电力线载波通信技术在远程抄表系统集中器中的应用研究

摘要

随着我国电力事业的迅速发展，传统的用电抄收管理方式已经不能满足市场需求。本文在大量收集查阅国内外有关远程抄表系统资料、深入用户及用电管理部门广泛调研的基础上，提出了一种采用低压电力线载波通信技术的远程自动抄表系统，该系统具有三层网络结构，即上位机管理系统、集中器和载波电表。分析研究了整个系统及各组成部分的功能与特点。 由于我国低压电力线上存在的高削减、高噪声、高变形，必须采用特殊的通信技术。因此本文首先分析了高频信号在电力线中的传输特性；重点讨论了扩频通信技术在电力线载波通信中的应用；深入研究了以直序扩频通信技术为基础的、高性能的电力线载波专用MODEM芯片PL3105的内部工作原理，在此基础上，采用PL3105实现了远程抄表系统中集中器与终端载波电表之间可靠的数据传输。 集中器是连接上位机与终端载波电表之间的枢纽，起着上传下达的作用。根据中华人民共和国电力行业标准规定的集中器的主要功能及性能指标要求，本文重点研究设计了集中器的硬件系统和软件系统。其中硬件系统主要包括主控制器、外部扩展数据存储器、时钟模块、看门狗模块、上位机通信接口电路以及电力线载波通信电路及其外围电路等。 在软件设计中，本文首先制定了集中器与上位机之间以及集中器与下位载波电表之间的通信协议。然后本着模块化程序设计的思想进行了各功能模块的软件设计，从而使程序的编制、调试、修改方便。 另外，本文针对电力线载波通信中的距离问题，设计了软件中继技术(即载波电表互为中继的思想)，使集中器具有自动搜索中继的功能，并且中继链路可以不断调整，具有自学习能力。同时提出了中继约束条件及编制原则，大大提高了中继搜索效率。 最后，将本文设计的基于低压电力线载波通信技术的集中器与其他合作人员设计的载波电表及上位机管理系统连成一个完整的远程自动抄表系统，并进行了大量的实验测试。最终本系统于2005.4.5日通过了国家电力工业设备及仪表质量检测中心的检验(报告编号：PD2005003)。测试结果表明：本文所设计的集中器功能完善，具有数据采集、处理、存储、设置、通信等功能，其各项性能指标均达到国家规定的相关标准。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1研究的背景

1.2设计方案论证

1.3电力线远程抄表的关键技术

1.3.1载波通信技术

1.3.2通信距离

1.4电力线载波通信技术的发展

1.5选题的意义

1.5.1电力线载波远程抄表系统推广应用前景

1.5.2经济效益分析

1.5.3社会效益分析

1.6本文的主要内容

第二章电力线载波通信技术

2.1电力线载波通信中信号传输特性分析

2.2常用的低压电力线载波通信技术

2.3扩展频谱通信技术

2.3.1扩频通信的理论基础

2.3.2扩频通信的工作原理

2.3.3扩频通信的工作方式

2.3.4扩频通信的特点

2.3.5直序扩频通信技术

2.4电力线载波通信的实现

2.4.1国外的电力线载波专用MODEM芯片

2.4.2国产PL3105电力线专用MODEM芯片

2.4.3通信协议

2.5本章小结

第三章电力线载波远程抄表系统总体设计

3.1电力线载波远程抄表系统的拓扑结构

3.1.1上位机管理系统

3.1.2集中器

3.1.3载波电表

3.2载波抄表系统的信道结构

3.3电力线载波抄表系统的特点

3.4电力线载波抄表系统功能

3.4.1基本功能

3.4.2扩展功能

3.5本章小结

第四章电力线载波远程抄表系统集中器的硬件设计

4.1集中器总体设计

4.1.1集中器的功能及技术指标

4.1.2集中器结构框图

4.3扩展数据存储器

4.3.1数据存储器RAM的选择

4.3.2硬件电路设计

4.4 时钟模块

4.4.1设计思想

4.4.2实时时钟芯片的选型

4.4.3硬件电路设计

4.5看门狗模块

4.5.1设计思想

4.5.2外部看门狗模块的选型

4.5.3硬件电路设计

4.6串口扩展

4.6.1 GM8123的工作模式

4.6.2硬件电路设计

4.7主控器MCU与MODEM通信接口

4.7.1 MODEM简介

4.7.2 RS232C接口标准

4.7.3硬件电路设计

4.8电力线载波通信电路设计

4.8.1 PL3105专用MODEM芯片

4.8.2载波通信芯片的发送与接收原理

4.8.3电力线载波发送/接收工作时序

4.8.4 PL3105载波通信的硬件电路设计

4.8.5三路载波通信

4.9电源电路

4.10本章小结

第五章电力线载波抄表系统集中器的软件设计

5.1通信协议的制定

5.1.1集中器与上位机之间的通信协议

5.1.2集中器与载波电表的通信协议

5.2集中器软件设计

5.2.1软件设计思想

5.2.2软件任务设计

5.2.3主程序设计

5.2.4载波中断软件设计

5.2.5集中器控制MODEM进行数据传输的软件设计

5.2.6时钟模块软件设计

5.2.7数据存储模块的软件设计

5.2.8串口扩展的软件设计

5.3软件中继技术

5.3.1中继算法

5.3.2中继约束

5.3.3中继约束的编制

5.4本章小结

附图

第六章实验测试

国家电力工业设备及仪表质量检测中心的测试报告

结束语

参考文献

附录1

附录2

附录3

致谢

攻读研究生期间发表的论文