基于低压电力线载波通信的智能电表终端设计

图3中芯片的引脚5,6是采样电流输入通道，引脚7,8是采样电压输入通道。这两个通道的信号输入均为模拟信号，该信号由16位二阶Σ-Δ型A/D转换器分别进行A/D转换成数字信号。电流通道的数字信号通过高通滤波器消除直流成分，再和转换后的电压通道的数字信号相乘，得到瞬时功率P（t）。P（t）经过一个低通滤波器最终获得有功功率P.P 经过数字频率转换器D/F转换后，由引脚22输出与有功功率成正比的频率信号。整个过程只有在A/D转换输入和基准电压输入是模拟信号外，其他信息处理均在数字领域完成使得测量具有很强的抗干扰能力。在恶劣环境下仍能实现高精度和长期稳定的电能测量。设获取的采样电压和电流信号是正弦信号，则瞬时电压和电流分别为v（t）=Vcos（ωt+θv），i（t）=Icos（ωt+θi），令θ=θv-θi,θ是电压和电流之间的相位差。由此可以得出瞬时功率P（t）和有功功率P。

式中：V 是电压峰值；I为电流峰值；T为电压、电流基波周期；n是基波周期数，有功功率等于瞬时功率在基波周期内的平均值。

图3 ADE7755内部测量原理

当获取的采样电压和电流是非正弦信号时，可用傅里叶变换将瞬时电压v（t）和瞬时电流i（t）分别表示为它们谐波成分之和：

式中：V0是电压平均值；I0是电流直流分量；Vh是h 次谐波电压的有效值；Ih是h 次谐波电流的有效值；αh是h 次谐波电压的相位角；βh是h 次谐波电流的有效值。

由式（3），式（4）算出基波有功功率P1和谐波的有功功率PH可表示为：

　　因此有功功率P 等于其基波有功功率和谐波有功功率之和，即：

2.3 电能计量测试结果及分析

本文所设计的智能电表经多功能电能测试仪检测，其测试的硬件连接如图4所示。

图4中多功能测试仪的零、火线分别接到智能电表的进线零、火线获取智能电表的输入电压，将钳形互感器夹到电表的出线上获取出线电流，从输出脉冲预留检测接口J6获取来自ADE7755电能计量模块输出的、与功率信息成正比的输出脉冲。设置合理的电表常数和校验圈数，即可检测并记录智能电表的电流、电压、用电量脉冲、有功功率、无功功率和功率因数。表1为测试结果。

图4 多功能电能测试

表1 智能电表电能测量测试结果

根据国家电网公司2009年发布的最新单相智能电能表技术规范要求Q/GDW364_2009中对单相智能电表的测量及监测要求测量误差不超过±1%.表1中对阻性负载、感性负载和容性负载的不同电流分别进行测试，由表1中可以看出智能电表的测量误差均符合要求。

2.4 智能电表的载波通信原理

图2中ADE7755的CF引脚输出的脉冲正比于即时功率，该脉冲通过高速光耦传到PL3201进行累加计算出电能计量信息。其中高速光耦对强、弱电都起到很好的隔离作用以避免强电的干扰而产生误差。PL3201内部集成了扩频载波调制解调电路，其载波发射专用引脚为P3.7脚，输出信号经RC串联电路耦合去除直流成分。Q2,Q3,Q4,Q5是一个互补对称的放大电路，主要对载波发送的信号进行功率放大。ZD1,ZD2对信号进行限幅以保护三极管，D7,D8起箝位作用，吸收来自电力线上的尖峰干扰。C73和L6组成一个LC滤波电路，滤除载波信号中所包含的谐波成分以免污染电网。

VHH为载波发射电压一般在12~15V 之间，其大小与载波发射功率有密切关系。在一定范围内提高VHH可以加大发射功率延长通信距离，本文设计VHH为15V。

接收载波信号由PL3201的SIGIN 输入，电路中PD10是一个瞬变二极管，能有效吸收来自电网的浪涌功率，起到保护整个电路的作用。C75,C76,C80和L5并联组成一个LC并联选频网络对信号具有选频作用。其频率计算公式为f=1/（2π √LC），当设计电感L=1mH,电容C=1.75nF时，由公式可知载波的中心频率f=120kHz,该信号被送入芯片与内部的600kHz本振信号进行混频，混频后信号频率为两者之差，即480kHz.

将此混频信号，输入陶瓷滤波器B2滤波，滤波后的信号是一个带通信号再经过限幅放大、硬件解扩，即可对有效数据进行还原。

3 智能电表的软件设计

智能终端的软件设计主要包括：电能计量、存储、载波发送接收及状态显示等。用户用电量经过计量芯片采样转换成有功脉冲，经过高速光耦传送给PL3201,PL3201收集来自计量模块的脉冲数换算成用户用电量并存储到存储模块，其电能计量软件流程图如图5所示。载波发送接收是由PL3201以中断方式实现，这样使得电能表能实时侦听公网电力线上的消息，真正达到随时在线的功能，其常态为载波接收状态。载波发送信号经过功率放大耦合到公网电力线上，通过载