低壓電力用戶集中抄表系統的實用性研究

摘 要： 為了解決低壓電力用戶集中抄表系統（PLC）的不穩定性，通過對低壓電力用戶集中抄表系統現狀的解析，對擴頻通信（SSC）、工頻調制和正交頻分復用（OFDM）3種通信技術的優、缺點進行了分析，以及對PLC技術的應用實用化進行了研究，從而提出了基于提高低壓電力用戶集中抄表系統穩定性的實用化具體解決方案。目前，該實用化方案系統產品，已在國內各省電力公司集中抄表系統中掛網運行。

關鍵詞： 集中抄表系統； 擴頻； 工頻調制； OFDM

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0166?05

0 引 言

目前國內市場上的自動抄表系統通信方式主要有三種：有線、無線、載波，從理論上講最理想的電力用戶集中抄表系統通信方式是電力線載波。這是因為它實現了電能饋送和數據傳輸的自然匹配與完美結合，且不用另外鋪設通信信道。

隨著近幾年國家電網公司建設“堅強智能電網”發展目標的提出，逐步規范了智能電表和低壓載波通信電力用戶用電信息采集系統的技術要求。近一步對集抄系統的通信穩定性提出了更高的要求。但在現場實際應用時發現載波信道存在的最大缺陷是系統數據抄收不穩定，造成抄收不穩定的原因很多，有些原因是外界環境造成，人為不可（或很難）改變的，這就需要抄表系統從技術層面上去完善、解決這一問題。作為該系統產品的研發、測試從業人員，在抄表系統的測試[1]和實用性方面積累了大量經驗。本文中介紹的低壓電力用戶集中抄表系統穩定性的實用化具體方案，較好地解決載波信道系統數據抄收不穩定這一實際問題，在業內各個電力公司得到了廣泛應用，并取得了客戶的認可。對當前國內的低壓電力用戶集中抄表系統的現狀，以及系統現場應用中采用的關鍵通信技術進行了研究。

1 低壓電力用戶集中抄表系統的現狀[2?3]

1.1 市場容量潛力巨大，同時市場也已經提出了各種新的要求

低壓電力用戶集中抄表系統在我國已經發展了十幾年，系統示意圖如圖1所示，以前市場由各省網公司和地方集中統一招標，2010年后由國網公司統一招標，南網以廣東省網統一招標為標志。這種模式徹底改變了集抄由零星發展的非均衡混亂狀態，形成了統一規范全面普及的推廣應用局面。但是現實就是系統真正的實用化程度怎樣，對于癱瘓或半癱瘓狀態的系統應該如何去處理，讓供電局完全作為一個擺設呢，還是真正推薦給供電部門一個很好用，很實用化的性能優良的集抄系統。如果不認真的去研究這個問題，總是在搞一些很花架子的東西，系統的實用化根本就不行，或則總是出問題，供電局根本就不能很好的使用，那么這個市場還能不能持續下去，這都是一個值得討論的問題。

隨著電力體制的改革，用電管理模式的變化，提出了“一戶一表”問題，另外用電分時計價，階梯式電價……都對傳統的計量裝備與抄收方式，提出了有力的挑戰，手工抄表越來越困難，廣大電力用戶或者物業管理者在等待一個很實用，能真正解決抄表難問題的系統。

從長遠看，隨著國計民生對通信的需求日益增加，人民把目光投向世界上覆蓋最廣的網絡——低壓配電網，這條信道的開放可以解決現在的三表抄收、物業管理、消防、保安、醫療、衛生、計算機上網等一系列通信方面的要求。

1.2 低壓電力用戶集中抄表系統推廣應用存在的技術障礙

信道衰減：據有關資料介紹：根據我國不同低壓電網的不完全測試，從配電變壓器出口到電網末端，最大高頻（500 kHz以下）衰減達到130 dB。

電力線信道衰減的主要因素包括：電纜的長度阻抗衰減；電纜的分布電容造成的相間衰減、對地衰減；還有高頻趨膚效應造成的線路阻抗衰減；負載引起的線路阻抗的急劇減小造成的信號劇烈衰減；載波電路功放阻抗失配造成的衰減；線路節點引起的高頻信號反射，特別是線路類別變化的節點，銅鋁導線接點反射更加嚴重，架空線與電纜接頭可能造成80%信號功率反射（約7 dB衰減）；多徑衰落引起的高頻信號衰減。大批劣質電器泛濫，對低壓電網形成嚴重的污染（例如河北高陽縣電業局家屬院，線路質量很好，布線也很規矩，但是載波信號在此家屬院的傳輸距離不超過50 m，信號衰減非常嚴重，分析為線路接頭較多，并且銅線和鋁線并用，信號反射損耗很大；另外用電負荷較大，電器種類較多，也是造成載波信號損耗的一大原因）。

由于低壓電網環境十分復雜，衰減的分析計算極端困難，影響因素很多，人們只能根據試驗結果，進行定性分析比較。

由于以上的干擾分析，低壓電力線的載波通信處理必須使用特殊的處理方法，常規的通信方法在低壓電力線上行不通，根據近幾年各廠家的研究以及現場使用的經驗總結分析，電力線擴頻技術（SSC）和正交頻分復用（OFDM）是各廠家使用最多和比較成功的技術[4]。

2 低壓電力用戶集中抄表系統的通信技術分析

2.1 擴頻技術[5]分析

載波技術的代表在20世紀80年代后期和90年代初期各廠家都大量使用ST7536進行電力線載波通信。ST7536是2FSK技術，其主要的問題是載波電路比較復雜，外圍電路元器件較多，嚴重影響了載波電路的工作可靠性和壽命；ST7536所需要的電源比較復雜，成本貴，可靠性也較差；由于在擴頻的原理上沒有進行抗干擾的處理，所以抗電力線上干擾的能力很差；另外使用ST7536芯片的載波電路的成本（大約100元）一直是制約各廠家的發展的瓶頸。現在除了少數廠家還在使用這種技術外， 眾多廠家都已完全拋棄了這種技術。

擴頻技術在近幾年的發展代表是青島東軟和北京曉程。其他廠家也報道有這方面的技術，但是基本不脫離這些技術的概念，并且市場的使用也比較少。下面就以青島東軟和北京曉程的技術作為重點，講解這個技術的優點和技術描述，并且對這兩種技術的缺點進行分析。

擴頻通信是指用來傳輸信息的信號帶寬遠遠大于信息本身帶寬的一種通信方式。其解調過程是由接收信號和一個發端擴頻碼同步的信號進行相關處理來完成的，擴頻通信系統模型圖如圖2所示。根據信息論（香農公式），擴頻通信的好處在于：可用較大的帶寬換取較小的信噪比，即較小的信號功率。這時，系統表現出較好的抗干擾性，從而使強噪聲環境下的通信質量得以改善。這種“用帶寬換功率”的措施特別適合電力線載波通信。

擴頻通信系統模型圖

直接序列擴頻（DS）系統用高速偽隨機序列直接對信息數據進行調制。由于偽隨機序列帶寬遠遠大于原始信號帶寬，從而擴展了頻譜。在接收端有一個擴頻序列同步電路，它產生一個與接收信號中的擴頻序列精確同步的擴頻序列，當收到的擴頻信號與本地碼相匹配時，所需解調的信號就會恢復到其擴展之前的原始帶寬，而任何與之不匹配的輸入信號則被本地碼擴展到與本地碼的帶寬相同或更寬的頻帶上。解擴后的信號經過一個窄帶濾波器后，有用的信號被保留，干擾信號被抑制，從而改善了信噪比，提高了抗干擾能力。擴頻通信系統經過對信息信號帶寬的擴展和解擴處理，獲得了擴頻增益。

2.2 擴頻系統的優點

擴頻系統具有抗衰減能力強的特點，由于信號頻帶很寬，當由于某種原因引起衰減時，只會使一小部分頻譜衰減，而不會使整個信號產生嚴重畸變。

（1）擴頻系統具有抗干擾的能力，對于擴頻系統，由于擴頻信號的帶寬遠遠大于基帶信號的帶寬，所以在信號傳輸頻帶內，允許有干擾源的存在，對于廣譜干擾，定量的分析，[SN]>0.3，就可以完成信號的解調。

（2）擴頻系統需要的電源功率小，使用比較小的功率就可以換取好的信道靈敏度，另外從產品可靠性上考慮，由于電源消耗小，產品整體可靠性比較高。

（3）擴頻系統信息的傳輸速率高，可以滿足645標準協議的傳輸，對于標準化的開發工作很有幫助，另外由于抄表速度很快，能滿足很多用戶的需求。

2.3 擴頻系統的缺點

由于成本的問題，電力線載波擴頻通信的制造成本都比較低，在這種因素的制約下，擴頻系統對于同頻的影響是無法克服的。經過測試，東軟的同頻干擾頻帶寬度為270 Hz～275 kHz，曉程的同頻干擾頻帶寬度為65～145 kHz。比較下來，東軟的抗干擾性好。

2.4 擴頻系統的擴頻增益處理

擴頻通信系統經過對信息信號帶寬的擴展和解擴處理，獲得了擴頻增益 （Spreading Gain），也叫作處理增益（Processing Gain），定義為：

[G=BssB]

式中：[Bss]是擴頻后信號的帶寬（或擴頻后的比特速率）；[B]是原始信號帶寬。

擴頻通信系統頻譜變換關系示意圖如圖3所示。

擴頻通信系統頻譜變換關系示意圖

擴展頻譜通信系統是指待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數擴展后成為寬頻帶信號，送入信道中傳輸，再利用相應手段將其壓縮，從而獲取傳輸信息的通信系統。也就是說在傳輸同樣信息時所需的射頻帶寬，遠比已熟知的各種調制方式要求的帶寬要寬得多，即擴展頻譜系統必須滿足以下兩條準則：

（1）傳輸帶寬遠遠大于被傳送的原始信息的帶寬；

（2）傳輸帶寬主要由擴頻函數決定，此擴頻函數常用的是偽隨機編碼信號。

擴頻通信系統具有這些優點，其理論依據是擴展頻譜技術的理論基礎，可用香農（C·E·Shannon）信道容量公式表示：

[C=Wlog（1+SN）]

在高斯信道中當傳輸系統的信號噪聲功率比[SN]下降時，可用增加系統傳輸帶寬W的辦法來保持信道容量C不變。（C值可以理解為在固定的時間里傳輸有用信號的能力）對于任意給定的信號噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。擴展頻譜技術正是利用這一原理，用高速率的擴頻碼來達到擴展待傳輸的數字信息帶寬的目的。擴頻通信系統的帶寬比常規通信體制大幾百倍至幾千倍，故在相同的信噪比條件下，具有較強的抗噪聲干擾的能力。

3 工頻調制技術分析

工頻調制技術的國內代表廠家是南京三能、深圳賽斯特、珠海錢龍、北京海通（漳州科能）。

3.1 工頻調制技術的原理

工頻調制技術的原理就是使用工頻50 Hz的過零點實現同步，真正的同步點應該是在正半周進入零點電壓前的50 V左右時，使用比較大的脈沖電壓來產生電力線上的脈沖波，在遠方實現脈沖的波形檢波，通過單片機的處理，來實現信息1和0的傳送。

3.2 工頻調制技術的優、缺點

工頻調制技術的優點：解決了電力線上數據傳輸的能量問題，代表數據的脈沖波可以是幾十伏到一百多伏，所以信息的傳輸是可靠的；從影響電網穩定上考慮，由于脈沖波的存在時間很短，所以不影響電網的正常運行；另外由于其同步的過零點技術，以集中器為參考，判別相位是其優點（如果采用采集終端，就沒有這個優點）。

工頻調制技術的缺點：對電網還是會產生干擾，開關管的控制容易燒毀，造成電表損壞；數據傳輸的波特率不可能超過50 BPS；另外這種技術的最大缺點是如果線路分支太多，脈沖波的線路衰減會比較明顯，脈沖波就可能不會被接收方感知，會出現抄表失敗。

工頻技術的最大優點是能夠解決以集中器為中心參考的相位技術，但這必須是載波表，即每一塊表都要有一個模塊，但是隨著采集器的推廣應用，以及485方式的采集器的大量推廣應用，對于電表的相位感知已經沒有意義了，因為485方式采集電表的數據無法感知相位，所以上傳的數據就沒有這方面的數據。此技術還在現場零星使用。

4 正交頻分多路復用技術（0FDM）分析

正交頻分復用（0FDM）技術在國內應用的代表廠家有河南許繼、深圳力合微、上海矩全等，都在試運行階段。

4.1 正交頻分多路復用技術（0FDM）的基本原理

OFDM技術實際上是多載波調制（MCM）的一種。其主要思想是將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾（ICI）。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道都可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾，如圖4所示。而每個子載波可以分別使用不同的調制方式，也可以使用相同的調制方式， 常用的有BPSK、QPSK、QAM等調制技術。

由于DSP技術的發展，在OFDM系統調制解調的實際應用中可以采用快速算法IFFT/FFT實現IDFT/DFT的理論計算，這為OFDM技術的推廣創造了極為有利的條件。另外，為消除碼間干擾（ISI），在實際OFDM系統中采用插入循環前綴（CP）的方法，即將OFDM符號尾部的一部分復制后放到符號前面，CP使所傳輸的符號表現出周期性，當CP的持續時間比信號在信道傳輸延遲時間大時，碼間干擾僅僅會干擾OFDM符號體前面的CP從而消除ISI。

OFDM系統框圖

4.2 正交頻分多路復用技術（0FDM）的優勢

（1）OFDM[6?7]在對抗干擾及衰落的優勢為把高速數據流通過串/并變換，使得每個子載波上的數據符號持續長度相對增加，可有效對抗信號波形間的干擾ISI，適用于多徑環道存在頻率選擇性，而所有子載波都處于深衰落的概率極小，OFDM系統可通過動態比特分配和動態子信道分配的方法，充分利用信噪比較高的子信道，提高系統性能。因為窄帶干擾只能影響一小部分的子載波，因此OFDM可以在某種程度上抵抗這種窄帶干擾。OFDM的以上優勢減小了接收機的復雜度，甚至可以不用均衡器，僅采用插入循環前綴的方法消除ISI的不利影響，大大節省了系統花費、減小了系統復雜度和功率消耗。

（2）OFDM系統由于子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此與常規的頻分復用相比，OFDM可以最大限度地利用頻譜資源。這一點在頻譜資源有限的電力線環境中尤為重要，當子載波數目很大時，系統的頻譜利用率趨于2 Baud/Hz。

（3） 各子信道的正交調制和解調可通過離散傅利葉反變換（IDFT）和離散傅利葉變換（DFT）實現。對N很大（N>32）的系統，可以通過快速傅里葉變換（FFT） [8]來實現。基于FFT的系統在計算方面更有效，并且隨著大規模集成電路技術[9]和DSP[10]的發展，IFFT和EFT都非常容易實現。

（4）OFDM的開放靈活性：希望物理層支持非對稱高速數據傳輸，而OFDM系統可以很容易使用不同數量的子載波來實現上下鏈路中不同的傳輸速率。

4.3 正交頻分多路復用技術（0FDM）的不足

（1）由于OFDM系統內存在多個正交子載波，而且其輸出信號是多個子信道的疊加，因此對子信道的正交性有嚴格要求。而由于電力線信道的時變性，還有發射機載波和本地振蕩器的頻率偏差，所以OFDM易受頻率偏差的影響。

（2）如果多個子信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬時功率會遠大于信號的功率，出現較大的峰值與均值功率比（PAR），這個比值的增大會降低功率放大器的功率效率，使系統性能惡化。為克服這些缺陷所要解決OFDM系統的同步問題和減少PAR值問題是目前研究熱點。

5 推薦使用的方案分析

優良的載波系統應該是系統功能完善，系統穩定可靠，特別是載波系統運行4～5年以后仍然能正常運行，這樣的系統經過綜合評價，應該是可以大量推廣應用的。

5.1 優良的載波系統應具備以下指標

（1）作為大量使用的表計，應該是穩定可靠的，特別是載波電路，電源應該簡單，載波電路應該簡單。只有滿足這些條件，表計才具備了穩定的條件。

（2）系統的功能應該簡單明了，主要的抄表功能必須具備，輔助分析功能應該在滿足用戶的條件下，盡可能的簡單。可以使用功能組合的方式來完成系統功能。

（3）中繼器可以下工夫做好，在接收回路作好抗干擾，并且做好信號的放大，在發射回路可以使用正負電源推挽放大電路來提高載波的發射功率。盡量把中繼技術做好。考慮到中繼措施不僅可以提高系統的抗衰減能力，而且由于信號幅度以幾何級數增加，大大提高了接收信噪比，對系統抗干擾能力提高，同樣有效。所以近年在低壓載波通信領域，中繼通信是一個十分熱門的話題。

（4）對于抄表特別困難的區域，可以考慮使用485方式或無線方式的中繼器來進行中繼抄表。這樣以485或無線中繼器為中心150 m以內的載波表的抄表就不是什么問題了。所謂485或無線方式的中繼器，就是使用485或無線方式來連接中繼器和集中器，中繼器仍然使用載波方式抄表。

5.2 處理抄表困難問題的辦法和原則

（1）一般情況下，以集中器為中心的200 m以內的400塊表的抄表是沒有問題的，最多使用電表之間的相互中繼。

（2）對于500 m以外的，抄表困難，使用專業中繼器進行中繼。

（3）對于特別復雜的區域，例如線路分支較多，使用鋁線較多，或則銅鋁交錯使用的地方或者線路較遠，載波信號傳輸特別困難，建議使用485方式或無線建立中繼器與集中器之間的通信，這樣保證了中繼器與集中器的通信，以中繼器為中心的150 m以內的載波表與中繼器的通信就可以保證了，缺點就是現場需要進行少量的布線和成本增加。

6 結 語

由于擴頻技術的數據傳輸速度快，抗干擾能力強，所以以擴頻技術為中心的窄帶載波抄表目前是主流。而OFDM可以有效地消除信號多徑傳播所造成碼間干擾（ISI），OFDM技術良好的性能使得其是未來抄表的發展方向。隨著PLC通信技術的成熟和穩定應用，其必將成為電力用戶用電信息采集的主要手段。

參考文獻

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