專利名稱：遠程自動抄表裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種遠程自動抄表裝置，特別適用高壓線無人值守遙控遙測網絡，屬通信網絡類。
電能是使用最為廣泛的主要能源，涉及國民經濟所有領域和社會生活的各個方面。電能的顯著特征是不能大量儲存，其生產、傳輸和使用都在同一時間進行。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行輸電線路在線計量、遙測、調度及保護功能采用傳統的FSK(移頻鍵控)制式電力線載波通信方式。傳統通信方式受到系統有效靈敏度的限制，抗干擾、誤碼率性能均不理想，導致系統傳輸速率低，一路最大傳輸速率600bps。傳輸速低就無法實現在線數據的實時采集，只能采集一定時間間隔內的電荷變化量(積分量)而不是實時在線的絕對電荷量、所造成的后果是1．無法實現在線“關口”實時計量、遙測、調試功能。
電力網調度一般分國調、網調、地調三級(關口指高壓電網入口和出口的總稱)。調度過程是根據用戶用電量的需求，在三級電網之間進行頻繁的在線調度，三級電網之間的調度命令是通過電力線載波電話或微波通信、光纖通信進行。其中唯有發電廠的發電量有實時數據可查，而各關口處的電荷量由于傳輸速率低為600bps，卻無實時的數據可依、造成供方有據、需方無數，界面不清的混亂狀態，給其中的竊電戶提供可乘之機。
2．缺乏偵破竊電戶每年給國家造成大于40億經濟損失的有力手段。
占全國用電量82％的工業(含農業)用戶，特別是各地區的高壓大用戶，要將潛伏其中的竊電戶曝光，就需要建立一套能對高壓大用戶實施在線實時電荷監測的自動管理體系。目前也由于系統傳輸速率低而無法實施。
3．高海撥地區的高壓電網不能安全可靠地執行在線繼電保護功能。
高海撥地區空氣稀薄造成電網沿線電暈現象嚴重，使目前FSK制電力線載波通信不能安全可靠工作。盡管企圖加大載波發射功率如增至100W，但收效甚微。因此高壓電網潛伏一旦短路無法切電保護的危機。
4．現行FSK制電力載波通信設備費用昂貴目前采用80年水平的各類FSK制電力線載波通信設備。國產(734廠)一對“一路數傳600bps、一路活恪、發射功率10～20W、接收靈敏度一38dB”的設備30萬。
這里要特別指出的是，雖然現在電網調度也采用微波或光纖網通信，但它們只能作為二線通信設備使用，因為三級電網調度要依據在線的一線電力線載波通信設備所采集到的電荷數據進行，而二級通信設備是不能直接在線采集電荷數據，所以只起到輔助通信的目的。這就是為什么FSK制電力載波通信設備盡管昂貴也只得采用的原因。
本實用新型的目的在于提供一種由節點、路由器節點及中央計算機組成的遠程自動抄表裝置。裝置采用LONWORKS網絡技術和擴頻通信技術，以克服現有電力線載波數據通信中傳統使用的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)、實時采集能力差、電路集成度低、發射功率大、成本高等缺點。
本實用新型的具體內容由如下技術方案實現該遠程自動抄表裝置包括節點、路由器節點、結合濾波器及中央計算機。節點由神經元芯片、RS-232接口分組驅動器，擴頻通信收發器及寬頻功率放大器組成，神經元芯片通過RS-232接口分組驅動器將電度值處理后保存在芯片的內部存儲器內，處理后的電度值可通過擴頻通信收發器產生的直擴信號碼變換成曼徹斯特碼最后形成傳輸信號，再通過寬頻功率放大器和結合濾波器加載到高壓供電網上，神經元芯片的外部存儲器中存有通信協議固件，可實現通信和所有的任務調度；路由器節點由兩個節點組成，實現跨網中繼的信息交換；中央計算機由PC計算機、適配器和結合濾波器組成，高壓電力線上的擴頻通信信號與PC機的信息交換是通過結合濾波器由適配器完成，中央計算機完成各節點內存儲電度表信息的收集、監測、抄表。
本實用新型的優點是采用LONWORKS網絡技術、有效地把擴頻通信技術與計算機處理、通信結合起來；系統簡單、工作穩定可靠；發射功率小，抗干擾能力強；具有很強的可擴展性。
本實用新型的具體結構由
圖1～11給出。
圖1遠程自動抄表裝置總體方框圖圖2節點方框圖；圖3神經元芯片示意圖；圖4路由器節點方框圖；圖5中央計算機組成方框圖；圖6節點線路圖；圖7路由器節點(發送)線路圖；圖8路由器節點(接收)線路圖；圖9中央計算機線路圖；圖10寬帶功率放大器線路圖；圖11節點供電電源線路圖。
圖中主要結構為節點1．路由器節點2．結合濾波器3．適配器4．神經元芯片5．RS-232接口分組驅動器6．擴頻通信收發器7．寬頻功率放大器8．節點供電電源9．電表10．PC計算機11、外部存儲器12。
以下結合附圖對本實用新型加以詳細說明。
以神經元芯片(Neuron)為核心所組成的節點1是根據LONWORKS網絡特點自行設計的網絡節點，一個典型的網絡節點由六部分組成，這六部分是神經元芯片5、可擴展的外部存儲器12、RS-232接口分組驅動器6、擴頻通信收發器7、寬頻功率放大器8、節點供電電源9。神經元芯片(見示意圖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器ROM中，可執行LONTALK通信協議和所有的任務調度。神經元芯片有3個8位的CPU。第1個CPU為媒體訪問控制處理器，處理Lontalk協議的第1和第2層，即物理層和數據鏈路層。功能包括媒體訪問，數據包，驅動通信子系統硬件和執行沖突避免算法。第2個CPU為網絡處理器，處理LonTalk協議的第3層到第6層，即網絡層、傳送層、會話層、表達層。它進行網絡變量的處理，尋址，事務處理，證實，背景診斷，軟件計時器，網絡管理和函數路徑選擇等。它們控制網絡通信口并發送、接收數據包。第3個CPU為應用處理器，處理LONTALK協議的第七層即應用層。它執行由編寫的代碼及用戶的代碼所調用的操作系統服務。所以前兩個處理管理通信，后一個處理器留給用戶開發應用程序。三個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的網絡緩沖區進行通信，正確地對在網絡上傳輸的報文進行編碼和解碼；處理器2使用應用緩沖區與處理器3通信。
工作過程為節點實時分別采集三臺電度表10的峰、平、谷電度值，通過RS-232接口輸入經神經元芯片處理后保存在芯片內的512字節的EEP-ROM中。當遠程系統中央計算機需要這些數據時，可通過神經元芯片所支持的網絡變量用擴頻通信方式加載到高壓供電網上，實現遠程數據通信，即完成一次讀表操作。其中擴頻通信方式是通過擴頻通信收發器完成的。工作過程是擴頻通信收發器內采用偽隨機序列發生器產生一個碼速率為基帶信號速率(即上述待傳輸的數據或報文、操作指令等的速率)31倍的偽隨機序列碼，又將此直擴信號碼變換成曼徹斯特碼后形成傳輸信號，并通過神經元芯片固件中的LONIALK通信協議將待傳信號進行編碼、打包處理后由擴頻通信收發器中的發射器通過寬頻功率放大器和結合濾波器加載到高壓供電網上；接收時、擴頻通信收發器使用與發射器同步的偽隨機序列碼，與接收到的擴頻信號再進行異或處理，即解擴處理，從而解調出原始基帶信號。利用這一通信方式完成遠程抄表功能。由于擴頻通信收發器(大規模集成器件)的功率較弱，50Ω負載只能給出5.5Vp-p，相當有效輸出功率75.6mW，為了擴大有效通信距離和多節點的加載能力，增設一個寬頻功率放大器，在8Ω負載下能給出18Vp-p，相當有效輸出功率5W。
由兩片神經元芯片為核心組成的路由器節點是根據兩片神經元芯片之間具有進行并行數據交換的特點。分別管理不同高壓等級電力網的兩個神經元芯片之間利用并行數據交換完成跨網通信功能或在相同高壓等級電力網上不同相的兩個神經元芯片之間完成跨相通信功能。也就是說在遠程抄表通信過程中有時需要跨躍電網變壓器或變壓器跨相的電網環境下工作。這就是必須使用路由器節點的原因。
路由器節點2是由神經元芯片、擴頻收發器和寬頻功放所組成的兩個完全相同的節點組成。(見圖4、圖7、圖8)圖中省略了RS-232接口、可擴展外存、供電電源部分。節點供電電源由+9V、+12V和±15V四組組成，+9V、+12V供給裝置中的節點、路由器節點和適配器，±15V專供節點、路由器和適配器中的寬頻功率放大器。
PC計算機11、適配器4和結合濾波器3共同組成中央計算機。(見圖5、圖9)其中適配器是以神經元芯片為核心組成的網絡節點。它與PC機通信信號起到適配作用。即經結合濾波器傳入的高壓供電網上的擴頻通信信號通過適配器完成與PC機的信息交換。
工作過程為中央計算機經適配器、結合濾波器連在1組高壓電力網上。將不同1組高壓等級的2組高壓電力網上的用戶電度表數據也傳送到中央計算機去，傳送的方法就是通過節點一、節點二中的神經元芯片(一)、(二)之間的簡單并行連接來實現信息交換。從而構成跨網中繼。結合濾波器是個必備的器件。由它完成三個功能，第一實現低壓待傳擴頻信號與高壓供電網之間的結合；第二實現寬頻功率放大器輸出阻抗與高壓供電網阻抗之間的匹配；第三濾除有用擴頻頻帶(100～450KHz)以外的干擾信號。
適配器與PC機所組成的中央計算機管轄所有的節點，并可實時，分時，定時與各節點進行通信。完成各節點所連接電度表的信息收集，監測、抄表、統計等操作。并使調度及管理人員根據中央計算機所得到的電網信息及用電狀態實現電力調度，管理等作業。
采用LONWORKS現場總線網絡技術完成電力網三級調度等級(國調、網調、地調)之間或它們與35KV、10KV高壓用戶之間的在線調度管理和抄表運行過程，可用總系統部分組成圖1表示。
本實用新型擴頻通信收發器的基帶信號傳輸速率為10Kbps。
擴頻增益公式G=W2/W1(1)式中W2擴展頻譜后的信號帶寬W2=450-100=350KHzW1基帶信號帶寬W1=2×基帶信號傳輸速率=20KHz所以G=24.86dB≈25dB干擾容量MJ是表征擴頻系統能在多大干擾環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信號數據正確解調的輸出信噪比。
Ls接收系統的工作損耗2dB。
一般要求誤碼率＜10-5的解擴處理最小輸出信噪比(S/N)out≤10dB所以MJ=25-〔10+2〕=13dB說明系統能在干擾輸入功率電平比擴頻信號功率高13dB的條件下也能正常工作，換句話說，系統在接收輸入信噪比≥-13dB環境中仍能正常工作，也是唯一能工作于負信噪比(-S/N)環境的通信制式。
從擴頻通信與FSK通信制式各項性能的對比，可以充分說明本實用新型的技術優越性。
制式 速率 誤碼率 擴頻增益 干擾容量 發射功率等級 價格(一對)直擴 600bps 10-6～10-1025dB 13dB mW 2萬FSK 10kbps 10-50-12dB W 30萬(無話路)系統的收發單元采用直接序列擴頻方式簡稱直擴(DS)方式，擴展的工作頻帶為100KHz～450KHz，擴頻增益25dB，信息數據傳輸速率10Kbps，誤碼率10-6～10-10，干擾容限13dB，可實時準確采集電量變化，特別適用于高壓電力線無人值守功能，能完成在線計量、遙控遙測、調度以及防竊電等遠動功能。也適用于居民小區保安控制，三表(電、氣、水)自動抄送，智能大樓，防盜報警，汽車自動控制，汽車安全和性能檢測線，石化，醫藥，工業生產方面。
權利要求1．一種遠程自動抄表裝置，其特征在于包括節點、路由器節點、結合濾波器及中央計算機，節點由神經元芯片、RS-232接口分組驅動器、擴頻通信收發器及寬頻功率放大器組成，神經元芯片通過RS-232接口分組驅動器將電度值處理后保存在芯片的內部存儲器內，處理后的電度值通過擴頻通信收發器產生的直擴信號碼變換成曼徹斯特碼最后形成傳輸信號，再通過寬頻功率放大器和結合濾波器加載到高壓供電網上，神經元芯片的外部存儲器中存有通信協議固件，可實現通信和所有的任務調度；路由器節點由兩個節點組成，實現跨網中繼的信息交換；中央計算機由PC計算機、適配器和結合濾波器組成，高壓電力線上的擴頻通信信號與PC機的信息交換是通過結合濾波器由適配器完成，中央計算機完成各節點內存儲電度表信息的收集、監測、抄表、統計。
專利摘要本實用新型涉及電力有效管理的遠程自動抄表裝置。采用擴頻通信技術,克服現有電力線載波數據通信使用的FSK制式存在誤碼率高、傳輸速率低、實時采集能力差、電路集成度低、發射功率大、成本高等缺點。本實用新型采用LON網現場總線控制系統,主要由神經元芯片、擴頻通信收發器、RS－232接口分組驅動器、路由器節點、中央計算機、結合濾波器,電度表及相應的系統和單元通信軟件組成。特別適用于電力、石化、汽車檢測線、樓寓、醫藥、安保等工業生產自動化行業。
文檔編號H04Q9/00GK2323496SQ98202278
公開日1999年6月9日 申請日期1998年3月25日 優先權日1998年3月25日
發明者區健昌, 牛小波, 黃昊靖 申請人:區健昌