寬帶PLC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在智能電網(wǎng)通信中的應(yīng)用

張 娜，劉敬浩，張文碩

(天津大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院，天津 300072)

電力線通信 PLC(Power Line Communication)是指利用電力線提供通信業(yè)務(wù)的技術(shù)、設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)，是傳輸數(shù)據(jù)和話音信號的一種通信方式，它省去了額外布線的麻煩，與用電設(shè)備的天然結(jié)合，具有覆蓋范圍廣、連接方便、節(jié)省無線頻帶、低頻傳輸、元件成本低廉等顯著特點(diǎn)，被認(rèn)為是提供“最后一公里”解決方案最具競爭力的技術(shù)之一。所以國內(nèi)外許多公司和研究單位都在對PLC進(jìn)行研究和開發(fā)。

1 傳統(tǒng)的電力線遠(yuǎn)程抄表及其存在的問題

目前較成熟的遠(yuǎn)程抄表大多采用窄帶PLC技術(shù)，是將各個終端電器的信息調(diào)制到低壓電力線上，載波頻率一般在幾百kHz左右。一個區(qū)域的電表數(shù)據(jù)通過窄帶PLC網(wǎng)絡(luò)匯聚到集中器，再由集中器通過網(wǎng)關(guān)接入其他網(wǎng)絡(luò)。可見，基于窄帶PLC實(shí)現(xiàn)的窄帶電力線抄表系統(tǒng)速率低，只適合簡單的抄表數(shù)據(jù)單向傳送，而無法支持其他業(yè)務(wù)，擴(kuò)展性差。此外，它還是專用網(wǎng)，需要集中器和專門鋪設(shè)電纜，部署復(fù)雜且費(fèi)用昂貴。這都與目前提倡的三網(wǎng)融合的先進(jìn)理念相違背。

電力線與用電設(shè)備天然結(jié)合的特性，使PLC 加Internet成為最優(yōu)秀的解決方案。與無線通信工作在微波波段相比，寬帶PLC設(shè)備工作在高頻波段(幾MHz～幾十 MHz)，使用 OFDM、QAM等現(xiàn)代調(diào)制方式，物理層速率可達(dá)200 Mb/s(Homeplug1.1)，大大降低了元件和設(shè)備成本。同時，由于室內(nèi)網(wǎng)PLC鏈路的距離都較近(幾十米以內(nèi))，正好發(fā)揮了PLC的長處并避免了其缺點(diǎn)，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 設(shè)計方案

本文設(shè)計了基于家庭寬帶PLC網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程電力抄表方案，該方案的兩個基本思想是：(1)室內(nèi)使用的寬帶PLC組網(wǎng)盡量減小單個PLC總線的長度；(2)盡快匯入Internet。方案的核心是家庭寬帶PLC網(wǎng)絡(luò)的組件，如圖1所示。

圖1 家庭寬帶PLC組網(wǎng)模式

其中，分電盤下的每條支路運(yùn)行一條總線型的PLC網(wǎng)絡(luò)，PLC網(wǎng)絡(luò)使用TCP/IP協(xié)議，各個支路通過PLC家庭網(wǎng)關(guān)匯聚，匯聚之后通過ADSL接入Internet。將從PLC終端模塊到PLC家庭網(wǎng)關(guān)再到Internet的鏈路稱為上行鏈路，反之稱為下行鏈路。

這里主要包括終端PLC模塊和PLC家庭網(wǎng)關(guān)兩個設(shè)備。其中，終端PLC模塊應(yīng)包含網(wǎng)絡(luò)層次體系結(jié)構(gòu)的所有層次，完成PLC的調(diào)制解調(diào)、上層數(shù)據(jù)處理以及對用電器的監(jiān)視采集和控制；PLC家庭網(wǎng)關(guān)包含兩部分功能：分電盤各個支路提供數(shù)據(jù)交換以及實(shí)現(xiàn)PLC網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議到Internet的TCP/IP層協(xié)議轉(zhuǎn)換。使用Freescale公司的ColdFire系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了終端PLC模塊的設(shè)計，使用路由器模擬了家庭網(wǎng)關(guān)，初步證明了該方案的可用性。

2.1 終端PLC模塊的設(shè)計路線

在Freescale公司的MCF52233單片機(jī)上完成了終端PLC模塊的設(shè)計，硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 抄表終端模塊的設(shè)計方案

在上行鏈路中(電表-遠(yuǎn)程計算機(jī))，終端模塊與智能電表通過RS485電纜連接，根據(jù)智能電表提供的協(xié)議與之通信，傳送抄表數(shù)據(jù)和控制命令。信息進(jìn)入單片機(jī)的核心處理單元進(jìn)行協(xié)議解析和處理，按照TCP/IP協(xié)議組裝包，通過單片機(jī)內(nèi)部的以太網(wǎng)模塊PLC Modem相連，經(jīng)PLC調(diào)制后接入PLC網(wǎng)絡(luò)。

在下行鏈路中(遠(yuǎn)程計算機(jī)-電表)，遠(yuǎn)程計算機(jī)通過以太網(wǎng)接入PLC網(wǎng)絡(luò)，控制信息由TCP包攜帶，進(jìn)入終端模塊，解析出控制命令，再根據(jù)智能電表的串口通信協(xié)議組裝成控制命令幀，通過RS485傳輸至智能電表完成控制。

終端模塊軟件部分的設(shè)計實(shí)質(zhì)就是嵌入式Internet服務(wù)器的設(shè)計，如圖3所示。

圖3 軟件/協(xié)議設(shè)計

整個PLC終端模塊包括兩部分：與電表的通信模塊為點(diǎn)對點(diǎn)通信，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層為空，鏈路層使用RS485/232協(xié)議，應(yīng)用層遵循DLT645-1997/2007標(biāo)準(zhǔn)即可；PLC網(wǎng)絡(luò)的通信部分使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3鏈路層協(xié)議和TCP/IP協(xié)議即可。

2.2 PLC家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計路線

PLC家庭網(wǎng)關(guān)包括兩部分的功能：分電盤各個支路的匯聚組網(wǎng)以及將PLC網(wǎng)絡(luò)接入Internet。

從圖3中可以看出，在PLC網(wǎng)絡(luò)中采用了以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議，這樣，家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)質(zhì)上就是一個具有PLC子網(wǎng)(總線)交換功能的路由器。分電盤下每個PLC支路是一個總線型子網(wǎng)(鏈路層)，家庭網(wǎng)關(guān)將各個子網(wǎng)放在共同的一個局域網(wǎng)內(nèi) (網(wǎng)絡(luò)層)，網(wǎng)關(guān)出口即路由器的WAN口。

從這里可以看出，整個家庭寬帶PLC網(wǎng)絡(luò)及其所接入的Internet都是全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，這給擴(kuò)展各種應(yīng)用奠定了非常好的基礎(chǔ)。本方案為每個PLC終端模塊配置了內(nèi)部IP地址并設(shè)置了不同的端口號。在路由器上使用NAT和端口映射，將每個PLC終端的IP和端口映射到路由器上。這樣就可以從外部網(wǎng)絡(luò)直接訪問家庭PLC網(wǎng)絡(luò)中的各個設(shè)備。相反，從PLC網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部訪問外部網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，則直接通過IP地址即可，既節(jié)省了IP地址又實(shí)現(xiàn)了雙向通信，彌補(bǔ)了窄帶PLC抄表中以單向傳輸為主(電表－＞集中器)的缺點(diǎn)，為智能電網(wǎng)的控制功能奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)部門可以制定一個標(biāo)準(zhǔn)，將端口號中的一部分注冊為電力抄表使用，這樣，在目前無法實(shí)現(xiàn)每家一個IPv4地址的條件下，可以讓多個家庭公用一個IP地址。

2.3 ADSL接口設(shè)計路線

從中國目前家庭上網(wǎng)的現(xiàn)狀來看，普通家庭PLC網(wǎng)絡(luò)向Internet的匯聚，首選的方案是采用非對稱數(shù)字用戶 環(huán) 線 ADSL (AsymmetricalDigitalSubscriberLoop)。ADSL是通過電話線路連接到電話局再接入Internet的，因此，家庭ADSL端的IP是在撥號時臨時分配的，無法保證有一個固定的端口，也就是說，只能實(shí)現(xiàn)從PLC網(wǎng)關(guān)到Internet的上行鏈路，而無法通過Internet直接訪問PLC網(wǎng)關(guān)。

為解決上述問題，在Internet中設(shè)置一“智能電網(wǎng)服務(wù)器”，其IP地址固定，所有家庭的PLC網(wǎng)關(guān)一連接到ADSL就向該服務(wù)器發(fā)送信息，該服務(wù)器記錄PLC網(wǎng)關(guān)的臨時IP地址。所有來自Internet的信息首先發(fā)送給PLC服務(wù)器，再由其轉(zhuǎn)發(fā)到家庭PLC網(wǎng)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)下行鏈路。

3 應(yīng)用

在智能電網(wǎng)中，實(shí)時掌握社區(qū)、廠區(qū)的用電情況是節(jié)能的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸是智能電網(wǎng)中的一個核心技術(shù)。目前尚無適合于社區(qū)、廠區(qū)等用電場所的電力通信系統(tǒng)解決方案，PLC室內(nèi)網(wǎng)加Internet能夠提供一種優(yōu)秀的解決方案，可以全面感知各個用戶的用電狀態(tài)并進(jìn)行監(jiān)控。此外，電力抄表的相關(guān)技術(shù)是智能家庭技術(shù)的基礎(chǔ)，電力線通信網(wǎng)絡(luò)是家用電器上網(wǎng)的天然選擇，既省去了布線的麻煩，節(jié)省了無線帶寬，又安全可靠，能完成雙向通信，便于控制。同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展為寬帶PLC技術(shù)在智能家庭中的應(yīng)用奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。利用先進(jìn)的云計算和云存儲技術(shù)實(shí)現(xiàn)對智能用電器靈活、實(shí)時的遠(yuǎn)程訪問和控制。

在系統(tǒng)研究電力通信網(wǎng)需求的基礎(chǔ)上，針對目前窄帶PLC通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不足，提出了將寬帶PLC通信應(yīng)用于遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。使用寬帶PLC通信組建家庭電力通信網(wǎng)，將電表或其他電氣設(shè)備接入其中，PLC網(wǎng)絡(luò)通過家庭網(wǎng)關(guān)匯入Internet。提出了一種以Internet作為電力通信主干網(wǎng)絡(luò)，以家庭寬帶PLC作為連接網(wǎng)絡(luò)的新型電力通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

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