基于電力線載波的路燈線路檢測系統(tǒng)研究*

潘美虹，金 光，薛 偉，高 歡

（寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211）

基于電力線載波的路燈線路檢測系統(tǒng)研究*

潘美虹，金 光，薛 偉，高 歡

（寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211）

針對城市路燈線路的損壞以及被盜等問題，在分析比較現(xiàn)有路燈監(jiān)控系統(tǒng)功能的基礎上，結合當今社會對路燈控制管理的要求，提出了基于電力線載波通信的城市路燈線路檢測方案，設計了以51單片機為核心的線路檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制端和接收端組成，當檢測到線路故障時控制端可以把信息反饋給路燈管理中心，同時發(fā)送指令啟動無線檢測模塊，以確認該線路的具體故障位置。該系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測到路燈線路狀況，改變人力檢修排查的低效性，具有較好的應用前景。

路燈線路監(jiān)控系統(tǒng)；電力線載波通信；51單片機

0 引言

路燈線路的損壞（如短路引起線路燒毀）或被盜將造成大面積的路燈無法供電。現(xiàn)有的許多路燈線路狀況監(jiān)控系統(tǒng)不能實時有效地檢測路燈的照明情況，導致維護不及時，給市民生活造成不便。并且已有的系統(tǒng)存在線路狀況誤報的缺陷，必須以人工巡查為輔助，對線路進行檢查與管理。該方法不僅效率低，而且耗費人力。本文提出了基于電力線載波通信的城市路燈線路檢測系統(tǒng)設計方案。電力線載波（PLC）技術是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行傳輸?shù)募夹g［1］，該技術近年來陸續(xù)在許多行業(yè)中得以廣泛應用［2］。由于該技術進行信號傳輸時把電力線作為通信信道，所以實際應用時就不需另外鋪設專門通信線路，節(jié)省了大量的布線費用［3］。電力線載波通信與其他通信方式相比，具有傳輸距離遠、通信可靠性高、安全保密性好、投資少、經濟效益高、建設與電網建設同步等優(yōu)點，已經成為電力系統(tǒng)中應用較為廣泛的通信方式之一［4］，未來有更大的應用前景。

針對現(xiàn)有路燈管理系統(tǒng)的缺點，基于電力線載波通信的成熟技術，本文設計了一套能有效檢測路燈線路故障的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線與有線相結合的方式，利用相關的計算機與通信技術，實現(xiàn)路燈線路的遠程控制與實時檢測［5］。當系統(tǒng)檢測到某段線路發(fā)生故障時，啟動無線模塊，通過檢測路燈是否點亮，來確定具體的故障位置，然后將信息反饋給路燈管理中心，從而做出及時準確的處理。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于：能及時發(fā)現(xiàn)路燈電纜被盜、線路老化、線路短路而引起燒毀等異常情況；能在線路發(fā)生故障時及時反饋報警信息，便于及時解決問題，方便市民出行；克服了原有系統(tǒng)存在誤報的缺陷；有效解決人工巡查效率低、工作量大等弊端，從而減少管理及維護成本。

1 系統(tǒng)整體結構設計方案

本文旨在利用電力線載波通信進行路燈線路檢測，被檢測電纜兩端各安裝一個控制模塊與一個接收模塊，多個控制模塊集成在一個控制端當中，并安裝在控制箱內，對多路電纜進行檢測，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構圖

2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)以有線檢測為主、無線檢測為輔，有線檢測系統(tǒng)負責路燈線路故障檢測，無線檢測系統(tǒng)主要負責故障位置的確定。圖2為該系統(tǒng)工作原理框圖。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

2.1 有線檢測系統(tǒng)的組成與功能

該線路監(jiān)控系統(tǒng)分為五部分：主控模塊、接收模塊、液晶顯示單元、SIM900模塊和載波模塊。信息傳送信道為 220 V低壓電力線，通信方式為工頻通信方式［6］。該系統(tǒng)在路燈供電情況下，從路燈控制箱獲得電源，進行工作。在通電情況下，可一直處于工作態(tài)，能對線路狀況進行實時檢測。該系統(tǒng)可檢測各段線路的故障。

系統(tǒng)各模塊功能描述如下：液晶顯示單元用來顯示控制端接收到的信息，能實時顯示路燈線路的通斷情況；主控器模塊作為整個系統(tǒng)的核心，主要負責監(jiān)測線路的通斷情況，可進行故障檢測、電纜防盜；接收模塊由分布在多條線路上的單片機模塊組成，負責查詢信號的接收、處理以及反饋信息，各接收模塊將線路的通斷信息都返回到控制端進行統(tǒng)一處理，從而能同時檢測多條線路狀況；SIM900模塊用于遠程信息傳輸，把控制端收集到的各條線路的信息傳送到路燈管理中心。控制器模塊與接收模塊都由單片機完成，功能通過C語言編程實現(xiàn)，這兩個模塊之間通信的信息加載在電力線上進行傳輸。

系統(tǒng)具體采用HL-PLC V3.0載波通信模塊對信號進行調制，使得信號能在電力線中傳輸。該模塊采用FSK通信方式，軟件采用模糊算法，即使傳輸信號被干擾或丟失達40%，也能較準確地還原出原載波信號，抗干擾能力較強。載波中心頻率為 72 kHz，模塊可在過零發(fā)送模式和正常發(fā)送模式間自由切換。正常模式下傳輸速度快，但抗干擾能力弱，適合負載輕、干擾少的線路環(huán)境；過零模式速度稍慢，抗干擾能力強，適合絕大多數(shù)線路環(huán)境。本文設計的系統(tǒng)采用過零模式，如圖3為交流220 V環(huán)境下的組網結構，該結構下無需架設專門的通信電纜，安裝方便，抗干擾能力強，通信距離遠，比較適于復雜多變的電網環(huán)境［7］。

圖3 交流220 V環(huán)境下組網結構示意圖

2.2 無線檢測系統(tǒng)的組成與功能

無線模塊開始工作的指令由控制端給出，未出現(xiàn)線路故障時，該模塊一直處于休眠狀態(tài)，當控制端檢測到某段線路發(fā)生故障時，會給相應段線路的無線模塊發(fā)送啟動指令，使該線路的無線模塊工作。無線模塊收到指令后，通過配備的光感模塊檢測路燈的亮滅情況，從而確定出該段線路的具體故障位置。

3 系統(tǒng)的軟件設計

軟件設計采用 C語言編寫單片機程序，實現(xiàn)端到端的線路的單線測試。即控制端的單片機發(fā)送檢測信號到載波模塊，通過載波模塊的調制作用，將信息加載到220 V的電力線上，在接收端，信號通過載波模塊的解調后將信息發(fā)送到接收模塊。低壓電力線上存在著噪聲干擾，電壓、電流不穩(wěn)定等不確定因素［8］，因而會在線路正常的情況下，出現(xiàn)控制端無法收到反饋信息的情況，從而對線路狀況誤判。因此每次線路查詢，需多次發(fā)送進行驗證，以排除由于干擾而引起誤判的可能性。經實際測試分析得到：每一輪查詢，連續(xù)發(fā)送多次信號，即可排除線路干擾引起的錯誤判斷；考慮到信號的發(fā)送與接收需要時間，因此每次發(fā)送的信號之間需要間隔一段延時。經實際測試得到：從控制端向接收端發(fā)送信號到接收端返回信號給控制端，這個過程所需要的時間為500 ms，因此延時時間設定為 500 ms。

控制端每發(fā)起一次檢測，就會連續(xù)發(fā)送 n次信號，這個數(shù)值根據(jù)實際情況而定。若控制端在發(fā)送完 n次信號后，收到反饋信息，說明線路處于正常狀態(tài)；若控制端發(fā)送完 n次信號之后，仍未能接收到反饋信息，說明線路發(fā)生故障。控制端一輪查詢結束后，會向無線模塊發(fā)送指令，給路燈管理中心發(fā)送線路狀況的信息，若線路正常則不啟動無線模塊，只向路燈管理中心發(fā)送線路正常的消息；若線路發(fā)生故障，則控制端向無線模塊發(fā)送指令，啟動該模塊來進行故障位置的具體定位，并告知路燈管理中心線路發(fā)生了故障。線路檢測流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設計流程圖

4 系統(tǒng)測試

在寧波市的實際路燈環(huán)境中對該系統(tǒng)進行實地測試，在路燈控制箱安裝好發(fā)送設備，在路燈端安裝信號接收設備。測試過程主要分為兩種情況：通電與斷電。首先將控制箱與路燈端之間的線路斷開，此時安裝在控制箱的發(fā)送設備不斷進行信號發(fā)送，由于線路處于斷電狀態(tài)，因此安裝在路燈端的接收設備無法收到發(fā)送端發(fā)送的檢測信號，即接收端不能反饋信息給發(fā)送端，因此接收端的液晶顯示屏上顯示斷電信息。然后連接控制箱與路燈端之間的線路，此時路燈正常工作，發(fā)送設備不斷發(fā)送檢測信號，接收設備能接收到信號并進行反饋，此時在接收端的液晶顯示屏上顯示正常工作信息。兩種情況下的測試結果與預期的理論結果相符合，說明系統(tǒng)可靠。

由于實驗環(huán)境與實地測試環(huán)境有所差異，實際環(huán)境下干擾因素以及不確定因素增多，使得測試的準確率有所降低，因此需要在軟件設計中對差錯控制進行改進，將每次檢測時發(fā)送的信號數(shù)增加，以排除干擾引起的誤判。

5 結論和展望

試驗表明，該系統(tǒng)的檢測結果穩(wěn)定可靠，說明其能對電力線通斷情況進行實時、有效地遠程監(jiān)控，從而及時發(fā)現(xiàn)路燈線路故障，進行快速維修，提高城市管理效率。同時該系統(tǒng)采用電力線為信息傳輸?shù)耐ǖ溃杀苊庵貜筒季€，具有造價低、傳輸線路牢固可靠、安裝使用方便、誤報率低、受季節(jié)干擾小、耐用性強、工作電壓低、傳輸線路廣等優(yōu)點。以電力載波為主和無線通信為輔對路燈線路進行管理，提高了路燈管理水平和效率，實現(xiàn)了管理的智能化、網絡化、科學化和集中化，提高了社會效益，具有廣泛的應用前景。

隨著計算機、通信等信息技術的發(fā)展，電力載波作為一項電源與通信相結合的技術被廣泛應用于各種過程控制、家庭自動化等多個領域。尤其是在布線困難、電磁干擾強、環(huán)境惡劣的環(huán)境下更體現(xiàn)出其優(yōu)越性。目前該技術已應用于智能抄表、電力線上網、電梯控制、工業(yè)過程控制等場合，下一步更有望應用于智能家居［9-10］、交通部門管理、無人車駕駛等通信領域。由于電力線是一個巨大的網絡資源，是一個已經存在的網絡，無需另外鋪設通信線路，因此便于利用，成本低，信息傳輸?shù)陌踩院茫且环N發(fā)展前景很好的通信方式。

［1］劉紅，張冬來，孫光偉.電力線載波中傳輸線模型的建立及應用［J］.電力系統(tǒng)及自動化學報，2002，14（3）：27-31，62.

［2］張長洪.電力線載波通訊中自動增益控制電路研究［D］.天津：南開大學，2013.

［3］王寧，于傳維，顧瑛.基于電力線載波的抄表系統(tǒng)設計［J］.電子質量，2015（4）：25-28.

［4］武康.基于電力線載波通信的 LED路燈驅動電源及監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn)［D］.廣州：華南理工大學，2012.

［5］婁秀麗.基于電力線載波技術的智能照明系統(tǒng)的設計［D］.南京：東南大學，2013.

［6］梁偉.應用于路燈控制系統(tǒng)的電力線通信技術研究［D］.保定：華北電力大學，2012.

［7］楊迪.低壓電力載波通信的基本原理與關鍵技術分析［J］.電子技術與軟件工程，2014（18）：69.

［8］金凌英.電力線載波通信系統(tǒng)中信號干擾和擴頻技術的研究［D］.上海：上海交通大學，2008.

［9］李訓文.基于電力線通信技術的智能家居控制系統(tǒng)研制［D］.杭州：浙江大學，2013.

［10］劉新宇.基于電力載波通信的 LED隧道照明控制器設計［J］.電子技術與軟件工程，2014（18）：147.

Study on street light line detection system based on the power line carrier communications

Pan Meihong，Jin Guang，Xue Wei，Gao Huan
（Faculty of Electrical Engineering and Computer Science，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

To solve the problem of the power line being damaged and theft，on the basis of analyzing the function of street light supervisory control system and social request to the street light control management，a detection scheme for city streetlight line is designed and a power line monitoring system with the core of 51 microcontroller is proposed.The system consists of controllers and receivers.When detecting the line fault，the control terminal will feedback the message to street management center and send instructions to start wireless detection modules to determine the specific location of the fault line.The system can be used to monitor the street circuit in time，which alters the low efficiency condition of maintenance and trouble shooting by human.Thus，it predicts a bright prospect.

street light line monitoring system；power line carrier communication；51 microcontroller

TN913

A

1674-7720（2015）23-0055-03

潘美虹，金光，薛偉，等.基于電力線載波的路燈線路檢測系統(tǒng)研究［J］.微型機與應用，2015，34（23）：55-57.

2015-08-04）

潘美虹（1993-），女，在讀本科生，主要研究方向：物聯(lián)網。

浙江省高等教育課堂教學改革項目（kg2015090）；浙江省科技廳公益技術應用研究項目（2014C31059）

金光（1972-），男，教授，主要研究方向：物聯(lián)網、無線網絡。

薛偉（1990-），男，在讀本科生，主要研究方向：物聯(lián)網。