低压电力网自动抄表系统的集中器设计学士学位论文(编辑修改稿)

低压电力网自动抄表系统的集中器设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

还原出任何数据，因此扩频方式具有固有的保密性。 因为目前电力线路的带宽有限，窄带调制的主要思想就是最小化传输带宽，相反，扩频调制技术的传输带宽比最小信号带宽大几个数量级。 该技术对单用户效率低，但是对多用户来说，效率就比较高。 GPRS 技术 [7] 整个系统根据通讯所使用的媒介不同而组成两级不同的网络形式。 集中器与采集模块之间是利用低压电力网进行通讯的。 这是因为通常集中器安装于小区变压器附近，而小区内的所有电表（用户）处于同一个台区。 由于电力网络相当于一个共享媒体，因此集中器和它所负责的所有采集模块组成了一个相当于以太网络形式的广播型网络。 集中器与所有的采集模块相当于网络上的一个节点，每个节点有其相应的唯一的网络地址。 同以太网类似，集中器发送的读数命令相当于带有目的地址的帧，而每个节点只会对目的地址和本节点地址相同的帧响应，其 他收到的帧则丢弃。 在通信形式上是主从方式，每次通信都是由集中器发起，采集器在收到通信命令后，进行相应的应答处理。 由于电力网络并不属于适合通信的信道，突发噪声和白噪声问题都比较大，干扰较强，所以一般情况下数据的传输距离只有 300 米至 600 米，基本上适应一个小区的要求。 在某些情况下，为了增加数据传输的距离，可在网络的适当地方设置中继器对数据进行中继传输，中级器也具有唯一的网络地址。 由图 21 可以看出，除了在采集模块与集中器之间采用电力线载波方式进行通信外，我们在数据控制中心与集中器之间采用 GPRS 网络来实现无线 通信该项目采用这种方案出于以下几点考虑： (1) 覆盖范围广： GPRS 是通用分组无线业务 (General Packet Radio Servic,GPRS)的英文简称，是在现有 GSM 系统 （ Global System for Mobile Communication,GSM） 上发展出来的一种新的承载业务，是建立在 GSM 上的 无线网络技术，目的是为 GSM 用户提供分组形式的数据业务。 GPRS 采用与 GSM 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的 TDMA 帧结构。 这种新的分组数据信道 与当前的电路交换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统从一开始就可提供全面的 GPRS覆盖。 (2) 通信速率高：每个电表数据采集点每次数据传输量在 10Kbps 之内。 GPRS 网络传送速率理论上可达 ，目前 GPRS 实际数据传输速率在 40Kbps 左右，完全能满足本系统数据传输速率（≥ 10Kbps）的需求。 (3) 费用低： GPRS 采用的是分组交换，而不是电路交换，所以它采用基于流量的收费方式，而非基于时间的方式，故通信费用相当于移动通信短消息费用，因此费用低廉，经济。 北方民族大学学士学位论文 低压电网自动抄表系统的集中器设计 6 (4) 效率高，通 信延迟短： GPRS 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。 从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。 特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 建立链接的时间短，有“永远在线”之称。 (5) 系统的传输容量大：数据控制中心要和每一个电表数据采集点保持实时连接。 由于电表数据采集点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而 GPRS 技术能很好地满足传输突发性数据的需要。 总之，目前以 GPRS 网络技术为基础的无线数据系统得到了越 来越广泛的应用。 GPRS 使互联网进入了无线领域，一直延伸到手掌上。 除了支持传统的互联网应用， GPRS也可使无线终端支持 B2B,B2C 的电子商务，电子支付，股票交易和银行转账等应用。 综合上述几个优点， GPRS 网络非常适合自动抄表系统的要求，因此，该项目远程抄表系统实际上是将电力线载波通信与中国移动的 GPRS 无线通信网络结合起来的。 北方民族大学学士学位论文 低压电网自动抄表系统的集中器设计 7 第四章 集中器硬件设计 本系统主要是供电所针对城市居民用电管理的自动化系统。 本系统采用分布式体系结构，这种体系结 构分为上层和底层。 上层包括用电管理中心、集中器、和上层 GPRS通信网，完成数据收集；底层包括集中器、采集器、电表和基于低压电力线载波的底层通信网，完成数据采集如图 41 所示 图 41自动集中抄表系统整体结构框图 用户现场可直接挂接电力载波电表，也可以采用全电子式电度表增加载波采集终端(采集器 )。 由于现在的城市居民楼宇中，电度表一般采取了集中安装的方法，即把一个单元的十几户的用户表安装于同一个大表箱中，一 个表箱装一个采集器，多个电度表共用一个采集终端 (采集器 )，此种方法可以大量节约成本。 所以本系统的设计是基于这种方式的；集中器挂接在同一台配变下的电力线上，根据设置的要求定时或随时通过电力线抄收台变下所有载波表的测量数据并保存；主站计算机通过 GPRS移动公网对集中器发布设置、广播命令或抄表命令，对集中器进行综合数据的抄收，对集中器下的任一台采集器进行召抄或通断电控制，从而实现远程抄表和监控功能，极大减少电力部门的劳动力，提高社会效益和经济效益；为电力管理上等级和现代化管理水平的提高打下坚实的基础。 集中器 1 电表 1 电表 2 电表 n 主站 (抄表管理 ) 集中器 n 电表 1 电表 2 电表 n 北方民族大学学士学位论文 低压电网自动抄表系统的集中器设计 8 系统主要硬件设计 集中器与采集器之间高效和可靠的通信是整个系统成功的关键之一，在底层电力载波通信中，关键是电力载波 Modem的性能 [8] 电力线载波是以电力线作为通讯线路，各分散的终端设备以电力线为传输载体进行数据传输。 具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等优点。 虽然传输速率不高，但是安装方便简单，适合同一台变下各终端设备之间的连接。 电力线载波通讯以电力线路为介质，电力线载波通信系统的信号发送部分由扩频调制信号输入、谐振功率放大器和信号耦合电路二部分组成。 其 主要任务是高效率地输出信号功率，并将载波信号有效地注入电力线。 由于发送部分和接收部分的电路结构和元器件的选择使得发送部分和接收部分的相互影响较小，因此，可以对发送部分和接收部分进行独立的综合和分析。 经研究和测量表明，电力线的阻抗分布在 ^8052(在 3kHz^525kHz频率范围 )之间，其阻抗主要依赖于用电负荷的大小、线路结构、以及配电变压器阻抗等多种因素。 由于配电线路结构和配电变压器的阻抗特性相对比较稳定，因此，用电负荷的大小对电力线阻抗的变化影响较大。 我们知道，用电负荷具有随机性，其主要表 现为在不同的时间，用电负荷的变化，即阻抗的时变性。 研究电力线的输入阻抗，对于提高信号的发送功率和有用信号的输入功率能够起到非常重要的作用。 发送电路部分的设计如图 42示。 图 42 信号发送电路 TS5是一颗 20V的肖特基稳压管，但在这里没有用到它的稳压特性，用到而是它的正向导通电压低的特点，来保护 P沟道的 MOS管，考虑到产品的可靠性，这颗稳压二极管选用 1N5817或 SS12，或具有更低正向导通电压的二极管。 注意 :不允许使用 1N4148, 1N4007等止向导通电 压 较高的二极管 !更不允许省掉 !否则会损伤 MOS管 ! 电阻 R8/，因为载波芯片采用的是 MOSFET工艺，不推荐驱动容性负载，而这套放大电路的输入是容性的，所以在这里串联一颗 电阻来保护载波芯片。 US6M2内部具有一颗 P沟道的 MOS管和一颗 N沟道的 MOS管， P沟道的耐流为 1A， N沟道 的耐流为 ，这就使整个载波电路的耐流为 lA}所以供给这个放大电路的电源的功率不能太大，假如电源能提供的功率非常大，当外界的阻抗很小时， 就会有很大的电流流北方民族大学学士学位论文 低压电网自动抄表系统的集中器设计 9 过 US6M2这颗器件，当超过它的额定值时，有可能会把 US6M2烧掉，所以推荐载波通信电路采用变压器供电。 这部分电路所起的作用是当 15V电源电压被拉低到 V左右的时候控制其输出电流，保证 15V电源电压不至于被拉低到太低而致使整个系统无法 正 常工作，其最突出的是可优点以很好的保证低电压试验能够通过。 图 43 功率控制部分 信号接收部分由信号耦 合电路、带通滤波器 BPF和模拟前端 AFE二部分组成，其主要功能是对来自电力线上的扩频通信信号进行有效的接收和模拟解调。 其中，信号接收电路的设 计日标是提高频带内的信号接收功率 (信号祸合电路设计的一部分，需要同发送部分统一设计。 )，并最大限度地抑制来自电力线上的噪声十扰，目使无源滤波网络的插入损耗最小。 信号接收电路原理图如图 44所示。 图 44 信号接收电路 AFE3361是一个低功耗窄带 FM中频模拟解调集成电路，其内部含有完整的窄带调频解调系统，包括 : (1) 振荡器 (Oscillator) (2) 混频器 (Mixer) (3) 限幅放大器 (Limiting Amplifier) (4) FM解调器 (Demodulator) (5) 交鉴频器 (Quadrature Discriminator) (6) 滤波放大器 (Filter Amplifier) (7) 静噪电路 (Squelch Circuit)。 AFE3361主要特点 (1) 工作电压范围 :Vcc = — (2) 功耗小，典型值为 (在 Vcc= ) (3) 灵敏度高，输入一 3dB限幅电压为 μ Vrms(典型值 ) 北方民族大学学士学位论文 低压电网自动抄表系统的集中器设计 10 (4) 所击外围器件少 (5) 最高工作频率为 60MHz。 利用 AFE3361来完成 载 波通信，作为信号接收部分。 电路原理 图如 43所示 12N c h3 456P c hU S 6M 2T S 5S S 1 20. 15 uF / 31 0V A CR 903kR 4115k3.3nFV 112S B 1 13 21m H / 10 0m AV s s100uH/100mAR 5010k33 0 pFC 55C 2010 0 uF / 35 VR 521N46791N4679R 5110 u H / 1. 2AP6KE22CA31456T1C i H u a n 50 0u H 1 : 1V s sC 54 33 n FV s s33 n F12VFSKS S C O U TL I N EN E U T R A L信号耦合信号发送信号接收A F E 3 36 1 图 45电力载波通信硬件电路 GPRS网络结构设计 由于低压电力载波通信方式不能实现跨变压器通信，因此只能用于同一变压器内的数据通信。 而要实现自动抄表系统的数据远传，我们则需在集中器和管理中心之间选择另外的通信方式，在这里我们使用 GPRS网络来实现数据的远传。 GPRS(GeneralPaeketRadioServiCe)是通用分组无线业务的简称，它是第 通信系统，是 GSM向 3G过渡的一个桥梁。 GPRS是在 GSM系统基 础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统。 集中器 GPRS模块与管理微机的 GPRS模块建立数据通信前的连接工作本系统采用上位机固定 IP地址的方法作为上位机 (数据中心 )，实现多点对一点的数据，这样 GPRS无线通信模块通过拨号登陆 GPRS网络，获得 IP地址后，就可以主动和接入工nter的上位机联络，将自己的 IP和端口号发送给上位机，进而实现双方的通信与数据采集，结构框图如图 44所示 图 46 GPRS通信网络结构框图 集 中 器 数 据 中 心 GPRS 通信网络 北方民族大学学士学位论文 低压电网自动抄表系统的集中器设计 11 第 五章 通信协议与数据存储格式 通信协议的设计 [9] 集中器与抄表服务器之间。