自動應答式混合線路載波通道測試系統的研究

詹志飛，曹袖，高傳善，宗明，梁盧鴻

0 引言

配電網自動化是提高電網工作效率的重要舉措，可以提高電網的安全性，加快故障處理速度，減少停復役時間，提高勞動效率。目前配電自動化的主要通信方式有光纖、電力線載波、無線通信等。近年來，隨著技術的發展，電力線載波通信在配電網自動化系統中得到應用，而混合線路（電纜和架空線混合）載波通信方式作為電力載波的一個技術分支，也開始被應用于電力系統中[1]。采用混合線路作為載波通道是一種新的嘗試，與電纜屏蔽層載波通信比較，混合線路載波通信主要面臨的是載波通道衰減大、突發干擾強等困難，這就對如何有效地對載波通道進行測試提出了更高的要求。

現有的電力線載波通道測試設備比較落后，主要表現為：電路復雜、集成化程度低、性能不穩定、調試難度高等缺點，很多設備不具備實驗規程融入功能和實驗數據記錄和分析能力。雖然有些科技工作者作了大量研究，但卻沒有實質的發展。因此有必要開發一套混合線路載波現場調試測試裝置，用于測試載波安裝情況，避免重復施工。

本文根據載波測試原理技術，在目前載波測試設備系統架構的基礎上，提出了一個自動應答式的載波測試裝置系統架構方案，來對現場的混合線路載波現場進行測試。

1 相關工作

電力系統配網自動化分為主站和從站，主從站之間通過光纖、電力線載波、無線通信等方式進行信息的交互，以保證電網的正常運行，一個主站需要控制和調度多個從站。針對電力線載波方式的通信，為保證線路的正常運行，需測試其通道載波情況，傳統的測試系統的結構，如圖1所示：

圖1 傳統載波測試系統結構圖

從圖1中可以看出，利用現在的設備進行載波通道測試時，需要分別在被測通道的主站和從站上安裝檢測設備，通過卡接式耦合器將設備連接到線路上，測試人員需要在兩端操控檢測設備配合完成任務，所獲得的結果也只能通過設備簡單的界面展示，而且目前的載波測試儀器繁多，測試人員必須根據試驗調試規程及廠家技術資料規定的試驗項目、接線和方法，配合使用多臺儀器，逐點進行試驗，試驗繁瑣、難度大，因此容易出現試驗錯誤及項目遺漏。

針對這些缺點，國內外很多研究機構都提出了將傳統設備與計算機相結合的方式來完成線路的測試[2-6]，以利用計算機的優點降低通道測試的難度。

集自動測試、數據采集和數據處理于一體的新型高頻阻波器自動測試方案，該方案根據阻波器測試原理，設計了相應的硬件模塊和軟件系統[2]。該系統解決了電力載波通信高頻阻波器傳統測試方法中存在的測試時間長、精度低和不能進行數據處理的問題。

智能化電力線高頻載波通道測試裝置是為了滿足載波通信測試而研制的一種綜合性試驗測試裝置。該系統利用分層的思想進行軟件總體設計，以MSComm 控件的串口通信實現方法，基于MS ACCESS 進行數據庫系統的設計以及借助OLE（Object Linking and Embedding）Automation技術實現Borland C++ Builder 與MS Word 的融合[3]。實際工程運行表明,該系統功能適用，運行可靠。

在傳統的測試裝備上，采用以FPGA為主的信號采集處理卡，經USB口與便攜電腦相結合，充分利用計算機的顯示、處理、存儲功能，集多功能于一體[4]。這個系統實現了頻譜分析，通道誤碼率測試，FSK調制解調器、示波器、錄波器、頻率發生器等功能，并能對故障進行分析。

總的來說，這些工作初步實現了同計算機的結合，但是卻仍然未能從根本上改變現狀，仍存在問題，如下位機電路設計復雜；設備只能測試載波通道某一載波物理性質；沒有充分利用計算機資源和靈活性等缺點，適用度不廣，同時都未能改變測試時需要多名測試人員協同工作的弊端，仍需要測試人員點對點的配合測試。

2 自動應答式載波通道測試系統

2.1 系統的結構

在已有的技術架構的基礎上，本文給出了一種新的現場載波測試系統，該系統不僅從軟硬件上簡化了傳統載波測試的操作，也從根本上改變了需要測試人員從兩端相互協同工作的缺點，實現了測試人員在一端即可完成整個操作的自動應答式測試的優點，其結構，如圖2所示：

圖2 自動應答式混合線路載波通道測試系統結構圖

本系統由硬件模塊和軟件系統兩部分組成，底層為集合型自動應答式硬件平臺，使用時安裝在被測載波通道的主站和從站上，通過卡接式耦合器連接到線路上，同時開發了相關的上位機測試軟件以配套使用，只需通過操作軟件即可完成整個測試工作，從本質上改變傳統的通道測試流程。其整體技術架構和每層的設計及系統工作流程將在下文詳細闡述。

2.2 系統的設計

自動應答式混合線路載波通道測試系統按分層思想設計，分為軟件和硬件兩大模塊，細分為4個層次，其系統分層結構，如圖3所示：

圖3 自動應答式混合線路載波通道測試系統分層結構

這樣的分層結構設計不僅架構清晰，有利于系統的實現，同時易于進一步擴展，為以后進一步的研究工作打下基礎。

2.2.1 第一層——應用模塊實現

第一層為應用層，面對用戶，主要處理用戶的輸入和結果的輸出，主要分為測試模塊、用戶模塊和系統模塊。設計出一個操作方便的基于圖形用戶界面的集成化測試界面，用戶可以在界面上設置參數并發起測試過程，包括載波信道的信道質量、載波通信頻率建議、數據報文傳輸能力測試。所得到的結果經過處理在界面上以直觀易懂的方式顯示出來，并提供一定的數據分析能力，能夠方便測試人員導出數據報表和測試報告等，讓整個測試過程更加規范有序。這樣的設計不僅便于操作，而且可以隨時對載波現場進行測試并進行數據的收集處理。

2.2.2 第二層——數據處理模塊實現

第二層為數據處理模塊，負責收集從下層中獲得的數據，并進行處理，返還給上層處理結果，另外接收上一層用戶發出的命令，處理后生成相應的報文發送至下層通信模塊，另一方面，本測試系統要保存大量的測試數據，這個模塊負責將所需存儲的實驗數據保存在數據庫中，以利于以后對歷史數據進行進一步分析。

2.2.3 第三層——通信模塊實現

第三層為通信模塊，主要功能是實現通信協議以和下層硬件實現通信，同時向上層提供從下層測試設備所獲取的數據，是實現軟硬件結合的關鍵模塊。

在電力系統中，設備需實現規定的通信協議，才能達到相互通信的目的，但是在當前的電力通信系統中，存在著各種并存的通信協議，每個協議實現的功能和報文的格式定義都有所不同。本系統在測試載波通道時，因為不涉及到現有的載波設備，所以可以利用自己自定義的載波通道測試協議來實現硬件設備間的通訊，此協議在下文中做詳細闡述。

2.2.4 第四層——硬件測試平臺實現

第四層為通道測試硬件平臺，該平臺負責通過底層的載波通道進行相互通信，主要包括報文的接收和發送。該硬件平臺集合各種常見的載波通道測試裝置功能，廣泛采用先進的數字技術，如DDS技術、快速模數轉換技術和DSP技術等，從而使整個裝置硬件電路簡單、體積小、重量輕，可靠性及穩定性大幅提高。其硬件裝置主要包括振蕩器、選頻電平表、頻率計、毫秒計、標準電阻箱及標準電容箱等，綜合組合硬件測試平臺，由便攜式計算機上安裝的上位機軟件控制這一層的運行。按安裝地點和功能作用的不同，其主要分為兩個部分：

1）載波通道測試裝置：硬件設備，和便攜式計算機相連，安裝在系統主站，負責接收上位機軟件的指令并發送相應報文，同時接收應答報文并交給上位機軟件處理。

2）自動應答終端：硬件設備，具有自動測試應答功能，配合“載波通道測試裝置”完成通道測試，主要負責接收載波通道上的報文并進行分析后按要求發送應答報文。

通過底層載波通道的通信，兩端硬件裝置按要求同時自動協調工作，以應答的方式完成對載波通道的測試，同時提供RS232接口，以實現與上位機軟件的通信。

和傳統測試裝備相比，硬件平臺的特點集中在集成化和在自動應答兩方面，集成化指硬件采用先進的技術，集合了多種測試裝置，可以完成多種測試任務；自動應答指設備無需測試人員的直接操作，也無需測試人員相互間配合完成測試，只需測試人員操作軟件即可完成整個測試過程，節省時間和勞動力，這也使得它具有很高的智能性，可以讓測試人員從繁雜的儀器操作規則中脫離出來。

2.3 自動應答式混合線路通道測試系統測試流程

自動應答式混合線路載波通道測試系統測試流程按以下步驟進行。

1）在變電站系統主從站安裝好整個系統；

2）在測試主站，測試人員根據需要在上位機軟件上設置測試參數，如波特率，通信端口號等，并從上位機軟件發起測試，軟件則會根據自定義通信協議向底層的硬件裝置發送相應數據報文至載波通道測試裝置；

3）載波通道測試裝置接收上位機軟件傳送的數據報文，通過被測載波通道發送出去；

4）經過載波線路的傳輸后，安裝在載波通道另一端的自動應答終端接收測試報文，根據自定義通信協議重組應答報文并通過載波通道發送應答報文；

5）載波通道測試裝置接收到應答報文后，發送至上位機軟件，上位機軟件通過對報文的處理得出載波通道測試結果，包括載波通道質量、載波通信頻率優化選擇、傳輸能力等，然后以直觀化的方式在界面上顯示給用戶。

此操作流程上可以看出，與傳統的測試系統相比，本系統結構最大的優點在于整體的自動應答式，從操作上表現為測試人員只需在上位機軟件上發起測量命令，就可以自動方便地獲得所需數據，從工作原理上表現為通過硬件平臺的相互自動通信來完成數據的獲取。該系統擺脫了傳統測試流程中需要多名測試人員相互協調的缺點，可以方便高效的完成整個測試流程。

3 自定義載波通道測試協議

3.1 協議報文格式

自定義載波通道測試協議報文格式，如表1所示：

表1 自定義載波通道測試協議報文格式

所有字段均采用十六進制表示；當字段為多字節時，低位在前，高位在后，總報文長度不超過250字節。

3.2 測試模式設定

FrameType字段表示測試模式，當值為0x03時，表示上位機軟件到載波通道測試裝置的通訊，正在進行通道測試，此時參數（Parameters）全設為0xFF，字節數(DataLength)為0；當值為0x83時，表示主載到上位機的通訊，是載波通道測試裝置返回的報文，表示測試成功。

當FrameType值為0x04時，表示上位機到載波通道測試裝置的通訊，正在進行透傳測試，參數（Parameters）全設為0xFF，字節數(DataLength)為0；當值為0x84時，表示載波通道測試裝置到上位機的通訊，是主載返回的報文，表示測試成功。

3.3 其它字段說明

3.3.1 參數字段

參數（Parameters）字段共10個字節，用來表示載波通道的物理參數，按順序具體為。

1）第1，2字節表示波特率，計算時換算成十進制。

2）第3，4字節表示頻率，計算時換算成十進制，前兩位為頻率范圍低值，后兩位為頻率范圍高,單位為kHz。

3）第5字節表示測試成功與否，其中0x00表示成功，0x01則表示失敗。

4）第6字節表示接收靈敏度，計算時換算成十進制，并取負值，單位為dBm。

5）第7字節表示發送功率，計算時換算成十進制，單位為W。

6）第8字節表示線路阻抗，計算時換算成十進制，單位為Ω。

7）第9字節為總延遲時間，單位為10S。

8）第10字節為通道質量，其值范圍為0-7，其中7表示最好，0為最差。

3.3.2 字節數，數據，校驗和字段

字節數(DataLength)，表示數據（Data）字段的byte數。

數據（Data）字段長度可變，測試時從0x00開始依次填入字節數表示的個數個字節。

校驗和(CheckSum)字段的值為對從開始的起始符（StartByte）字段到數據（Data）字段所有數據，按字節累加和。

4 模擬及現場應用

為測試系統的測試功能，分別進行了模擬和現場應用。模擬測試為在實驗條件下，通過約50米長的純電纜線路和串口調試軟件等工具軟件模擬了電力線路設備通信環境，并在此模擬條件下對線路進行載波測試。同時在松江供電公司和閔行供電公司的配合下，選取了緯4站上65路（主站）和中吳5號（從站）之間的純電纜線路與行西站（主站）和羅陽一號站（從站）之間的混合線路進行系統的現場應用。在這兩種情況下，測試了不同報文長度下各線路的載波質量，其測試結果，如圖4所示：

圖4 不同條件下線路的載波質量測試結果

同時測定每個報文在不同線路上的總延遲時間，其測試結果，如圖5所示：

圖5 不同條件下線路的信道延遲測試結果

因為報文在通道的傳輸中會遭到多種因素的干擾，造成響應報文內容的改變，從而造成上位機軟件收到錯誤報文，導致測試失敗，因此從發生這一情況的概率上也可以反映通道的載波能力。為測得報文發生錯誤的概率，在每條線路上，對每個長度的報文進行多次測試，以得到不同條件下收到正確的應答報文的成功率，也即完成測試的成功率，其結果，如圖6所示：

圖6 不同條件下線路的測試成功率

在圖4中，信道質量為7時代表線路通信能力優秀，為0時代表線路無法通信，從圖4中可以看出，模擬測試和純電纜條件下所有長度的報文條件下載波通道通信質量都為7，達到最好；在混合線路中，報文長度為在30字節以下時，載波通道通信質量為7，到達最好，而在報文長度為30字節以上時，通道通信質量逐漸降低，到50字節長度時其通信質量為0，這表示隨著報文長度的增加，混合線路的通信能力不斷降低。通過對比，此圖反映了純電纜優秀的載波能力，也反映了混合線路在傳送較長的報文時很差的載波通信能力，符合實際情況。

從圖5中可以看出，在3種不同的線路中，對于正常傳送的報文，隨著報文長度的增加，其總延遲時間都接近線性增加，同時在不同的線路中，相同長度的報文的延遲時間接近相等，這是因為報文在線路上的傳輸時間非常短，延遲主要為報文在硬件和軟件上的處理時間，故其隨著長度線性增加。另外，在報文長度大于50字節時，混合線路中報文延遲時間無數據，代表實際中載波通道測試裝置在規定時間內未能接收到應答報文，報文在載波通道中丟失，這也是圖四中載波質量為0的原因，同樣，此圖反映了純電纜優秀的載波能力，也反映了混合線路在傳送較長的報文時很差的載波通信能力，符合實際情況。

從圖6中可以看出，在模擬測試條件下，不同長度報文下的都能收到正確的應答報文，其測試成功率都為100%，而在純電纜的情況下，不同長度報文下測試成功率有所偏差，當報文長度為0至45字節時，部分測試成功率為100%，另一部分則為75%，到報文長度增至50字節長度以上時，測試成功率穩定在70%，失敗的測試表示系統此時未能收到正確的應答報文，應答報文在傳送過程中發生錯誤，這反映了在實際情況下，純電纜中報文的傳輸會受到環境的干擾從而導致報文傳送發生錯誤；在混合線路中，當報文長度為0至45字節時，測試成功率隨著報文長度的不斷增加而逐漸降低，這說明隨著報文長度的增加，在混合線路中應答報文發生錯誤的概率同樣增加；同時在同樣報文長度下，其測試成功率比純電纜和模擬測試下要低，這說明在混合線路中，報文的傳送更易受到自身傳送能力和外界環境的影響，而當字節長度增加至50字節以上時，測試成功率降為0%，這和圖5中反映的問題一樣，載波通道測試裝置在規定時間內未能接收到應答報文，因此，此圖同樣也反映了混合線路在傳送較長的報文時很差的載波通信能力，符合實際情況。

從3幅圖中可以看出，測試結果可以從多方面很好地反映純電纜和混合線路的實際載波情況，這說明此系統可以很好的用來測試線路的載波質量，反映真實的線路狀況。同時從3圖中可以發現在50長度字節以上時混合線路通道載波能力很差，幾乎沒有載波能力。在實際的配網自動化系統中，由于大量的通信都是依靠短的、實時的報文，小于50字節長度的報文可以承載足夠的信息以完成絕大多數的應用需求，而少量的報文可以分拆進行，這從另一方面佐證了混合電力載波在配電網自動化中應用的可行性。

5 結論

從系統的架構和現場的測試結果上可以看出，本文所設計的自應答式載波現場測試裝置，較以往的電力線載波通道測試設備有很大的改進和創新。設計上體現了智能化、集成化的特點，硬件結構簡單可靠，接線方便，軟件操作簡單，功能齊全。通過本系統的實施，測試人員可以在現場高效快速地得到線路的載波質量狀況，避免可以得知載波設備的安裝情況，避免重復施工，極大地提高現場施工的工作效率。系統實用化后，可以向同級供電企業推廣使用。

未來的改進集中在將本測試系統拓展至廣域測試方面，通過和網絡技術的結合實現系統的遠程控制功能，讓測試人員可以遠程操作控制系統完成對載波通道的現場測試，進一步提高系統的智能化水平。

[1]張海亮，賈美健，岳在春，張暉.電力線載波技術在國內外的發展和應用[J].電網技術，2006,10（30）：646-652.

[2]胡威.電力載波高頻阻波器自動測試系統[J].中國電力，2003,36（2）：63—66.

[3]高樂，周有慶，鄧建國，趙永生，郭自勇，吳桂清.電力線高頻載波通道測試裝置上位機軟件設計與實現[J].中國電力，2007,40（3):70-73.

[4]WOUTERS PAAF，PETERC JM van derW，VEEN J，et al.Effect of cable load impedance on coupling schemes for MV power line communication[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20(2)：638—645.

[5]王淑青，劉輝，何濤.便攜式電力線高頻載波通道測試裝置的研制[J].繼電器，2006,34（9）：49-52.

[6]劉濤，張子蓬，王淑青.電力線路載波通道測試系統的研究[J].廣西輕工業，2008,8（8）：36-37.