远程载波监控系统（精选8篇）
远程载波监控系统 篇1
这几年, 城市中的景观灯、路灯数量巨增, 但控制方式还停留在比较原始的手动控制方式或者简单的光控、时钟控制方式, 不仅操作起来费时费力, 维护起来也很困难, 故障不能及时发现, 当然也不能得到及时解决。现在, 计算机以及网络技术迅猛发展, 我们有理由要求通过网络来监控和管理这些照明、景观灯具。另外, 对于城市照明工作的监管单位, 减少人力物力消耗, 降低电力消耗都是急待解决的问题。普通的控制和管理方式已经不能满足现代化城市对照明亮化设施管理的需求。正因为如此, 一种新型的大面积的照明、景观灯监控系统应运而生, 希望本系统能够为您带来便利, 使您的管理工作更加便捷和得心应手。
1 景观灯、路灯监控升级改造的必要性分析
1.1 目前国内景观灯、路灯常用的控制方式
目前国内城市路灯开关控制方式主要采用手动、时钟控制和光控制三种主要方式
(1) 手动控制方式:
是最原始的基本控制方式, 通过人工开关灯具。适用于企业单位等小规模区域的灯具控制, 如果灯具数量巨大, 安装地点分散, 控制者负担重, 操作起来很困难。
(2) 时钟控制方式:
可以通过预先设定好的时间表来控制灯具开关, 可按照预定时间段设定开关时间。但是如果要修改开关时间, 需要将所有定时控制器全部修改设置, 不灵活, 设置参数费时费力。不能应急突发事件。受操作者个人因素影响严重。
(3) 光控开关灯方式:
通过光电传感器来采集光照强度信号, 当环境照度高时关闭电源开关, 环境照度低时启动电源开关。相比手动控制而言, 可以减轻一定的操作者劳动量。缺点是启动停止控制只能依赖于光照, 控制方式单一, 不能应急突发事件, 不能控制半夜灯, 过分依赖于光照。另外光控设备易受环境影响, 故障率高。
1.2 传统的控制方式不灵活
管理是同被管理的设备数量息息相关的, 数量少, 管理容易, 数量增长, 管理的困难程度也增长。当大量的灯具需要每天进行开关控制的时候, 灯具开关的方式变得非常重要, 手动、时钟控制, 光控各自的缺点都限制了对灯具开关的灵活操作, 手动控制耗费人力多, 响应不及时, 时钟控制需要预先设定启动停止时间, 修改设定时间繁琐、不方便。光控制只能按光照度进行控制, 不能分时段单控。综上所述, 三种方式操作起来均不灵活。
1.3 灯具维修维护困难, 电缆不能监控防盗
目前三种传统的控制方式全部只能进行各个支路的启动停止控制, 均没有监控线路故障、灯具是否损坏的能力, 它们简单地控制线路的总开关来实现开关灯的目的, 并不能对线路的工作情况进行信息采集, 不具备监视能力, 对灯具设备的维护只能通过巡查人员专门检查后上报才能进行处理和维修维护。
景观灯、路灯分布区域广阔, 电源线路复杂冗长, 很多区域通过人工直接现场监管难以实现, 又由于近几年有色金属昂贵, 有些不法分子利欲熏心, 电缆遭窃现象时有发生。有些犯罪分子盗窃灯具, 甚至带电盗窃电缆, 常有人身伤亡事故发生, 更有甚者造成电缆短路烧毁, 不仅需要重新更换整条电缆, 而且会危害上一级供电网络, 给供电网络正常供电带来隐患。故此, 加强对供电电缆和灯具的监控是必要的。出现故障及时上报, 维修维护, 有电缆失窃, 迅速发现并报警, 让盗窃分子望而却步, 这样便能提高对盗窃分子的威慑力。
1.4 传统控制方式在节能方面的弱势
景观灯、照明灯覆盖区域广阔, 灯具数量巨大, 自然消耗的电能高, 美化亮化城市安装这些景观灯是必不可少的, 但随之而来的高额的电费开支亦不能不考虑。
传统的控制方式只能单一地调整整体灯具的开关时间来节能, 智能控制模式下可以根据时间段, 根据具体地点来开启一定数量的灯具, 即达到美化亮化的目的, 同时更加节约能源。
1.5 景观灯、路灯远程载波监控系统的优点
(1) 便捷的监控方式:
管理人员不需要在专门的监控室中监控, 只要你的电脑能够上网, 即可以通过链接本监控网址来查看当前和过去一段历史时期内的所有灯具的开关状态和故障记录, 可以通过谷歌地图的形式更加直观地查看每一个街区每一个灯具的状态。
(2) 灵活的时间区间控制:
可以通过上位机软件以周为单位设定一周中需要开关的时间段, 可以根据现场的经纬度、太阳起落时间来设定开启时间段, 可以根据管理人员的要求进行分时段的时间控制。
(3) 简单的突发事件处理方式:
如遇突发事件, 可以通过管理员的身份登录网站来强制开启关断灯具或者以手机短信的方式来强制开启和关断灯具。
(4) 迅捷的故障报警功能:
如遇电缆断电等重大故障时可以通过手机短信的方式通知管理者和相关执法部门, 做到尽快排除故障和迅速出警。
(5) 维护简便:
景观灯、路灯维护人员不需要定期到现场进行巡视, 通过网络既可以监控现场设备的工作状况, 发现灯具故障, 可以根据网络上指示的地点和检测基站编号, 直接对基站内灯具 (20～50盏) 进行维修更换活动, 范围小, 便于发现故障点。
(6) 简易的现场施工方式:
对已经亮化结束的区域, 如果大面积增加控制电缆势必要破坏原有绿化, 目前景观带绿化植物多数是国内知名植株, 造价昂贵, 破坏这些植株代价大, 而且铺设电缆还需要高额的安装铺设费用。GPRS、载波综合智能监控系统中, 上层网络采用GPRS无线通讯, 下层采用电力线载波通讯, 可以在对已完成供电网络不破坏, 不重布线的情况下进行施工改造, 只需要增加载波主站和各节点的载波控制器即可实现对灯具的监控。
综合以上几点, GPRS、载波综合智能监控系统可以实现对各区域的景观灯、路灯的理想监控, 很容易监视现场的灯具工作情况, 便捷的开关灯具操作, 灵活的应急开启关断控制, 轻松的维修维护, 快速的故障报警系统, 智能光电传感器、降雨传感器多元综合控制, 是灯具监管部门的理想选择。
2 系统总体架构
系统由互联网网络层、GPRS网络层、电力载波通讯网络层、监测控制基站4层构成。
(1) 互联网网络层构成人机界面主体, 是管理人员监视各区域灯具工作状态和操作者控制各区域灯具开启关断的平台, 在这里, 只要您的电脑能够连接互联网, 并且您有管理权限 (访问密码) , 就能对现场各区域景观灯、路灯等灯具进行管理和控制。
(2) 利用目前技术成熟的GPRS网络, 来将各区域灯具状态信息连入互联网。目前GPRS良好的通讯功能和稳定的通讯质量是我们远程监控各区域灯具的基础, 为便捷地行使管理工作创造先决条件, 同时将现场监控不受距离控制成为可能。
(3) 电力载波通讯:通过灯具的照明线路实现数据传输, 利用电力线通信调制解调器来发送和接收数据。电力载波并不陌生, 国内10年前即应用在工业控制领域, 由于它的安装简便, 以电源线路为通讯介质的独特优点受到众多使用者的青睐, 是此类场所通讯控制的理想选择。
本设计采用了多载波调制解调技术, 此技术专门针对电力线较差的信道条件, 因而具有很好的传输性能。模块内置了数模转换电路DAC和模数转换电路ADC, 这样很容易与模拟前端电路 (AFE) 接口, 采集各检测支路的电压电流大小。
(4) 监测开关控制基站是以继电器输出控制和电流电压信号采集为核心的终端控制单元, 最终执行开关灯具的操作和上报该路灯具的工作状态和故障警告。
本监控系统硬件由GPRS通讯站、载波通讯主站和各监测控制基站组成。系统软件由网络后台管理软件、GPRS通讯控制软件、载波主站通讯软件、载波基站控制软件构成。强大的后台管理软件, 经纬度日落时间计算, 可根据实际应用加、减时间偏移量, 系统将自动按着设定时间启动与停止景观灯, 而且用户可以任意指定一周中哪些天需要点亮景观灯, 方便节假日等特殊情况的景观灯管理。
使用GPRS技术, 与现场实时通讯, 控制现场状态, 采集现场数据, 对现场状态进行统一管理, 对灯具状态进行分析。GSM处理功能, 可以向用户发送短信通知, 用户可以自定义选择通知范围, 如总供电故障, 某段电缆断路, 景观灯启动与停止等。
用户还可以通过手机短信方式, 直接启动、关闭景观灯, 也可用短信设定每日启停时间。
每一条景观灯支路电流, 实时采集, 图表曲线显示, 故障状态分析。
3 项目可行性分析
项目改造后的使用效果, 项目改造所需资金投入, 系统运行维护费用, 现场施工后所需修复费用, 都是各级领导们十分关心的问题。
目前国内景观灯传统的控制方式大多没有监控功能, 不能进行灯具监控和电缆防盗监控。部分有监控功能的控制方式也多采用有线通讯的方式进行控制, 这样不仅需要增加通讯电缆、光缆等控制线, 支付现场高额的支付铺设工时费, 而且不可避免地破坏现场已经绿化完成的植被, 造成重复施工, 浪费人力物力。GPRS载波智能监控系统采用电力线路通讯, 不需要重新铺设通讯线路, 通过电力线即可实现数据传输, 现场施工范围极小, 不发生植被破坏。
4 结束语
本系统通过互联网、GPRS网络、电力载波通讯架构通讯方式、先进的现场模拟量采集传输技术实现了路灯、景观灯的远方监控管理。通过远方应用程序在国内的任何区域控制现场的灯具开关操作和查看灯具工作状态, 大大减少工作人员的现场巡查、现场开关操作、排查故障的工作强度, 足不出户即能对灯具的工作状态了如指掌。
摘要：阐述了景观灯、路灯监控升级改造的必要性及远程载波监控系统的优点, 介绍了路灯远程载波监控系统的总体框架结构及功能。
关键词：路灯监控管理,远程载波监控系统,升级改造
远程载波监控系统 篇2
关键词：线损管理 低压载波抄表系统 应用
在我国社会经济不断发展的过程当中，用电量也在不断的增加，这样就导致了我国的电力资源变得越来越紧缺。因为线损影响着供电企业的经济效益并且会造成电力资源的浪费，所以很多电力企业就开始对线损管理进行不断的改革和完善。用量的管理是线损管理当中比较重要的一个方面，只有对用量进行比较严格的管理，那么才能够保证线损管理工作的质量得到提高，这样才能够把这些电力资源输送到更急有需要的地方。所以现在很多企业开始在线损管理当中采用低压载波抄表系统，这样抄表就变成了自动化的系统，能够有效的减少因为人员因素造成的线损，而且低压载波抄表系统还能够适时的监督管理用户的用电情况，降低漏电和窃电的情况，最终让线损得到了有效的减少。
1 线损管理中低压载波抄表系统的应用分析
在线损管理当中如果采用低压载波抄表系统的话，再对电能表进行抄表就能够全部的实实在在的完成，同时低压载波抄表系统还能够对用户的电费和电量情况进行实时的观测，实量的对用户的电压、电流以及功率进行监督和控制。如果在线路当中出现了漏电情况或者是出现窃电的情况，那么电力企业都能够及时的采取应对的措施，采用低压载波抄表系统能够有效的避免因为人为抄表失误带来的一些电量的损失，在对线损进行管理和控制的过程当中低压载波抄表系统具有非常重要的作用。
在对线损进行管理的过程当中，低压线损主要就是因为变压器的总台电表值和所有用户电表总值之间的相互差异造成的。这个差值其实就是线损的总值，主要就包括了线路的漏电、各种线损以及人为窃电造成的。那么在线损的管理当中采用了低压载波抄表系统之后，就能够对用户的用电情况进行实时的监督和管理，如果用户在用电的过程当中出现了一些异常情况的话，那么相关的工作人员就会把现在用户的用电情况和最近六个月用户的用电情况进行对比，如果不是因为线路漏电的话，那么就能够确定用户是在窃电，在对用户的实际行为进行了确定之后就可以追究用户的相关责任。如果发现用户用电过程当中的一些异常情况，正是因为采用了低压载波抄表系统，这样那些比例比较大的线损电费就能够有效的追回来，让电力企业在实际的生产运行过程当中经济效益能够得到一定程度的提升，同时电力企业的环保压力以及供电的压力也能够得到有效的缓解。
在线损管理当中采用低压载波抄表系统还能够对那些比较特殊的用户进行分时段的监督和管理。在面对这些特殊的用电用户的时候，系统能够根据用户的用电实际情况和规律，在对他们的数据进行采集的时候就可以分时段或者是进一步的缩短采集的时间来完成，然后根据线损的相关计算公式来对采集到的数据进行分析，这样得到的判断数据就会更加的准确。这样在对这些特殊的用电用户提供服务的时候质量也就会更高，同时也能够有效的防止这些用户在实际用电的过程当中出现窃电的行为。
2 低压载波抄表系统在农村电网线损管理当中的运用
如果在农村电网中，在进行线损管理的时候采用低压载波抄表系统的话，那么更加能够突出它的优势。因为农村一般情况下都相对要比较远一些，那么在对线损进行人为控制和管理的时候难度也就会增加，在采用了低压载波抄表系统之后进行线损管理时的工作效率就能够得到很大程度的提高，同时也能够对电网的运行情况进行更加及时和准确的监测，对于用户的用电情况就能够随时的掌握，如果用户在用电的过程当中出现异常情况的话那些低压载波抄表系统也能够及时的进行判断然后采取相应的解决措施。在农村线损管理当中，在对线损进行计算的时候方法是一样的，但是在对线损进行分析的时候则需要考虑到农村的实际用电情况。在农村电网当中采用低压载波抄表系统能够有效将线损控制在标准的范围之内，让之前那些在农村电网当中线损比较高但是又不能进行有效控制的局面得到了很好的改善。
3 低压载波抄表系统在城市小区线损管理当中的运用
在现在很多的城市小区当中，很多电力企业现在开始采用比较新型的低压载波抄表系统，在对小区的线损进行管理的时候正在逐渐的实现智能化，电力企业采用一些比较先进的低压载波抄表的设备和系统，这样就能够有效的去解决现在卡式表缺乏的问题。低压载波抄表系统能够把用户的用电相关数据自动的传输到电力企业，在对相关的数据计算完成之后就和相应的银行部门进行工作的交接，用户在缴纳电费的时候就可以预先在银行卡上存一些，然后定期划过去就可以了，从而有效的避免了在一些营业网点当中去排队缴费的麻烦。通过这个系统，在对小区用户的用电情况进行计算的时候变得比之前更加的准确，同时也能够对线损进行更加有效的管理和控制。
4 结束语
在采用了低压载波抄表系统对线损进行管理之后，能够有效的改变之前电力企业在对线损进行管理的过程当中比较难的局面，从而提高了线损的管理质量，降低了线损管理，让电力企业的经济效益能够得到有效的提高。
参考文献：
[1]周树刚，王润杰，刘晓军.低压电力载波抄表系统的应用[J].华北电力技术，2009，11：36-38.
[2]张雅明.低压载波电能表及其自动抄表系统的应用与推广[J].农村电气化，2000，08：41-43.
浅谈远程载波抄表系统的应用 篇3
1 载波集中抄表系统的特点
1.1 解决人工抄表问题
实现远方计算机自动抄表后, 操作人员只需坐在计算机前进行操作, 就可将远方用户的电表表底数抄回。并可与营业核算程序之间进行数据传递, 直接将电表底数自动转换成电费, 再将数据传给指定收费处。一人数天的工作, 只几十分钟就可通过微机操作完成, 节省了人力。
1.2 减少电表非正常损失
电表非正常情况主要有计度轮卡轮不走电字、人为调动计度轮、越表窃电。载波集中抄表系统安装后, 即使计度轮出现问题, 表内的计算机也在计数, 若存在用电不正常问题, 通过每天变台的总电量, 线损情况, 各用户表走字情况的同期记录比较, 重点进行监督, 进行疑点分析查询。
1.3 精确的分析线损
人工抄表的数据分析线损存在着一定的不准确性。因为人工不可能作到所有的表底数同一时刻抄到, 同时还可能存在错抄、漏抄。集抄系统则可轻而易举的作到及时准确抄录电表。依靠抄录的这些数据得出的最大负荷情况, 做出曲线分析图。
2 工作原理
常用的0.4KV电力线载波抄表模式两种:一种对于10~30块集中的脉冲电能表设置一个抄表器, 通过0.4KV电力线路载波与台区变压器的集中器连接, 分体式载波电表采用这种技术;再就是在单独电能表里, 安装载波模块, 集中器直接与其相连接。前者经济, 但电能表必须集中;后者方式费用较大, 只适合电能表不集中分散的状态, 一体式载波电表采用这种技术方式。集中器一般一个台区一个, 放在台区配电变压器处。
2.1 硬件设备
包括载波电度表、低压载波集中器、电脑 (配有MODEM) 与市话连接。
载波电度表:是低压电力线载波集中抄表系统的智能终端, 它具有计量、记录、控制和载波通信功能, 与载波表集中器构成系统, 实现“一户一表、集中抄表、银行联网”。载波电表由两部分组成:基表和载波模块。每个模块具有独立的CPU, 能自动按设置对电量进行跟踪计数、处理、记录、发送;实时监测、有效防止窃电;可随时对欠费用户断电;为计算线损提供准确数据;具有实时点抄功能;抄到率100%。低压载波集中器, 最多可控制2048块终端电表;将指定时刻采集的终端电表数据总和与总表电度比较, 以配变为单位计算线损;自动计算本配变的最大负荷;对采集的终端电表数据作统计分析, 自动标注非正常用电户。
2.2 软件系统
载波抄表管理软件具有数据采集、档案管理、电表数据收集和异常分析等到功能。为用户提供了较为完善的集中抄表、集中管理的手段。
注册功能:注册计量点、集中器、维护计量点与集中器的关系, 保证注册数据的正确性、有效性。
抄表功能:可以抄录有线、无线、专线集中器及红外抄表器的电表数据;具有读取集中器设置, 加载集中器设置;操作继电器通断电、设置电表中继, 抄回电表中继, 执行继电器操作列表, 执行定时任务、浏览抄表数据等功能。
数据处理功能:浏览查询表底数据、定制打印报表等功能。
电量计算功能:可以处理换表、追补电量、计算电量、计算电费。
异常处理部分:方便用户查询异常情况的原因、位置、及异常数据, 为用户提供设备故障分析的依据。
数据转出部分:将抄表数据转出到用户指定的数据库中, 以便用户再处理。
用户管理部分;根据用户的设置为用户设定系统使用权限。在线帮助部分:具有比较完善的在线帮助系统。
2.3 系统工作流程
集中器与电脑主控机通过电话线路建立通讯连接。集中器与电表之间通过电力载波建立连接。每个变压器台下都安装有一台集中器, 集中器每一个小时自动抄录电表一次, 每次保存最后一次数据。需要抄表时, 首先电脑主控机通过拨号的方式与集中器之间建立通讯链路, 集中器开始读取最近一次所抄到的所有电表数和电表的运行状态, 并上传给电脑, 从而完成整个抄表的工作流程;也可以实时抄录所有电表或点抄单个电表, 并进行停、送电控制。
3 实际应用
以我局所辖的一小区为例, 整个小区电力载波抄表工程共计2栋住宅9个电表柜184只电能表。目的是做到所有以上电能表计费的简单统计、数据处理、自动采集和停送电, 并且实现采集本台区变压器0.4KV的三相电压、电流、有功和无功等的遥测量。通道主要由网通电话通讯线、集中器和小区低压配电线组成。其中电话通讯线使用我局集团电话网, 通过内部播号进行连接, 不额外增加话费支出;集中器安装在变压器低压侧二次出线端;低压配电电缆通过地埋方式先接进各小区单元集中电表柜。
在小区配电变压器低压侧通过低压配电线载波将用户电量由采集终端采集到集中器, 与此同时, 集中器就地采集台区变压器低压侧的各个交流遥测数据, 操作员将所有电量、遥测数据通过电话拨号传送到后台。
台区变压器的系统安装如图1所示, 低压载波使用接地耦合, 这里选用B相耦合。采集器共9个, 安装在9个电表箱内, 每个采集终端采集本电表箱电表的电度数和运行状态。采集终端用载波收发器把用电数量耦合到B相线路上。集中器收集采集终端上传的电量并且贮存。
通信通过电话拨号, 接通集中器内的调制解调器, 将集中器所有收集的电度量和遥测量传送回微机处理系统进行处理。
系统的安装调试
在电表安装工作结束后, 调试人员进入现场首先选择集中器安装位置, 安装好集中器。检查各表的安装情况。并建立载波表数据库初始档案。再将抄回的表号通过电脑主控机输入到集中器, 并对集中器进行初始化命令操作。设置完成后电脑主控机抄回集中器抄到的数据, 检查是否所有表抄回, 未抄回电表通常为故障表, 必须更换。所有的表都能抄回后, 将集中器最近一次抄表数据打印出来, 到现场逐个电表查看, 将载波抄回数据和计度器示数对比, 检查是否有卡字轮的。
4 使用总结
随着标准化供电所的建设, 抄表工作要求实抄率100%, 精准率100%, 回收率100%, 还要完成规定范围内的电能的损失率。通过实际应用, 电力载波抄表系统安装操作简单, 数据处理及时准确, 广泛应用该系统将为提高电力企业的营业管理水平, 为经济效益注入了新的活力。
摘要：集中抄表系统是当代微电子技术, 智能仪器、通信、计算机技术等多种先进技术的集成。通过低压电力线采集住户用电量信息, 实现集中存储、统一管理, 极大地提升了电力部门的管理水平。
远程载波监控系统 篇4
近年来, 随着城市建设的快速发展, 道路照明设施的规模越来越大, 这对照明质量和路灯节能提出了更高的要求。现有路灯系统存在着严重的资源浪费现象, 需要进行优化[1]。电力载波技术近年来不断发展和成熟, 已经广泛应用于城市照明系统、智能大楼控制系统和远程抄表等众多领域[2,3]。电力载波技术具有易施工、易维护、不受安装环境限制等优点, 但低压电力线上通常存在强干扰且负载变化频繁, 导致电力线载波通信在应用上受到一定的限制[4,5]。路灯系统所用的电力线为专线, 其负载单一, 线路干扰较小, 采用电力载波的通信方式具有可行性。本文主要介绍利用电力载波通信技术对路灯进行远程监控。
1 系统总体结构
路灯远程监控系统的网络是由操作台PC集中控制系统和分别安装在各个路灯的节点控制系统组成。集中控制系统由载波集中器和PC组成, 可以安置在路灯的控制室内, 负责发送、收集和分析各节点的数据。
节点控制系统由载波终端和单灯控制器组成。载波终端接收来自集中器的命令, 控制路灯信息, 并将该信息发送给单灯控制器以及接收路灯状态信息并上报该信息;单灯控制器接收载波终端的控制命令并执行, 同时发送路灯状态信息给载波终端。载波集中器和载波终端可以通过上位机控制软件显示控制信息及路灯状态。
基于电力载波方案的路灯远程监控系统架构如图1所示。每个集中控制器控制两条线路 (道路两侧各一条) , 此两条线路就是一个控制子网, 通过电力线连接各个节点控制器, 集中控制器再通过无线 (如GPR S) 或有线 (如以太网) 方式与远程监控中心连接。集中控制器作为本地监控主机, 负责解析远程控制中心的控制命令, 监测本地路灯的运行状态, 发现异常及时上报给监控中心。每个单灯节点都有独立的编号, 在逻辑上构成一个树形网络。
2 自组网协议
自组网协议采用集中式主从控制方式, 可应用于相对封闭, 其负载数量、负载类型以及线路拓扑结构相对稳定的系统。该协议分成两个基本工作阶段, 即网络初始化配置阶段和端到端数据传输阶段。
2.1 网络初始化阶段
网络初始化配置阶段在硬件安装完成后进行, 通过一种优化的路径搜索算法 (如图2所示) , 搜索网络中所有节点, 每搜到一个节点, 即存储该节点路由信息, 并把该节点的网络状态标志为“联网”, 同时路由信息也会以特定的帧格式发送给主机。整个搜索过程在遍历过网络中所有节点后结束, 如果在此过程中由于某种原因未找到某个节点, 该节点状态保持为“断网”, 可在查找原因后用人工添加的方法把该节点加入网络。
2.2 端到端数据传输阶段
网络初始化完成后, 路由已经建立, 便进入端到端数据传输阶段。此阶段PC可以点名方式把控制命令发送给单灯控制器, 后者也可把报警信息上报给PC。载波集中器与载波终端之间进行的是无确认的传输, 控制命令的确认由PC层面完成。
在理论上载波路灯监控系统中, PC每发送一条Command给单灯控制器, 后者返回一条Response给PC, Response中会带回控制与查询结果。Command与Response各有3次重传机会 (可更改) , 即在规定时间内未接收到返回命令即重发该命令。控制命令包根据应用不同其数据长度不同, 而载波是采用固定长度的突发数据帧方式, 必然存在一条控制命令包被分成多个载波数据帧的情况 (称为多个分包) , 在自组网协议中, 对每个分包会进行编号, 并进行无确认的传输, 如果有分包丢失或误码, 则所有分包全部丢弃, 由PC继续对数据包重传。单灯控制器的主动报警也属于数据传输。当在控制过程中有节点报警, 或者多个节点同时报警, 信道上必然出现载波冲突, 此时通过载波侦听-冲突退避 (CSMA/CA) 机制进行避让, 实现各个节点按序上报, 自组网协议采用CSMA算法, 采用标准的二进制指数退避。
由于路灯远程控制系统传输信号较为简单, 可采用单包形式 (如图3所示) 。下面给出单包情况下PC与单灯控制器之间的数据传输过程, 假设应用层协议设计为PC每下发一条command message, 单灯控制器即返回一条response message。
3 系统软件设计
3.1 软件系统框架设计
本系统由上位机软件系统、集中控制系统与节点控制系统 (包括载波终端和单灯控制) 构成, 其中以上位机软件系统为核心。多个节点控制器通过电力线与上位机系统进行数据间交互传输。发送的每个数据均为十六进制代码, 每次发送与接收都需要软件自行分析与编译。在每条语句的最后, 都要加上两个8位CRC校验码, 将低位放在前面, 高位放在后面。CRC校验码的计算由Modbus的定义编写C子函数和VB子函数, 每次需要进行CRC校验或计算的时候, 直接调用子函数, 非常方便。每次发送数据前都要重新进行CRC校验, 以保证每次数据的正确性。各个分机都会接收来自电力线上所有的载波信号, 但只会处理跟自己域名相同的命令。载波集中器会接收电力线上所有的载波信号, 经过CRC校验后, 直接发送给上位机软件系统, 由上位机对各个节点控制器的状态信息进行综合分析, 处理和显示等工作。工作原理如图4所示。
3.2 上位机设计
集中控制器的上位机软件既要完成网络初始化配置, 以树状图显示网络拓扑结构和人工修改路由配置或添加新节点的功能, 同时可发送命令控制节点, 并接受节点反馈信息做出相应的响应。
上位机主界面分成上下两个功能区 (如图5所示) , 上部分为操作区, 包括串口配置 (COM Config) , 网络初始化 (Networking I n i t i a l i z i n g) , 数据传输压力测试 (Polling Test) , 人工添加节点 (Add Node) , 报警及关控制 (Alarm, All Light) 。下部分为显示区, 包括主显示区, 串口发送与接收数据显示, 网络拓扑图显示 (Network Topology) , 自定义控制命令区。
4 硬件设计
4.1 电力载波模块
该模块主要利用高性能SENS-0 1电力载波通信模块 (Power lin e Transceiver) 来进行信息间传输, S E N S-0 1嵌入式电力线载波模块提供半双工通信功能, 可以在220V/110V, 50/60Hz电力线上实现局域通信。该款产品具有通信速率高, 通讯可靠, 抗杂波干扰能力强, 通讯距离远等特点, 是专门为适应中国国内电力线应用环境而研发的高性能电力线载波通讯产品。本电力线通信模块内含各个外围复杂电路, 只需连接电力线即可。
4.2 单灯控制器
单灯控制器 (如图6所示) 是路灯控制系统中的一个组成部分, 其核心芯片SH79F642采用自主研发的硬件和软件设计, 使其具有易实施, 免布线, 工作可靠, 易于维护等优点。
单灯控制器是以8位微控制器为核心的智能型路灯控制器, 微处理器处理整个单灯控制器的数据, 并接受载波终端发出的工作指令, 执行开灯, 关灯, 调光, 过载保护, 信号上传, 自动报警等任务。内部负责开关的是一只磁继电器;内含有光敏电路, 通过光强度调节PWM来控制路灯的亮度;内部负责电压/电流数据采集的专用集成电路能够实时提供路灯工作情况;过载设计是用来保护单灯控制器, 一旦电流超过规定的阈值, 微控制器就会切断继电器;可将采集到的电压、电流、光强度、报警等信号由串口反馈给载波终端, 同时这些信号可通过液晶显示达到实时监控的目的。
5 试验
根据上述设计, 我们在一条道路上安装了一个集中控制器与20个节点控制器 (20个节点为测试节点, 可根据实际需求增加节点数量) , 每一个分机控制器皆相差50米左右。系统设计通信成功率为95%以上, 在实际电网中测量了一周, 通过上位机与每一个节点通信来测验成功率。在测试过程中, 电压、电流以及开关功能均正常工作。由表1的数据可知, 平均的通信成功率为96%以上, 且每次通信时间都少于3秒, 符合设计要求。
目前系统处于测试阶段, 由于硬件设备的原因, 通信成功率还不能达到100%, 因此本系统还需进一步完善。
6 结束语
本文根据实际需求, 设计出了一套基于电力载波通讯自组网的路灯远程控制系统。可靠的硬件设计和软件设计使系统的通信质量和通信速度均符合设计要求, 该系统利用现有的电力线作为通信通道, 成本低, 安装方便, 系统稳定、可靠, 既能满足路灯照明需求, 又能节约大量电能, 有很大的推广价值。
参考文献
[1]吴海荣, 陈青, 李云溪.基于以太网的城市路灯管理控制系统设计[J].舰船电子工程, 2011
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远程载波监控系统 篇5
户用计量仪表 (智能水表、燃气表、热量表) 不仅是现代能源供给系统的重要组成部分, 而且与所有用户的生产生活息息相关。传统的抄表方式已经不适应现在这个飞速发展的社会, 无论是用户还是管理部门都迫切需要一个先进的自动抄表系统的介入。本文正是基于这一背景, 将低压电力载波通信与GPRS无线数据通信方式结合起来。实现抄表系统的自动化、远程化、网络化。这样的智能抄表系统可以节省大量的人工, 提高工作效率。降低出错率。而且可以存储大量的数据。方便查询、检索。
2 系统的总体构成
系统由户用计量仪表、集中器和监控中心三个部分构成分布式体系结构, 这种体系结构分上下两级:
第一级是由集中器与户用计量仪表构成的数据采集级, 采用总线型结构。住户计量仪表表数据通过220V电力线载波到住宅区内的集中器, 集中器汇集了住宅区同一个变压器下所有用户的用水量、用热量、用气量等数据。
第二级是由监控管理中心与集中器构成的数据传输级, 采用星型结构。由中国移动GPRS网络、Internet和监控中心组成。各个住宅区的集中器通过GPRS接口将数据接人Internet, 监控中心Internet获取各个住户的用水量、用热量、用气量等数据, 实行集中管理和控制。
3 GPRS通信系统的实现
3.1 GPRS技术
GPRS是GSM网络向第三代移动通信过渡的技术, 是对GSM网络的升级。GPRS在原有的基于电路交换 (CSD) 方式的GSM网络上增加了一些基于分组应用的接口, 为移动用户提供无线分组数据网接入服务。与GSM数据通信相比, GPRS有许多独特的特性:
传输速率高。通过同时使用8个时隙, GPRS网络数据传输速率最大可达171.2kbit/s, 而且通过不同的编码方式, 支持不同速率的传输。
接入时间短。能够提供快速即时的连接, 保证通信的实时性。
频谱效率。由于采用分组交换方式, 用户只有在数据传输时才占用无线信道, 无线资源可以同时被若干用户共享, 大大提高了频段利用率, 避免了资源的浪费。
支持TCP/IP协议和X.25协议, 可与Internet互通, 突破了GSM通信中数据流量的限制。GPRS在数据通信领域独有的技术优势为它赢得了广泛的应用, 在数据采集和监控、移动办公、调度和定位等方面有很好的应用前景。
3.2 GPRS通信系统的设计
本文提出一种利用GPRS的Internet接入功能, 以GPRS无线网络和Internet为通道的通信模型。在该系统中, 终端设备通过GPRS无线网络连接到Internet, 与客户端前置机 (具有上网功能) 进行通信。考虑到实际中, 客户端一般都是拨号上网, 没有固定IP, 需要在Internet上设置一个服务器 (有固定IP) 作为通信中心, 负责中转客户端前置机与终端设备之GPRS。
由于系统中的数据要流经Internet, 这就对系统的安全性提出了更高的要求。本系统中, 采用加密算法对所有流经公网的数据加密;由GPRS终端和客户端前置机主动发起连接, 杜绝非法用户访问:通信中心服务器的网络端设置专用防火墙等, 保证系统的数据安全。
4 基于GPRS的远程抄表硬件设计
监控系统由一个中央管理器和若干个现场站点组成。现场站点一般包含有前端数据采集器和现场下位机。中央管理器主要工作是监视和记录各现场站点的工作状态和远程控制现场站点, 现场站点主要对各种户用计量仪表的各种参数进行采集与传送, 中央管理器可对各现场站点的历史记录进行查询, 这样可以对供水、供气、供暖各环节运行过程中的各种参数和报警次数等进行统计分析, 从而达到对各种运行过程进行科学管理、预防事故发生的目的。中央管理器和各现场站点以GPRS方式相连.由中央管理器主动建立链接, 现场站点接到呼叫后应答进行数据传输。这样做的好处是可以避免多个现场站点同时呼叫, 防止出现网络阻塞。
监测站点由前端数据采集器和现场下位机构成, 其中前端数据采集器采用CS5460模块, 它负责采集监控现场的各项数据并存储。线路的内部经过严格的电磁隔离。测量电路经过采样、A/D转换处理后形成的数字信号再经过光电耦合由信号适配器向从单片机传送, 主单片机与从单片机之问可采用I/O口模拟时序的方式进行串口通信。
现场下位机部分是整个系统的工作核心。既负责和前端数据采集器之间的通信, 又负责和中央管理器的数据通信, 因此, 这部分电路至关重要。针对系统的要求和实际应用条件的情况, 我们选用高性能的rabbit单片机作为系统的监控核心。Rabbit2000是专门为嵌入式控制、通信和以太网连接而设计的微处理器, 电磁干扰非常低。现场下位机部分主要包括:主从芯片单片机、显示电路、时钟+看门狗电路、GPRS等四大部分。它与前端数据采集器一起构成了现场站点。
5 集中器
各用户计量仪表的数据经过220V电力线载波, 传输到集中器, 集中器完成住宅小区局域范围内的数据集中和再转发任务, 对于整个集抄系统来说这样的小区又有很多, 为了能标识集抄数据中的确切来源.必须对集中器编址。因此, GPRS模块传出的数据中还应加有该集中器的地址信息。集中器一方面要接收局域范围内各个户用计量仪表的数据。另一方面又要将这些数据进行处理后通过Internet传输到监控中心。为此集中器以W77E58为核心, 配有电力线载波接口电路和GPRS无线模块电路。
5.1 三相载波的耦合电路
对于集中器的载波模块需要接收的信号并不知道来自三相中的哪一相, 图1给出了一种三相耦合电路的方法, 接收时A, B, C三相通过变压器分时耦合, 而发送时发送的信息全都耦合到三相上去。
5.2 GPRS接口电路
GPRS接13电路由模块GM47和W77E58构成。GM47是爱立信公司生产的GPRS模块.它通过自带的UART端13与MCU或Pc机联系。在本系统中, GM47的RD (串行数据输出) 和TD (串行数据输入) 分别与MCU W77E58的RXD TXD相连, CTS (发送清零) 、RTS (发送请求) 、DTR (数据终端准备好) 、DCD (数据有效检测) 作为控制111与W77E58的P1.4~P1.7相连。另外, GM47还需与SIM卡、天线和电源等的连接。
结束语
对于物业管理部门来说, 抄表一直是一件非常头疼的事情, 需要投入大量的人力、物力和财力。因为户用计量仪表种类、数量众多, 地理位置分散, 给工作人员带来极大的不方便。采用GPRS网络远程数据通信方法解决了此问题, 同时也解决了远程监测系统通信问题, 比起其它有线通信方式有着不可比拟的优越性由于采用的是无线模式.数据传输的安全性得到r很大的提高。当然, 万事有利必有弊。该方法的实施也还在一些缺陷, 如GPRS通信方式比起CSD (电路拨号) 通信方式的可靠性和实时性还有待提高。但是, 随着GPRS网络的逐渐完整和应用技术的不断成熟.GPRS在其它工业领域的应用必将越来越广阔.
摘要：本文介绍了一种基于电力线载波和GPRS技术的远程抄表系统, 系统能够及时、准确地采集户用计量仪表的相关数据。文中详细给出了系统各组成部分的原理、内部结构和工作过程。最后对系统的安全措施和升级性能做了阐述。
关键词：户用计量仪表,GPRS,电力载波,远程采集,单片机
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基于电力载波的远程开关设计 篇6
在生产实践中,经常需要同时控制多个距离相对较远的开关,现有的一些总线技术虽然能实现远程开关的集中控制,但都需要铺设专用的网络线缆,这就增加了系统实现的难度。如果研究者采用电力载波通讯技术,就不再需要铺设专用网络线缆了。电力线载波通信是以电网的电力线作为数据的物理信道,把数据耦合到电力线上传输到目的地的一种通讯方式,它不仅把电力线作为电源传输线,又把它作为信号通道,无需外加额外的信号线。
本研究将电力载波通讯技术应用于远程开关系统中,以STM32作为控制器并以ST7540作为调制解调器,设计远程开关控制系统,既可实现远程开关的集中控制,又不需要铺设专用的网络线缆。
1 系统结构
整个系统由一个主站和若干个从站组成。主站连接上位机,实现信息的更新和接收上位机的命令。从站连接开关,查询开关的状态和控制开关。主站和从站之间通过电网连接。系统整体结构如图1所示。
该系统中有一个主站和若干从站,主站控制器和从站控制器采用Cortex-m3内核的STM32F103系列处理器,STM32F103系列是专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的处理器。调制解调器选用ST7540,ST7540是国外电力载波芯片厂商中为数不多的能适应我国复杂电网环境以及满足我国电力载波频率段要求的调制解调器,其具有价格低,外围电路简单的特点,还可以选择波特率以及载波频率段[1,2,3,4]。
2 控制器与其外围电路的设计
控制器的设计需要根据该系统使用到的STM32F103RBT6中的功能来确定。控制器需要完成与ST7540的通讯功能,ST7540可以通过USART(异步模式)和SPI(同步模式)与控制器进行通讯,该设计采用了SPI(同步模式)的方法,所以需要用到控制器中SPI的功能。控制器需要对从站状态的信息数据进行存储,所以需要一片ROM作为存储器,STM32F103RBT6内部集成有128 KB的FLASH存储空间,除了程序占用的空间外,剩余的存储空间可供用户使用,就无需再外加EEPROM了[5,6]。主站还需要完成与PC机的通讯,故需要一个接口芯片,该设计采用了MAX3232。
主站控制器部分的电路图如图2所示。
STM32RBT6总共64个引脚,该设计中使用到了24个引脚,所以图2中隐藏了40个没用到的引脚。MAX3232总共16个引脚,该设计只用到12个,故隐藏了其余4个引脚。L和N代表零线和火线,主站的供电是220 V交流电通过ACDA开关电源后提供12 V直流电源,12 V直流电源直接供给ST7540。而STM32的工作电源为3.3 V,如果笔者直接使用LDO芯片AMS1117-3.3,会因为压差太大而造成发热太大,使得系统不稳定,所以本研究先采用LM7805将12 V电压转成5 V,再经过AMS1117-3.3为STM32供电。主站中两个主要功能单元分别是与ST7540的接口和与PC机的接口。BOOT为可选模式,当本研究把BOOTO接为高电平时,可以通过串口为主站更新程序。从站控制器与主站控制器类似,只是少了与PC机的通讯接口,多了信号输出的端口连接开关或者开关前的光耦。
3 调制解调器及其滤波电路的设计
ST7540是为数不多的能适应国内电网环境的国外厂商的芯片,ST7540采用BCD5混合信号技术的功率处理功能,利用了原有的ST7538内核,将一个新的单端功率放大器嵌入在这个集成的模拟前端内,能够推动500 mArms的连续输出电流和高于3.5 Vrms的输出电压,ST7540还集成两个3.3 V和5 V的线性稳压器,以供给外部控制器的电源。其接口透明,使用简单可靠,仅需要少量的外围元件就可实现一个控制功能。ST7540的波特率可选,研究者可以根据使用环境来调节波特率,且具有报文检测功能。对ST7540的使用,关键是设计合适频率的滤波器,该设计使用72 kHz的频率作为载波频率,需要设计72 k Hz的带通滤波器。
调制解调器部分的设计电路图如图3所示。
220 V的交流电经过开关电源后输出12 V最大电流为800 m A的直流电,一般来说ST7540部分最大电流在100 m A左右,所以在200 mA以上基本能满足设计要求,考虑到STM32RBT6的消耗,开关电源选择了800 mA,保证主站电流供给。D3为工作指示灯,ST7540内部集成有3.3 V和5 V的线性稳压电源,能提供外部设备使用,VDC是5 V的线性电源输出,在该设计中用来指示ST7540的工作状态。ST7540内部有电压控制回路和电流控制回路,Vsense提供电压回路的参考电压来调节输出电压,起到抑制噪声的作用。电流环限制PA_OUT上输出的最大电流,通过R1来设定。该设计中的滤波器包含有3个部分,其中第1部分由两个低通滤波器组成,第1个是由R8和C7组成的前置一阶低通滤波器,其输出特性为:
式中:τ—代表RC,即该设计中的R8和C7。
一阶RC低通滤波器的截止频率为:
式(2)为一阶RC低通滤波器截止频率计算公式,代入R8和C7的值,得:f=104 kHz,也就是说它的截止频率为104 k Hz,对72 kHz有良好的通过性并且能有效滤除高频噪声。信号发送经过一阶RC低通滤波器后送入后面的二阶低通滤波器,ST7540内部集成有PA放大器,本研究利用这个内部集成的运算放大器可以设计一个高性能的二阶sallen-key滤波器。其外围器件取值如图4所示。
本研究假设PA为理想滤波器,经计算,图4的传递函数为:
式(3)为二阶sallen-key滤波器的传递函数,其中,K为放大倍数,且:
本研究将如图4所示的所有电阻和电容的值代入计算公式,用Matlab计算的结果如图5所示。
图5的Matlab的计算结果说明其在72 kHz时增益为9.35 dB,所以该设计中二阶sallen-key能满足72 kHz频率的要求。
L1和C5组成一个串联谐振电路,该设计采用72 kHz,根据LC串联谐振公式:
取L1和C5的值为47μH和100 nF。
R10,C10和L3组成一组并联谐振电路,C10和L3的并联阻抗Z等效于:
所以,加载在L3上的电压Ul与输入电压Ui之间的关系函数为:
式(7)中,用s代替jω:
式(8)为LC并联电路的传递函数。
LC并联电路的中心频率为:
为了提高LC并联电路的Q值,本研究必须取R10的值尽量小而L或C的值尽量大。这里取R10为20Ω,L变大对Q的影响超过C,所以取L的值比C大,取L为220μH,算出C为22 nF。品质系数Q的值为:
式(10)为品质系数Q的计算公式,代入数值计算得:Q=5。所以这样的取值能满足设计要求。
4 软件设计
主站程序流程图如图6所示。
如图6所示,从站的地址信息和配置信息储存于主站的Flash内,主站初始化后读取Flash数据到SRAM中。主站根据SRAM中的内容对所有从站进行轮询,每个轮询周期是对所有从站进行一次数据交换[7,8,9,10]。在更新从站信息时如果从站无应答发回给主站,那么就认定该从站不在电网上。上位机可随时写数据到主站。主站在一次轮询完后处理主站发来的数据,本研究根据这些数据对指定的从站进行开关状态更新。
从站程序流程图如图7所示。
本研究在从站上电后先读取Flash内的数据,其中包括起始开关状态和从站自身地址,设置初始时开关的状态,然后等待中断,当主站发送的地址与从站地址一致时从站会产生中断,然后与主站进行数据交换,并根据主站发来的数据信息更新自己的开关状态。
5 实验总结
本研究首先根据ST7540的性能指标评估该系统的通讯速度,如选用2 400 bps作为工作速率,则每个位发送的时间约为417μs,一个字节的发送时间为8×417=3 336μs。主站与从站间交换一次数据时需要给从站发送3个字节以及接收从站3个字节,其中第1个字节为地址段,第2个字节为数据段,第3个字节为校验段,6个字节的通讯时间约为20 ms。所以当只有一个从站的时候,主站控制刷新远程开关所需的时间为20 ms。以一套较大型系统(100个从站)为例,主站在完成对从站的数据交换后到下一次数据交换所需的最长时间为2 s。通过对5个从站的小系统的实验,主站轮询完5个从站所需的时间为100 ms,与估算的一致。
实验结果表明,该设计系统的通讯速度比较快,能满足大多数多实时性要求不高的应用。
6 结束语
利用意法电子的STM32系列处理器和ST7540电力载波调制解调器,本研究设计了基于电力载波的远程开关控制系统。该设计的最大优点是以现有的供电线作为网络通信物理通道,无需架设专用的网络通道,便于在工程中实现,但是电力载波的速度比较慢,该设计只能用在一些对开关实时性要求不高的场合。随着技术的发展,今后电力载波的速度也会随之提高,能适应更多的应用。
摘要：为解决网络总线技术在控制远程开关时必须架设专用物理网络通道的问题,在分析了电力载波通讯技术特点的基础上,将电力载波技术应用到了远程开关的集中控制中。利用电力载波技术无需架设专用网线的特点,设计了基于电力载波的远程开关控制系统,解决了其他总线技术必须要架设网线的问题;以STM32系列处理器作为系统主站和从站的处理器,根据所用到的功能设计了处理器部分的电路,以ST7540作为调制解调器,根据所选定的工作频率设计了专用滤波器,对通讯周期所需的时间进行了估算。研究结果表明,采用电力载波通讯技术的远程开关控制系统能满足大部分对实时性要求不高的应用要求。
关键词：电力载波通讯,远程开关,数据传输,ST7540
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远程载波监控系统 篇7
在目前的配电网中, 有大量变压器安装在地下室、山区等信号未覆盖的区域, 而在用电信息采集通信系统中, 一般将采集终端安放在变压器附近, 造成主站与采集终端无法正常通讯, 无法将数据上传到主站。因此, 采用高速载波透传方式, 将采集终端的数据通过电力线载波远程传输到远程通信模块处, 并将远程通信模块安装在信号较好的地点, 以此实现无信号区域用电信息采集, 提高远程通信模块的信号质量, 提高集中器与主站通信的成功率及通信稳定性。
1 设计思路
1.1 系统的主要功能
(1) 实现无信号配变台区低压用户集中抄表数据上报。
(2) 与主站实时通信。
(3) 支持停电上报。
(4) 主机支持G P R S、C D M A、3 G、4 G等通信模块。
(5) 转接模块接口定义、结构满足Q/G D W 3 7 5.2-2 0 0 9和Q/G D W 1 3 7 5.2-2 0 1 3《电力用户用电信息采集系统型式规范》。
1.2 载波转G P R S模块设计
载波转G P R S模块由主机、从机以及串口转接模块3部分组成。串口转接模块安装在集中器右侧, 替换原G P R S通信模块。载波转G P R S从模块安装在集中器端, 并通过串口线和串口转接模块连接。串口转接模块把集中器串口数据和端口状态通过串口线给从模块[1]。系统结构如图1所示。
1.3 基本电路
(1) 电源电路:使用A C-D C开关电源电路, 工作电压范围为9 0~2 8 6 V, 频率为5 0 H z。
(2) 发送电路:+1 2 V发送电压, 与单通、路由发送电平相同。
(3) 解调电路:高带宽输入, 通讯速率可进一步提高。
基本电路结构如图2所示。
1.4技术优势
(1) 使用电力线作为通信介质, 减少施工安装工作量。
(2) 合理选择载波通信频率, 保证通信稳定可靠。
(3) 支持透明传输, 能够兼容不同规约协议要求。
(4) 多频点和主/从机相位识别相结合, 提高通信效率的同时满足同一台区安装多套设备需求。
(5) 宽输入电压设计, 满足不同用电环境需求。
(6) 串口速率自适应, 兼容不同厂家设备需求。
1.5 应用范围
目前该产品支持国网2 0 0 9、2 0 1 3规范集中器、专变采集终端, 南网2 0 0 9、2 0 1 3规范集中器、专变采集终端等符合国网规范接口定义、结构的高供高计、高供低计、低供低计的设备。但主、从机之间载波信号通信线路不能经过变压器、互感器等, 若载波信号经过这些设备, 则会导致信号极大衰减, 出现通信不稳定、设备不上线等问题。
载波转G P R S模块现场使用安装示意图如图3所示。
1.6 技术参数
基于载波转G P R S模块的远程数据传输主要技术参数:通信规约为透明传输;通信距离为0~2000m;串口波特率为9600B/S、1 4 4 00B/S、5 6000B/S、5 7 600B/S、1 1 5 200B/S等 (速率可配置) ;载波频率为0.7 M H z、1 M H z、1.3 0 M H z (默认) 、1.6M H z、2M H z;调制方式为B F S K;从机功耗为1.5 W (静态) 、3 W (动态) , 主机功耗为2W (静态) 、9W (动态) ;使用寿命不小于10年。
2 载波转G P R S组成
2.1 从机模块
从机是载波信号主动发起端, 安装在靠近集中器位置, 通过串口连接线连接到串口转接模块, 从模块供电集中器表尾端子或接线盒处取电。从机通电后, 电源指示灯亮红色。从机不断往电力线上发送载波信号, 载波发送灯不断闪烁, 闪烁频率为2次/秒左右。当从机和串口转接模块有数据交互时, 串口接收、发送指示灯闪烁;当从机和主机有载波数据交互时, 载波接收、发送指示灯闪烁。从机模块及指示灯如图4所示。
2.2 主机模块
主机是载波信号接收端, 主机接收从机发的载波信号并进行回复。主机载波接收灯闪烁表示收到从机发来的载波信号, 载波发送灯闪烁表示对从机做出回复。主机安装在G P R S、C D M A、3 G、4 G信号较好的位置, 主机从电表箱空开、接线盒等有220 V交流电的地方取电。安装时要确保主、从机在同一台区同一相。
打开主机下部透明盖板, 把包装盒配套的G P R S模块安装在对应的插针上。主机通电后, 电源指示灯亮红色, 当收到载波信号时, 载波发送指示灯闪烁 (闪烁频率与从机相同) , 如果没有载波信号, 主机电源灯、载波接收灯、载波发送灯常亮。当主机和G P R S通信模块有数据交互时, 串口接收、发送指示灯闪烁;当主机和从机有载波数据交互时, 载波接收、发送指示灯闪烁, G P R S模块电源指示灯亮;当主机或主站与G P R S通信模块有数据交互时, G P R S通信模块串口接收、发送指示灯闪烁。主机模块及指示灯如图5所示。
2.3 串口转换模块
将采集终端上的远程通信模块取下, 根据2009规范和201 3规范, 采集终端安装相应的远程通信串口转换模块, 占用原来的远程通信模块位置。
电源指示灯为模块上电指示灯, 红色。灯亮表示模块上电;灯灭表示模块没电。串口收、发灯为串口通信收、发指示灯, 红/绿色。红灯闪烁表示转接模块往集中器发送数据;绿灯闪烁表示转接模块接收集中器发送的数据。串口转接模块及指示灯如图6所示。
3 多频点设备应用
由于同一变压器下有多套专变终端、同一配变室内多个变压器共零、或者台区距离较近, 不同载波转G P R S模块设备相互干扰, 从而导致设备不能正常上线、只有一台设备能够上线或者设备交替上下线。因此, 需安装不同载波频率的主从机设备。
某公司目前有5个频点的主从机, 出厂编号分别为1、2、3、4、5, 不同载波频率设备硬件、软件均不相同, 不同编号设备不能混用。对应关系如表1所示。
通过现场测试, 更改载波频率能够解决不同设备相互干扰问题, 但为了载波通信的稳定性、准确性, 在现场安装过程中需要注意以下几点:
(1) 如果一个配电室内有两个终端, 建议选择1、5号, 频率间隔越大相互影响越小;有3个终端时, 建议选择1、3、5号。
(2) 不同频点设备尽量分别安装到不同相上, 因为主、从机不同相不会响应, 即A相设备不响应B、C相载波信号。
(3) 在主机安装到有信号位置的前提下, 同一频点的主、从机之间距离尽量近, 能够提高通信的稳定性。
4 结语
基于载波转G P R S的远程通信系统将电力线载波与G P R S相结合, 将数据通过电力线载波的形式转化为G P R S信号, 从而传输到主站, 实现了无信号区域用电信息的采集, 使用电力线作为通信介质, 减少了施工安装工作量, 提高了信号的稳定性。
参考文献
远程载波监控系统 篇8
快速时变多径信道下的干扰抑制问题是现在研究的热点[1],现有的多数文献还是以单载波系统和以OFDM为代表的多载波系统为主[2]。但是单载波由于码字宽度窄,受到快速时变信道码间干扰严重,尤其在强时变密集多径信道中,更容易受到由于多径时延造成的码间干扰。近年来,大多数研究者多以多载波调制系统来克服单载波遇到的问题,主要以OFDM为代表,通过增加符号间的宽度并使用简单的均衡器消除码间干扰,但是OFDM系统在大的多普勒影响下,子载波间的正交性容易受到破坏,这时的载波间干扰( Inter-carrier Interference,ICI) 也是相当严重的。
最近,南加州大学的研究人员提出一种特殊的解调方式 – 部分快速傅里叶变换( Partial Fast Fourier transform,PFFT)[1],并且在声呐系统以及数字视频广播系统等快速时变信道下发挥了重要的作用。这种新型的解调方式,解决了传统的傅里叶变换无法进行局部分析的问题,并且在一定程度上克服了OFDM系统在快速时变信道下受到的ICI的影响,但是OFDM系统在接收端的有效性仍然在强时变信道条件下遇到性能提高受限的瓶颈,本文将基于加权分数傅里叶变换( WFRFT) 以及部分FFT解调,提出一种新的混合载波-部分FFT解调系统,新的系统将在抑制ICI上得到进一步提升。
1 混合载波系统
首先给出混合载波调制( hybrid carrier modulation,HCM) 系统在双选信道下的传输模型如图1所示。
设长度为N的BPSK/QPSK信号D = ( d1,d2,...,dN) ,这里假设信号D是 α 阶的加权分数域信号[2],经过- α 阶的WFRFT变换后被调制为混合载波信号。由于WFRFT变换是一种时频变换工具,文献[2]中已经研究了它的性质,信号经过WFRFT变换后,信号能量以及信号上的干扰能量,能够在较均匀的分布在时频平面上[2],这样能够在一定程度上降低强干扰产生的概率。
由于假设原始信号是 α 阶的加权分数域信号,因此,经过- α 阶的WFRFT变换后,原始信号就由 α阶的加权分数域信号变换到了时域信号。
假设系统的循环前缀持续时间为Tp,且Tp>Tτ,其中Tτ为最大时延扩展。这样,时域传输信号可以表示为:
式中,Td为采样周期,加权分数傅里叶变换的核函数 φα( v,t) 可以表示为[3]:
式中,加权分数傅里叶变换的加权系数,l=0~3。
这里是利用分数傅里叶变换的一般形式[3],信道模型可以表示为:
假设hl( t) 是快速时变多径信道的信道增益,τl( t) 是第l径的时延扩展,这里假设多径延迟是时变的,这是不同于一般的慢时变信道,在快速时变信道下,诸如水声信道[1,4]、数字视频广播信道[1],由于大多普勒的影响,因此假设时延是随时间变化的。经过双选信道后,在接收端去除循环前缀,这时的接收信号可以表示为:
式中,n( t) 是加性高斯白噪声。
2 部分FFT解调( PFFT) 技术
一般情况下,接收端通过一个傅里叶变换,就可以完成从时域到频域的转化,即:
这里Hp( t) 和sp分别如下表示:
本文将用部分FFT解调( Partial FFT Demodulation,PFFT) 来代替原来的傅里叶变换解调,PFFT解调首先将整个采样区间[0,Td],平均分成互不相交的Q部分,通过相应位置的补零,仍然保持每一部分的信号长度不变。之后对每一子区间进行傅里叶变换。其中第q个子区间的第k个输出可以表示为:
这里部分积分的结果Gp - k( q) ,可以表示为如下的形式:
PFFT解调以后,每一部分的有效信号的长度由N变成了现在的N / Q,这样有效信号点上的干扰能量也相应的降低,因此相比较于原来的傅里叶变换解调,在一定程度上降低了符号上产生强干扰的概率,同时经过部分FFT解调后,由于每一部分互不相交,这样也在一定程度上减少了载波间干扰。
虽然在一定程度上降低了载波间干扰,但是仍然需要信道补偿来弥补信道衰落造成的严重影响。这种情况下,首先对每一部分进行加权补偿,假设第k个采样点的加权补偿系数为 ζk= ( ψ1,ψ2,...,ψQ) 。令通过PFFT解调后向量为yk= ( yk1,yk2,...,ykQ) ,则第k个子载波的频域估计值为:
最后频域估计值经过 α - 1 阶的WFRFT得到分数域估计值。
3 优化信道加权补偿
前文已经分析了信道加权补偿的必要性,为了得到优化的信道加权补偿,本文采用最小均方误差原则( Minimum Mean Square Error,MMSE)[5]:
上述问题的优化解可以利用向量求导法则得到,具体的表达式如下:
可以看到优化信道补偿系数由互相关函数E( yksk*) 和自相关函数E( ykykH) 2 部分组成,为了得到2 个函数的具体表达式,首先将yk的表达式经过变形,变为如下的向量形式:
式中,。这样可以得到E( yksk*) 和E( ykykH) 的表达式:
4 数值仿真
为了验证本文提出的混合载波-部分FFT解调系统的性能,本节将利用数值仿真并对比传统的单载波和OFDM系统,在同样的信道均衡方式下的性能。
双选信道仿真条件: 每个数据帧长度N = 256的QPSK信号, 采样率54. 69 Hz,采样周期18. 28 ms,循环前缀2. 29 ms,归一化多普勒频率0. 274 2。采用10 个径的WSSUS模型[6],最大延迟扩展0.6 ms[7]。假设信道已经通过一定的信道估计获得[8]。
图2( a) 和( b) 分别是3 种通信系统利用部分FFT解调( Q = 8、32) 时的对比结果,其中,横坐标是信噪比( Signal-to-noise Ratio,SNR) ,单位是d B,纵坐标是误码率( BER) 。混合载波系统的调制阶数 α= 0.4。在这种条件下,无论分块数是多少,混合载波-部分FFT解调系统都要比OFDM系统有明显的优势,而当信噪比大于18 d B时,混合载波-部分FFT解调的性能也会由于单载波-部分FFT解调系统。这样的信道模型可以模拟实际的声纳、高铁以及数字视频广播等双选信道模型。
5 结束语
为了解决双选信道下的载波间干扰问题,本文提出一种基于混合载波-部分FFT解调系统的ICI抑制算法,并且设计了这种算法的实现结构,结合混合载波和PFFT解调的特性,推导出优化的信道补偿。数值仿真表明,在典型的双选信道下,混合载波-部分FFT解调系统性能明显优于传统的OFDM -部分FFT解调系统,并且在一定的信噪比下,混合载波-部FFT解调系统的性能也优于单载波-部分FFT解调系统的ICI抑制算法,同时也说明本文提出的ICI抑制算法在性能上的优势。
摘要：针对双选信道下信号传输受到严重的载波间干扰(Inter Carrier Interference,ICI)的问题,首先利用部分FFT解调技术对局部干扰进行了分析,进一步在基于加权分数傅里叶变换的混合载波系统的抗干扰理论的基础上,提出了基于混合载波-部分FFT解调的信道ICI抑制算法,设计了这种算法的实现结构,最终将这种新的算法应用到双选信道下。仿真表明,相比较于传统单载波和OFDM系统,该算法具有误码率性能上的明显优势。
关键词：双选信道,载波间干扰,混合载波,部分FFT解调
参考文献
[1]Yerramalli S,Stojanpvic M,Mitra u.Partial FFT Demodulation:a Dection Method for Highly Doppler Distorted OFDM Systems[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2012,60(11):5906-5918.
[2]Mei L,Sha X,Zhang N.The Approach to Carrier Scheme Convergence Based on 4-weighted Fractional Fourier Transform[J].IEEE Communications Letters,2010,14(6):503-505.
[3]史军,迟永刚,沙学军,等,加权分数傅里叶变换在采样重构中的应用[J].通信学报,2010,31(4):88-93.
[4]Li Y,Sha X,Wang K.Hybrid Carrier Communication with Partial FFT Demodulation over Underwater Acoustic Channels[J].IEEE Communications Letters,2013,17(12):2260-2263.
[5]Li Y,Sha X,Zheng F C,et al,Low Complexity Equalization of HCM Systems with DPFFT Demodulation over Doubly-Selective Channels[J].IEEE Signal Processing Letters,2014,21(7):862-865.
[6]Hwang S J,Schniter P.Efficient Multicarrire Communication for Highly Spread Underwater Acoustic Channels[J].IEEE J.Sel.Areas Commun,2008,26(9):1674-1683.
[7]Schniter P.Low-complexity Equalization of OFDM in Double Selective Channels[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2004,52(4):1002-1011.