專(zhuān)利名稱(chēng)：遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表裝置，特別適用高壓線(xiàn)無(wú)人值守遙控遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)，屬通信網(wǎng)絡(luò)類(lèi)。
電能是使用最為廣泛的主要能源，涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)所有領(lǐng)域和社會(huì)生活的各個(gè)方面。電能的顯著特征是不能大量?jī)?chǔ)存，其生產(chǎn)、傳輸和使用都在同一時(shí)間進(jìn)行。因此需要有效管理，但目前這種供、用電管理同題日益突出。
造成目前這種狀況的主要原因之一是現(xiàn)行輸電線(xiàn)路在線(xiàn)計(jì)量、遙測(cè)、調(diào)度及保護(hù)功能采用傳統(tǒng)的FSK(移頻鍵控)制式電力線(xiàn)載波通信方式。傳統(tǒng)通信方式受到系統(tǒng)有效靈敏度的限制，抗干擾、誤碼率性能均不理想，導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸速率低，一路最大傳輸速率600bps。傳輸速低就無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，只能采集一定時(shí)間間隔內(nèi)的電荷變化量(積分量)而不是實(shí)時(shí)在線(xiàn)的絕對(duì)電荷量、所造成的后果是1．無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)“關(guān)口”實(shí)時(shí)計(jì)量、遙測(cè)、調(diào)試功能。
電力網(wǎng)調(diào)度一般分國(guó)調(diào)、網(wǎng)調(diào)、地調(diào)三級(jí)(關(guān)口指高壓電網(wǎng)入口和出口的總稱(chēng))。調(diào)度過(guò)程是根據(jù)用戶(hù)用電量的需求，在三級(jí)電網(wǎng)之間進(jìn)行頻繁的在線(xiàn)調(diào)度，三級(jí)電網(wǎng)之間的調(diào)度命令是通過(guò)電力線(xiàn)載波電話(huà)或微波通信、光纖通信進(jìn)行。其中唯有發(fā)電廠(chǎng)的發(fā)電量有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可查，而各關(guān)口處的電荷量由于傳輸速率低為600bps，卻無(wú)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)可依、造成供方有據(jù)、需方無(wú)數(shù)，界面不清的混亂狀態(tài)，給其中的竊電戶(hù)提供可乘之機(jī)。
2．缺乏偵破竊電戶(hù)每年給國(guó)家造成大于40億經(jīng)濟(jì)損失的有力手段。
占全國(guó)用電量82％的工業(yè)(含農(nóng)業(yè))用戶(hù)，特別是各地區(qū)的高壓大用戶(hù)，要將潛伏其中的竊電戶(hù)曝光，就需要建立一套能對(duì)高壓大用戶(hù)實(shí)施在線(xiàn)實(shí)時(shí)電荷監(jiān)測(cè)的自動(dòng)管理體系。目前也由于系統(tǒng)傳輸速率低而無(wú)法實(shí)施。
3．高海撥地區(qū)的高壓電網(wǎng)不能安全可靠地執(zhí)行在線(xiàn)繼電保護(hù)功能。
高海撥地區(qū)空氣稀薄造成電網(wǎng)沿線(xiàn)電暈現(xiàn)象嚴(yán)重，使目前FSK制電力線(xiàn)載波通信不能安全可靠工作。盡管企圖加大載波發(fā)射功率如增至100W，但收效甚微。因此高壓電網(wǎng)潛伏一旦短路無(wú)法切電保護(hù)的危機(jī)。
4．現(xiàn)行FSK制電力載波通信設(shè)備費(fèi)用昂貴目前采用80年水平的各類(lèi)FSK制電力線(xiàn)載波通信設(shè)備。國(guó)產(chǎn)(734廠(chǎng))一對(duì)“一路數(shù)傳600bps、一路活恪、發(fā)射功率10～20W、接收靈敏度一38dB”的設(shè)備30萬(wàn)。
這里要特別指出的是，雖然現(xiàn)在電網(wǎng)調(diào)度也采用微波或光纖網(wǎng)通信，但它們只能作為二線(xiàn)通信設(shè)備使用，因?yàn)槿?jí)電網(wǎng)調(diào)度要依據(jù)在線(xiàn)的一線(xiàn)電力線(xiàn)載波通信設(shè)備所采集到的電荷數(shù)據(jù)進(jìn)行，而二級(jí)通信設(shè)備是不能直接在線(xiàn)采集電荷數(shù)據(jù)，所以只起到輔助通信的目的。這就是為什么FSK制電力載波通信設(shè)備盡管昂貴也只得采用的原因。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種由節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)及中央計(jì)算機(jī)組成的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表裝置。裝置采用LONWORKS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和擴(kuò)頻通信技術(shù)，以克服現(xiàn)有電力線(xiàn)載波數(shù)據(jù)通信中傳統(tǒng)使用的FSK(移頻鍵控)制式存在的抗干能力低、誤碼率高、傳輸速率低(600bps)、實(shí)時(shí)采集能力差、電路集成度低、發(fā)射功率大、成本高等缺點(diǎn)。
本實(shí)用新型的具體內(nèi)容由如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)該遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表裝置包括節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、結(jié)合濾波器及中央計(jì)算機(jī)。節(jié)點(diǎn)由神經(jīng)元芯片、RS-232接口分組驅(qū)動(dòng)器，擴(kuò)頻通信收發(fā)器及寬頻功率放大器組成，神經(jīng)元芯片通過(guò)RS-232接口分組驅(qū)動(dòng)器將電度值處理后保存在芯片的內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)，處理后的電度值可通過(guò)擴(kuò)頻通信收發(fā)器產(chǎn)生的直擴(kuò)信號(hào)碼變換成曼徹斯特碼最后形成傳輸信號(hào)，再通過(guò)寬頻功率放大器和結(jié)合濾波器加載到高壓供電網(wǎng)上，神經(jīng)元芯片的外部存儲(chǔ)器中存有通信協(xié)議固件，可實(shí)現(xiàn)通信和所有的任務(wù)調(diào)度；路由器節(jié)點(diǎn)由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)中繼的信息交換；中央計(jì)算機(jī)由PC計(jì)算機(jī)、適配器和結(jié)合濾波器組成，高壓電力線(xiàn)上的擴(kuò)頻通信信號(hào)與PC機(jī)的信息交換是通過(guò)結(jié)合濾波器由適配器完成，中央計(jì)算機(jī)完成各節(jié)點(diǎn)內(nèi)存儲(chǔ)電度表信息的收集、監(jiān)測(cè)、抄表。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是采用LONWORKS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、有效地把擴(kuò)頻通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)處理、通信結(jié)合起來(lái)；系統(tǒng)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠；發(fā)射功率小，抗干擾能力強(qiáng)；具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。
本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)由

圖1～11給出。
圖1遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表裝置總體方框圖圖2節(jié)點(diǎn)方框圖；圖3神經(jīng)元芯片示意圖；圖4路由器節(jié)點(diǎn)方框圖；圖5中央計(jì)算機(jī)組成方框圖；圖6節(jié)點(diǎn)線(xiàn)路圖；圖7路由器節(jié)點(diǎn)(發(fā)送)線(xiàn)路圖；圖8路由器節(jié)點(diǎn)(接收)線(xiàn)路圖；圖9中央計(jì)算機(jī)線(xiàn)路圖；圖10寬帶功率放大器線(xiàn)路圖；圖11節(jié)點(diǎn)供電電源線(xiàn)路圖。
圖中主要結(jié)構(gòu)為節(jié)點(diǎn)1．路由器節(jié)點(diǎn)2．結(jié)合濾波器3．適配器4．神經(jīng)元芯片5．RS-232接口分組驅(qū)動(dòng)器6．?dāng)U頻通信收發(fā)器7．寬頻功率放大器8．節(jié)點(diǎn)供電電源9．電表10．PC計(jì)算機(jī)11、外部存儲(chǔ)器12。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型加以詳細(xì)說(shuō)明。
以神經(jīng)元芯片(Neuron)為核心所組成的節(jié)點(diǎn)1是根據(jù)LONWORKS網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)自行設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由六部分組成，這六部分是神經(jīng)元芯片5、可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器12、RS-232接口分組驅(qū)動(dòng)器6、擴(kuò)頻通信收發(fā)器7、寬頻功率放大器8、節(jié)點(diǎn)供電電源9。神經(jīng)元芯片(見(jiàn)示意圖3)，既能管理通信，又有輸入輸出和控制等功能。另外附有固件，該固件固化在外部存儲(chǔ)器ROM中，可執(zhí)行LONTALK通信協(xié)議和所有的任務(wù)調(diào)度。神經(jīng)元芯片有3個(gè)8位的CPU。第1個(gè)CPU為媒體訪(fǎng)問(wèn)控制處理器，處理Lontalk協(xié)議的第1和第2層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。功能包括媒體訪(fǎng)問(wèn)，數(shù)據(jù)包，驅(qū)動(dòng)通信子系統(tǒng)硬件和執(zhí)行沖突避免算法。第2個(gè)CPU為網(wǎng)絡(luò)處理器，處理LonTalk協(xié)議的第3層到第6層，即網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、會(huì)話(huà)層、表達(dá)層。它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量的處理，尋址，事務(wù)處理，證實(shí)，背景診斷，軟件計(jì)時(shí)器，網(wǎng)絡(luò)管理和函數(shù)路徑選擇等。它們控制網(wǎng)絡(luò)通信口并發(fā)送、接收數(shù)據(jù)包。第3個(gè)CPU為應(yīng)用處理器，處理LONTALK協(xié)議的第七層即應(yīng)用層。它執(zhí)行由編寫(xiě)的代碼及用戶(hù)的代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。所以前兩個(gè)處理管理通信，后一個(gè)處理器留給用戶(hù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。三個(gè)CPU處理器之間的通信方式是處理器1與處理器2使用位于共享存貯區(qū)的網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)進(jìn)行通信，正確地對(duì)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膱?bào)文進(jìn)行編碼和解碼；處理器2使用應(yīng)用緩沖區(qū)與處理器3通信。
工作過(guò)程為節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)分別采集三臺(tái)電度表10的峰、平、谷電度值，通過(guò)RS-232接口輸入經(jīng)神經(jīng)元芯片處理后保存在芯片內(nèi)的512字節(jié)的EEP-ROM中。當(dāng)遠(yuǎn)程系統(tǒng)中央計(jì)算機(jī)需要這些數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)神經(jīng)元芯片所支持的網(wǎng)絡(luò)變量用擴(kuò)頻通信方式加載到高壓供電網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，即完成一次讀表操作。其中擴(kuò)頻通信方式是通過(guò)擴(kuò)頻通信收發(fā)器完成的。工作過(guò)程是擴(kuò)頻通信收發(fā)器內(nèi)采用偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)碼速率為基帶信號(hào)速率(即上述待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或報(bào)文、操作指令等的速率)31倍的偽隨機(jī)序列碼，又將此直擴(kuò)信號(hào)碼變換成曼徹斯特碼后形成傳輸信號(hào)，并通過(guò)神經(jīng)元芯片固件中的LONIALK通信協(xié)議將待傳信號(hào)進(jìn)行編碼、打包處理后由擴(kuò)頻通信收發(fā)器中的發(fā)射器通過(guò)寬頻功率放大器和結(jié)合濾波器加載到高壓供電網(wǎng)上；接收時(shí)、擴(kuò)頻通信收發(fā)器使用與發(fā)射器同步的偽隨機(jī)序列碼，與接收到的擴(kuò)頻信號(hào)再進(jìn)行異或處理，即解擴(kuò)處理，從而解調(diào)出原始基帶信號(hào)。利用這一通信方式完成遠(yuǎn)程抄表功能。由于擴(kuò)頻通信收發(fā)器(大規(guī)模集成器件)的功率較弱，50Ω負(fù)載只能給出5.5Vp-p，相當(dāng)有效輸出功率75.6mW，為了擴(kuò)大有效通信距離和多節(jié)點(diǎn)的加載能力，增設(shè)一個(gè)寬頻功率放大器，在8Ω負(fù)載下能給出18Vp-p，相當(dāng)有效輸出功率5W。
由兩片神經(jīng)元芯片為核心組成的路由器節(jié)點(diǎn)是根據(jù)兩片神經(jīng)元芯片之間具有進(jìn)行并行數(shù)據(jù)交換的特點(diǎn)。分別管理不同高壓等級(jí)電力網(wǎng)的兩個(gè)神經(jīng)元芯片之間利用并行數(shù)據(jù)交換完成跨網(wǎng)通信功能或在相同高壓等級(jí)電力網(wǎng)上不同相的兩個(gè)神經(jīng)元芯片之間完成跨相通信功能。也就是說(shuō)在遠(yuǎn)程抄表通信過(guò)程中有時(shí)需要跨躍電網(wǎng)變壓器或變壓器跨相的電網(wǎng)環(huán)境下工作。這就是必須使用路由器節(jié)點(diǎn)的原因。
路由器節(jié)點(diǎn)2是由神經(jīng)元芯片、擴(kuò)頻收發(fā)器和寬頻功放所組成的兩個(gè)完全相同的節(jié)點(diǎn)組成。(見(jiàn)圖4、圖7、圖8)圖中省略了RS-232接口、可擴(kuò)展外存、供電電源部分。節(jié)點(diǎn)供電電源由+9V、+12V和±15V四組組成，+9V、+12V供給裝置中的節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和適配器，±15V專(zhuān)供節(jié)點(diǎn)、路由器和適配器中的寬頻功率放大器。
PC計(jì)算機(jī)11、適配器4和結(jié)合濾波器3共同組成中央計(jì)算機(jī)。(見(jiàn)圖5、圖9)其中適配器是以神經(jīng)元芯片為核心組成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它與PC機(jī)通信信號(hào)起到適配作用。即經(jīng)結(jié)合濾波器傳入的高壓供電網(wǎng)上的擴(kuò)頻通信信號(hào)通過(guò)適配器完成與PC機(jī)的信息交換。
工作過(guò)程為中央計(jì)算機(jī)經(jīng)適配器、結(jié)合濾波器連在1組高壓電力網(wǎng)上。將不同1組高壓等級(jí)的2組高壓電力網(wǎng)上的用戶(hù)電度表數(shù)據(jù)也傳送到中央計(jì)算機(jī)去，傳送的方法就是通過(guò)節(jié)點(diǎn)一、節(jié)點(diǎn)二中的神經(jīng)元芯片(一)、(二)之間的簡(jiǎn)單并行連接來(lái)實(shí)現(xiàn)信息交換。從而構(gòu)成跨網(wǎng)中繼。結(jié)合濾波器是個(gè)必備的器件。由它完成三個(gè)功能，第一實(shí)現(xiàn)低壓待傳擴(kuò)頻信號(hào)與高壓供電網(wǎng)之間的結(jié)合；第二實(shí)現(xiàn)寬頻功率放大器輸出阻抗與高壓供電網(wǎng)阻抗之間的匹配；第三濾除有用擴(kuò)頻頻帶(100～450KHz)以外的干擾信號(hào)。
適配器與PC機(jī)所組成的中央計(jì)算機(jī)管轄所有的節(jié)點(diǎn)，并可實(shí)時(shí)，分時(shí)，定時(shí)與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。完成各節(jié)點(diǎn)所連接電度表的信息收集，監(jiān)測(cè)、抄表、統(tǒng)計(jì)等操作。并使調(diào)度及管理人員根據(jù)中央計(jì)算機(jī)所得到的電網(wǎng)信息及用電狀態(tài)實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度，管理等作業(yè)。
采用LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成電力網(wǎng)三級(jí)調(diào)度等級(jí)(國(guó)調(diào)、網(wǎng)調(diào)、地調(diào))之間或它們與35KV、10KV高壓用戶(hù)之間的在線(xiàn)調(diào)度管理和抄表運(yùn)行過(guò)程，可用總系統(tǒng)部分組成圖1表示。
本實(shí)用新型擴(kuò)頻通信收發(fā)器的基帶信號(hào)傳輸速率為10Kbps。
擴(kuò)頻增益公式G=W2/W1(1)式中W2擴(kuò)展頻譜后的信號(hào)帶寬W2=450-100=350KHzW1基帶信號(hào)帶寬W1=2×基帶信號(hào)傳輸速率=20KHz所以G=24.86dB≈25dB干擾容量MJ是表征擴(kuò)頻系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境中正常工作的能力。
干擾容量公式MJ=G〔(S/N)out+Ls〕 (2)式中(S/N)out信號(hào)數(shù)據(jù)正確解調(diào)的輸出信噪比。
Ls接收系統(tǒng)的工作損耗2dB。
一般要求誤碼率＜10-5的解擴(kuò)處理最小輸出信噪比(S/N)out≤10dB所以MJ=25-〔10+2〕=13dB說(shuō)明系統(tǒng)能在干擾輸入功率電平比擴(kuò)頻信號(hào)功率高13dB的條件下也能正常工作，換句話(huà)說(shuō)，系統(tǒng)在接收輸入信噪比≥-13dB環(huán)境中仍能正常工作，也是唯一能工作于負(fù)信噪比(-S/N)環(huán)境的通信制式。
從擴(kuò)頻通信與FSK通信制式各項(xiàng)性能的對(duì)比，可以充分說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)優(yōu)越性。
制式 速率 誤碼率 擴(kuò)頻增益 干擾容量 發(fā)射功率等級(jí) 價(jià)格(一對(duì))直擴(kuò) 600bps 10-6～10-1025dB 13dB mW 2萬(wàn)FSK 10kbps 10-50-12dB W 30萬(wàn)(無(wú)話(huà)路)系統(tǒng)的收發(fā)單元采用直接序列擴(kuò)頻方式簡(jiǎn)稱(chēng)直擴(kuò)(DS)方式，擴(kuò)展的工作頻帶為100KHz～450KHz，擴(kuò)頻增益25dB，信息數(shù)據(jù)傳輸速率10Kbps，誤碼率10-6～10-10，干擾容限13dB，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集電量變化，特別適用于高壓電力線(xiàn)無(wú)人值守功能，能完成在線(xiàn)計(jì)量、遙控遙測(cè)、調(diào)度以及防竊電等遠(yuǎn)動(dòng)功能。也適用于居民小區(qū)保安控制，三表(電、氣、水)自動(dòng)抄送，智能大樓，防盜報(bào)警，汽車(chē)自動(dòng)控制，汽車(chē)安全和性能檢測(cè)線(xiàn)，石化，醫(yī)藥，工業(yè)生產(chǎn)方面。
權(quán)利要求1．一種遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表裝置，其特征在于包括節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、結(jié)合濾波器及中央計(jì)算機(jī)，節(jié)點(diǎn)由神經(jīng)元芯片、RS-232接口分組驅(qū)動(dòng)器、擴(kuò)頻通信收發(fā)器及寬頻功率放大器組成，神經(jīng)元芯片通過(guò)RS-232接口分組驅(qū)動(dòng)器將電度值處理后保存在芯片的內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)，處理后的電度值通過(guò)擴(kuò)頻通信收發(fā)器產(chǎn)生的直擴(kuò)信號(hào)碼變換成曼徹斯特碼最后形成傳輸信號(hào)，再通過(guò)寬頻功率放大器和結(jié)合濾波器加載到高壓供電網(wǎng)上，神經(jīng)元芯片的外部存儲(chǔ)器中存有通信協(xié)議固件，可實(shí)現(xiàn)通信和所有的任務(wù)調(diào)度；路由器節(jié)點(diǎn)由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)中繼的信息交換；中央計(jì)算機(jī)由PC計(jì)算機(jī)、適配器和結(jié)合濾波器組成，高壓電力線(xiàn)上的擴(kuò)頻通信信號(hào)與PC機(jī)的信息交換是通過(guò)結(jié)合濾波器由適配器完成，中央計(jì)算機(jī)完成各節(jié)點(diǎn)內(nèi)存儲(chǔ)電度表信息的收集、監(jiān)測(cè)、抄表、統(tǒng)計(jì)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及電力有效管理的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表裝置。采用擴(kuò)頻通信技術(shù),克服現(xiàn)有電力線(xiàn)載波數(shù)據(jù)通信使用的FSK制式存在誤碼率高、傳輸速率低、實(shí)時(shí)采集能力差、電路集成度低、發(fā)射功率大、成本高等缺點(diǎn)。本實(shí)用新型采用LON網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng),主要由神經(jīng)元芯片、擴(kuò)頻通信收發(fā)器、RS－232接口分組驅(qū)動(dòng)器、路由器節(jié)點(diǎn)、中央計(jì)算機(jī)、結(jié)合濾波器,電度表及相應(yīng)的系統(tǒng)和單元通信軟件組成。特別適用于電力、石化、汽車(chē)檢測(cè)線(xiàn)、樓寓、醫(yī)藥、安保等工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化行業(yè)。
文檔編號(hào)H04Q9/00GK2323496SQ98202278
公開(kāi)日1999年6月9日 申請(qǐng)日期1998年3月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月25日
發(fā)明者區(qū)健昌, 牛小波, 黃昊靖 申請(qǐng)人:區(qū)健昌