載波通信分布式仿真系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

韓東，孫洋，殷聰，宮游

（1.黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150001；2.哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱150001）

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工管理已不能適應(yīng)新形勢(shì)的需求，取而代之的是利用現(xiàn)代科技實(shí)現(xiàn)低壓電網(wǎng)用電管理的現(xiàn)代化、自動(dòng)化，這已經(jīng)成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)。低壓電力線載波通信技術(shù)以其覆蓋范圍廣、連接方便、投資成本低等優(yōu)勢(shì)，已

被廣泛應(yīng)用于低壓居民用戶的用電信息采集系統(tǒng)。由于低壓電力線中存在的衰減、噪聲、用戶負(fù)荷等干擾因素的影響，載波通信難以實(shí)現(xiàn)100%的暢通。因此，為保證用電信息采集系統(tǒng)正常運(yùn)營(yíng)，需選擇通信設(shè)備品質(zhì)優(yōu)良性能的產(chǎn)品投入使用，我國(guó)計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)尚未建立完整的載波通信檢測(cè)體系，也未有成型的載波檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，急需建立一套科學(xué)有效檢測(cè)平臺(tái)更顯得尤為重要.雖然國(guó)內(nèi)、外制定了部分載波通信性能檢測(cè)規(guī)定，但只針對(duì)單個(gè)元件在有限條件下進(jìn)行性能檢測(cè)，實(shí)際運(yùn)行負(fù)載特性能力無(wú)法檢測(cè)［1-5］。

鑒于上述原因，國(guó)內(nèi)、外相關(guān)機(jī)構(gòu)正在對(duì)載波通信測(cè)試進(jìn)行積極的研究和探索。相關(guān)組織也正在積極組織行業(yè)進(jìn)行載波通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定。但現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)對(duì)低壓電力載波通信測(cè)試主要采用集中式的測(cè)試方法，難以真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際環(huán)境［6-12］。

開發(fā)研制低壓電力線載波分布式通信仿真系統(tǒng)目的是：

（1）建立切實(shí)可行真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的檢測(cè)系統(tǒng)（平臺(tái)），它不但具備檢測(cè)載波單器件全部通信性能，還具備檢測(cè)各種運(yùn)行條件下載波負(fù)載傳輸特性、路由組網(wǎng)、信號(hào)接收品質(zhì)優(yōu)劣等功能；

（2）載波仿真測(cè)試系統(tǒng)，通信檢測(cè)功能齊全，起到掌控載波通信產(chǎn)品質(zhì)量動(dòng)向，杜絕偽劣產(chǎn)品上網(wǎng)運(yùn)行的作用。另外，載波仿真測(cè)試系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，進(jìn)而深入掌握載波通信傳出特性機(jī)理，為我國(guó)載波技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和提升，制定國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)乃至國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提供可靠技術(shù)支撐，其意義深遠(yuǎn)重大。

1 仿真系統(tǒng)實(shí)施方案

分布式低壓電力載波通信仿真試驗(yàn)系統(tǒng)由三個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，即：電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)（三相電路）、GPRS網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)。在實(shí)際建筑網(wǎng)絡(luò)中本地負(fù)載前端串入監(jiān)測(cè)控制裝置配電箱，作為負(fù)載和電力線之間進(jìn)行測(cè)試的節(jié)點(diǎn)。配電箱中主要設(shè)備有；電能表、阻抗匹配終端、阻抗測(cè)試終端和高頻阻波器，A/D和485轉(zhuǎn)換器等。集中器下行通過(guò)電力載波通信信道與電能表進(jìn)行通信，從而獲取電能表抄讀電量、抄表成功率、路由相關(guān)信息；主站通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與集中器通信，獲取集中器各種數(shù)據(jù)信息，記錄載波信道的通信指標(biāo)；同時(shí)利用以太網(wǎng)、電能表、阻抗匹配終端、阻抗測(cè)試終端及各種現(xiàn)場(chǎng)的負(fù)載等設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電力載波通信信道進(jìn)行負(fù)荷配置調(diào)整，在設(shè)定載波信道負(fù)荷參數(shù)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、電力線交互傳遞集中器電能表試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)電力線通信信道采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核比對(duì)，完成載波通信試驗(yàn)全過(guò)程。

如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)布置在四層1 500平米樓內(nèi)，利用樓內(nèi)用電作為負(fù)載。樓內(nèi)供電分三類電源，分別是各樓層的動(dòng)力、照明和集中空調(diào)電源。照明電源負(fù)荷主要是日關(guān)燈、電腦和獨(dú)立式空調(diào)等；動(dòng)力電源負(fù)荷為各種電器、儀器、試驗(yàn)設(shè)備、電梯、程控電源等；集中空調(diào)電源供大樓的中央空調(diào)。載波傳輸在樓內(nèi)220 V/380 V低壓電力線上進(jìn)行信號(hào)傳輸，信道環(huán)境符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，信道中噪聲干擾由樓內(nèi)各負(fù)荷提供，即；各品種電器，各種試驗(yàn)設(shè)備，開關(guān)電源，電梯等，較一般臺(tái)區(qū)環(huán)境干擾環(huán)境復(fù)雜。

2 阻抗匹配終端工作原理

圖1 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)布置Fig.1 Layout of simulation test system

圖2 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的負(fù)荷采集結(jié)構(gòu)布置圖Fig.2 Loads collection structure layout of simulation test system

載波阻抗匹配終端硬件電路由主控板和高頻阻波器兩大部分構(gòu)成。主控電路板是整個(gè)載波阻抗匹配終端的核心單元，主要實(shí)現(xiàn)RS232串口通信、CPU控制繼電器切換板上電阻、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、定時(shí)復(fù)位重啟系統(tǒng)等功能；阻波器實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)大阻抗，對(duì)低頻信號(hào)呈現(xiàn)小阻抗的作用，降低外部無(wú)關(guān)信號(hào)的影響。

高頻阻波器要滿足高頻高阻抗低頻小阻抗的設(shè)計(jì)要求，為了滿足高頻高阻抗，研究中先后試驗(yàn)了鐵硅鋁、鐵氧體、鎳鋅、錳鋅等材質(zhì)鐵芯。經(jīng)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有錳鋅在100 kHz～500 kHz時(shí)阻抗能維持在100Ω～500Ω的高阻抗，而為了滿足50 Hz工頻能量無(wú)損傳輸，研究中先后設(shè)計(jì)了十幾種外圍電路，最后確定了下文中的跨接電容和增加串聯(lián)諧振以改變電路諧振點(diǎn)的阻波器外圍電路，如圖3所示。

圖3 高頻阻波器Fig.3 High frequency trap

表1 單相及三相高頻阻波器阻抗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Impedance test data of single-phase and three-phase high frequency trap

從表1數(shù)據(jù)可以看到，在100 kHz到500 kHz這一國(guó)內(nèi)主要電能表生產(chǎn)廠家的載波頻率范圍內(nèi)，當(dāng)用戶負(fù)荷端的阻抗從0Ω變化到500Ω的范圍內(nèi)，阻波器都能保持對(duì)高頻呈現(xiàn)大于50Ω的阻抗值，而對(duì)工頻50 Hz信號(hào)呈現(xiàn)毫歐級(jí)的小阻抗，符合設(shè)計(jì)需要。

3 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)操作原理

3.1 主站功能

主站承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)操作指揮核心，它具有錄入?yún)?shù)、試驗(yàn)方案設(shè)置、試驗(yàn)測(cè)試、測(cè)試數(shù)據(jù)管理等功能。

3.2 測(cè)試操作流程

（1）由主站、集中器錄入被試驗(yàn)設(shè)備相關(guān)參數(shù)，即；單、三相表和集中器等；

（2）設(shè)置實(shí)驗(yàn)方案，即，單器件通信性能測(cè)試還是電網(wǎng)系統(tǒng)特性測(cè)試。調(diào)節(jié)載波阻抗匹配裝置，確定測(cè)試環(huán)境；

（3）測(cè)試項(xiàng)目：?jiǎn)纹骷ㄐ判阅埽浑娖椒逯病挕⑼鈳Ц蓴_、主峰頻率、環(huán)境背景躁聲等。系統(tǒng)特性測(cè)試；載波阻抗分布、環(huán)境背景躁聲分布、載波品質(zhì)信號(hào)強(qiáng)度分布、路由路線和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)優(yōu)化評(píng)價(jià)等；

（4）數(shù)據(jù)管理，主要是通過(guò)各通信信道，即；電線載波信道，GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道，以太網(wǎng)信道采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行篩選、校核比對(duì)、分析列圖顯示等。

4 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

利用四層樓電力網(wǎng)設(shè)施，各樓層分別設(shè)置27點(diǎn)的測(cè)試配電箱，單器件通信性能測(cè)試及國(guó)家規(guī)范檢測(cè)項(xiàng)目本文就不作一一介紹。

4.1 路由拓?fù)湓囼?yàn)

主站管理軟件通過(guò)載波阻抗匹配裝置與樓中運(yùn)行負(fù)荷混合的組合調(diào)配（組網(wǎng)），組成多種載波通信試驗(yàn)環(huán)境，分別抄讀各網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)信息數(shù)據(jù)，仿真系統(tǒng)可配置7種不同的路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；分別是串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)、對(duì)稱雙徑結(jié)構(gòu)、不對(duì)稱雙徑結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

以電能表103931291410為例，路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如圖5（e）、圖5（f）、圖5（g）所示。該電能表分別在三種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中出現(xiàn)，說(shuō)明整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨著仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中阻抗的配置和調(diào)節(jié)而發(fā)生變化。

圖4 主站軟件的系統(tǒng)功能Fig.4 System function of main station software

圖5 路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.5 Routing topology structure diagram

4.2 阻抗、路由及信號(hào)品質(zhì)的變化關(guān)系

表2所示，列舉出三個(gè)電能表，隨著阻抗設(shè)置的變化，左證電能表的路由發(fā)生相應(yīng)的變化特性。例如，電能表103931291410號(hào)，當(dāng)阻抗設(shè)置為斷開、20 Ω和5Ω狀態(tài)時(shí)，集中器直抄此電能表；當(dāng)阻抗設(shè)置為0Ω時(shí)，集中器需要經(jīng)過(guò)1級(jí)中繼才能抄讀到此電能表。電能表104200007371號(hào)，當(dāng)阻抗設(shè)置為斷開時(shí)，集中器抄讀到此電能表需要經(jīng)過(guò)1級(jí)中繼；當(dāng)阻抗設(shè)置為20Ω時(shí)，集中器抄讀到此電能表需要經(jīng)過(guò)2級(jí)中繼；當(dāng)阻抗設(shè)置為5Ω時(shí)，集中器抄讀到此電能表需要經(jīng)過(guò)3級(jí)中繼；當(dāng)阻抗設(shè)置為0Ω時(shí)，集中器抄讀到此電能表需要經(jīng)過(guò)4級(jí)中繼。

由此表明，當(dāng)載波通信信道中的阻抗值由50Ω減小到0Ω時(shí)，越來(lái)越不適合低壓電力載波通信，集中器需要增加中繼的級(jí)數(shù)才能抄讀到電能表，反應(yīng)了低壓電力載波通信信道中阻抗值的變化對(duì)抄表的路由以及抄表能力的影響。

阻抗設(shè)置變化也會(huì)影響信號(hào)品質(zhì)因數(shù)，如表2所示，分別列出的電能表在阻抗設(shè)置變化時(shí)，集中器抄表的信號(hào)品質(zhì)因數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。

信號(hào)品質(zhì)因數(shù)是載波通信模塊內(nèi)的一種特殊參數(shù)，涉及到各個(gè)載波通信模塊廠家的路由算法，與載波信號(hào)強(qiáng)度、系統(tǒng)的信噪比以及通信距離有直接關(guān)系。電力線載波通信是利用電力線，通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字的信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。由于電力線輸送電是50 Hz工頻信號(hào)，用戶使用負(fù)荷所產(chǎn)生邂波勢(shì)必污染通信信道，影響了載波調(diào)制、解調(diào)信號(hào)傳輸全過(guò)程，載波信號(hào)的信噪比急劇下降，通信可靠性降低，因此，提高信噪比是確保載波信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)抄讀準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。目前低壓電力載波通信的調(diào)制方式都是采用FSK或PSK，其誤碼率分別為：

式中r為輸出信噪比，其表達(dá)式如下：

其中a是經(jīng)過(guò)衰減的載波信號(hào)幅度，當(dāng)?shù)蛪弘娏€載波通信系統(tǒng)中阻抗設(shè)置發(fā)生變化，Pe中的a會(huì)發(fā)生變化，總誤碼率變化，所以信噪比發(fā)生變化，進(jìn)而影響信號(hào)品質(zhì)因數(shù)。

表2 阻抗設(shè)置變化對(duì)路由及信號(hào)品質(zhì)因數(shù)的影響Tab.2 Impact of routing and signal quality factor by impedance variation

電能表103931291410，在四種阻抗設(shè)置的情況下信號(hào)品質(zhì)因數(shù)的變化如下：當(dāng)阻抗設(shè)置為斷開時(shí)，信號(hào)品質(zhì)因數(shù)為13；當(dāng)阻抗變化為20Ω時(shí)，信號(hào)品質(zhì)因數(shù)也由13變化為33；當(dāng)阻抗設(shè)置為5Ω時(shí)，信號(hào)品質(zhì)因數(shù)由33變化為13；當(dāng)阻抗設(shè)置為0Ω，信號(hào)品質(zhì)因數(shù)變?yōu)?2。電能表104200007371，反映了阻抗設(shè)置和路由的變化對(duì)信號(hào)品質(zhì)因數(shù)的影響，當(dāng)阻抗設(shè)置為斷開時(shí)，中繼級(jí)數(shù)為1級(jí)，信號(hào)品質(zhì)因數(shù)為53；當(dāng)阻抗變化為20Ω時(shí)，中繼級(jí)數(shù)為2級(jí)，信號(hào)品質(zhì)因數(shù)也由53變化為13；當(dāng)阻抗設(shè)置為5Ω時(shí)，中繼級(jí)數(shù)變化為3級(jí)，信號(hào)品質(zhì)因數(shù)由13變化為53；當(dāng)阻抗設(shè)置為0Ω，中繼級(jí)數(shù)變化為4級(jí)，信號(hào)品質(zhì)因數(shù)變化為02。

這里需要說(shuō)明的是信號(hào)品質(zhì)因數(shù)越大代表通信質(zhì)量越好，在阻抗設(shè)置為斷開或者設(shè)置為0時(shí)，都是電網(wǎng)和電能表阻抗不匹配狀態(tài)，所以電能表載波通信的信號(hào)品質(zhì)因數(shù)的大小也是隨電網(wǎng)負(fù)荷變化的；當(dāng)阻抗設(shè)置由大變小（20Ω變化為5Ω）的過(guò)程中，原有電能表的路由改變，隨著中繼級(jí)數(shù)的增加通信質(zhì)量變好，信號(hào)品質(zhì)因數(shù)是上升的。因此可以通過(guò)改變路由，增加中繼來(lái)增加信號(hào)品質(zhì)因數(shù)，從而提高通信的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了分布式低壓電力線載波通信仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了以載波阻抗匹配的組合方式，真實(shí)模仿了低壓電力線載波通信的運(yùn)行環(huán)境。試驗(yàn)研究中測(cè)得7種路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并運(yùn)用實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真系統(tǒng)試驗(yàn)真實(shí)性。如抄表真實(shí)性，由以太網(wǎng)通過(guò)485線驗(yàn)證；路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由各電能表中繼方式和信號(hào)品質(zhì)因數(shù)驗(yàn)證等。

綜上所述載波通信仿真試驗(yàn)系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）采用供電運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)用分布多點(diǎn)測(cè)試方法，真實(shí)反映了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際載波通信狀態(tài)；

（2）研發(fā)了載波阻抗匹配組合方法，充分利用一種固定電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變多種載波通信路徑和通信環(huán)境，突破載波通信無(wú)法仿真的難題；

（3）仿真測(cè)試系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，通信測(cè)試項(xiàng)目齊全完整，試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確（可運(yùn)用三種通信信道測(cè)試驗(yàn)證）；

（4）載波通信仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，不但為電力線載波通信設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)收服務(wù)，還可為研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商提供科學(xué)試驗(yàn)研究平臺(tái)。系統(tǒng)不足之處是供電范圍小，測(cè)試點(diǎn)少；若足夠大，路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將更加多樣。