電力線通信技術用于設備監控系統的研究分析

孫 濱，王 浩

（國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

設備監控系統是保證設備正常運行的重要工具。在設備出現問題或故障時，監控系統能夠及時向維護人員或上級系統發出警示，是一種低投入、高效的保障機制。此外，監控系統本身結構會受到電力環境的影響，企業可以利用電力通信技術保證監控系統中電力和網絡的穩定性，提高監控系統的使用壽命，同時提升監控系統的使用效率。

1 電力線通信技術概述

電 力 線 通 信 技 術（Power Line Communication，PLC）利用已有的電源媒介來進行數據和能量的傳送，在對數據進行調制的同時，利用耦合器將其與供電介質相連接。具有數據的高頻載波信號與一般工作頻率信號處于兩個頻帶，不需要再進行線路改造，能夠實現一網兩用，既可以進行語音、圖像和視頻信號的傳送，又不會對能量傳輸造成任何的干擾，從而降低通信的復雜性。PLC主要有兩種，分別是窄帶PLC和寬帶PLC。其中，窄帶PLC控制頻率為3～500 kHz、物理層通信寬帶不超過1 Mb/s，通常采用移相鍵控（Phase Shift Keying，PSK）、動態頻譜共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）等多種調制模式；寬帶PLC則以以太網絡為基礎，將頻率控制在1.8～30 MHz，物理層通信帶寬大于200 Mb/s。由于電力網絡的覆蓋面較廣，因此在電力網絡建設中采用電力線通信技術是目前最具競爭性的技術手段[1]。

2 設備監控系統的研究意義

隨著科技水平的不斷提高，電子系統的集成化程度也在不斷提升。一個集成化的系統中通常包含多臺設備，當其中的裝置出現故障時，采用常規的手工維修方法不但耗時，而且受現場的干擾還會存在很大的隨機性，導致檢測數據有偏差，無法精確地找到異常的設備和數據，從而影響設備的日常維修。通過有線設備監控系統對裝置運行狀況進行實時監測，根據收集到的資料進行處理、分析，從而幫助技術人員實時了解不同設備的運行狀況[2]。

3 電力線通信技術用于設備監控系統的研究分析

3.1 通信信道測試與分析

3.1.1 物理信道及拓撲結構

該項目采用PLC通信的物理信道，由4個短接頭銅排將3根主銅排相連。銅排上的負載由AC/DC模塊和節點組成，并配有風扇，其中AC/DC供電采用48 V直流電源。驗收環境內的全部負載都是由銅排進行取電和供電。PLC通信的物理信道拓撲結構如圖1所示，其中用圓圈標注的位置是此次信道測試的測量點。

圖1 PLC通信的物理信道拓撲結構

3.1.2 信道阻抗測試與分析

電力線信道的阻抗性可以從某種意義上反映出這種電力線在高速信號傳輸過程中的阻尼效應，即信道中信號的衰減強度。信號在傳輸過程中，只有當通信節點的輸出阻抗與信道的輸入阻抗匹配時，才能使信號功率達到最大。然而，在設計初期，電力線信道并未將其視為50 Ω的傳輸線。從某一端看實際的電力線信道，其輸入阻抗隨時間的推移而發生動態改變，在線路上實現阻抗的匹配是非常困難的。在電力網絡中，高頻信號碰到不符合的節點時會出現反射效應，進而導致多徑效應、時變特性及頻率選擇性衰減。

3.1.3 衰減特性

供電插頭的損失很少，-1 dB的最低損失幾乎可以忽略。單根銅片具有很強的衰減特性，并有一個-35 dB的深度衰減區。通過對其他位置的衰減測試，可以得知銅排在很大程度上決定了整個系統的傳輸能力。通過比較不同銅排之間的對角位置和最大距離位置的傳輸特性，發現短銅線對信號的相位特性影響很大，且存在較多的相位突變頻點。相位的改變會使通信信號產生延時現象，在一定的頻帶范圍內，由于相位的差異，多個子載波的傳輸會產生不同的延遲，從而造成符號間的交互作用，因此必須采用正交頻分復用調制和解調的載波芯片來進行。不同銅排對角線的振幅會有很大的衰減，并產生-60 dB的深衰落區域，從而使相位突變點增加。由于短接銅排對信號的減弱有較大影響，因此最后的驗收必須在相同的銅排上進行。

3.2 CSMA/CA協議分析

3.2.1 CSMA/CA協議介紹

載 波 偵 聽 /沖 突 避 免（Carrier Sense Multiple Access/Conflict Avoiding，CSMA/CA）是基于競爭的隨機接入技術，可以降低兩個以上站點的數據傳輸過程中發生沖突的概率。在網絡中存在數據要傳送的情況下，每個節點都要根據一定的競爭原則來爭奪信道的使用權，最大限度地降低了碰撞，使信道的使用效率得到了有效提高。CSMA/CA協議可以最大限度避免多個節點在同一信道內的數據傳送，減少了網絡間的沖突。

3.2.2 CSMA/CA吞吐量

根據課題需求，本文所研制的PLC總線能夠最大實現30個結點，每一個結點的數據傳輸速率都在4 Mb/s以上，系統吞吐量能達到要求。在不計優先級的前提下，CSMA/CA協議對所有的節點都是平等的，在相同情況下各節點的接入信道概率是相同的，而且各節點的傳輸帶寬也大致相同，因此可以根據PLC總線上的吞吐量和節點數量的相關性來判定每個結點的邏輯帶寬是否符合要求[3]。

3.3 硬件設計

3.3.1 調制解調芯片需求分析

根據相同位置銅排的傳輸特性，信號在5 Hz～100 MHz的通信帶寬范圍內，最大衰減約為50 dB。通過對銅導線最長距離的分析，信號在5 Hz～100 MHz的通信帶寬范圍內，最大損耗約為60 dB。為保證所設計的PLC通信鏈路可達到200 Mb/s的通信帶寬，選用的調制解調芯片必須能達到超過200 Mb/s的通信帶寬。在綜合考慮信道中節點、電源等負載噪聲注入因素的情況下，選用的調制解調芯片應當能夠有效消除信道中的脈沖干擾，對脈沖噪聲具有一定的抑制作用[4]。在滿足一定的傳輸頻段時，所選用的調制解調芯片在多址接入解決方案中要能支持CSMA/CA。

3.3.2 LISN電路

LISN電路既能抑制后電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）濾波器中的電容器對于信號的衰減作用，又能減少由切換供電線路造成的阻抗變化，同時避免開關電源所生成的噪音傳至前級。

3.3.3 緩起電路

銅排中有48 V的直流電源，一旦單板進行插拔，不僅會使連接器的機械觸點發生跳躍導致電源發生振動，造成系統斷路或重新啟動，而且也會因電容器的存在而產生大量的沖擊電流。根據上述理論，在單板連接電源后，應在極短時間內切斷其供電路徑，并在單片穩定插入后進行充電[5]。

3.3.4 濾波電路

開關供電中存在著兩種干擾，分別是差模干擾和共模干擾。在電路的設計中，為了有效消除差模和共模干擾，通常將EMI濾波器引入到切換功率的輸入端。本課題采用直流48 V供電，其中切換電源模塊為主要的噪音源，不但會對通信系統的傳送造成一定影響，而且噪音中的高頻率脈沖還會干擾載波芯片的主動前端（Active Front End，AFE），因此必須在前端增加EMI濾波器[6]。

3.4 軟件要求

3.4.1 軟件測試內容

在PC上實現對參數的分配，使其在進行調試時無須修改和燒錄軟件。在實際應用中，傳輸的通信帶寬不低于200 Mb/s，最大可支援30個從站，每個從站的通信速度均不低于4 Mb/s。主次節點應對發送和接收的資料進行分節點統計，包括發送幀數目、接收幀數目、每個節點信道率、PLC信道的整體速度等。此外，還要提供循環測試和統計結果顯示。

3.4.2 主節點控制程序

在Linux開始運行時，先對其進行初始化，獲得網絡卡的位址等。在網卡正常運行后，建立一個用于用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）傳送的初始套接字。在完成以上操作后，主節點會打開獨立的線程來接收從節點的全部控制畫面，然后再進入到開發者的操作界面。主節點控制程序包括建立開始測試和循環測試模式、采集全部從節點MAC地址、輸入和發送配置信息以及發送配置信息到所有從節點[7]。

3.4.3 PLC鏈路優勢

PLC利用已有的供電線路進行數據傳送，不需要布線，適用于空間有限、布線困難的場合，可大大減少維修費用[8]。各PLC鏈路中的節點在各網絡中的角色與位置均等，每一個節點均能充當主要的數據收集節點。如果局部網絡中的主節點發生故障，不能采集到任何資料，則從節點可以作為一個臨時主節點，接收由其他從節點發送的數據，提高監控系統的可靠性[9]。此外，PLC鏈路能夠實現高清晰度的圖像數據傳送[10]。

4 結 語

當企業將電力線通信技術用于設備監測時，需要了解技術特點并做好測試工作，合理選擇應用協議。此外，企業還要做好軟件與硬件設計，從多個方面充分利用電力線通信技術的優點，構建符合自身需求的設備監控系統，從而實現健康長久發展。