高速電力線載波技術在電力集抄業務中的研究及應用

王艷芹，李 蒙，周鳳華，張海寧，妙紅英，曹 智

(國網冀北電力有限公司 承德供電公司，河北 承德 067000)

在過去的10年中，基于低壓電力載波技術開發的抄表系統產品已經過測試和試點應用，但是由于電網噪聲和負載阻抗的巨大變化，電力線載波已成為通信的瓶頸[1]。電力線載波技術的開發和應用具有廣闊的市場前景，電力線載波通信(PLC)分為窄帶低速PLC、窄帶高速PLC和寬帶高速PLC，PLC是低壓集中閱讀系統中的下行通信[2]。利用發達的低壓電網作為數據傳輸通道，實現了用戶各種電表數據(水，電，氣等)采集點與集中點之間的數據通信和信息交換，具有經濟、方便等優勢。20世紀70年代和80年代之后，外國學者開始研究集中式抄表技術。以色列、加拿大、英國、意大利和西班牙等國家已經相繼推出了針對特定國家的集中式抄表設備終端[3-4]。

借鑒國外發展經驗，我國從90年代開始開發集中式抄表系統終端。20世紀末，我國的集中抄表系統終端主要使用國外的載運芯片，如LM1893和ST7536。這些芯片可以實現電力線上集中抄表系統的數據傳輸，但是一般來說，這些芯片是窄帶載波通信方式，因此在通信以及電源的強電磁環境中存在很多盲點。從20世紀90年代中期到2001年，電子式電度表投入市場。與以前的電度表相比，電子電度表采用了自感應采樣方法，并為用戶提供了RS485數據接口，以提高質量和功能。電度表的所有功能都得到了極大的改進，以確保集中式抄表系統中抄表數據的可靠性。近年來，隨著國際經濟的發展，國內一些新的制造商已經開始在現場逐漸使用PRIME和G3等OFDM多載波技術。同時，海思公司采用寬帶載波技術，開發了頻率為2～12 MHz的寬帶電力線載波Hi3911芯片。

針對當前電力系統集中抄表系統的迫切需求以及國內外集中抄表系統的研究現狀，本文基于集中抄表系統的通用拓撲結構，開發出與電力線載波相適應的通信調制技術，最后開發一套可應用工程實際的基于高速電力載波技術的低壓集中抄表系統。

1 低壓電力線信號傳輸原理

信號在電力線中傳播的主要原理時，當電力線的長度將會遠遠大于載波的波長，電力線沿線的電阻R、電感L、電容C、電導G等參數均不能以集中參數的形式反映，而需以分布在長線的每一點上的分布參數來表示，這使得信號會在電力線上以TEM波的形式傳播[5]。

對于理想的無損電力線，其分布參數等效電路如圖1所示。

圖1 無損電力線等效電路Fig.1 Lossless power line equivalent circuit

對于無損電力線的一個長度單元dx，則有：

(1)

(2)

式中，L0為單位長度電力線的電感；C0為單位長度電力線的電容[6]。

當信號在電源線上傳播時，如果電源線是均勻的，并且在整個傳輸過程中沒有發生特征阻抗變化，則信號傳播時不會發生變形。如果電源線不均勻，并且信號在傳輸過程中遇到特性阻抗變化，則在傳播到具有不同特性阻抗的節點時，信號不可避免地會發生折射和反射，從而導致傳輸信號失真以及由于嚴重失真而導致信號傳輸失敗。因此，使用電力線進行信號傳輸應確保電力線的特性阻抗在傳輸過程中盡可能地不發生大的變化，確保信號傳輸的準確性和可靠性[7-8]。

2 高速電力線載波技術特點

窄帶低速PLC由于存在防衰減低、抗干擾能力差、通信速度低、數據采集成功率低等問題，只能用于遠程自動抄表(AMR)[9]。 而G3-PLC是窄帶高速PLC，其在速度性能、低電壓集中讀取方面具有良好的應用潛力。窄帶高速PLC工業中主要有2個標準：G3-PLC和PRIME。在中國電網環境中，多家國內制造商使用G3-PLC測試并比較了兩種標準的通信模塊后，PRIME的結論是，在同一位置進行點對點通信比較時，當電力線的干擾增加時，PRIME通信模塊的通信結論是成功率顯著降低。與窄帶低速PLC相比，G3-PLC具有許多優點，性能參數比較見表1。

G3-PLC在中國尚未大規模應用，但是中國國家電網公司和許多智能電表公司已加入G3-PLC聯盟，參與G3-PLC技術的研究、測試和應用。

電力線運營商通信可以避免建立新網絡并促進家庭聯網。電力線信號衰減包括2部分：耦合衰減和線路衰減。理論上，由耦合產生的衰減可以最小化，線路衰減是電力線的主要衰減，電力線信道是典型的選擇性衰落信道。電力線信道幅頻特性如圖2所示。

表1 G3-PLC與窄帶低速PLC性能參數對比Tab.1 Comparison of performance parameters between G3-PLC and narrow-band low-speed PLC

圖2 電力線信道幅頻特性Fig.2 Power line channel amplitude-frequency characteristics

電力線載波通信將突發錯誤分配到不相關的子信道，從而減少了電力線信道的選擇性衰減，可以通過前向糾錯有效地恢復信號。頻譜利用率較高，副載波正交重疊，提高了頻帶利用率。

當信號通過電源線傳播時，如果電源線是均勻的，并且在整個傳輸過程中特性阻抗沒有變化，則折射系數為1，反射系數為0。如果電源線不均勻，并且信號在傳輸過程中遇到特征阻抗變化，則當傳播到具有不同特征阻抗的節點時，信號不可避免地會發生折射和反射，從而導致傳輸信號失真，嚴重失真會導致信號傳輸失敗。對于電力輸電線單位長度的電感L0，設流過電力輸電線A相的電流為Ia，電力輸電線導線半徑為Da，如圖3所示[10]。

由于在實際工程中，電力輸電線的阻抗并非固定不變的，隨著外界環境的變化、供電負荷的變化，電力輸電線的阻抗一直在持續變化之中，這就使得電力輸電線的信號傳遞特性持續變化，對集中抄表系統中信號的傳輸造成了影響。

圖3 電力輸電線示意Fig.3 Power transmission line schematic

3 低壓高速電力線載波集中抄表系統研究

3.1 集抄系統拓撲結構選型

擴頻通信(擴頻技術)使用特定的擴頻功能將所傳輸信息的頻譜轉換為寬帶信號，然后用載波對其進行調制并在低頻段進行傳輸。它使用低壓電力線進行傳輸，該接收端根據擴頻功能將寬帶信號恢復為原始信號，以獲得傳輸信息。擴頻調制技術基本原理如圖4所示[11]。

圖4 擴頻調制技術原理Fig.4 Principles of spread spectrum modulation technology

在線性調頻模式的情況下，將載波頻率在1個周期內線性變化的脈沖信號稱為線性調頻信號，由于其頻率在較寬的帶寬范圍內變化，線性調頻脈沖用于有效地擴展信息帶寬。擴頻調制技術通過其擴頻功能，可以在接收端提取自相關的多路徑信號，并分離出最有用的信號，或者在多個路徑中組合相同的信號，以避免單路徑傳輸信號的干擾。

當前在用戶端和數據中繼端使用的主要交互方法是無線傳輸和RS485通信。當前的無線電力模式具有較低的傳輸速度和較短的傳輸距離，如果居住區域較小，則無線傳輸方法具有外觀漂亮且易于布置的優點[12]。但是，隨著我國經濟的發展，居住面積逐漸增加，住宅建筑物的高度逐漸增加，無線傳輸和通信距離短的弊端逐漸擴大，難以適應目前的情況。因此，本文中設計的低壓高速電力線載波集中抄表系統的基本拓撲如圖5所示。

圖5 集抄系統拓撲結構Fig.5 Topology structure of collection system

在圖5中，用戶側和數據中繼端使用RS485通信，數據中繼端與電力公司操作系統之間的信號通過低壓高速電力線載波傳輸到操作系統。

3.2 集抄系統硬件回路設計

電源環路是整個低壓電力線載波中央抄表系統的基礎，并且是確保每個芯片穩定可靠運行的能量保證。電源電路采用2個階段設計：第1步是整流電路，在220 V電力系統交流電經全橋整流后，通過雙管正向電路輸出15 V直流電源。環路的整流器部分如圖6所示，環路的這一部分被設計為外部組件。雙管正向電路如圖7所示[13]。

圖6 第一級供電回路全橋整流回路Fig.6 Full bridge rectifier circuit of the first stage power supply circuit

圖7 第一級供電回路雙管正激回路Fig.7 The first-stage power supply loop double-tube forward loop

當電力系統的交流電源以正半周期運行時，晶閘管T1和T4導通。當電力系統的交流電源以負半周期運行時，晶閘管T2和T3導通。通過該全橋整流電路輸出直流電壓Uout。然后，直流電壓Uout通過直流斬波器電路，并轉換為用于第2級的15 V直流電源。從圖7中可以看出，雙管正向電路將整流的Uout通過初級側VD1和VD2的開/關傳輸，然后通過隔離變壓器傳輸至次級側。由次級側上的VD1和VD1組成并且由VD2組成的斬波電路被轉換為低壓直流輸出。

4 集抄系統軟件設計

4.1 G3-PLC通信

該系統中G3-PLC模塊不僅可以在CENELECA(32～95 kHz)頻帶中運行，而且還可以在FCC(154～487 kHz)頻帶中運行，這提高了窄帶載波的頻帶利用率。 CENELECA頻帶的平均載波速度約為30 Kb/s，而FCC頻帶的平均載波速度約為100 Kb/s。載波模塊在出廠前基本上在特定的頻段內運行。

高速電力線載波抄表方案的網絡構架如圖8所示，網絡體系結構由物理層、數據鏈路層和應用程序層組成，并且可以擴展為5層體系結構，包括網絡層和傳輸層。

圖8 高速電力線載波抄表方案的網絡構架Fig.8 Network structure of the high-speed power line carrier meter reading scheme

(1)應用層。使得字符單元之間的服務數據交換能夠彼此通信，并通過數據鏈路層完成數據傳輸。

(2)數據鏈路層。實現網絡管理和MAC與網絡管理下層，寬帶運營商自動聯網、網絡維護，路由表管理和應用層消息傳輸至MAC子層，通過2個專用信道進行訪問，競爭物理信道并最終實現可靠的傳輸數據消息。

(3)物理層。MAC層數據消息被編碼并調制為載波信號，然后該載波被發送到電力線。接收端在電力線上對載波信號進行解調和解碼，以獲得發送到MAC層的數據消息。

G3-PLC可以及時識別通信鏈接狀態并實時調整路由，每個節點都可以根據站點環境動態調整路由表和相鄰表，最大限度地減少了到達目標節點的路由成本，提高通信的穩定性和可靠性。 G3-PLC網絡的通信方式不是傳統的一站式，而是多站式，多個節點可以同時啟動與其他節點的通信，實時數據通信，確保靈活性。

4.2 集抄系統工作程序原理

整個集抄系統的工作原理如圖9所示。在系統啟動時，整個低壓電力線集中抄表系統都已打開電源，并且C/OS-II操作系統正在運行，然后，系統決定是否有操作命令，如果沒有命令，則決定是否進入操作系統的結尾，并且當操作員選擇關閉時，它將關閉整個系統。如果有命令，系統會自動輸入，數據中繼終端會向用戶的電能表發送查詢通信命令，以檢查通信是否成功，然后電能表會做出響應并發回響應信息。最后，數據中繼終端將電能從用戶側發送到用戶側，電表發送數據命令，用戶側電表上傳數據。通過PL3105擴展后，它連接到低壓電源線并傳輸到操作系統。

圖9 集抄系統工作程序原理Fig.9 Principles of Collecting Reading System Working Procedure

在實驗室中使用串行調試助手對開發的低壓電力線載波中央抄表系統進行調試，串行調試助手在電力用戶側模擬電能表，通過數據中繼終端發送各種類型的消息，檢測接收和發送結果。

4.3 抗干擾設計

(1)硬件設計的抗干擾措施。在集中抄表系統中，電源是連接系統和電源線的直接通道，信號傳輸通道以及對系統的各種干擾的入口。因此，電源的安全性和可靠性在系統正確可靠的運行中起著重要作用。市電具有許多高頻干擾源，這些高頻組件可以通過電源輕松進入單片機系統。系統本身的傳輸頻率也反饋給單片機，系統通過電源感應引起干擾。在電源電路中添加濾波電路以抑制各種高頻信號，并選擇具有雙層屏蔽的電源變壓器，這有助于抑制高頻干擾。對于快速瞬態脈沖群干擾、靜電干擾和輻射電磁場干擾，可使用干擾源產生的電磁干擾(濾波，屏蔽和接地)來抑制電磁干擾。無線電波阻擋可防止干擾源和內部電磁波污染外部路徑，內部電磁波會降低對干擾的敏感性，瞬態電壓抑制器用于在電壓超過預定值時轉換能量，濾波器用于抑制傳導。

(2)軟件抗干擾措施。當干擾信號進入計算機系統時，可能會干擾程序的正常運行，該系統采取了幾種實用的軟件抗干擾措施。當CPU中斷時，使用指令代碼執行隨機數通常會造成混亂，有必要盡快將程序合并到實際執行的指令序列中。所以，系統軟件設計使用更多的單字節指令，并在關鍵位置插入一些NOP(空指令)或重復單字節指令(冗余指令)。通常，將重復的命令插入確定程序流程的命令中，以便將錯誤程序快速集成到正確的控制軌道中。首先，必須將錯誤程序放置在程序區域中，其次，必須執行重復的命令。如果運行中的程序屬于非程序，則可以使用軟件陷阱技術。所謂的軟件陷阱是一種指導指令，它強制將捕獲的程序發送到錯誤處理子例程以進行及時有效的處理，以便系統可以恢復正常運行。軟件陷阱一般可安放在下列4種地方：未使用的中斷向量區、未使用的大片ROM區、數據表格或散轉表格、程序區。

4.4 載波集中器與載波采集器

(1)載波集中器。這是一個三相中央控制單元。它連接到三相低壓電力線，管理安裝在同一變電站區域中的三相電力線上的所有載波收集器，通過低壓電力線發送和收集數據收集命令，并報告結果所有收集的數據，該表格被發送到管理中心計算機。集中器實現的主要功能是通過電話調制解調器從管理中心計算機接收指令，調整系統時鐘，通過電源調制解調器，將收集的數據傳輸到主計算機(手動執行)，在各個時間點以一定間隔收集數據，低壓電源通信方法，最多255個采集點，存儲過去2個月中采集的數據以及三相電源線電源、電源故障狀態檢測和記錄，電池用于確保時鐘正常運行，并在備用鋰電源停電后存儲數據，它可以安裝在低壓電網上的任何位置。

(2)載波采集器。它是系統的主要數據收集設備。它從用戶的電表中收集功耗，并將其通過電源線傳輸。收集器使用傳感器來測量機電式電度表刻度盤，轉向電度表或電子電度表的脈沖數，然后根據電表常數將其轉換為功耗，然后進行傳輸。電源線上累積的電量消耗以及相關數據，帶有數據采集裝置的集中器。收集器的主要功能：測量機電式電度表的轉數或電子式電度表的脈沖數，并根據電度表常數計算并存儲。在內部存儲器中，低壓電力線上的數據傳輸；指示燈指示設備的運行狀態；它具有一個紅外接口，可以讀取和修改內部數據。由電源線直接供電，斷電時提供數據保護，可與各種現有電表相匹配，能夠實現時鐘調整，可以固定安裝，且集電器和電表間用常用4芯線直接連接。

5 集抄系統應用與測試結果

根據研究結果，構建了相應的PCB板。它使用數據中繼終端的操作系統并編寫相應的軟件，從而使整個系統根據已建立的過程運行。該系統是一種可處理，高度可移植且可定制的主動型多任務實時操作系統。每個命令任務是操作系統的一個應用程序，用于調節每個命令任務的計算資源。

使用設計的低壓高速電力線載波集中抄表系統，對某地特定變電站的A線、B線、C線和D線進行了測試，測試結果見表2。

表2 低壓集中抄表系統測試結果Tab.2 Low-voltage centralized meter reading system test results

從表2中可以看出，設計的低壓集中抄表系統在線路長度小于2 km時可以很好地傳輸數據并保持較高的精度，而在線路長度超過2 km時數據傳輸率相對較低。錯誤率很小，這可能是由于在長距離傳輸過程中由于距離過長導致信號過度衰減所致。

6 結論

本文主要完成了電力集抄業務中高速電力線載波技術的研究和應用，通過采用高速電力線載波的幾種關鍵技術來解決信道特性問題，實現了自動抄表，并實現現有電力線的網絡功能。通過變電站集中抄表系統的現場測試，證實了當傳輸距離小于2 km時，低壓高速電力線載波的集中抄表系統可以準確地傳輸數據。傳輸距離大于2 km，由于線路長和信號衰減，某些數據傳輸失敗，但是系統仍可以保持良好的傳輸效率。

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