《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PLC的TTU通信模塊的設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第5期
謝志遠(yuǎn), 馬 明
華北電力大學(xué) 電子與通信工程系,河北 保定 071003
摘要: 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于電力線載波通信技術(shù)(PLC)的配電變壓器監(jiān)測(cè)終端(TTU)通信模塊。模塊選用SGS-THOMSON公司的電力線載波芯片ST7538對(duì)電力線載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。通信模塊的主控制器采用高性能處理芯片ARM芯片做為核心單元,對(duì)ST7538進(jìn)行通信控制。此模塊的通信格式參照DNP3.0通信規(guī)約進(jìn)行設(shè)置,對(duì)其軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
中圖分類號(hào): TM764
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
Design of TTU communication module based on PLC
XIE Zhi Yuan, MA Ming
Department of Electronic and Communication Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China
Abstract: Design and implement a communication module of distribution transformer monitoring terminal unit (TTU) based on the power line carrier communication technology. Through the power line carrier chip analysis and comparison, choose the power line carrier chip ST7538 of SGS-THOMSON to modem power line carrier signals. The communication module use the high-performance processing chip-ARM chip as the main controller, to control the ST7538’s communication. The communication format of this module reference DNP3.0 communication protocol, and its software design is described in detail.
Key words : TTU communication module; power line carrier communication; ST7538; distribution transformer monitoring terminal unit

    在電力供配電系統(tǒng)中,配電變壓器監(jiān)測(cè)終端(TTU)用于對(duì)配電變壓器的信息采集和控制,它實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電變壓器的運(yùn)行工況,并能將采集的信息傳送到主站或其他的智能裝置,提供配電系統(tǒng)運(yùn)行控制及管理所需的數(shù)據(jù)。一般要求TTU能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路、柱上配電變或箱式變的運(yùn)行工況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理事故和緊急情況,并具有就地和遠(yuǎn)方無功補(bǔ)償和有載調(diào)壓的功能。由此可見,TTU除具有數(shù)據(jù)采集與控制功能外,另一個(gè)重要功能就是通信功能[1]。
  電力線載波通信技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代初期,它以電力線路為傳輸通道,具有可靠性高、投資少、見效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步等得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)。電力線載波又分為高壓電力線載波(電力線載波中通常指35 kV及以上電壓等級(jí))、中壓電力線載波(10 kV電壓等級(jí))和低壓電力線載波(380/220 V電壓等級(jí))[2]。
1 配變監(jiān)測(cè)終端通信模塊的硬件設(shè)計(jì)
1.1配電自動(dòng)化對(duì)TTU通信的要求[1]

  根據(jù)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的要求,配變監(jiān)測(cè)終端TTU對(duì)上應(yīng)能與配電子站或主站進(jìn)行通信,將終端采集的實(shí)時(shí)信息上報(bào),同時(shí)接收子站/主站下達(dá)的各種控制命令,對(duì)下要求可與附近的配變監(jiān)測(cè)終端(TTU)或其他智能設(shè)備進(jìn)行通信。因此,對(duì)配變監(jiān)測(cè)終端通信功能的要求比較嚴(yán)格,無論通信方式、通信協(xié)議、通信接口都要滿足配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的要求,主要包括:
    (1)通信的可靠性:配變監(jiān)測(cè)終端的通信應(yīng)能抵制惡劣的氣候條件,如雨、雪、冰雹和雷陣雨,還有長(zhǎng)期的紫外線照射、強(qiáng)電磁干擾等。
    (2)較高的性價(jià)比:考慮通信系統(tǒng)的費(fèi)用,選擇費(fèi)用和功能及技術(shù)先進(jìn)性的最佳組合,追求最佳性價(jià)比。
    (3)配電通信的實(shí)時(shí)性:電網(wǎng)故障時(shí)TTU快速及時(shí)地傳送大量故障數(shù)據(jù),配變監(jiān)測(cè)終端的通信系統(tǒng)必須具有雙向通信的能力,具有半雙工或全雙工的能力。
    (4)通信方式的標(biāo)準(zhǔn)化及通用性:配變監(jiān)測(cè)終端的通信系統(tǒng)包括發(fā)送器、接收器。使用中常常需要與其他配電設(shè)備進(jìn)行通信,因此應(yīng)盡量選擇具有通用性、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的通信方式及設(shè)備,便于使用和維護(hù)。
1.2 TTU通信模塊的構(gòu)成
1.2.1 通信模塊的整體框圖

  TTU的通信模塊整體框圖[3]如圖1所示。

    接口通過電力線接收來自主站的命令信息,經(jīng)過濾波放大后,命令經(jīng)過解調(diào)送到控制器,然后控制器通過串口將主站命令發(fā)送給數(shù)據(jù)采集與處理模塊。數(shù)據(jù)采集與處理模塊根據(jù)接收到的主站命令對(duì)配電變壓器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,經(jīng)過分析處理后,將數(shù)據(jù)信息通過串口發(fā)送給通信模塊的控制器,再經(jīng)過調(diào)制,最后經(jīng)由接口發(fā)送到電力線上,等待主站接收。
1.2.2 電力線載波芯片的選擇
  在電力線載波通信中,電力線載波芯片起著至關(guān)重要的作用,它直接影響到信息的準(zhǔn)確傳送,因此電力線載波芯片的選擇是十分重要的。
  XR2210/XR2206套片或LM1893是比較早的電力線載波芯片。XR2210/XR2206是一組FSK方式的調(diào)制解調(diào)芯片,并不是專門針對(duì)電力線載波通信設(shè)計(jì)的。LM1893是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的modem芯片,采用FSK調(diào)制解調(diào)方式,它只是對(duì)一般FSK調(diào)制解調(diào)芯片稍作改進(jìn),目前,這兩款modem芯片在國(guó)內(nèi)基本沒有采用。SSC P300是Intellon公司采用現(xiàn)代最新通信技術(shù)設(shè)計(jì)的電力線載波modem芯片。它采用了擴(kuò)頻(Chirp方式)調(diào)制解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)代DSP技術(shù)、CSMA技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的CEBus協(xié)議,可稱為智能modem芯片,體現(xiàn)了modem芯片的發(fā)展趨勢(shì)。但它是Intellon公司按北美地區(qū)頻率標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)特性,特別針對(duì)家庭自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的。頻率范圍100 kHz~400 kHz,電網(wǎng)電壓480 Y/277 Vac、208 Y/120 Vac、60 Hz,不適合我國(guó)50 Hz電網(wǎng)頻率。ST75xx芯片是SGS-THOMSON公司專為電力線載波通信而設(shè)計(jì)的modem芯片。由于它是專用modem芯片,所以除有一般modem芯片的信號(hào)調(diào)制解調(diào)功能外,還針對(duì)電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號(hào)處理手段,目前,在國(guó)內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
    本文選用SGS-THOMSON公司的電力線載波芯片ST7538,它是在 ST7536、ST7537基礎(chǔ)上推出的一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計(jì)的半雙工、同步/異步FSK調(diào)制解調(diào)器芯片。ST7538內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能[4],通過串行通信,可以方便地與微處理器相連接,內(nèi)部具有電壓自動(dòng)控制和電流自動(dòng)控制,只要通過耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網(wǎng)中,可以在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠通信。ST7538還提供了看門狗、過零檢測(cè)、運(yùn)算放大器、時(shí)鐘輸出、超時(shí)溢出輸出、+5 V電源和+5 V電源狀態(tài)輸出等,大大減少了ST7538應(yīng)用電路的外圍器件數(shù)量,是一款功能強(qiáng)大、集成度很高的電力載波芯片,為家庭和工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì),采取了多種抗干擾技術(shù)。
1.2.3  硬件電路的設(shè)計(jì)
  通信模塊包括微處理器部分、載波部分、信號(hào)濾波部分和電力線信號(hào)耦合保護(hù)部分。整個(gè)通信模塊各部分的連接如圖2所示。

    微處理器選擇ARM芯片,它與TTU的數(shù)據(jù)采集與處理模塊通過串口進(jìn)行通信,及時(shí)發(fā)送主站的命令以及傳送TTU采集到的配變數(shù)據(jù)。
  電力線載波芯片ST7538與微處理器之間通過SPI口進(jìn)行通信,通過微處理器與ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T可以實(shí)現(xiàn)微控制器與ST7538的數(shù)據(jù)交換。ST7538的工作模式由REG_DATA和RxTx的狀態(tài)決定。微處理器與ST7538之間的通信采用同步方式,CLR/T作為參考時(shí)鐘。ST7538處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí),RxTx為低,待發(fā)數(shù)據(jù)從TxD腳進(jìn)入ST7538,時(shí)鐘上升沿時(shí)被采樣,并送入FSK調(diào)制器調(diào)制,調(diào)制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、濾波和自動(dòng)電平控制電路(ALC),再通過差分放大器輸出到電力線。ST7538處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí),RxTx為高,信號(hào)由模擬輸入端RAI腳進(jìn)入ST7538,經(jīng)過一個(gè)帶寬±10 kHz的帶通濾波器,送入一個(gè)帶有自動(dòng)增益AGC的放大器。此信號(hào)再經(jīng)過解調(diào)、濾波和鎖相變成串行數(shù)字信號(hào),輸出給微處理器ARM。
  信號(hào)濾波部分包括輸入窄帶濾波器和輸出窄帶濾波器兩部分。輸入濾波電路采用并聯(lián)電流諧振電路,濾除指定頻率以外的無用信號(hào)和噪聲。輸出濾波電路采用串聯(lián)電壓諧振電路,避免無用信號(hào)耦合到電力線上。
  電力線信號(hào)耦合保護(hù)電路由功率放大器、輸出保護(hù)匹配電路和輸入增益平衡匹配電路3個(gè)基本部分組成,其耦合方式采用電容耦合。
2 配變監(jiān)測(cè)終端通信模塊的軟件設(shè)計(jì)
2.1通信協(xié)議的制定

    通信模塊的通信協(xié)議根據(jù)DNP3.0規(guī)約制定,數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)采用一種可變幀長(zhǎng)格式:FT3。一個(gè)FT3幀被定義為一個(gè)固定長(zhǎng)度的報(bào)頭,隨后是可以選用的數(shù)據(jù)塊,每個(gè)數(shù)據(jù)塊附有一個(gè)16 位的 CRC 校驗(yàn)碼。固定的報(bào)頭含有兩個(gè)字節(jié)的起始字,一個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度(LENGH),一個(gè)字節(jié)的鏈路層控制字 (CONTROL),一個(gè)16位的目的地址,一個(gè)16位的源地址和一個(gè)16位的CRC校驗(yàn)碼,其幀格式如表1所示。

    起始字:2字節(jié),0x0564。
    長(zhǎng)度:1字節(jié),是控制字、目的地址、源地址和用戶數(shù)據(jù)之和,255≥長(zhǎng)度≥5。
    目的地址:2個(gè)字節(jié),低字節(jié)在前。
    源地址:2個(gè)字節(jié),低字節(jié)在前。
    用戶數(shù)據(jù):跟在報(bào)頭之后的數(shù)據(jù)塊,每16個(gè)字節(jié)一塊,最后一個(gè)塊包含剩下的字節(jié),可以是1~16個(gè)字節(jié)。每個(gè)數(shù)據(jù)塊都有一個(gè)CRC循環(huán)冗余碼掛在后面。
    CRC循環(huán)冗余碼:2個(gè)字節(jié)。在一個(gè)幀內(nèi),掛在每個(gè)數(shù)據(jù)塊之后。
    控制字與功能碼:通信控制字包含有本幀的傳輸方向,幀的類型以及數(shù)據(jù)流的控制信息。功能碼的具體設(shè)定為:
    對(duì)于原發(fā)送方的幀:
    0:使遠(yuǎn)方鏈路復(fù)位
    1:使遠(yuǎn)方進(jìn)程復(fù)位
    3:發(fā)送用戶數(shù)據(jù),須對(duì)方確認(rèn)
    4:發(fā)送用戶數(shù)據(jù),不須對(duì)方確認(rèn)
    9:詢問鏈路狀態(tài)
      對(duì)于從方發(fā)送幀:
    0:肯定確認(rèn)
    1:否定確認(rèn)
    11:回答鏈路狀態(tài)
2.2 通信模塊的軟件設(shè)計(jì)方案
  通信模塊平時(shí)工作在載波接收狀態(tài)[5],接收到一幀數(shù)據(jù)后解調(diào)給TTU數(shù)據(jù)采集端,TTU采集端接收并返回?cái)?shù)據(jù),數(shù)據(jù)調(diào)制后經(jīng)電力線傳給主站經(jīng)解調(diào)后給采集終端。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)RS485接收到數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行載波發(fā)送,數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后返回接收狀態(tài)。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)RS485沒有接收到數(shù)據(jù)也自動(dòng)返回載波接收狀態(tài)。通信模塊的軟件流程如圖3所示。

    當(dāng)通信模塊判斷有幀命令接收時(shí),開始解調(diào),即載波接收,限定時(shí)間為5 s,在解調(diào)過程中同時(shí)判斷幀命令,有則重新連續(xù)解調(diào)。有幀命令接收時(shí)才允許串口接收,限定時(shí)間為1.5 s。接收幀命令開始解調(diào)后,即向串口發(fā)送命令,TTU數(shù)據(jù)采集端接收到命令后,根據(jù)命令的指示進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理,分析數(shù)據(jù)狀態(tài),并把采集與分析結(jié)果發(fā)送到串口。當(dāng)通信模塊接收幀頭找到后1.5 s內(nèi)收到采集端的返回?cái)?shù)據(jù),則將數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制,向電力線發(fā)送,即載波發(fā)送,限時(shí)5 s,若幀頭找到后1.5 s內(nèi)沒有收到采集端的返回?cái)?shù)據(jù),則禁止接收TTU采集端的數(shù)據(jù)。載波發(fā)送完畢,通信模塊再次回到接收狀態(tài),等待主站的下一次命令。
    本文實(shí)現(xiàn)了配電變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信模塊的設(shè)計(jì),該模塊基于電力線載波通信技術(shù),通過電力線與配電主站進(jìn)行通信,無需另架線路,具有性價(jià)比好,集成度高,工作可靠的優(yōu)點(diǎn)。通信模塊與配電變壓器的數(shù)據(jù)采集與分析處理模塊結(jié)合在一起,構(gòu)成配電變壓器的監(jiān)測(cè)終端,使配電變壓器監(jiān)測(cè)終端集采集、處理、通信于一體,改善了配電變壓器監(jiān)測(cè)終端的功能,優(yōu)化了其設(shè)計(jì),提高了整個(gè)監(jiān)測(cè)終端的性能,具有很好的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)
[1]    曹建平,戴娟,倪瑛.配電變壓器監(jiān)測(cè)終端的通信技術(shù)[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2005,5(2):62-65.
[2]    賀良華,榮佳.基于低壓電力線載波通信的用電量智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2009,28(2):35-38.
[3]    梁峰.電力線載波通信模塊硬件設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2006.
[4]    趙峰,黃建國(guó).一種基于ARM7與ST7538的電力線載波通信模塊的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與通信技術(shù),2006,15(2):35-40.
[5]    肖輝.中壓配電載波通信技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2002.

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