配變監測終端通信模塊（TTU）的設計
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1 配變監測終端通信模塊的硬件設計
1.1配電自動化對TTU通信的要求[1]
根據配電自動化系統的要求,配變監測終端TTU對上應能與配電子站或主站進行通信,將終端采集的實時信息上報,同時接收子站/主站下達的各種控制命令，對下要求可與附近的配變監測終端(TTU)或其他智能設備進行通信。因此,對配變監測終端通信功能的要求比較嚴格,無論通信方式、通信協議、通信接口都要滿足配網自動化系統的要求,主要包括:
(1)通信的可靠性：配變監測終端的通信應能抵制惡劣的氣候條件，如雨、雪、冰雹和雷陣雨，還有長期的紫外線照射、強電磁干擾等。
(2)較高的性價比：考慮通信系統的費用，選擇費用和功能及技術先進性的最佳組合，追求最佳性價比。
(3)配電通信的實時性：電網故障時TTU快速及時地傳送大量故障數據，配變監測終端的通信系統必須具有雙向通信的能力,具有半雙工或全雙工的能力。
(4)通信方式的標準化及通用性：配變監測終端的通信系統包括發送器、接收器。使用中常常需要與其他配電設備進行通信,因此應盡量選擇具有通用性、標準化程度高的通信方式及設備,便于使用和維護。
1.2 TTU通信模塊的構成
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，經過濾波放大后，命令經過解調送到控制器，然后控制器通過串口將主站命令發送給數據采集與處理模塊。數據采集與處理模塊根據接收到的主站命令對配電變壓器的數據進行采集，經過分析處理后，將數據信息通過串口發送給通信模塊的控制器，再經過調制，最后經由接口發送到電力線上，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重要的作用，它直接影響到信息的準確傳送，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方式的調制解調芯片，并不是專門針對電力線載波通信設計的。LM1893是美國國家半導體公司生產的modem芯片，采用FSK調制解調方式，它只是對一般FSK調制解調芯片稍作改進，目前，這兩款modem芯片在國內基本沒有采用。SSC P300是Intellon公司采用現代最新通信技術設計的電力線載波modem芯片。它采用了擴頻(Chirp方式)調制解調技術、現代DSP技術、CSMA技術以及標準的CEBus協議，可稱為智能modem芯片，體現了modem芯片的發展趨勢。但它是Intellon公司按北美地區頻率標準、電網特性，特別針對家庭自動化而設計的。頻率范圍100 kHz~400 kHz，電網電壓480 Y/277 Vac、208 Y/120 Vac、60 Hz，不適合我國50 Hz電網頻率。ST75xx芯片是SGS-THOMSON公司專為電力線載波通信而設計的modem芯片。由于它是專用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信號調制解調功能外，還針對電力線應用加入了許多特別的信號處理手段，目前，在國內電力線載波抄表領域應用廣泛。本文選用SGS-THOMSON公司的電力線載波芯片ST7538，它是在 ST7536、ST7537基礎上推出的一款為家庭和工業領域電力線網絡通信而設計的半雙工、同步/異步FSK調制解調器芯片。ST7538內部集成了發送和接收數據的所有功能[4]，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接，內部具有電壓自動控制和電流自動控制，只要通過耦合變壓器等少量外部器件即可連接到電力網中,可以在噪聲頻帶很寬的信道環境下實現可靠通信。ST7538還提供了看門狗、過零檢測、運算放大器、時鐘輸出、超時溢出輸出、+5 V電源和+5 V電源狀態輸出等，大大減少了ST7538應用電路的外圍器件數量,是一款功能強大、集成度很高的電力載波芯片，為家庭和工業環境應用而設計，采取了多種抗干擾技術。
1.2.3 硬件電路的設計
通信模塊包括微處理器部分、載波部分、信號濾波部分和電力線信號耦合保護部分。整個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的數據采集與處理模塊通過串口進行通信，及時發送主站的命令以及傳送TTU采集到的配變數據。
電力線載波芯片ST7538與微處理器之間通過SPI口進行通信，通過微處理器與ST7538的串口RxD、TxD和CLR/T可以實現微控制器與ST7538的數據交換。ST7538的工作模式由REG_DATA和RxTx的狀態決定。微處理器與ST7538之間的通信采用同步方式，CLR/T作為參考時鐘。ST7538處于接收數據狀態時，RxTx為低，待發數據從TxD腳進入ST7538,時鐘上升沿時被采樣，并送入FSK調制器調制，調制信號經D/A轉換、濾波和自動電平控制電路(ALC)，再通過差分放大器輸出到電力線。ST7538處于接收數據狀態時，RxTx為高，信號由模擬輸入端RAI腳進入ST7538,經過一個帶寬±10 kHz的帶通濾波器，送入一個帶有自動增益AGC的放大器。此信號再經過解調、濾波和鎖相變成串行數字信號，輸出給微處理器ARM。
信號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電流諧振電路，濾除指定頻率以外的無用信號和噪聲。輸出濾波電路采用串聯電壓諧振電路，避免無用信號耦合到電力線上。
電力線信號耦合保護電路由功率放大器、輸出保護匹配電路和輸入增益平衡匹配電路3個基本部分組成，其耦合方式采用電容耦合。
2 配變監測終端通信模塊的軟件設計
2.1通信協議的制定
通信模塊的通信協議根據DNP3.0規約制定，數據鏈路層的數據采用一種可變幀長格式：FT3。一個FT3幀被定義為一個固定長度的報頭，隨后是可以選用的數據塊，每個數據塊附有一個16 位的 CRC 校驗碼。固定的報頭含有兩個字節的起始字，一個字節的長度(LENGH)，一個字節的鏈路層控制字 (CONTROL)，一個16位的目的地址，一個16位的源地址和一個16位的CRC校驗碼，其幀格式如表1所示。
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