基于電力線載波通信的線路識別檢測儀設計研究

徐蕊妍

（上海市安全生產科學研究所）

0 引言

電力線載波（Power Line Carrier, PLC）通信是利用高壓電力線路（通常指 35 kV 及以上電壓等級）、中壓電力線路（指10 kV 電壓等級）或低壓配電線（380 V、220 V 用戶線），作為信息傳輸媒介進行語音或數據傳輸的一種特殊通信方式。近年來，高壓電力線載波技術突破了僅單片機應用的限制,已經進入了數字化時代。隨著電力線載波技術的不斷發展，中低壓電力線載波通信的技術開發及應用越來越廣泛。PLC是電力系統特有的基本通信方式，與其他通信方式相比，電力線載波通信以電力線路為載體，具有傳輸數據信息可靠、投資少，以及施工期短無需再鋪設信號線等優點[1-3]。本文研究一種基于電力線載波通信的線路識別技術，通過啟動主檢測線路上的檢測命令，可以確定低壓出線側的線路連接情況，形成基于電力線載波通信的線路識別技術方案，再利用載波通信功能模塊，對該技術方案進行驗證。

1 在低壓電力線路識別中遇到的問題

在某化工園區規劃過程中，低壓電力線路遇到不能識別復雜線路連接的情況。如果采用人工斷電進行線路識別，將對化工生產造成重大影響，因此需要開發一種方便快捷的裝置，能夠在不停電的情況下方便地檢查出低壓線路的連接情況。

調查研究了相關儀器但都不能進行雙邊協同工作，距離遠時還要解決相互溝通的問題。在布線工程中采用最普遍的是區分線序的方法，具體如下。

1）布線一根接一根，非常耗時，但最可靠。缺點是效率非常差、重復勞動最多。

2）萬用表加對講機，二人協同方式。優點是準確、重復勞動較少。缺點是需要多次測量、校對，效率低、浪費人力，并且人員需要培訓。

在調研過程中發現，部分單位正在使用一些電纜對線設備。但是這些設備或者是簡單的信號發生器，準確性不好，不易掌握，抗干擾性能低，或者是體積龐大、笨重，無法便捷攜帶和使用，工人們在沒有特殊要求時是不愿意使用它們的。因此，需要研制一款體積小、操作簡便、測量準確的電纜對線儀器，提高布線施工的便捷性和可靠性。

通信公司（電信、聯通、移動）所用的網線檢測儀可以進行信息傳遞，但無法進行雙向通信，也無法進行線路詳細信息的傳遞。利用這些設備的信息傳遞原理，開發設計出一種能夠測量準確的線路識別儀器，它既能進行信息傳遞、又能雙向通信，能夠實現線路詳細信息的傳遞。

2 線路識別檢測儀的工作原理

基于電力線載波通信的線路識別檢測儀利用載波技術將電信號編碼后發送出去，用于識別線路狀況；根據接收端接收信號情況來判斷線路狀況，如果發射信號接收成功則說明線路是通的，接收失敗則說明斷路，如接收端多路同時收到發射信號則說明短路。

線路識別檢測儀分為發射端和接收端，使用載波模塊進行載波通信。發射機部分的接地線與被測試電纜的屏蔽層或與鋼芯連接；將1～12號檢測線與被測試線纜連接，并開啟發射機。接收機部分的接地線與被測試電纜的屏蔽層或與鋼芯連接；將檢測接口依次對接未知線纜，LCD顯示器會顯示對應的發射機序號即可知道對應線纜。

基于電力線載波通信的線路識別檢測儀的工作原理見圖1。發射機通過1～12號口以不同的波特率交替發送“A1-A12”字符串。接收機捕捉對應字符串來檢測對應的線纜線序。

基于電力線載波通信的線路識別檢測儀具有以下優點。

1）利用雙向饋電電路進行檢測，無需公共線。

2）利用被測線路進行異步通信，并進行編碼校驗，排除誤碼，強抗干擾。

3）線路標號直接顯示，防誤操作。

4）測量方式多樣化，適應多種測量場合。

5）整機低功耗設計，最大限度地增加工作時間。

6）采用載波通信模式，確保施工人員安全。

7）小型手持儀器，單人、單手操作。

3 線路識別檢測儀的硬件設計和軟件設計

3.1 硬件設計

基于電力線載波通信的線路識別檢測儀的硬件結構見圖2，載波發射模塊見圖3，供電降壓模塊DC-DC見圖4。

圖2 線纜檢測儀硬件結構

圖3 載波發射模塊

圖4 供電降壓模塊DC-DC

載波發射模塊供電電壓檢測儀，實時查看發射機電壓。電壓顯示圖見圖5。

圖5 電壓顯示

ATMEGA328載波發射模塊，從TX1、RX0、D2-D11，對應輸出A0-A11載波字符串，對應12路線路信號。信號檢測模塊，通過RX0接收載波信號并在液晶顯示屏上顯示。

Arduino Uno開發板——以ATmega328 MCU控制器為基礎——具備14路數字輸入/輸出引腳（其中6路可用于PWM輸出）、6路模擬輸入、一個16MHz陶瓷諧振器、一個USB接口、一個電源插座、一個ICSP接頭和一個復位按鈕。它采用Atmega16U2芯片進行USB到串行數據的轉換。Uno PCB的最大長度和寬度分別為2.7英寸（6.86cm）和2.1英寸（5.33cm），USB連接器和電源插座超出了以前的尺寸。4個螺絲孔讓電路板能夠附著在表面或外殼上。請注意，數字引腳7和8之間的距離是160密耳（4mm），不是其他引腳間距（100密耳，2.5mm）的偶數倍。它包含了組成微控制器的所有結構，同時，只需要一條USB數據線連接至電腦。目前，Arduino Uno已成為Arduino主推的產品。

ATmega328具有32KB閃存（其中0.5KB被啟動加載器占用）。它還具有2KB SRAM和1KB EEPROM（可以利用EEPROM庫讀取和寫入）。

Arduino Uno可通過USB連接或者外部電源供電。外部（非USB）電源可以是AC-DC適配器，也可以是電池。通過將2.1mm中心正極插頭插入電路板的電源插座即可連接適配器。電池的引線可插入電源連接器的Gnd和Vin排針。電路板可由6～20V外部電源供電。然而，如果電源電壓低于7V，那么5V引腳可能會提供低于5V的電壓，電路板也許會不穩定。如果電源電壓超過12V，穩壓器可能會過熱，從而損壞電路板。電壓范圍建議為7～12V。

3.2 軟件設計

基于電力線載波通信的線路識別檢測儀采用AVR軟件模擬串口程序。

輸出：用定時器控制普通IO口輸出位。

輸入：用外部中斷+定時器，判斷位的寬度。

4 線路識別檢測儀的應用

在該化工園區應用了線路識別檢測儀，能夠在不停電的情況下方便地檢查出低壓線路的連接情況，效果良好。現場檢測圖如圖6所示。

圖6 現場檢測圖

5 結束語

本文設計了基于電力線載波通信的線路設備檢測儀，通過設計基于電力線載波通信的主從設備，能夠方便、快捷地完成低壓電力線路的連接情況的識別。該線路設備檢測儀應用在低壓電力線路中，能及時、有效、簡便地檢測出進線對應的出線，也確保施工人員安全。