低壓電力線寬帶載波HPLC組網通信測試系統設計

燕伯峰 劉宇鵬 黃 欣 董永樂 余 佳 李 軒

（1．內蒙古電力（集團）有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010020；2．內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

窄帶載波經過多年的建設與運維，通信缺陷逐漸突顯，其組網性能、網絡拓撲適應能力是寬帶載波通信運行的關鍵，對電網環境的適應能力關系著整個電網系統能否正常運行。目前國內已經加快低壓電力線寬帶載波通信技術的研究和市場布局，并發布低壓電線寬帶載波HPLC的技術標準和檢測標準[1-2]。2020年3月，國家電網發布HPLC深化應用功能升級改造要求，主要體現在通信性能檢測和網絡優化功能。

由于HPLC通信缺乏嚴格的性能檢測設備，現有的檢測系統較少考慮HPLC高頻特征帶來的空間輻射影響，輻射信號串擾影響設備的準確度量和檢測，不適用于對寬帶載波通信進行定量分析檢測。文獻[3-4]只是基于RS485 通信研究了用電信息采集系統的通信檢測方法。文獻[5] 研制了一種便攜式低壓電力線載波通信信道測試裝置，只對單個設備進行的檢測，效率不高。文獻[6]是對現場采集成功率提升措施研究。文獻[7]僅基于多節點的低壓寬帶電力線信道建模方法研究。文獻[8-10]研究載波的信道特性并進行模擬通信測試，以上研究僅針對電能表或采集終端進行檢測及仿真?；诖耍撐膹挠秒娦畔⒉杉到y層面對現場干擾因素進行仿真試驗，采用真實表計和全模塊測試驗證研究，實現用電信息采集通信過程中的故障定位及復現。對HPLC模塊系統組網通信及抗干擾能力進行檢測，設計能夠針對不同廠家設備在仿真環境下對HPLC組網性能進行測試與分析。

1 組網檢測仿真系統設計與實現

寬帶載波通信組網檢測系統框圖如圖1所示，整套系統主要由3個掛表測試裝置、測控平臺軟件、寬帶載波信道仿真箱、多功能控制模塊和頻譜儀等組成，建立采集終端、多級載波表的現場仿真環境。

圖1 寬帶載波組網通信檢測

3個測控裝置模擬安裝在較遠距離、不同位置以及不同載波計量設備的現場安裝環境，信道仿真箱是模擬低壓線路上寬帶載波信號隨著線路距離和環境變化造成信號衰減的設備。多功能控制模塊能夠模擬不同的信道負載，測試網絡的帶載能力。測控平臺軟件是該系統的核心部分，包括測試用例模塊、設備控制模塊、指令收發模塊、數據處理分析模塊、故障庫模塊、電能表模擬模塊和測試報告模塊等。通過對寬帶載波HPLC模塊系統組網通信及抗干擾能力進行檢測，實現模擬影響載波通信效果的距離衰減、阻抗變化、帶載能力、組網效率及路由性能等主要因素的HPLC組網通信測試系統。

1.1 測控裝置設計

組網測控裝置的設計兼容電網中各種采集計量設備，包括I型集中器、I型采集器、II型采集器、單相表和三相表。首先，通過隔離變壓器濾除市電低壓電力線上的各種高頻、電磁等干擾信號，保證一個穩定的檢測環境。其次，設計三級衰減以達到中繼路由測試目的。最后，因為寬帶載波在測試過程中發現存在40 cm～50 cm的空間輻射距離，為降低輻射干擾，每個裝置相隔大于50 cm，所以采用分體式結構，且每級載波信號均接入頻譜儀，實現實時信道信號的監控。

具體設計思路是工控機通過串口服務器與集中器相連，工控機上測控平臺軟件控制電源、寬帶載波信道仿真箱以及載波帶載能力控制模塊的加載和參數設置，并通過Q/GDW376.1協議控制集中器抄表。在載波路由表建立及完成組網過程中，基于黑盒測試技術對組網中的模塊進行通信性能測試。組網成功后，測控平臺軟件通過集中器HPLC 模塊（CCO）發送數據幀給電表或采集器上HPLC模塊（PCO/STA），表上HPLC模塊從數據幀中解析出DL/T645或DL/T698數據幀給電表，電表再反方向返回數據給測試平臺，測試平臺是否收到應答來判定本次通信是否成功，以此依據來測試通信成功率，完成通信可靠性自動化測試的目的。

1.2 寬帶載波信道仿真箱的設計與實現

此外在信號的傳輸過程中，會在網絡的節點上發生反射、折射，還會產生多徑效應，對傳輸信號具有較高的頻率選擇性衰落，在長距離寬帶載波現場組網抄表過程中，信號會存在一定的衰減[13]。該文為了模擬低壓電力線所處的水、氣、溫度、閃電等環境因素，采用寬帶載波信道實況仿真箱，如圖2所示，模擬現場低壓電力線在外場環境下可能遇到的情況。

屏蔽箱作為模擬電力線傳輸的空間環境的設施，箱體有模擬線路衰減的衰減器和模擬自然環境的觸發接口，模擬自然環境，具體是通過水閥噴頭接入口、氣閥噴頭接入口、模擬的閃電雷擊放電接入端口以及箱體溫度控制調節口分別作用于箱體內，測試單一環境變量改變或多個因素同時作用后，箱體內通信線路通信的穩定性。

箱體內可調強電衰減器的控制信號線采用絕緣絞線引出。通過上位機控制強電衰減器步進式調節信號衰減量，用頻譜儀觀察從耦合器分離出來的寬帶載波信號，研究不同衰減量條件下與鏈路數據穩定性、可靠性、完整性之間的關系，進而可以分析不同廠家載波模塊的性能。

1.3 多功能控制模塊設計與實現

由于低壓電力線上的用電設備等無規則上下電的影響，使信道上的負載實時變化，因此該文設計了多功能控制模塊，負責切換系統內不同的負載，模擬低壓線路上用電設備的變化。

為了模擬信道上的容抗和感抗，該模塊設計采用多個容性負載和阻性負載相結合的方式，通過多路繼電器控制通道接入負載電路。4個繼電器控制電路連接多功能控制板MCU，多功能版經過通信信道RS232受控于測控平臺軟件。啟動測試后系統按照測試用例的自動順序選擇不同負載組合，經集中器下發數據幀至多功能控制板，MCU解析出有效命令轉化為控制信號，使對應的繼電器動作， 將載波通信影響試驗負載切入，此時負載網絡的兩端即模擬了一種電網的網絡特性。之后集中器接收測控平臺軟件的指令開始讀取網絡另一端的載波電能表數據，根據抄表成功率驗證指標，得出該種負載測試結果并記錄，繼而自動執行切換下一種負載的測試，直到多種負載網絡測試完畢，完成該項負載影響性能的自動化測試流程。

1.4 測控平臺軟件設計

測控平臺軟件的設計主要是依據低壓集抄網絡的功能要求，充分考慮測試和現場調試業務的未來發展需要，實現智能寬帶載波電表與計量終端組網通信檢測及網絡優化的目的。圖3為該寬帶載波測試平臺軟件設計架構圖。

圖2 寬帶載波信道仿真箱

測控平臺軟件的架構主要分基礎設施層、公共數據庫操作、規約操作、通信控制、設備控制、測試流程和UI層。測試流程控制包括HPLC通信性能驗證、組網性能驗證、高頻數據采集性能、HPLC路由修復能力以及通信抗干擾性能等。設備控制包括裝置控制、信道仿真箱控制和多功能控制模塊控制。規約協議部分包括了多種設備間最新傳輸協議解析與封裝功能。

1.4.1 軟件測試流程設計

軟件測試首先分析測試需求，明確組網測試的對象、功能和目的，設計切實可行的測試需求點。接著編寫測試用例，通過分析測試需求，設計出滿足測試需求點的測試用例，并編寫測試用例文檔。然后編寫測試腳本步驟，根據制定統一規范的標準化腳本規則，將測試用例文檔編寫成自動化測試軟件可執行的步驟方案。最后執行自動化測試，運行自動化測試軟件，執行腳本步驟方案，輸出測試結果，記錄測試問題。

1.4.2 測試結果分析方法

通過統計測試方案中被驗證的測試項數、有效缺陷測試用例數以及執行次數等數據來計算測試用例覆蓋率、測試用例有效率。

測試用例覆蓋率 = 被驗證到項目數/總的項目數量測試用例有效率=有效缺陷數/系統測試用例數

圖3 測試平臺軟件架構圖

對測試方案中被驗證的測試項數、有效缺陷測試用例數均可以查看數據明細，可以用Excel導出測試結果。

2 系統實驗測試

筆者根據低壓電力線寬帶載波（HPLC）組網通信測試系統的設計框架及軟硬件關鍵部件的設計，對測試系統進行測試與驗證。

測試軟件平臺根據寬帶載波組網檢測系統功能要求預置各種自動化測試用例，根據測試用例對各功能模塊、輔助測試設備、計量設備進行控制和數據通信，逐步完成測試用例的測試流程，并記錄測試數據和結果，形成測試報告。

2.1 寬帶載波信道仿真箱衰減驗證

寬帶載波信道仿真箱是檢測系統的核心部分，對其衰減準確性進行驗證。測試模型為標準數據信號經過信道仿真箱衰減不同的衰減值后，使用頻譜儀測試衰減后的標準數據信號衰減程度是否和信道仿真箱理論衰減值一致。設置仿真箱的理論衰減值分別為0 dBm、20 dBm、40 dBm、60 dBm，頻譜儀測試結果如圖4所示。

圖4各個頻點的數據見表1。

測試使用標準信號是寬帶載波模塊的頻段范圍0.7 MHz～3 MHz，從頻譜儀測試圖可分析到頻帶外信號底噪較大，頻帶內在0 dB、20 dB和40 dB時，實測的衰減度和理論相吻合，由于60 db因頻譜儀本身底噪較大，本地噪聲掩蓋了信號，因此不做討論。通過測試說明信道仿真箱的理論設計值與實測一致，可以用來模擬組網信道對計量設備的檢測。

2.2 通信組網性能驗證

寬帶載波網絡是自動組網、動態路由、實時更新的網狀網絡[14-15]，是基于信道質量、信號強度、路徑最短等因素構成的復雜算法網絡，該文通過組網性能驗證算法流程如圖5所示，監測每個設備狀態信息、統計分析節點入網時間、高頻數據通信成功率、中繼節點移除修復能力、游離節點入網測試和數據采集準確性等方法，驗證組網的效率、穩定性、可修復性和準確性。并可通過監測數據，分析網絡運行水平，調整HPLC性能參數，對通信網絡進行持續優化。

2.2.1 設備入網效率驗證

圖4 寬帶載波衰減測試比對

表1 不同頻點不同衰減值測試數據

系統共3個裝置，每個裝置掛表96臺，共計288臺載波表，載波表上HPLC具有唯一的ID，在集中器搜表流程中，HPLC電表從節點發送關聯請求將該ID信息和表計信息一起上報給集中器上的載波模塊CCO，CCO核對表計檔案并對請求入網的站點進行管理認證，白名單內的發送關聯確認報文允許表計節點入網，不在白名單內則拒絕其入網。集中器存儲搜表結果上報測控平臺軟件模擬主站，模擬主站記錄設備入網信息，按時間梯度的方式對測試實驗結果進行圖形化展示，表計入網時間統計如圖6 所示，288臺載波表在60 min內入網情況符合某模塊廠家的測試結果，因此測試系統入網測試方式可行。以此測試數據評價載波廠家模塊的組網效率。假設檢測樣本總數N，規定時間t內的入網個數n（t）占比樣本總數N的比值來衡量組網效率，μ（t）為入網效率，算法如下：

結合平臺軟件通過時間梯度的方式來統計入網數量，如在規定的時間t秒，梯度周期Δt秒下，多個Δtk，（k=0，1，2，……m）內入網平均效率，根據公式（1）和圖6柱狀圖，對每個梯度周期Δt內的上線節點求和，再取平均值得：

μ(t)為入網平均效率，數值越大，效率越高，入網速度越快，組網性能越好。實際模型中，當時，須根據樣本數量選擇合適的時間t：

τ為一塊表的平均入網時間。

圖5 組網性能驗證算法流程圖

實際應用中在無中繼點抄1塊表約1.8 s，按平均中繼路由7級計算1塊表的時間為12.6 s，根據公式（3）計算288件下發繼電器控制命令使站點STA表T斷電，檢測K表重新上線時間，如圖7所示，查看站點STA表K上一級路由為站點STA表M，證明HPLC網絡具備實時更新的能力，移除中繼節點后自動修復網絡，以此驗證寬帶載波組網的中繼功能和路由更新性能。

3 結語

該文依據電網公司對寬帶載波HPLC深化應用功能升級改造、完成精益化管理的需求，設計多功能組網通信測試系統，通過采用真實的各種采集終端和載波電表，模擬現場復雜的用電采集系統環境，利用寬帶載波信號仿真箱模擬長距離電力線的衰減情況，利用載波帶載能力控制模塊模擬現場不同客戶的負載情況，充分發揮智能化測控平臺軟件功能。監測在不同載波環境下，通過對通信成功率、組網效率、通信可靠性等電網公司計量中心要求的寬帶載波測試功能，進行綜合分析，判斷相應制造廠商通信模塊及采集設備性能的優劣，從而選擇穩定、抗干擾能力強以及組網效率高的用電信息采集設備，確保入網采集設備的品質，減少入網后的維護工作，提高電力建設效益。塊表的時間t=288×12.6=3628.8 s，因此案例中取時間60 min，以梯度5 min來計算。

圖6 表計入網時間統計

2.2.2 路由修復能力驗證

路由修復能力是寬帶載波組網性能的重要指標，測控軟件實現網絡狀態實時圖形化展示，反映網絡拓撲信息、節點廠商信息、標注鄰域主節點信息和通信性能指標。如圖8界面可設置信道仿真箱衰減值，并以不同顏色區分表計配置，顯示在線和離線狀態。通過測試數據分析不同廠家HPLC模塊的組網性能。

HPLC組網路由性能測試如圖7所示，圖中標識說明為：

CCO：載波協調器，集中器或終端上配置的路由HPLC模塊；

PCO：路由站點，采集器上配置的HPLC模塊。

STA： 無路由功能站點，電表上配置的HPLC模塊。

A～N：字母A到N即為分布在不同位置的HPLC設備。

在衰減模式下，測控軟件讀出站點STA表K上一級路由站點PCO表T，確定T為非中央協調器CCO終端A，測控軟

圖7 寬帶載波組網修復拓撲圖

圖8 通信組網軟件截圖