操作系统服务。所以前两个处理管理通信，后一个处理器留给用户开发应用程序。三个CPU处理器之间的通信方式是：处理器1与处理器2使用位于共享存贮区的网络缓冲区进行通信，正确地对在网络上传输的报文进行编码和解码；处理器2使用应用缓冲区与处理器3通信。

工作过程为节点实时分别采集三台电度表10的峰、平、谷电度值，通过RS-232接口输入经神经元芯片处理后保存在芯片内的512字节的EEP-ROM中。当远程系统中央计算机需要这些数据时，可通过神经元芯片所支持的网络变量用扩频通信方式加载到高压供电网上，实现远程数据通信，即完成一次读表操作。其中扩频通信方式是通过扩频通信收发器完成的。工作过程是扩频通信收发器内采用伪随机序列发生器产生一个码速率为基带信号速率(即上述待传输的数据或报文、操作指令等的速率)31倍的伪随机序列码，又将此直扩信号码变换成曼彻斯特码后形成传输信号，并通过神经元芯片固件中的LONIALK通信协议将待传信号进行编码、打包处理后由扩频通信收发器中的发射器通过宽频功率放大器和结合滤波器加载到高压供电网上；接收时、扩频通信收发器使用与发射器同步的伪随机序列码，与接收到的扩频信号再进行异或处理，即解扩处理，从而解调出原始基带信号。利用这一通信方式完成远程抄表功能。由于扩频通信收发器(大规模集成器件)的功率较弱，50Ω负载只能给出5.5Vp-p，相当有效输出功率75.6mW，为了扩大有效通信距离和多节点的加载能力，增设一个宽频功率放大器，在8Ω负载下能给出18Vp-p，相当有效输出功率5W。

由两片神经元芯片为核心组成的路由器节点是根据两片神经元芯片之间具有进行并行数据交换的特点。分别管理不同高压等级电力网的两个神经元芯片之间利用并行数据交换完成跨网通信功能或在相同高压等级电力网上不同相的两个神经元芯片之间完成跨相通信功能。也就是说在远程抄表通信过程中有时需要跨跃电网变压器或变压器跨相的电网环境下工作。这就是必须使用路由器节点的原因。

路由器节点2是由神经元芯片、扩频收发器和宽频功放所组成的两个完全相同的节点组成。(见图4、图7、图8)图中省略了RS-232接口、可扩展外存、供电电源部分。节点供电电源由+9V、+12V和±15V四组组成，+9V、+12V供给装置中的节点、路由器节点和适配器，±15V专供节点、路由器和适配器中的宽频功率放大器。

PC计算机11、适配器4和结合滤波器3共同组成中央计算机。(见图5、图9)其中适配器是以神经元芯片为核心组成的网络节点。它与PC机通信信号起到适配作用。即经结合滤波器传入的高压供电网上的扩频通信信号通过适配器完成与PC机的信息交换。

工作过程为中央计算机经适配器、结合滤波器连在1组高压电力网上。将不同1组高压等级的2组高压电力网上的用户电度表数据也传送到中央计算机去，传送的方法就是通过节点一、节点二中的神经元芯片(一)、(二)之间的简单并行连接来实现信息交换。从而构成跨网中继。结合滤波器是个必备的器件。由它完成三个功能，第一实现低压待传扩频信号与高压供电网之间的结合；第二实现宽频功率放大器输出阻抗与高压供电网阻抗之间的匹配；第三滤除有用扩频频带(100～450KHz)以外的干扰信号。

适配器与PC机所组成的中央计算机管辖所有的节点，并可实时，分时，定时与各节点进行通信。完成各节点所连接电度表的信息收集，监测、抄表、统计等操作。并使调度及管理人员根据中央计算机所得到的电网信息及用电状态实现电力调度，管理等作业。

采用LONWORKS现场总线网络技术完成电力网三级调度等级(国调、网调、地调)之间或它们与35KV、10KV高压用户之间的在线调度管理和抄表运行过程，可用总系统部分组成图1表示。

本实用新型扩频通信收发器的基带信号传输速率为10Kbps。

扩频增益公式：G=W₂/W₁                 (1)

式中：W₂：扩展频谱后的信号带宽

      W₂=450-100=350KHz

      W₁：基带信号带宽

      W₁=2×基带信号传输速率=20KHz

所以G=24.86dB≈25dB

干扰容量MJ是表征扩频系统能在多大干扰环境中正常工作的能力。

干扰容量公式：

MJ=G〔(S/N)_out+Ls〕                         (2)

式中：(S/N)_out：信号数据正确解调的输出信噪比。

                    Ls：接收系统的工作损耗2dB。

一般要求误码率＜10^-5的解扩处理最小输出信噪比

                      (S/N)_out≤10dB

所以    MJ=25-〔10+2〕=13dB

说明系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率高13dB的条件下也能正常工作，换句话说，系统在接收输入信噪比≥-13dB环境中仍能正常工作，也是唯一能工作于负信噪比(-S/N)环境的通信制式。

从扩频通信与FSK通信制式各项性能的对比，可以充分说明本实用新型的技术优越性。

制式  速率   误码率         扩频增益  干扰容量  发射功率等级   价格(一对)

直扩  600bps 10^-6～10^-10   25dB      13dB      mW             2万

FSK   10kbps 10^-5           0        -12dB      W              30万(无话

                                                                路)

系统的收发单元采用直接序列扩频方式简称直扩(DS)方式，扩展的工作频带为100KHz～450KHz，扩频增益25dB，信息数据传输速率10Kbps，误码率10^-6～10^-10，干扰容限13dB，可实时准确采集电量变化，特别适用于高压电力线无人值守功能，能完成在线计量、遥控遥测、调度以及防窃电等远动功能。也适用于居民小区保安控制，三表(电、气、水)自动抄送，智能大楼，防盗报警，汽车自动控制，汽车安全和性能检测线，石化，医药，工业生产方面。

Claims (1)

1．一种远程自动抄表装置，其特征在于包括节点、路由器节点、结合滤波器及中央计算机，节点由神经元芯片、RS-232接口分组驱动器、扩频通信收发器及宽频功率放大器组成，神经元芯片通过RS-232接口分组驱动器将电度值处理后保存在芯片的内部存储器内，处理后的电度值通过扩频通信收发器产生的直扩信号码变换成曼彻斯特码最后形成传输信号，再通过宽频功率放大器和结合滤波器加载到高压供电网上，神经元芯片的外部存储器中存有通信协议固件，可实现通信和所有的任务调度；路由器节点由两个节点组成，实现跨网中继的信息交换；中央计算机由PC计算机、适配器和结合滤波器组成，高压电力线上的扩频通信信号与PC机的信息交换是通过结合滤波器由适配器完成，中央计算机完成各节点内存储电度表信息的收集、监测、抄表、统计。

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