基于PLC的TTU通信模块的设计

    在电力供配电系统中，配电变压器监测终端(TTU)用于对配电变压器的信息采集和控制,它实时监测配电变压器的运行工况,并能将采集的信息传送到主站或其他的智能装置,提供配电系统运行控制及管理所需的数据。一般要求TTU能实时监测线路、柱上配电变或箱式变的运行工况,及时发现、处理事故和紧急情况,并具有就地和远方无功补偿和有载调压的功能。由此可见,TTU除具有数据采集与控制功能外,另一个重要功能就是通信功能[1]。

　 电力线载波通信技术出现于20世纪20年代初期，它以电力线路为传输通道，具有可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点。电力线载波又分为高压电力线载波(电力线载波中通常指35 kV及以上电压等级）、中压电力线载波(10 kV电压等级)和低压电力线载波(380/220 V电压等级)[2]。
1 配变监测终端通信模块的硬件设计

1.1配电自动化对TTU通信的要求[1]

　 根据配电自动化系统的要求,配变监测终端TTU对上应能与配电子站或主站进行通信,将终端采集的实时信息上报,同时接收子站/主站下达的各种控制命令，对下要求可与附近的配变监测终端(TTU)或其他智能设备进行通信。因此,对配变监测终端通信功能的要求比较严格,无论通信方式、通信协议、通信接口都要满足配网自动化系统的要求,主要包括:

    (1)通信的可靠性：配变监测终端的通信应能抵制恶劣的气候条件，如雨、雪、冰雹和雷阵雨，还有长期的紫外线照射、强电磁干扰等。

    (2)较高的性价比：考虑通信系统的费用，选择费用和功能及技术先进性的最佳组合，追求最佳性价比。

    (3)配电通信的实时性：电网故障时TTU快速及时地传送大量故障数据，配变监测终端的通信系统必须具有双向通信的能力,具有半双工或全双工的能力。

    (4)通信方式的标准化及通用性：配变监测终端的通信系统包括发送器、接收器。使用中常常需要与其他配电设备进行通信,因此应尽量选择具有通用性、标准化程度高的通信方式及设备,便于使用和维护。

1.2 TTU通信模块的构成

1.2.1 通信模块的整体框图

　 TTU的通信模块整体框图[3]如图1所示。

    接口通过电力线接收来自主站的命令信息，经过滤波放大后，命令经过解调送到控制器，然后控制器通过串口将主站命令发送给数据采集与处理模块。数据采集与处理模块根据接收到的主站命令对配电变压器的数据进行采集，经过分析处理后，将数据信息通过串口发送给通信模块的控制器，再经过调制，最后经由接口发送到电力线上，等待主站接收。

1.2.2 电力线载波芯片的选择

　 在电力线载波通信中，电力线载波芯片起着至关重要的作用，它直接影响到信息的准确传送，因此电力线载波芯片的选择是十分重要的。

　 XR2210/XR2206套片或LM1893是比较早的电力线载波芯片。XR2210/XR2206是一组FSK方式的调制解调芯片，并不是专门针对电力线载波通信设计的。LM1893是美国国家半导体公司生产的modem芯片，采用FSK调制解调方式，它只是对一般FSK调制解调芯片稍作改进，目前，这两款modem芯片在国内基本没有采用。SSC P300是Intellon公司采用现代最新通信技术设计的电力线载波modem芯片。它采用了扩频(Chirp方式)调制解调技术、现代DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBus协议，可称为智能modem芯片，体现了modem芯片的发展趋势。但它是Intellon公司按北美地区频率标准、电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围100 kHz~400 kHz，电网电压480 Y/277 Vac、208 Y/120 Vac、60 Hz，不适合我国50 Hz电网频率。ST75xx芯片是SGS-THOMSON公司专为电力线载波通信而设计的modem芯片。由于它是专用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段，目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛。

    本文选用SGS-THOMSON公司的电力线载波芯片ST7538，它是在 ST7536、ST7537基础上推出的一款为家庭和工业领域电力线网络通信而设计的半双工、同步/异步FSK调制解调器芯片。ST7538内部集成了发送和接收数据的所有功能[4]，通过串行通信，可以方便地与微处理器相连接，内部具有电压自动控制和电流自动控制，只要通过耦合变压器等少量外部器件即可连接到电力网中,可以在噪声频带很宽的信道环境下实现可靠通信。ST7538还提供了看门狗、过零检测、运算放大器、时钟输出、超时溢出输出、+5 V电源和+5 V电源状态输出等，大大减少了ST7538应用电路的外围器件数量,是一款功能强大、集成度很高的电力载波芯片，为家庭和工业环境应用而设计，采取了多种抗干扰技术。

1.2.3  硬件电路的设计

　 通信模块包括微处理器部分、载波部分、信号滤波部分和电力线信号耦合保护部分。整个通信模块各部分的连接如图2所示。

    微处理器选择ARM芯片，它与TTU的数据采集与处理模块通过串口进行通信，及时发送主站的命令以及传送TTU采集到的配变数据。

　 电力线载波芯片ST7538与微处理器之间通过SPI口进行通信，通过微处理器与ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T可以实现微控制器与ST7538的数据交换。ST7538的工作模式由REG_DATA和RxTx的状态决定。微处理器与ST7538之间的通信采用同步方式，CLR/T作为参考时钟。ST7538处于接收数据状态时，RxTx为低，待发数据从TxD脚进入ST7538,时钟上升沿时被采样，并送入FSK调制器调制，调制信号经D/A转换、滤波和自动电平控制电路(ALC)，再通过差分放大器输出到电力线。ST7538处于接收数据状态时，RxTx为高，信号由模拟输入端RAI脚进入ST7538,经过一个带宽±10 kHz的带通滤波器，送入一个带有自动增益AGC的放大器。此信号再经过解调、滤波和锁相变成串行数字信号，输出给微处理器ARM。

　 信号滤波部分包括输入窄带滤波器和输出窄带滤波器两部分。输入滤波电路采用并联电流谐振电路，滤除指定频率以外的无用信号和噪声。输出滤波电路采用串联电压谐振电路，避免无用信号耦合到电力线上。

　 电力线信号耦合保护电路由功率放大器、输出保护匹配电路和输入增益平衡匹配电路3个基本部分组成，其耦合方式采用电容耦合。

2 配变监测终端通信模块的软件设计

2.1通信协议的制定

    通信模块的通信协议根据DNP3.0规约制定，数据链路层的数据采用一种可变帧长格式：FT3。一个FT3帧被定义为一个固定长度的报头，随后是可以选用的数据块，每个数据块附有一个16 位的 CRC 校验码。固定的报头含有两个字节的起始字，一个字节的长度(LENGH)，一个字节的链路层控制字 (CONTROL)，一个16位的目的地址，一个16位的源地址和一个16位的CRC校验码，其帧格式如表1所示。

    起始字：2字节，0x0564。

    长度：1字节，是控制字、目的地址、源地址和用户数据之和，255≥长度≥5。

    目的地址：2个字节，低字节在前。

    源地址：2个字节，低字节在前。

    用户数据：跟在报头之后的数据块，每16个字节一块，最后一个块包含剩下的字节,可以是1~16个字节。每个数据块都有一个CRC循环冗余码挂在后面。

    CRC循环冗余码：2个字节。在一个帧内，挂在每个数据块之后。

    控制字与功能码：通信控制字包含有本帧的传输方向，帧的类型以及数据流的控制信息。功能码的具体设定为:

    对于原发送方的帧：
    0：使远方链路复位
    1：使远方进程复位
    3：发送用户数据，须对方确认
    4：发送用户数据，不须对方确认
    9：询问链路状态
　     对于从方发送帧：
    0：肯定确认
    1：否定确认
    11：回答链路状态

2.2 通信模块的软件设计方案

　 通信模块平时工作在载波接收状态[5]，接收到一帧数据后解调给TTU数据采集端，TTU采集端接收并返回数据，数据调制后经电力线传给主站经解调后给采集终端。在规定的时间内RS485接收到数据时进行载波发送，数据发送结束后返回接收状态。若在规定的时间内RS485没有接收到数据也自动返回载波接收状态。通信模块的软件流程如图3所示。

    当通信模块判断有帧命令接收时，开始解调，即载波接收，限定时间为5 s，在解调过程中同时判断帧命令，有则重新连续解调。有帧命令接收时才允许串口接收，限定时间为1.5 s。接收帧命令开始解调后，即向串口发送命令，TTU数据采集端接收到命令后,根据命令的指示进行数据的采集与处理，分析数据状态，并把采集与分析结果发送到串口。当通信模块接收帧头找到后1.5 s内收到采集端的返回数据，则将数据进行调制，向电力线发送，即载波发送，限时5 s，若帧头找到后1.5 s内没有收到采集端的返回数据,则禁止接收TTU采集端的数据。载波发送完毕，通信模块再次回到接收状态，等待主站的下一次命令。

    本文实现了配电变压器监测系统通信模块的设计，该模块基于电力线载波通信技术，通过电力线与配电主站进行通信，无需另架线路，具有性价比好，集成度高，工作可靠的优点。通信模块与配电变压器的数据采集与分析处理模块结合在一起，构成配电变压器的监测终端，使配电变压器监测终端集采集、处理、通信于一体，改善了配电变压器监测终端的功能，优化了其设计，提高了整个监测终端的性能，具有很好的发展前景。