專利名稱：一種電力線載波和雙向工頻通信混合組網(wǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電力線載波和雙向工頻通信混合組網(wǎng)方法。
背景技術(shù)：
通信是電能信息采集與管理系統(tǒng)的關(guān)鍵，通信的可靠性直接影響系統(tǒng)的應(yīng)用效果。目前低壓居民用戶電能信息采集常用的下行通信方式有低壓電力線載波、有線電纜、 短距離無線等，但這些方式均存在一定的缺陷，難以實現(xiàn)100%的抄收覆蓋率。電力線載波通信無須架設(shè)專用通信線路，直接利用原有的電力線資源，在低壓居民用戶電能信息采集系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但低壓載波信道的衰減、干擾與隨機動態(tài)變化限制了載波通信物理層通信能力的提升，從而造成一個或者多個載波通信盲點，可稱之為“孤島”。要解決“孤島”問題，必須借助電力線載波通信以外的其它通信方式。雙向工頻通信也是利用電力線進行通信，是在工頻電壓的過零點附近調(diào)制下行電壓信號與上行電流信號，利用電網(wǎng)工頻電壓和電流波形的微小畸變來攜帶信息的一種特殊電力線通信技術(shù)。相對于電力線載波通信技術(shù)來說，雙向工頻通信具有通信距離遠，傳輸可靠性高，成本低廉等特點。工頻信號在電力線上傳輸衰減很小，受電力線的分布電容的影響小，沒有駐波和盲區(qū)現(xiàn)象。更重要的是，由于工頻信號的調(diào)制頻率在180 600Hz之內(nèi)，并利用50Hz作為載波頻率，與電力線載波信號 3kHz 500kHz的頻率范圍互不干擾，因此可實現(xiàn)電力線載波和雙向工頻兩種通信信號的同時傳輸，無須增加任何額外設(shè)備，為兩種通信方式的混合組網(wǎng)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種電力線載波與雙向工頻通信的混合組網(wǎng)方法，用于低壓居民用戶電能信息采集系統(tǒng)的下行通道建設(shè)，以滿足“全采集、全覆蓋、全預(yù)付費”的系統(tǒng)建設(shè)目標。本發(fā)明提供的一種電力線載波和雙向工頻通信混合組網(wǎng)方法，所述方法的裝置包括載波工頻集中器和載波工頻采集器；所述載波工頻集中器包括主控單元、存儲模塊、人機交互模塊、外圍電路、上行通信模塊和下行通信模塊；所述下行通信模塊包括載波通道和RS485通道；所述主控單元分別與所述存儲模塊、所述人機交互模塊、所述外圍電路、所述上行通信模塊和所述下行通信模塊連接；所述載波工頻采集器包括主控單元、存儲單元、 LCD顯示、外圍電路、上行通信模塊和下行通信模塊；所述上行通信模塊包括紅外通道和載波通道；所述主控單元分別與所述存儲單元、所述IXD顯示、所述外圍電路、所述上行通信模塊和下行通信模塊連接；其改進之處在于，在臺區(qū)變壓器低壓側(cè)電力線安裝載波工頻集中器，并在低壓居民用戶電能表處安裝載波工頻采集器；將所述載波工頻集中器的所述下行通信模塊中加入工頻通道；將所述載波工頻采集器的所述上行通信模塊中加入工頻通道。
本發(fā)明提供的第一優(yōu)選方案的方法，其改進之處在于，所述工頻通道包括過零同步電路和調(diào)制解調(diào)電路。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選方案的方法，其改進之處在于，所述載波工頻集中器的主控單元為ARM處理器。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選方案的方法，其改進之處在于，所述載波工頻集中器的存儲模塊包括閃速存儲器和靜態(tài)存儲器。本發(fā)明提供的第四優(yōu)選方案的方法，其改進之處在于，所述載波工頻集中器的所述人機交互模塊包括鍵盤和IXD顯示。本發(fā)明提供的第五優(yōu)選方案的方法，其改進之處在于，所述外圍電路包括硬件時鐘和系統(tǒng)電源。本發(fā)明提供的第六優(yōu)選方案的方法，其改進之處在于，所述載波工頻集中器的所述存儲模塊、所述人機交互模塊、所述外圍電路、所述上行通信模塊和所述下行通信模塊均通過芯片總線連接主控單元；所述載波工頻采集器的所述存儲單元、所述LCD顯示、所述外圍電路、所述上行通信模塊和所述下行通信模塊均通過芯片總線連接主控單元。本發(fā)明提供的第七優(yōu)選方案的方法，其改進之處在于，所述載波工頻集中器的所述上行通信模塊包括GPRS通道、以太網(wǎng)通道、紅外通道、RS232通道；所述載波工頻采集器的所述下行通信模塊包括RS485通道。本發(fā)明提供的較優(yōu)選方案的方法，其改進之處在于，所述載波工頻集中器的所述工頻通道的所述過零同步電路包括依次連接的電壓互感器、放大電路、濾波電路、移相電路和電壓比較電路；所述調(diào)制電路包括依次連接的可控硅和觸發(fā)保護電路，所述保護電路為阻容濾波電路。本發(fā)明提供的另一優(yōu)選方案的方法，其改進之處在于，所述載波工頻采集器的所述工頻通道的所述過零同步電路包括依次連接的電壓互感器、放大電路、濾波電路、移相電路和電壓比較電路；所述解調(diào)電路包括依次連接的電流互感器、放大電路、濾波電路。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明利用雙向工頻通信傳輸距離遠、通信可靠性高、成本低廉的特點，通過與電力線載波通信的混合組網(wǎng)應(yīng)用，解決電力線載波通信的“孤島”問題。本發(fā)明通過安裝載波工頻集中器和載波工頻采集器，實現(xiàn)了低壓居民用戶電能信息采集系統(tǒng)下行通信的雙通道通信，大大提高了抄收覆蓋率和數(shù)據(jù)準確性，為電能信息采集與管理系統(tǒng)“全采集、全覆蓋、全預(yù)付費”的建設(shè)目標提供了保證。


圖1為本發(fā)明的電力線載波和雙向工頻混合組網(wǎng)方案；圖2為本發(fā)明的載波工頻集中器結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明的載波工頻集中器的工頻通道原理框圖；圖4為本發(fā)明的載波工頻采集器結(jié)構(gòu)框圖；圖5為本發(fā)明的載波工頻采集器的工頻通道原理框圖；圖6為本發(fā)明的載波工頻采集器的主程序流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。圖1是本發(fā)明的電力線載波和雙向工頻混合組網(wǎng)方案，其是在臺區(qū)變壓器低壓側(cè)電力線安裝載波工頻集中器，并在低壓居民用戶電力線與電能表連接之間安裝載波工頻采集器。所述載波工頻集中器下行通道能夠?qū)崿F(xiàn)電力線載波和雙向工頻兩種通信方式。所述載波工頻集中器通過連接A、B、C三相低壓電力線發(fā)送載波和工頻下行信號并接收載波上行信號，通過連接配電變壓器A、B、C三相電流互感器的出線接收工頻通信上行信號。在低壓居民用戶電能表處安裝載波工頻采集器，所述載波工頻采集器上行通道能夠?qū)崿F(xiàn)電力線載波和雙向工頻兩種通信方式。所述載波工頻采集器通過連接220V火線和零線實現(xiàn)載波和工頻兩種通信信號的收發(fā)。該方案以載波為主，工頻為輔，兩者互相協(xié)調(diào)，并可自動切換。 當(dāng)載波信道暢通時，采用速率相對較高的載波通信方式進行通信；當(dāng)載波信道受阻時，則采用工頻通信方式進行通信；當(dāng)兩種通信方式都受阻時，通過中繼路由技術(shù)解決。圖2是載波工頻集中器結(jié)構(gòu)框圖。本實施例的載波工頻集中器包括主控單元MCU、 存儲模塊、人機交互、外圍電路、上行通信和下行通信。主控單元MCU選用基于ARM處理器技術(shù)的32bit嵌入式系統(tǒng)級芯片，支持嵌入式操作系統(tǒng)下多種通信方式和復(fù)雜中繼路由算法應(yīng)用，同時對工頻信號處理和檢測算法提供支持。存儲模塊包括閃速存儲器和靜態(tài)存儲器， 閃速存儲器用于存儲系統(tǒng)程序、電能量數(shù)據(jù)及路由信息，靜態(tài)存儲器用于存儲臨時變量，并為系統(tǒng)程序運行提供內(nèi)存，均通過芯片總線連接MCU。人機交互包括鍵盤和LCD顯示，與MCU 相連，其中鍵盤是用于人工輸入集中器測量點、通信通道等各種設(shè)置的參數(shù)，LCD液晶顯示電路用于集中器運行狀態(tài)和各種參數(shù)的本地顯示。外圍電路包括硬件時鐘、系統(tǒng)電源等，連接MCU。上行通信包括GPRS通道、以太網(wǎng)通道、紅外通道、RS232通道，其中GPRS和以太網(wǎng)通道用于與主站的通信，紅外通道用于與手持設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，RS232串口用于系統(tǒng)調(diào)試和維護。下行通信包括載波通道、工頻通道和RS485通道，通過串行外設(shè)接口連接MCU，其中載波通道和工頻通道用于實現(xiàn)與載波工頻采集器的通信，RS485通道也可用于實現(xiàn)與載波工頻采集器的通信，或者用于讀取電能表數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)載波通信，采用專用電力線載波芯片ST7540。ST7540采用FSK調(diào)制方式， 內(nèi)部集成調(diào)制解調(diào)器、電壓及電流控制、濾波器、振蕩器、串行接口等功能模塊，具有8個可編程載波頻率，最高傳輸速率4800bps，接收靈敏度可達500μ V(rms)。ST7540通過串行接口與MCU相連，并通過耦合濾波電路與低壓電力線相連，實現(xiàn)載波信號的接收與發(fā)送。為實現(xiàn)雙向工頻通信，增加工頻通道，包括工頻通信過零同步電路(附圖3中的1)、下行信號調(diào)制電路(附圖3中的2)和上行信號解調(diào)電路(附圖3中的3)，如圖3所示。過零同步電路為工頻信號調(diào)制解調(diào)提供時間基準，由電壓互感器(PT)、放大電路、濾波電路、移相電路及電壓比較電路組成。220V工頻電壓信號經(jīng)電壓互感器取樣后送至前置放大器進行放大， 并進行必要的相位補償。濾波電路采用二階有源低通濾波器，防止高頻噪聲影響電壓比較電路造成過零點不穩(wěn)。移相電路將經(jīng)過處理后的50Hz正弦信號移相90°，然后經(jīng)電壓過零比較器產(chǎn)生50Hz方波信號，送至MCU的外部中斷引腳，產(chǎn)生信號調(diào)制和解調(diào)的時間基準。 工頻下行信號調(diào)制電路主要由可控硅和觸發(fā)保護電路組成，實現(xiàn)工頻下行信號的調(diào)制。工頻通信下行信號發(fā)送時，由主控MCU輸出控制信號到觸發(fā)電路，觸發(fā)電路利用帶光隔離的小功率可控硅M0C3052驅(qū)動后面的大功率可控硅，其中還包括阻容濾波保護電路，用以防止電壓上升過快引起可控硅的誤觸發(fā)。工頻上行信號解調(diào)電路由電流互感器(CT)、放大電路、濾波電路及MCU內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換電路組成。由于工頻通信方式上行信號通過調(diào)制電流波形實現(xiàn)，因此載波工頻集中器需要從臺區(qū)變壓器的電流互感器出線采集信號，經(jīng)過上述解調(diào)電路處理后送入MCU，由相關(guān)檢測算法實現(xiàn)工頻通信上行信號的解調(diào)。圖4是本發(fā)明的載波工頻采集器結(jié)構(gòu)框圖。如圖4所示，本發(fā)明的載波工頻采集器包括主控單元MCU、存儲單元、LCD顯示、外圍電路、上行通信模塊、下行通信模塊。主控單元MCU可選用32bit ARM芯片，提供較強的實時運算處理能力。上行通信模塊包括紅外通道、載波通道和工頻通道，紅外通道用于手持設(shè)備對采集器的本地數(shù)據(jù)交換，載波和工頻通道用于采集器和集中器之間的通信。下行通信模塊采用RS485通道，用以完成對RS485電能表的數(shù)據(jù)采集。為實現(xiàn)載波通信，采用專用電力線載波芯片ST7540。ST7540通過串行接口與MCU相連，并通過耦合濾波電路與低壓電力線相連，實現(xiàn)載波信號的接收與發(fā)送。為實現(xiàn)雙向工頻通信，增加工頻通道，包括工頻通信過零同步電路(附圖5中的1)、下行信號解調(diào)電路(附圖5中的2)和上行信號調(diào)制電路(附圖5中的3)，如圖5所示。過零同步及上行信號調(diào)制電路與載波工頻集中器類似，不再贅述。下行信號解調(diào)電路實現(xiàn)工頻通信下行信號的檢測，由前置放大、濾波、后級放大電路組成。首先對電壓互感器輸出的信號進行前置放大，然后送入濾波電路進行處理。濾波電路采用4階Bessel有源帶通濾波器，具有最優(yōu)的線性相頻特性，通帶頻率200 800Hz。由于帶通濾波電路消除了 50Hz基波信號，而調(diào)制信號和各次諧波幅值較小，需要對經(jīng)過濾波后的信號再進行后級放大，將信號處理成MCU 內(nèi)部AD容許的范圍之內(nèi)，然后送入MCU進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)相關(guān)信號處理和檢測算法處理后解調(diào)出工頻通信下行信號。由于載波工頻集中器功能模塊較多，既要完成和主站的通信，也要和采集器交換數(shù)據(jù)，同時還要控制LCD顯示等，傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)已很難滿足集中器軟件設(shè)計要求，建議采用多任務(wù)機制的嵌入式操作系統(tǒng)。集中器應(yīng)用軟件主要實現(xiàn)監(jiān)視任務(wù)、下行抄表任務(wù)、 上行通信任務(wù)、人機交互任務(wù)、路由搜索任務(wù)等。監(jiān)視任務(wù)具有最高的優(yōu)先級，負責(zé)系統(tǒng)初始化、其它任務(wù)運行狀況監(jiān)視、硬件看門狗復(fù)位等操作；下行抄表任務(wù)包括下行通信信道切換、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、下行通信協(xié)議解析等；上行通信任務(wù)包括上行通信信道切換、通信鏈路的連接、數(shù)據(jù)收發(fā)、上行通信協(xié)議解析等；人機交互任務(wù)負責(zé)集中器的常用參數(shù)、數(shù)據(jù)以及通信狀況等信息的顯示和設(shè)置，提供可視化人機接口 ；路由搜索任務(wù)根據(jù)相應(yīng)的組網(wǎng)算法，在載波信道和工頻信道同時失效時，搜索每個采集器的可行路徑并更新路由信息。各任務(wù)之間通過嵌入式操作系統(tǒng)的多任務(wù)機制相互調(diào)用，真正實現(xiàn)多線程。在軟件設(shè)計過程中還涉及到多種語言的混合編程，不同的功能模塊采用合適的編程語言實現(xiàn)，兼顧代碼執(zhí)行效率和可移植性。采集器功能相對簡單，采用傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)實現(xiàn)，程序流程如圖6所示。采集器完成初始化之后，首先檢查是否收到指令，若沒有指令到達，則通過RS485通道定時采集用戶電能表數(shù)據(jù)，存儲后返回。如果接收到指令數(shù)據(jù)，則通過載波通道或工頻通道接收數(shù)據(jù)。 若為中繼指令，則通過相應(yīng)信道向其它采集器轉(zhuǎn)發(fā)指令；若為抄表指令，則向集中器發(fā)送數(shù)據(jù)，否則執(zhí)行相應(yīng)指令操作，最后返回指令應(yīng)答。其中下行通信協(xié)議參照DL/T 645-2007規(guī)約，上行通信協(xié)議參照DL/T 698-2009相關(guān)通信規(guī)約。最后應(yīng)該說明的是結(jié)合上述實施例僅說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制。所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解到本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請待批的權(quán)利要求保護范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種電力線載波和雙向工頻通信混合組網(wǎng)方法，所述方法的裝置包括載波工頻集中器和載波工頻采集器；所述載波工頻集中器包括主控單元、存儲模塊、人機交互模塊、外圍電路、上行通信模塊和下行通信模塊；所述下行通信模塊包括載波通道和RS485通道；所述主控單元分別與所述存儲模塊、所述人機交互模塊、所述外圍電路、所述上行通信模塊和所述下行通信模塊連接；所述載波工頻采集器包括主控單元、存儲單元、LCD顯示、外圍電路、 上行通信模塊和下行通信模塊；所述上行通信模塊包括紅外通道和載波通道；所述主控單元分別與所述存儲單元、所述LCD顯示、所述外圍電路、所述上行通信模塊和下行通信模塊連接；其特征在于，在臺區(qū)變壓器低壓側(cè)電力線安裝載波工頻集中器，并在低壓居民用戶電能表處安裝載波工頻采集器；將所述載波工頻集中器的所述下行通信模塊中加入工頻通道；將所述載波工頻采集器的所述上行通信模塊中加入工頻通道。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述工頻通道包括過零同步電路和調(diào)制解調(diào)電路。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述載波工頻集中器的主控單元為ARM處理ο
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述載波工頻集中器的存儲模塊包括閃速存儲器和靜態(tài)存儲器。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述載波工頻集中器的所述人機交互模塊包括鍵盤和IXD顯示。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述外圍電路包括硬件時鐘和系統(tǒng)電源。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述載波工頻集中器的所述存儲模塊、所述人機交互模塊、所述外圍電路、所述上行通信模塊和所述下行通信模塊均通過芯片總線連接主控單元；所述載波工頻采集器的所述存儲單元、所述LCD顯示、所述外圍電路、所述上行通信模塊和所述下行通信模塊均通過芯片總線連接主控單元。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述載波工頻集中器的所述上行通信模塊包括GPRS通道、以太網(wǎng)通道、紅外通道、RS232通道；所述載波工頻采集器的所述下行通信模塊包括RS485通道。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述載波工頻集中器的所述工頻通道的所述過零同步電路包括依次連接的電壓互感器、放大電路、濾波電路、移相電路和電壓比較電路；所述調(diào)制電路包括依次連接的可控硅和觸發(fā)保護電路，所述保護電路為阻容濾波電路。
10.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述載波工頻采集器的所述工頻通道的所述過零同步電路包括依次連接的電壓互感器、放大電路、濾波電路、移相電路和電壓比較電路；所述解調(diào)電路包括依次連接的電流互感器、放大電路、濾波電路。
全文摘要
本發(fā)明為一種電力線載波和雙向工頻通信混合組網(wǎng)方法，是在臺區(qū)變壓器低壓側(cè)電力線安裝載波工頻集中器，并在低壓居民用戶電能表處安裝載波工頻采集器；并將載波工頻集中器的所述下行通信模塊中加入工頻通道，載波工頻采集器的所述上行通信模塊中加入工頻通道。本發(fā)明利用雙向工頻通信傳輸距離遠、通信可靠性高、成本低廉的特點，通過與電力線載波通信的混合組網(wǎng)應(yīng)用，解決電力線載波通信的“孤島”問題。通過安裝載波工頻集中器和載波工頻采集器，實現(xiàn)了低壓居民用戶電能信息采集系統(tǒng)下行通信的雙通道通信，大大提高了抄收覆蓋率和數(shù)據(jù)準確性，為電能信息采集與管理系統(tǒng)“全采集、全覆蓋、全預(yù)付費”的建設(shè)目標提供了保證。
文檔編號H04L5/14GK102185638SQ20111010297
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月25日
發(fā)明者劉國軍, 李建岐, 渠曉峰, 王智慧, 王立誠, 趙濤, 黃畢堯 申請人:中國電力科學(xué)研究院