低壓電力線載波通信的遠程抄表系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

楊金成，劉海洋，申 李，王 璐，張振源，黃大榮

(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.重慶交通大學信息科學與工程學院，重慶 400074)

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力相關(guān)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。在電力遠程抄表系統(tǒng)中，電力線作為通信網(wǎng)絡(luò)具有布置成本低、大規(guī)模部署難度小及接入方便的優(yōu)勢，已成為當前的研究熱點[4-7]。針對遠程抄表系統(tǒng)存在的相關(guān)問題，在詳細分析了低壓電力線信道特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種低壓電力線載波通信的遠程抄表系統(tǒng)架構(gòu)。首先，分析了低壓電力線載波通信的遠程抄表系統(tǒng)存在的問題及可行性；然后，針對低壓電力線載波通信存在的可靠性低、誤碼率較高等問題，進行了低壓電力線信道特性分析，并提出了基于過零同步分時傳輸?shù)牡蛪弘娏€載波通信技術(shù)，以改善上述問題；最后，通過芯片設(shè)計驗證，完成了通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。

1 低壓電力線載波的整體系統(tǒng)

低壓電力線遠程抄表系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 低壓電力線遠程抄表系統(tǒng)框圖

遠程抄表系統(tǒng)主要由采集器、集中器和數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成[8]。采集網(wǎng)絡(luò)中，采集器負責對采集設(shè)備或傳感器進行采樣或存儲，并通過通信線路與集中器進行通信。集中器管理所負責的采集器，對數(shù)據(jù)進行匯總和處理，并通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，同時傳達數(shù)據(jù)中心服務(wù)器對集中器和采集點的增加、刪除及修改等操作。

在整個遠程抄表系統(tǒng)架構(gòu)中，電力線網(wǎng)絡(luò)作為全球覆蓋規(guī)模較大、建設(shè)較為完善的網(wǎng)絡(luò)，具有成為獨立通信網(wǎng)絡(luò)的獨特優(yōu)勢。但這僅針對已經(jīng)成熟的10 kV以上電壓等級的高壓電力線載波技術(shù)。基于低壓電力線載波的通信網(wǎng)絡(luò)由于電力載波信號存在脈沖干擾，傳輸距離越遠，信號衰減越大,噪聲干擾也越大，會影響載波通信的質(zhì)量[9]。另外，在集中器與采集器之間的任務(wù)通信方式中，傳統(tǒng)的通信方法是直接通過數(shù)據(jù)中心服務(wù)器與電能表之間“點對點”的通信方式[10]。在通信命令下發(fā)過程中，需要很多環(huán)節(jié)的配合。由于通信交互的實時性要求較高，且流程復(fù)雜，通信的可靠性不高，一個環(huán)節(jié)配合不好就會影響通信的成功率。因此，利用低壓電力線載波作為通信網(wǎng)絡(luò)，需要選擇合適的調(diào)制方式、合適的頻率等，降低通信傳輸過程中所產(chǎn)生的較高誤碼率，從而改善低壓電力線載波通信質(zhì)量。下文以低壓電力線作為通信信道，展開特性分析。

2 低壓電力線信道特性分析

由于電力線不是專用通信信道，加上低壓電網(wǎng)負載復(fù)雜、負荷的時變性強，導(dǎo)致信道噪聲較傳統(tǒng)通信信道而言，噪聲來源更多，也更為復(fù)雜。噪聲的存在會導(dǎo)致信息在整個傳輸過程中最終表現(xiàn)為誤碼率較高、通信質(zhì)量不佳，甚至可能會產(chǎn)生通信失效[11-13]。所以測量并分析電力線通信信道的噪聲顯得尤為重要。

本文主要從“噪聲、阻抗、衰減”[14]這三個方面對低壓電力線信道進行分析。其中，低壓電力線交流市電頻率為50 Hz，載波通信允許頻段為500 kHz以下，且10 kHz以下為電網(wǎng)諧波范圍。因此，信道分析選擇時間長度為20 ms，衰減分析頻率范圍為10～500 kHz，阻抗分析和噪聲分析的頻率范圍為80～500 kHz。下面將對噪聲、阻抗、衰減特性分別進行詳細分析。

2.1 噪聲分析

低壓電力線的工作環(huán)境復(fù)雜，電力線的噪聲可能是雷電引起的，或者各種電器造成的。所以電力線的噪聲在信號表現(xiàn)形式上并不是以高斯白噪聲為主，而是表現(xiàn)為在極短時間周期內(nèi)都可能會產(chǎn)生變化。

噪聲測試框圖如圖2所示。

圖2 噪聲測試框圖

電力線噪聲通過耦合網(wǎng)絡(luò)耦合至示波器。示波器則采集噪聲并以數(shù)據(jù)文件形式進行存儲，在計算機上利用相關(guān)軟件進行相應(yīng)的頻譜分析。耦合電路的作用一是實現(xiàn)強電隔離，保證測試設(shè)備的安全；二是通過耦合網(wǎng)絡(luò)中的濾波器對測試頻段的噪聲進行濾除，從而減少干擾。添加過零觸發(fā)電路的作用則是為防止交流電壓重復(fù)采集的問題，確保數(shù)據(jù)采集的精確性。

利用高通濾波器濾除交流市電中的高頻分量，用高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備以采樣率100 MS/s采集20 ms的噪聲分析數(shù)據(jù)，并存儲傳至計算機。對噪聲數(shù)據(jù)作離散傅里葉變換，從而得到各頻率分量的變化情況，并使用三維頻譜圖方式展示出各頻點噪聲隨時間變化的幅度特性。噪聲三維頻譜如圖3所示。

圖3 噪聲三維頻譜示意圖

由圖3可知，雖然低壓電力線噪聲本身是隨機時變，但總體表現(xiàn)存在100 Hz/50 Hz的周期性。從具體表現(xiàn)形式上看，電壓過零時噪聲較弱，非零時刻噪聲變化更加明顯，電壓峰值時段噪聲一般比過零時段噪聲大15 dB。

2.2 阻抗分析

低壓電力線往往存在負載。在產(chǎn)生負載時，所有頻率的輸入阻抗都會減小。而且由于負載類型的不同，所以實際情況比較復(fù)雜，使輸入阻抗的變化不可預(yù)測。阻抗分析原理如圖4所示。

圖4 阻抗分析原理圖

由于阻抗變化不可預(yù)測，于是選擇了任意波形發(fā)生器產(chǎn)生信號，并采用高通濾波器對測試頻段的噪聲進行濾除。高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備可采集每5 kHz為間隔的各頻點20 ms低壓電力線阻抗變化趨勢。

以伏/安法為基礎(chǔ)，通過計算機控制波形發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的正弦信號，并采集對應(yīng)頻率的信號F1和F2，得到80～500 kHz頻段內(nèi)每隔5 kHz的各頻點20 ms低壓電力線阻抗變化趨勢。再以工頻同步交流市電電壓過零時刻為基準點，得到如圖5所示的三維阻抗分析圖。由圖5可知，低壓電力線阻抗幅度變化范圍大，最小小于10 Ω；阻抗具備與噪聲一樣的周期性，過零時刻與非過零時刻的表現(xiàn)形式有較大差異；從整體上看，一段時間內(nèi)同一測試點各頻點阻抗變化范圍趨勢比較穩(wěn)定。

圖5 三維阻抗分析圖

2.3 衰減特性分析

由于低壓電力線是非均勻不平衡的傳輸線，反射、駐波這些現(xiàn)象的存在使得信號的衰減幅度并不像其他信道一樣，只是簡單地隨傳輸距離的增加，信號衰減得越快。因此，需要對電力線進行衰減特性分析。電力線信號衰減特性測量框圖如圖 6 所示。

圖6 衰減特性測量框圖

圖6中，模擬搭建的各種測量場景組成了電力線網(wǎng)絡(luò)參與測量過程的相關(guān)儀器，包括波形發(fā)生器、耦合器、示波器和頻譜分析儀。

圖7 三維衰減示意圖

由圖7可知，由于低壓電力線是非均勻、不平衡的傳輸線，所以存在反射、駐波等復(fù)雜現(xiàn)象，使得信號衰減程度與距離并不是成簡單的正比關(guān)系；同時，衰減最大一般出現(xiàn)在250 kHz，同時也存在100 Hz/50 Hz的周期性變化。

2.4 改善后的載波通信技術(shù)

通過以上對電力線信道特性的充分研究，可知交流市電過零時刻其噪聲強度低、阻抗穩(wěn)定等特點，而且低壓電網(wǎng)噪聲強度與信號傳輸頻率普遍成反比關(guān)系：隨頻率的增加，電網(wǎng)噪聲明顯下降。這將顯著提高接收信噪比。經(jīng)大量試驗表明，以421 kHz附近頻率點作為傳輸頻率，對提高載波通信能力而言效果最好。

基于上述分析結(jié)果，本文提出以交流市電電壓過零時刻為時間基準進行信號同步，各相工作以本相過零點為基準的3.3 ms時間進行載波通信，同時選擇噪聲強度低的421 kHz作為載波中心頻點，以及連續(xù)相位(frequency shift keying,FSK)調(diào)制方式、直序擴頻編碼技術(shù)和小波變化技術(shù)[15]等作為通信技術(shù)。利用FSK調(diào)制方式，可以直接避免電網(wǎng)阻抗影響；結(jié)合擴頻編碼，可以顯著提高信號的抗干擾性；同時，使用連續(xù)相位的信號調(diào)制方式，可有效抑制調(diào)制信號時自身信號跳變產(chǎn)生的脈沖諧波干擾,最終有效適應(yīng)低壓電力線信道特性復(fù)雜的特點、顯著提高載波通信的成功率和穩(wěn)定性。

2.4.1 三相分時動態(tài)切換技術(shù)

過零同步分時傳輸載波信號原理如圖8所示。

圖8 過零同步分時傳輸載波信號原理圖

利用低電壓三相電壓相差120°的特性，每個半波在10 ms時間里，終端設(shè)備與各相通信單元間以3.3 ms為間隔處于獨立通信狀態(tài)，實現(xiàn)三相并行傳輸。相比原有持續(xù)發(fā)送的載波技術(shù)必須三相輪流進行信號傳輸而言，該方法提高了綜合碼元傳輸速率，保障了用電信息的采集效率。

2.4.2 數(shù)字三態(tài)D類放大器技術(shù)

根據(jù)載波通信時間，在持續(xù)發(fā)送電力線通信(power line communication，PLC)技術(shù)[16](載波信號連續(xù)發(fā)送)和過零發(fā)送PLC(交流電壓過零前后時間段發(fā)送)技術(shù)的理論基礎(chǔ)上，研究數(shù)字化解調(diào)和調(diào)制方式，提出了一種可以顯著降低帶內(nèi)諧波干擾且高輸出效率的數(shù)字三態(tài)D類放大器技術(shù)。

2.4.3 任務(wù)通信方式

針對集中器與采集器之間的任務(wù)通信問題，以“集中器主動”替換原有的“采集主站服務(wù)器主動”，從而使服務(wù)器與電能表之間的交互模式由同步方式轉(zhuǎn)為異步方式。較原有的方式而言，其通信效率有所提高，主站的占用時間也有所降低。設(shè)定任務(wù)優(yōu)先級，同時不影響數(shù)據(jù)采集，通過多輪次下發(fā)的方式，為大量的數(shù)據(jù)通信提供了技術(shù)支持，并可以配合電費控制和電價下發(fā)等任務(wù)，與遠程抄表任務(wù)一起完成。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在分析用電信息采集系統(tǒng)及低壓電力線信道特性的基礎(chǔ)上，為改善以低壓電力線作為用電信息采集系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)存在的問題，設(shè)計出一種新型的高性能、低成本、低功耗的電力線載波通信芯片，用于完成并驗證系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。

3.1 芯片設(shè)計方案

利用數(shù)字三態(tài)D類放大器、數(shù)字解調(diào)、三相分時動態(tài)切換和低功耗控制等技術(shù)，設(shè)計低壓電力線窄帶載波通信芯片。本設(shè)計采用CK802高性能低功耗32位內(nèi)核，配以豐富的片上外設(shè)模塊，以及自主研發(fā)設(shè)計的、專門應(yīng)對電力線載波通信的FSK解調(diào)和三態(tài)D類放大器調(diào)制模塊等設(shè)計而成。系統(tǒng)以CK802作為工作芯片。相較于其他控制器而言，該芯片具有低功耗、高性能的性能特點，可以達到低功耗控制的效果。其在-40～+85 ℃內(nèi)均可以正常工作，更適用于復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境。

3.2 芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計

低壓電力線窄帶載波通信芯片專用功能模塊框圖如圖9所示。其功能框圖由控制模塊和功能模塊構(gòu)成。控制模塊主要包括電源管理模塊、輸入/輸出狀態(tài)選擇模塊、頻率選擇模塊、三路切換模塊。功能模塊主要包括線性放大模塊、功率放大模塊、濾波模塊、穩(wěn)頻模塊、解調(diào)模塊、信號強度檢測模塊等。

圖9 通信芯片內(nèi)部專用功能模塊功能框圖

為解決上述芯片內(nèi)部專用功能模塊功能的問題，將這些功能分別集成到載波信號接收電路、高可靠窄帶載波信號發(fā)送電路、過零測試電路、集中器載波模塊以及單、三相載波模塊中。

3.2.1 載波信號接收電路

載波信號接收電路是將來自電力線上的窄帶載波信號經(jīng)過諧振電路(LC)濾波電路去掉低頻信號，利用隔離變壓器將信號耦合至低壓側(cè)，從而實現(xiàn)載波信號的接收。

3.2.2 高可靠窄帶載波信號發(fā)送電路

載波信號接收電路是將來自載波通信芯片輸出的三態(tài)D類數(shù)字信號，經(jīng)過自主研發(fā)的功率放大(power amplifier,PA)芯片及選頻濾波器后，通過隔離變壓器耦合至高壓側(cè)，實現(xiàn)載波信號發(fā)送。

3.2.3 過零測試電路

過零測試電路在工頻交流電過零點處產(chǎn)生的下降沿輸出作為過零同步信號，保障過零同步分時傳輸技術(shù)的穩(wěn)定運行。

3.2.4 集中器載波模塊

集中器載波模塊的主要功能是對低壓電力線通信網(wǎng)絡(luò)與電力用戶用電信息采集系統(tǒng)進行直接互聯(lián)，在實現(xiàn)主站載波通信功能的同時，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本，并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2.5 單、三相載波模塊

該模塊的功能主要是利用新型數(shù)字解調(diào)技術(shù)，實現(xiàn)電力線通信網(wǎng)絡(luò)的電子終端設(shè)備之間可靠的數(shù)據(jù)交換，同時具備中繼功能，可實現(xiàn)載波快速組網(wǎng)、主動上報、臺區(qū)區(qū)分、自動識別線路異常的功能。

4 通信系統(tǒng)架構(gòu)測試

以載帶路由模塊、窄帶單相通道板模塊為測試對象，配合相關(guān)測試工具以及測試軟件鼎信載波通信測試軟件F版V201703209完成本次芯片測試。測試環(huán)境如圖10所示。

圖10 測試環(huán)境示意圖

分別對設(shè)計的通信系統(tǒng)架構(gòu)進行了通信測試、抗衰弱測試、抗白噪聲測試以及數(shù)字三態(tài)D類放大器的驗證測試，測試結(jié)果如下。

4.1 通信測試

路由和模塊分別由12 V測試底座供電，放置于屏蔽箱內(nèi)，額外提供過零信號；路由端設(shè)置不同的載波速率與模塊端進行通信，并統(tǒng)計200次的通信結(jié)果。通信性能測試結(jié)果如表1所示。

經(jīng)驗證，在通信速率分別為50 bit/s、600 bit/s和1 200 bit/s的情況下，在未到達衰減臨界值時，均能保證通信成功率達到90%以上。

4.2 抗衰減性能測試

在路由和模塊載波通信線路之間加入可調(diào)衰減器，發(fā)送相應(yīng)通信報文，記錄錯誤檢查和糾正(error correcting code,ECC)等級為0時在不同衰減環(huán)境下的通信能力，以及成功率從100%開始下降的衰減值。將路由和模塊分別置于2個屏蔽箱中。模塊通過12 V供電。載波通信接口過衰減器連接，用于通信。

由表1可知，當通信速率為600 bit/s時，成功率從100%開始下降的臨界值為98 dB;當通信速率為1 200 bit/s時，成功率從100%開始下降的臨界值為99 dB。

4.3 抗白噪聲性能測試

通過信號發(fā)生器產(chǎn)生白噪信號，分別在路由端和模塊端注入不同幅值的白噪聲，設(shè)置以600 bit/s的速率發(fā)送PLC協(xié)議報文，設(shè)置衰減器的衰減值固定為98 dB，記錄200次通信后成功率值。模擬噪聲測試結(jié)果如表2所示。

表2 模擬噪聲測試結(jié)果

由表2可知，模擬噪聲添加至路由端時抗噪聲性能較好，模塊端則抗噪聲能力較差。

4.4 數(shù)字三態(tài)D類放大器效率驗證

以模擬421 kHz正弦波為例，當2個基頻正強信號之差占中間半波的48.2%、兩邊各占半波的8.4%時，就能得到最理想的模擬效果。其3次諧波、5次諧波和7次諧波都很小。疊加方波仿真示意圖如圖11所示。

圖11 疊加方波仿真示意圖

由圖11可知，通過通信系統(tǒng)測試，設(shè)計的數(shù)字三態(tài)D類放大器可以有效抑制帶內(nèi)諧波分量，同時具有高輸出率。

5 結(jié)論

本文在詳細分析了低壓電力線信道特性的基礎(chǔ)上，提出了基于過零同步分時傳輸?shù)牡蛪弘娏€載波通信技術(shù)，并利用相關(guān)技術(shù)設(shè)計了一套基于低壓電力線載波芯片的遠程抄表系統(tǒng)。該設(shè)計能一定程度提高系統(tǒng)通信的可靠性，并能夠提高集中器任務(wù)透傳的并發(fā)性，對智能電網(wǎng)的普及工作起到了推動作用。