一种电能表非对称载波通信系统

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一种电能表非对称载波通信系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种载波通信系统，具体涉及电能表主机与白色信息家电从机之间，可以进行非对称电力载波数字通信实施控制及信息交互的载波通信系统。\n背景技术\n[0002] 当前已公知的电子电能表都是一种电能计量的电表，或台变中电力载波集中器（主机）通过380VAC三相四线电力线与各个电力载波电能表（从机），进行电压耦合型电力线载波电能表集中抄表。当前还没有电能表为网关（主机），通过电能表输出的电力线进入用户家中与用户家中的白色信息家电（从机），进行电力载波通信实施信息交互与控制。当前现有的电力线载波电能表集中抄表系统，参看附图1和图2。\n[0003] 为了能使电子电能表通过电力线与家庭中白色信息家电进行电力线载波通信，并且将电子电能表作为电力线载波通信网关（主机），而电子电能表负载下方接入的白色信息家电作为从机。也就是说，非对称电力线载波通信电能表网关只能与非对称电力线载波通信电能表网关输出下端供电的白色信息家电进行非对称电力线载波通信，而非对称电力线载波通信电能表网关上端输入的380VAC电力线主干没有电力载波通信装置与载波信号。\n非对称电力载波通信，简写为：APLC(Asymmetric Power line carrier)。\n发明内容\n[0004] 为了使现有的电子电能表能与白色信息家电进行非对称电力线载波数字通信，本发明提供一种电能表，形成以非对称电力线载波通信电能表网关为主机，白色信息家电为从机的非对称电力线载波通信装置的电能表。\n[0005] 电力线载波信号能在电能表输出端电力线上进入用电用户，并与用户白色信息家电负载连接进行非对称电力线载波通信，以及能管理白色信息家电信息数据的电能表，称之为APLC电能表网关。\n[0006] 本发明是在中国 200410103051.3号发明专利申请：“一种非对称电力载波通讯装置”的基础上，实现一种非对称电力线载波通信电能表网关与负载白色信息家电从机进行电力线载波通信的装置。\n[0007] 实现本发明目的技术方案是：一种电能表非对称载波通信系统，所述电能表非对称载波通信系统中设有电能表网关、控制网桥和白色信息家电负载，电能表网关接入电力系统10kV/0.4kV配电变压器低压侧三相四线制（A相、B相、C相、N相）的相线和N相（中线）之间，控制网桥通过电能表网关接入电力系统的相线和N相之间，白色信息家电负载作为负载与控制网桥电气连接，所述电能表网关和控制网桥、白色信息家电负载进行数字通信；所述电能表网关与控制网桥通信采用电压型FSK或S-FSK调制信号，控制网桥与电能表网关通信采用电流型FSK或S-FSK调制信号。\n[0008] 本发明在电能表内设置非对称电力线载波通信电路，使电能表在完成电能计量基本功能的同时，形成非对称电力线载波通信电能表网关。而非对称电力线载波通信电能表网关可以跟负载进行数字通信，负载可以是非对称电力线载波通信的网络空调、网络电热水器、网络冰箱等白色信息家电，以及非对称电力线载波通信与无线通信电能显示控制网桥等。所述电能表网关是非对称电力线载波通信电能表网关，是在电力线中线串联高频互感器形成的载波电路，进行非对称电力线载波通信。\n[0009] 电能表网关内设有非对称电力载波通讯装置，该装置为：电能表网关内的N相（中线）串联隔离型高频互感器，电能表网关通过隔离型高频互感器产生电压型FSK（频移键控）调制信号与控制网桥进行电力载波通讯，而控制网桥产生电流FSK（频移键控）调制信号在隔离型高频互感器线圈形成感应调制FSK电压信号与电能表网关进行电力线载波通讯。电能表网关与控制网桥通信是电压型FSK（频移键控）调制信号，控制网桥与电能表网关通信是电流型FSK（频移键控）调制信号，所以称之为非对称电力线载波通讯。\n[0010] 所述电能表网关由微处理电路、非对称电力线载波通信电路、红外通信电路、RS-485电路、电能计量电路和稳压电路所组成。所述非对称电力线载波通信电能表网关中也可以由微处理电路、非对称电力线载波通信电路、红外通信电路、RS-485通信电路、稳压电路5部分所组成，形成没有电能计量电路的独立非对称电力线载波通信网关。\n[0011] 所述电能表网关也可以是三相四线制的电能表网关。\n[0012] 本发明采用在电能表中设置网关进行非对称载波通信，面向电力系统10kV/0.4kV配电变压器低压侧用电负荷控制网桥信息终端，实现对各负荷节点的测量与控制。本发明中在10kV/0.4kV配电变压器低压侧三相四线制主干电力线中没有主机载波通信信号，而电能表网关是作为APLC通讯的主机，而且电能表网关的输入端是连接在配电变压器低压侧三相四线制主干电力线中，电能表网关的输出端是主干电力线中的电力线支线，所以APLC通讯的电能表网关是主干电力线与电力线支线的节点。APLC电能表网关是一种在电力支线上与电力支线上的APLC信息终端进行APLC通讯。此时APLC电能表网关为主机，电力支线上的APLC信息终端为从机，而且APLC电能表网关主机内部APLC电路，是通过中线串联高频互感器与相线耦合电容，将电压型FSK或S-FSK调制的电压信号耦合在中线串联高频互感器负载一侧的中线与相线之间，而中线串联高频互感器的另一侧，被APLC电能表网关主机内部APLC电路中由于在N线与相线之间有耦合电容（CA2），所以APLC电能表网关的电力线输入端的FSK或S-FSK调制的电压信号被耦合电容（CA2）短路。本发明的优点是在10kV/0.4kV配电变压器低压侧三相四线制主干电力线中并联有多个APLC电能表网关（电力线节点），而每个APLC电能表网关只能与相关电力支线上的APLC信息终端从机进行APLC通讯，而每个APLC电能表网关相互之间在主干电力线中没有FSK或S-FSK调制的电压信号，使每个APLC电能表网关主机之间在实时通讯时，互不干扰，提高了可靠性与抗干扰性。另外每个电力支线的APLC信息终端从机是发出的FSK或S-FSK调制的电流信号，调制的电流信号不会流向其它电力支线中，只能流回10kV/0.4kV配电变压器低压侧三相四线制副级线圈中，所以APLC信息终端从机是发出的FSK或S-FSK调制的电流信号只能被相关的电力支线上的APLC电能表网关主机所接收。并且FSK或S-FSK调制的电流信号在长线路中不易被干扰，APLC信息终端从机可以小电流形式的FSK或S-FSK调制，形成小功率方式长距离进行APLC通讯。\n附图说明\n[0013] 图1现有的电力线载波通信电能表集中抄表系统简图;\n[0014] 图2现有的电力线载波通信电能表集中抄表系统结构示意图;\n[0015] 图3本发明电能表非对称载波通信系统框图；\n[0016] 图4本发明电能表网关和控制网桥连接结构框图；\n[0017] 图5本发明电能表网关电路原理图。\n具体实施方式\n[0018] 参照附图3和图4所示，一种电能表非对称载波通信系统，电能表非对称载波通信系统中设有电能表网关1、控制网桥2和白色信息家电负载3，电能表网关设在电能表中，电能表接入电力系统10kV/0.4kV配电变压器低压侧三相四线制（A相、B相、C相、N相）的相线和N相（中线）之间，控制网桥2与白色信息家电负载3电气连接，控制网桥2通过电能表网关1接入电力系统，电能表网关1通过控制网桥2和白色信息家电负载3进行数字通信。\n[0019] 电能表网关1和控制网桥2之间设有非对称电力载波通讯装置，该装置包括：电能表网关的N相（中线）串联隔离型高频互感器4，电能表网关1通过隔离型高频互感器2产生电压型FSK（频移键控）调制信号与控制网桥2进行电力载波通讯，而控制网桥2产生电流FSK（频移键控）调制信号在隔离型高频互感器线圈形成感应调制FSK电压信号与电能表网关1进行电力线载波通讯。电能表网关与控制网桥通信是电压型FSK（频移键控）调制信号，控制网桥与电能表网关通信是电流型FSK（频移键控）调制信号，所以称之为非对称电力线载波通讯。\n[0020] 参照附图4所示，本实施例电能表网关电路原理图包括：微处理电路10、非对称电力线载波通信电路20、红外通信电路30、RS-485电路40、稳压电路60和电能计量电路50所组成。\n[0021] 参照附图5所示，微处理电路10是由IC1 微处理器、IC2 模拟开关、IC3 时间电路、TC4 EEPROM、IC5 温度传感芯片、IC6 显示器电路、IC7 复位电路，以及外围器件组成。\n微处理器电路中IC1 微处理器采用P89LPC9XX系列芯片，微处理器的通信串行口RXD与TXD连接IC2 模拟开关的9、11与1、3；IC2 模拟开关的8、10与2、4是形成两路通信串行口RXD1、RXD2与TXD2、TXD1；IC2 模拟开关的控制端5、13连接IC1 微处理器P0.5、P0.4口。\nRXD1、TXD1连接RS-485通信电路中U2 多路光耦合器A1、A2，收发控制光耦合器A3连接到IC1 微处理器的P0.2口；RXD2、TXD2连接非对称电力载波通信电路中IA1 调制解调器芯片RD、XD，收发控制口RS与检测口CD连接IC1 微处理器的P0.6口与P0.3口；IC3 时间电路、TC4 EEPROM存储器、IC5 温度传感芯片、IC6 显示器电路是通过I2C总线接口SDA、SCL对应连接到IC1 微处理器的I2C总线接口SDA、SCL；IC7 复位电路的RST连接IC1 微处理器的RST；电路部分1中Z1是晶体振荡器，以及相对应的外围电阻、电容器件所组成。\n[0022] 非对称电力载波通信电路20，是由IA1 调制解调器芯片、IA2 放大器、TA1 驱动三极管、TA2 开关三极管、LA1 高频互感器，以及外围器件组成。非对称电力载波通信电路中IA1 调制解调器芯片采用MSM7512（或LM1893、AMIS-49587），IA1 调制解调器芯片Ain口是控制网桥发出的调制信号的输入端；白色信息家电控制网桥发出的电流FSK调制信号是要经过电力中线LA1 高频互感器的4、5端的线圈中，高频互感器的4、5端的线圈中电流FSK调制信号经过电感耦合在LA1 高频互感器的1、3端感应出小电压值的FSK调制信号，通过电容CA3、RA2电阻送到IA2 放大器正相端1、IA2 放大器通过RA4/RA1比例放大，并通过RA4与CA4滤波，将放大的FSK调制信号经电容CA5接入IA1 调制解调器芯片Ain口。\nIA1 调制解调器芯片Aout口是发出的电压FSK调制信号，经过CA7送入TA1 驱动三极管的基极，发射极通过电阻RA5、电容CA8接地，集电极连接LA1 高频互感器的3端、而LA1 高频互感器的2端接电源VD，此时LA1 高频互感器的2端与3端有电压FSK调制信号，经电感耦合在LA1 高频互感器的5端=，4端经高压电容CA2到，与两端有电压较高的FSK调制信号传送到白色信息家电控制网桥。因为LA1 高频互感器的线圈4、5端是串联在电力线中线中，线圈4端经高压电容CA2连接到端电力相线，线圈5端=端是电力中线，而且端是直接面向白色信息家电供电的中线，所以耦合的电压较高的FSK调制信号只能在电力线负载方向的白色信息家电进行载波通信。TA2 开关三极管、电阻RA6、RA7、RA8组成收发控制，当电能表网关发射时，IA1 调制解调器芯片的RS、MOD1为低电平，TA2 开关三极管的基极有基极电流，TA2 开关三极管导通，TA1 驱动三极管进入放大工作区； IC2 模拟开关的RXD2、TXD2连接非对称电力载波通信电路中IA1 调制解调器芯片RD、XD，收发控制口RS与检测口CD连接IC1 微处理器的P0.6口与P0.3口； ZA1是晶体振荡器，DA为限幅器。\n[0023] RS-485通信电路30，是由U1 RS-485驱动芯片、U2 多路光耦合器，以及外围器件组成。RS-485通信电路，采用U1 RS-485驱动芯片SP485E、U2 多路光耦合器是电隔离U1 RS-485驱动芯片SP485E；U2 多路光耦合器与U1 RS-485驱动芯片SP485E以及之间连接电路的供电是独立电源VEE与GND；U2 多路光耦合器的1端与4端连接IC2 模拟开关的RXD1、TXD1，6端为收发控制端连接IC1 微处理器P0.2，该部分电路供电为VDD与相对的地；\nU1 RS-485驱动芯片SP485E的1端与4端连接U2 多路光耦合器的11端与10端，驱动芯片SP485E的2端与3端并联连接U2 多路光耦合器的7端；RS-485驱动芯片SP485E的6端与7端是RS-485总线的A、B端，总线接口为JK1；电路部分3中DU1为限幅器，以及相对应的外围电阻、电容器件所组成。\n[0024] 红外通信电路40，是由JD 红外接收芯片、FD 红外发射二极管、T1 调制三极管、T2 驱动三极管，以及外围器件组成。\n[0025] 红外通信电路，采用JD 红外接收芯片TOP1838，红外接收芯片TOP1838输出1端连接RXD2；FD 红外发射二极管EIR-305与T1 调制三极管、T2 驱动三极管以及相对应的外围电阻器件，组成38KHz调制的数字通信红外发射电路；其中T2 驱动三极管基极通过电阻R20连接TXD2，T1 调制三极管基极通过电阻R18连接IC1 微处理器P0.1，P0.1是38KHz调制信号输出端，同时也是红外通信发射电路的控制端口；当P0.1为高电平时红外通信发射电路截止，；当P0.1为38KHz调制信号输出，红外通信发射电路工作；电路部分4中R21为限流电阻，R17、R19为上拉电阻。\n[0026] 电能计量电路50由IB1 电能计量芯片、IB2 复位电路、IB6 多路光耦合器、IB3 稳压器芯片，以及外围器件组成。\n[0027] 电能计量电路， IB1 电能计量芯片是采用当前美国ADI公司（或我国生产相对应的芯片BL6503）的ADE7755芯片，以及美国ADI公司提供公知的电能计量电路；公知的电能计量电路中电阻RB1、RB2、RB3，电容CB1、CB2、CB3组成电流采样电路，电阻RB1为锰铜合金分流器（阻值约几百μΩ），当用户负载用电时电力相线电流经过电阻RB1，电阻RB1有电压降电压，该电压降电压经过RB2、RB3连接到IB1 电能计量芯片ADE7755的5端与6端，电容CB1、CB2为滤波电容，电容CB3为相位差修正电容，需要修正时连接器J6可以开路或短路；电能计量电路中RB4—RB15串联组成分压电路，电阻RB4一端接到电力中线，分压电路是将220VAC电压进行分压降到几百毫伏，其中RB9—RB13电阻对应有分压电压值修正连接器J1—J5，连接器J1—J5可以分别进行开路或短路进行修正分压电压值，电阻RB15与RB16的一端通过电感LB1连接到电力相线，电阻RB15与RB16的另一端连接IB1 电能计量芯片ADE7755的8端与7端；IB2 复位电路采用MAX809，MAX809复位RST端连接IB1 电能计量芯片ADE7755的RST端；IB1 电能计量芯片ADE7755的13、14、14、16端是芯片内部放大器增益与分频选择端，可以通过连接器J7—J10选择高电平或低电平；IB1 电能计量芯片ADE7755的22端是电能频率转换的输出端，频率输出脉冲通过RB19、发光二极管DB6连接到多路光耦合器IB6中B1光耦合器1端，B1光耦合器与B2光耦合器的2端与3端是串联，B2光耦合器的4端连接DGND，B1光耦合器输出16端与15端连接JK2，JK2为脉冲输出外接口，B2光耦合器的输出14端连接IC1 微处理器计数T1口；IB1 电能计量芯片ADE7755的20端是判断电阻RB1上的电流是正向还是反向的输出端，ADE7755的20端通过RB20连接到多路光耦合器IB6中B3光耦合器5端，B3光耦合器6端连接DGND，B3光耦合器输出\n12端连接IC1 微处理器计数P2.6口；ADE7755的17、18端连接晶体振荡器ZB1；电能计量电路使用的稳压电路是由压敏电阻MOV、电阻RB22、电容CB12、稳压二极管DB1、整流二极管DB2、滤波电容CB13、CB14、IB3 稳压器芯片、滤波电容CB15、CB16、CB17、电感LB1所组成，稳压电路是一个悬浮型稳压电路。\n[0028] 稳压电路60是由IB4 稳压器芯片、IB5 稳压器芯片、ZDB1 整流器、ZDB2整流器，以及外围器件组成。\n[0029] 稳压电路1是由电阻RB23、电容CB18、变压器LB2的副边线圈2、整流器ZDB1、滤波电容CB19、电容CB20、电容CB21、电阻RB24、电阻RB25、IB4 稳压器芯片、二极管DB3、二极管DB4、二极管DB5、充电电池E所组成；稳压电路1主要是微处理电路、非对称电力载波通信电路、红外通信电路使用的稳压电路。\n[0030] 稳压电路2是由电阻RB23、电容CB18、变压器LB2的副边线圈3、整流器ZDB2、滤波电容CB22、CB23、CB24、IB5 稳压器芯片所组成；稳压电路2主要是RS-485通信电路使用的隔离稳压电路。