低壓電力線載波自動抄表系統設計中的關鍵問題

陳杰春 孫志明

(東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

傳統的抄表方式和用電管理體系已經不能滿足高度信息化時代下人們的生活需求。相比于傳統的人工抄表方式，自動抄表系統以其突出的便捷性、實時性和高效性逐步成為研究的熱點和今后的主要發展方向。自動抄表系統中可采用的通信方式種類較多，比如基于電話線網絡(PSTN)的抄表系統、基于ZigBee技術的抄表系統、基于LonWorks現場總線的抄表系統及基于低壓電力線載波通信的抄表系統等[1]。其中，低壓電力線載波通信是以固有的低壓電力線作為傳播媒介的通信方式，省去了重新布線等中間環節，具有成本低、工程量小及便于維護等優勢，在自動抄表系統中被認為是最理想的通信方式。但是，由于低壓電力線的信道環境惡劣，對通信效果影響較大[2]，致使低壓電力線載波通信的普及步伐較慢。筆者探討了基于低壓電力線載波通信的自動抄表系統設計中的關鍵問題。首先設計了自動抄表系統的總體結構，在此基礎上設計低壓電力線載波Modem的硬件電路和軟件，其次還探討了低壓電力線載波通信的自動路由算法。

1 自動抄表系統的總體結構①

圖1為基于低壓電力線載波通信的自動抄表系統的總體結構，它主要由電能表、采集器、電力線載波Modem、集中器和計費中心軟件5部分組成。其中采集器主要負責對電能表數據的采集和存儲，當集中器發出抄讀指令時，采集器通過電力線載波Modem將數據傳出，最后由集中器整合來自各個采集器的電表數據并遠傳到計費中心。

圖1 電力線載波自動抄表系統的結構

在一次抄收過程中，電力線載波Modem承擔著數據傳輸的重任。首先Modem對采集器發送過來的電表數據進行調制，然后經過內部的耦合電路將數據耦合到低壓電力線上進行傳送，接收方再經過相反的步驟解調數據。由此可見，電力線載波Modem是整個抄表系統得以正常工作的關鍵，但由于其技術不成熟，電力線載波Modem也是系統設計中的難點。

2 低壓電力線載波Modem的設計

2.1 硬件電路

低壓電力線載波Modem主要由微處理器、載波芯片和接口電路組成，其硬件結構如圖2所示。微處理器采用Silicon Laboratories公司推出的一種完全集成的混合信號片上系統(SOC)C8051F020，該芯片具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核，運行速度是一般8051單片機的10倍以上，具有較高的性價比。載波芯片ST7538Q是ST公司在前期產品ST7536、ST7537的基礎上推出的改進型產品，具有載波監聽及頻段占用檢測等實用功能，是一款專用于電力線載波通信的半雙工FSK調制解調芯片。

圖2 電力線載波Modem的硬件結構

ST7538Q芯片的BU引腳為頻段占用檢測引腳，可用于實現載波監聽的功能。當檢測到工作頻段的載波信號時，BU引腳被置高電平以指示載波信號的到來。除了BU引腳，ST7538Q芯片的CD/PD引腳也可以用于實現載波監聽的功能。但是相比較而言，BU引腳的靈敏度較低，只有在真正的載波信號出現時才會被置位[3]，不會被電力線上頻率與工作頻率相同的噪聲信號所影響，抗干擾能力更佳。

圖3是低壓電力線載波Modem的接口電路，由于ST7538Q內部集成了功率放大電路，因此接口電路僅有：接收濾波電路、發送濾波電路、保護電路和耦合電路。

圖3 接口電路

圖3中，L1、C17和R4構成了一個二階無源帶通接收濾波器，該濾波器只允許一定頻段的信號通過，能有效濾除電網中的工頻噪聲，而且無源濾波器不會像有源濾波器一樣帶來一定量的白噪聲。L2、L3、C21、C22和C23構成了四階帶通發送濾波器，用來濾除發送電路上摻雜的噪聲和偽信號。保護電路則由D2、D3和D4共3個單極型的瞬態抑制二極管星形連接而成，這樣可以有效抑制沖擊脈沖和尖峰信號。耦合變壓器T1能夠將待發送的信號耦合到低壓電力線上，同時還具有隔離電力線的作用[4]。

2.2 軟件

在微處理器C8051F020中燒寫的應用程序為低壓電力線載波Modem的軟件。系統上電時，微處理器首先對ST7538Q芯片進行寄存器配置，只有寄存器配置完成后，Modem才能正常工作。圖4為電力線載波Modem的軟件流程。

圖4 電力線載波Modem的軟件流程

在初始化階段，應用程序將狀態變量State設置為0，然后在時鐘下降沿進入寄存器配置狀態。當串口有數據寫入時，應用程序將狀態變量State設置為2，并在時鐘下降沿進入發送數據狀態。如果狀態變量State既不為0也不為2，應用程序則通過檢測BU引腳的電平高低決定是否進入接收數據狀態，如果BU引腳為高電平且狀態變量State等于3，則進入接收數據狀態，否則應用程序不會執行任何操作。

圖5為示波器截圖，該圖準確地描述了寄存器的配置過程。其中，示波器的第一路信號為同步時鐘信號，該同步時鐘信號由ST7538Q芯片的CLR/T引腳提供(圖2未畫出)，數據在同步時鐘的上升沿被采樣；第二路信號為所配置的寄存器數據信號，該數據為1110 0000 0100 0101 1100 1000(E0 45 C8)，ST7538Q芯片的寄存器共有24位，配置過程中按照先配高位，后配低位的順序進行，即先寫入第23位，最后寫入第0位。

圖5 ST7538Q芯片的寄存器配置過程

配置好寄存器后，電線載波Modem則可進入正常的工作狀態，圖6、7分別給出了其發送數據和接收數據的波形圖，可以明顯看出接收端信號的幅值相比于發送端信號的幅值大幅減小，這是由電力線上的各種負載導致的，但考慮到ST7538Q芯片的接收靈敏度可以達到0.25mV，因此低壓電力線載波Modem仍然能夠可靠地接收到載波信號。

圖6 發送數據波形

圖7 接收數據波形

3 電力線載波通信的路由算法

由于低壓供電網絡的設計初衷不是為通信系統服務，因此采用低壓電力線作為通信信道的效果并不是十分理想[5]，這也直接影響了低壓電力線載波自動抄表系統的可靠性和通信距離。為了提高自動抄表系統的性能，首先從硬件設計的角度出發，比如優化接收濾波器、發送濾波器和阻抗匹配電路的設計，以及改進載波調制/解調方式等，但是以上措施只能對點對點系統的通信性能有所提高，而且提升空間有限[6]。

對于整個自動抄表系統而言，點對點的通信可靠性并不能作為系統性能的評價指標，因此在低壓電力線載波通信系統中建立類似于以太網的路由網絡是保證系統性能的有效方法。筆者將探討一種適用于低壓電力線通信網絡的新型組網算法——人工蛛網算法。該算法能夠把傳統的樹形網絡拓撲轉換為蛛網形式，比常規的電力線通信機制效率高。此外，筆者還將針對出現故障節點的情況探討人工蛛網形式下的重路由算法。

3.1 基于人工蛛網的組網算法

圖8是一個采用樹形拓撲結構的低壓電力線載波通信系統，其中C為集中器。在理想情況下，所有的節點都可以直接與集中器C進行數據的收、發，但隨著節點與集中器C之間的距離增加，通信能力會越來越差。實際情況下，僅數米內的節點才能可靠通信。

圖8 采用樹形拓撲的低壓電力線載波通信系統

為了提高低壓電力線載波通信系統的可靠性，可以采用人工蛛網算法調整通信系統的拓撲結構，以圖8所示的低壓電力線載波通信系統為例，說明其調整過程：

a. 首先由集中器C發送組網廣播，假設只有節點1～7收到了組網廣播，在節點1～7中選擇一個節點作為子網1的中心節點，這個節點應該既能與集中器C可靠通信，又能和剩余的其他6個節點可靠通信，此處假設為節點4。然后，再由子網1的中心節點(節點4)為其他6個節點分配邏輯地址，至此完成了子網1的組網。

b. 集中器C向子網1的中心節點(節點4)發送組網指令。接收到組網指令后，子網1的中心節點發送組網廣播。假設節點1～14均收到了組網廣播，此時應去除已經獲得邏輯地址的節點(節點1～7)，并在剩下的節點中選擇一個能與子網1的中心節點可靠通信的節點作為子網2的中心節點，此處假設為節點11，然后再為子網2內的其他節點分配邏輯地址。

c. 集中器C以子網1的中心節點為中繼向子網2的中心節點發送組網指令。如圖9所示，與子網2的組網過程相似，以節點16為中心節點，構建子網3。

d. 集中器C以子網1和子網2的中心節點為中繼向子網3的中心節點發送組網指令，由于子網3已經將剩下的節點全部連通，因此子網3的中心節點通過子網2和子網1的中心節點向集中器發送空響應，這樣就完成了對整個系統的組網[7]。

3.2 人工蛛網的重路由算法

在完成系統組網后，集中器C通過中心節點采集各子網內節點的數據，例如子網1中，中心節點4負責采集節點1～3和5～7的數據，然后將采集到的數據與自身的數據一同上傳到集中器。這里規定，子網內中心節點采集其他節點數據所用的時間為一個數據采集周期，如果在某個數據采集周期內，中心節點沒有接收到子網內某一個節點的數據，則認為這個節點不能與中心節點正常通信，這時中心節點就會對該節點發起重路由指令[8]。以圖10為例，說明人工蛛網的重路由算法。

圖10 雙層人工蛛網

假設圖10中的節點7在某一時刻不能與中心節點1通信，即節點7與節點1之間的信道環境較差。此時，節點7需要選擇一個合適的中繼路徑恢復它與中心節點間的通信，而節點13受其影響也需要重新選擇最優路徑，路徑選取的原則均以距離最短為最優。以節點13為例，分別采用Dijkstra算法和遺傳算法對此進行仿真。Dijkstra算法是目前公認較好的求解最短路徑問題的算法，也是很具代表性的一種算法[9]。該算法的步驟如下[10,11]：

a. 建立兩個集合S和U，初始時，集合S中只包含源節點，集合U包含通信系統中的其他節點。

b. 從集合U中選取一個與源節點間最短距離最小的節點，并將其放在集合S中。假設節點s為源節點，節點w為集合U中的任意一個節點，若集合S中只包含源節點，則節點w與源節點之間的最短距離為min{dist(w,s)}。若集合S中包含兩個或兩個以上的節點，假設v為集合S中的除了源節點以外的任意一個節點，則節點w與源節點之間的最短距離為dist(w,v)+min{dist(v,s)}。

c. 重復步驟b，直至將集合U中的所有節點取出為止。

表1為仿真實驗結果，可以看出：Dijkstra算法和遺傳算法均能找到最優路徑(最優路徑如圖10中實線部分所示)。但是從算法的運算時間來看，遺傳算法并沒有突出的優勢，盡管它在高空間復雜的問題上有著較好的表現，而且實驗過程中，遺傳算法還存在非最優路徑的解，因此，選用Dijkstra算法能夠更好地滿足本應用中重路由路徑選擇的需求。

表1 仿真結果

4 結束語

以電力線載波Modem和電力線載波路由算法為主，對電力線載波自動抄表系統中的關鍵問題進行了論述。分別從硬件和軟件兩方面介紹了電線載波Modem的設計方法，經調試該Modem能夠穩定、可靠地運行，解決了抄表系統中的技術難點。從提高自動抄表系統可靠性的角度出發，又探討了電力線載波的人工蛛網路由算法，通過比較Dijkstra算法與遺傳算法在重路由路徑選擇時的結果，證明了Dijkstra算法在人工蛛網組網模式下的適用性。