寬帶PLC網絡設計在智能電網通信中的應用

張 娜，劉敬浩，張文碩

(天津大學 電子信息與工程學院，天津 300072)

電力線通信 PLC(Power Line Communication)是指利用電力線提供通信業務的技術、設備和應用服務，是傳輸數據和話音信號的一種通信方式，它省去了額外布線的麻煩，與用電設備的天然結合，具有覆蓋范圍廣、連接方便、節省無線頻帶、低頻傳輸、元件成本低廉等顯著特點，被認為是提供“最后一公里”解決方案最具競爭力的技術之一。所以國內外許多公司和研究單位都在對PLC進行研究和開發。

1 傳統的電力線遠程抄表及其存在的問題

目前較成熟的遠程抄表大多采用窄帶PLC技術，是將各個終端電器的信息調制到低壓電力線上，載波頻率一般在幾百kHz左右。一個區域的電表數據通過窄帶PLC網絡匯聚到集中器，再由集中器通過網關接入其他網絡?？梢?，基于窄帶PLC實現的窄帶電力線抄表系統速率低，只適合簡單的抄表數據單向傳送，而無法支持其他業務，擴展性差。此外，它還是專用網，需要集中器和專門鋪設電纜，部署復雜且費用昂貴。這都與目前提倡的三網融合的先進理念相違背。

電力線與用電設備天然結合的特性，使PLC 加Internet成為最優秀的解決方案。與無線通信工作在微波波段相比，寬帶PLC設備工作在高頻波段(幾MHz～幾十 MHz)，使用 OFDM、QAM等現代調制方式，物理層速率可達200 Mb/s(Homeplug1.1)，大大降低了元件和設備成本。同時，由于室內網PLC鏈路的距離都較近(幾十米以內)，正好發揮了PLC的長處并避免了其缺點，可保證數據傳輸的可靠性。

2 設計方案

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

圖1 家庭寬帶PLC組網模式

其中，分電盤下的每條支路運行一條總線型的PLC網絡，PLC網絡使用TCP/IP協議，各個支路通過PLC家庭網關匯聚，匯聚之后通過ADSL接入Internet。將從PLC終端模塊到PLC家庭網關再到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家庭網關兩個設備。其中，終端PLC模塊應包含網絡層次體系結構的所有層次，完成PLC的調制解調、上層數據處理以及對用電器的監視采集和控制；PLC家庭網關包含兩部分功能：分電盤各個支路提供數據交換以及實現PLC網絡傳輸層協議到Internet的TCP/IP層協議轉換。使用Freescale公司的ColdFire系列單片機實現了終端PLC模塊的設計，使用路由器模擬了家庭網關，初步證明了該方案的可用性。

2.1 終端PLC模塊的設計路線

在Freescale公司的MCF52233單片機上完成了終端PLC模塊的設計，硬件設計如圖2所示。

圖2 抄表終端模塊的設計方案

在上行鏈路中(電表-遠程計算機)，終端模塊與智能電表通過RS485電纜連接，根據智能電表提供的協議與之通信，傳送抄表數據和控制命令。信息進入單片機的核心處理單元進行協議解析和處理，按照TCP/IP協議組裝包，通過單片機內部的以太網模塊PLC Modem相連，經PLC調制后接入PLC網絡。

在下行鏈路中(遠程計算機-電表)，遠程計算機通過以太網接入PLC網絡，控制信息由TCP包攜帶，進入終端模塊，解析出控制命令，再根據智能電表的串口通信協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計實質就是嵌入式Internet服務器的設計，如圖3所示。

圖3 軟件/協議設計

整個PLC終端模塊包括兩部分：與電表的通信模塊為點對點通信，網絡層和傳輸層為空，鏈路層使用RS485/232協議，應用層遵循DLT645-1997/2007標準即可；PLC網絡的通信部分使用標準的IEEE802.3鏈路層協議和TCP/IP協議即可。

2.2 PLC家庭網關的設計路線

PLC家庭網關包括兩部分的功能：分電盤各個支路的匯聚組網以及將PLC網絡接入Internet。

從圖3中可以看出，在PLC網絡中采用了以太網和TCP/IP協議，這樣，家庭網關實質上就是一個具有PLC子網(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(鏈路層)，家庭網關將各個子網放在共同的一個局域網內 (網絡層)，網關出口即路由器的WAN口。

從這里可以看出，整個家庭寬帶PLC網絡及其所接入的Internet都是全IP網絡，這給擴展各種應用奠定了非常好的基礎。本方案為每個PLC終端模塊配置了內部IP地址并設置了不同的端口號。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絡直接訪問家庭PLC網絡中的各個設備。相反，從PLC網絡內部訪問外部網絡中的主機，則直接通過IP地址即可，既節省了IP地址又實現了雙向通信，彌補了窄帶PLC抄表中以單向傳輸為主(電表－＞集中器)的缺點，為智能電網的控制功能奠定了基礎。相關部門可以制定一個標準，將端口號中的一部分注冊為電力抄表使用，這樣，在目前無法實現每家一個IPv4地址的條件下，可以讓多個家庭公用一個IP地址。

2.3 ADSL接口設計路線

從中國目前家庭上網的現狀來看，普通家庭PLC網絡向Internet的匯聚，首選的方案是采用非對稱數字用戶 環 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，只能實現從PLC網關到Internet的上行鏈路，而無法通過Internet直接訪問PLC網關。

為解決上述問題，在Internet中設置一“智能電網服務器”，其IP地址固定，所有家庭的PLC網關一連接到ADSL就向該服務器發送信息，該服務器記錄PLC網關的臨時IP地址。所有來自Internet的信息首先發送給PLC服務器，再由其轉發到家庭PLC網關，從而實現下行鏈路。

3 應用

在智能電網中，實時掌握社區、廠區的用電情況是節能的基礎，數據傳輸是智能電網中的一個核心技術。目前尚無適合于社區、廠區等用電場所的電力通信系統解決方案，PLC室內網加Internet能夠提供一種優秀的解決方案，可以全面感知各個用戶的用電狀態并進行監控。此外，電力抄表的相關技術是智能家庭技術的基礎，電力線通信網絡是家用電器上網的天然選擇，既省去了布線的麻煩，節省了無線帶寬，又安全可靠，能完成雙向通信，便于控制。同時，物聯網技術的迅猛發展為寬帶PLC技術在智能家庭中的應用奠定了堅實的基礎。利用先進的云計算和云存儲技術實現對智能用電器靈活、實時的遠程訪問和控制。

在系統研究電力通信網需求的基礎上，針對目前窄帶PLC通信網絡應用的不足，提出了將寬帶PLC通信應用于遠程抄表系統。使用寬帶PLC通信組建家庭電力通信網，將電表或其他電氣設備接入其中，PLC網絡通過家庭網關匯入Internet。提出了一種以Internet作為電力通信主干網絡，以家庭寬帶PLC作為連接網絡的新型電力通信系統結構。

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