一種低壓電力線寬帶載波通信單元快速檢測系統

付義豪，楊雷，谷戰壘，王軍

（1.國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇南京，211106；2.國網河南省電力公司營銷服務中心，河南鄭州，450052；3.河南許繼儀表有限公司，河南許昌，461000）

0 引言

隨著我國智能電網技術的快速發展，低壓側的用電數據采集項、采集頻次不斷提高，對低壓電力線寬帶載波通信技術提出了更高的要求。在電力系統應用中，電力線是最普及、覆蓋面最為廣的一種物理介質，利用電力線傳輸用電數據信息，具有極大的便捷性，與傳統的RS-485通信相比，無需重新走線，即可將所有與電力線相連接的電力設備組成一個廣域通信網絡[1-2]。這種通信方式實施簡單、維護方便，可以有效降低電力企業運營成本、減少構建新的通信網絡的成本支出，已成為堅強智能電網、能源監管、智慧用能、新能源發電、電動車充電管理等應用的主要通信方式[2-3]。

目前，受限于窄帶電力線通信單元帶寬和速率的影響，用電信息采集系統僅對電能量基礎數據進行了采集，嚴重制約用電數據深化應用的開展。低壓電力線寬帶載波通信技術經過近幾年的研究與應用，用電信息采集系統已基本實現全覆蓋、全采集。根據電力企業對用電數據全量高頻采集、臺區拓撲識別、停電事件上報、時鐘精準校核等深化應用的要求，部分省電力企業開展了低壓電力線寬帶載波通信單元的試點建設，實現了全量數據高頻采集、臺區拓撲識別、時鐘精準校核等功能，在用戶側電能數據深化應用方面取得了良好的效果。因此，低壓電力線寬帶載波通信單元的應用將會越來廣泛，有力推動了用電信息數據深化應用的有效開展[3-4]。

但是，各省電力企業在低壓電力線寬帶載波通信單元檢測方面缺少相應的檢測設備，只能手動搭建測試環境，檢測傳統的功能項目，檢測效率和檢測質量不高。特別是對不同設備生產企業提供的低壓電力線寬帶載波通信單元開展適應性檢查、供貨前樣品比對、供貨前全性能試驗、到貨后樣品比對、到貨后抽樣驗收試驗、到貨后全檢驗收試驗、故障診斷等質量監督工作造成很大的困擾。另外，對低壓電力線寬帶載波通信單元的性能、一致性、深化應用功能和互聯互通方面的檢測方法，基本處于空白狀態，嚴重制約低壓電力線寬帶載波通信單元的推廣和應用[4-5]。

鑒于上述原因，本文在詳細分析了當前各省電力企業對低壓電力線寬帶載波通信單元檢測能力及存在問題的基礎上，有針對性地設計了一種低壓電力線寬帶載波通信單元快速檢測系統。

1 設計方案

基于低壓電力線寬帶載波通信單元檢測系統主要由上位機檢測單元、虛擬集中器、虛擬電能表等部分組成（見圖1）。以上位機檢測單元為核心，搭建低壓電力線寬帶載波通信單元模擬檢測系統，每臺虛擬集中器及下掛虛擬電能表組成一個虛擬低壓臺區，開展低壓電力線寬帶載波通信單元檢測業務。同時，能夠模擬現有的用電信息采集主站的所有數據采集及控制功能[6-7]。

圖1 檢測系統架構圖

上位機檢測單元通過以太網或者4G通信的方式與虛擬集中器通信，虛擬集中器與虛擬電能表之間通過低壓電力線寬帶載波通信。上位機檢測單元下發性能及功能檢測任務，包括高頻數據采集、停電事件上報、時鐘精準管理、臺區拓撲識別、檔案自動同步、數據互聯互通檢測等項目。通過虛擬集中器執行，將檢測任務轉發給電能表，由虛擬集中器和虛擬電能表共同完成所有檢測項目，載波偵聽模塊實時偵聽通信狀態并上報給檢測系統[8-12]。

1.1 上位機檢測單元

上位機檢測單元包括檢測軟件系統、載波偵聽模塊、程控衰減模塊、射頻衰減模塊等組成。通過上位機檢測軟件系統選擇本次檢測項目的通信協議，包括Q/GDW 376.1、DL/T 698.45等通信協議。同時，可以通過系統頁面選擇通信接口方式、設置通信接口參數、選擇檢測項目、選擇檢測項目及檢測任務下發等功能。

上位機檢測單元通過載波偵聽模塊和虛擬集中器采集的數據，分析并記錄不同型號的低壓電力線寬帶載波通信單元運行狀態，以檢測日志的形式存儲低壓電力線寬帶載波通信單元的功能及性能檢測結果。

1.1.1 載波偵聽模塊

載波偵聽模塊以FPGA核心板為主體，外圍電路包括電源模塊、過零檢測電路、載波耦合電路、高速數據采集單元等組成。載波偵聽模塊包括載波透明接入單元和載波信道偵聽單元，透明接入單元與信道偵聽單元硬件完全一樣，軟件總體一致，細節進行分支區分。透明接入單元的主要作用是將檢測軟件系統組織的數據發送到載波通信介質，并根據需求自動回復SACK與NACK線路信號。信道偵聽單元的主要作用是將載波通信介質里的所有數據實時發送給檢測軟件系統，供其進行分析判斷。載波偵聽模塊通過以太網TCP協議與檢測軟件系統進行信息交互，載波偵聽模塊作為TCP Server，檢測軟件系統作為TCP Client。

圖2 載波偵聽模塊原理圖

1.1.2 程控衰減模塊

程控衰減模塊分為三個部分，包括控制單元、強電隔離單元和弱電衰減單元。強電隔離單元和弱電衰減單元通過PCB板走線連在一起。程控衰減模塊采用強弱電分離，強電設置隔離分區，弱電進行通信，并進行信號強度控制。強電隔離單元總隔離度大于70 dB，可調節精度為2dB，分為6段控制，調節幅度為2 dB至20 dB之間（見圖3）；強電額定電流為：2A；弱電衰減單元工作頻段為500kHz至12MHz；程控衰減模塊通過RS-485或者RS-232與上位機檢測單元通信。

圖3 程控衰減模塊原理圖

1.1.3 射頻衰減模塊

射頻衰減模塊是通過電力線與載波偵聽模塊、待測低壓電力線寬帶載波模塊連接，具有信號源和頻譜儀的功能，同時具有調節標準設備和待測模塊之間衰減值得作用。射頻衰減模塊具有以下通路：信號源可以通過射頻開關1為標準設備提供時鐘信號。信號源可以通過射頻開關1、功分器2、射頻開關2、射頻開關4為待測模塊注入干擾噪聲。頻譜分析儀可以通過功分器1、功分器2、射頻開關2、射頻開關4測試待測模塊工作頻段和PSD。示波器可以通過功分器1、功分器2、射頻開關2、射頻開關4測試待測模塊時域信號，此通道為備用通道。載波偵聽模塊通過三通1、程控衰減器和三通2連接到待測模塊，此通過為衰減值可調通道（見圖4）。

圖4 射頻衰減模塊框圖

1.2 虛擬集中器

虛擬集中器按照集中器標準規范設計，具有數據采集、參數設置、運行狀態顯示、按鍵、載波通信、以太網通信等功能。處理上位機檢測系統下發的低壓電力線寬帶載波通信單元檢測任務，對電能表寬帶載波模塊上上傳的數據進行分析處理。轉發檢測系統時鐘校時數據，對虛擬電能表上報的數據、停電事件，主動轉發給檢測系統。協助處理低壓電力線寬帶載波通信單元的深化應用功能，包括高頻數據采集、精準校時、停電事件上報、臺區物理拓撲、相位識別等功能。

1.3 虛擬電能表

虛擬電能裝置按照電力企業電能表設計規范設計，具有計量、通信、顯示、異常事件上報等功能。外圍預留低壓電力線寬帶載波通信、RS-485通信、紅外通信等接口，滿足插拔不同型號規格的寬帶載波通信模塊測試需求。能夠執行虛擬集中器下發的數據采集、時鐘校驗、臺區拓撲識別等任務[4]。

2 檢測功能

通過檢查系統初始化操作，選擇檢測項目，下發檢測任務，由上位機檢測單元配置檢測參數，自動檢測低壓電力線寬帶載波通信單元的高頻數據采集、停電事件上報、時鐘精準校時、臺區拓撲識別、互聯互通檢測等項目，詳細檢測流程（見圖5）。

圖5 寬帶載波通信單元檢測流程圖

2.1 高頻數據采集性能檢測

根據不同的數據項，高頻數據采集頻次不同，主要包括如下幾種方案。檢測系統每天采集24至96個實時用電數據，包括電壓、電流、功率因數等數據；用于檢測低壓電力線寬帶載波通信單元數據采集性能，采集的點數按照規范進行調整，采集間隔為15分鐘至1小時，將1小時間分割為整數個采集間隔點，采集間隔點起始從0分開始。另外，對虛擬電能表負荷曲線、小時凍結數據進行采集。檢測系統每天采集前一天的負荷曲線、小時凍結數據；檢測過程在保證24點的小時凍結數據基礎上，擴展96點的15分鐘負荷曲線數據采集。在數據采集過程中，加入射頻干擾信號、程控衰減信號，通過多輪次的數據采集，分析采集成功率、采集數據的完整性，以此判斷寬帶載波模塊的通信性能[5]。

為了最大限度地檢測寬帶載波通信單元的通信性能，對于電壓、電流、功率、負荷曲線數據的采集頻率，本文采用最大采集頻率96個點/天。檢驗高頻數據采集性能的指標用β表示，β指數據采集的成功率，判斷標準，詳見公式1和公式2。

其中，Q為成功采集到數據個數，Ui為成功采集到電壓數據的個數，Ii為成功采集到電流數據的個數，Li為成功采集到負荷曲線數據的個數，Pi為成功采集到功率數據的個數。

在檢測的過程中加入射頻衰減信號和程控衰減信號。在不同干擾信號的影響下，若β≥98%，判斷該種型號的寬帶載波通信單元的高頻數據采集性能滿足指標要求。

2.2 停電事件上報功能檢測

停電事件主動上報是寬帶載波通信單元主要功能之一，為低壓臺區精益化管理提供基礎數據支撐。寬帶載波通信單元通過低時延模式，快速上報自身所在設備的停復電狀態，確保停電、復電事件的上報和遠程遙控指令下發的實時性。在寬帶載波通信單元子節點中配置超級電容器件，可實現停復電后的事件主動上報，由被動搶修變為主動搶修，提高低壓臺區的供電可靠性，提升客 戶服務保障能力。通過控制虛擬電能表通斷電操作，判斷寬帶載波通信單元上報停電事件的準確性[5-6]。本項檢測要求寬帶載波通信單元3分鐘內完成停電事件上報。超過3分鐘未上報，則認為該種型號的寬帶載波通信單元不符合要求，判斷標準按照公式3計算。

其中，公式3中Td為時間差值，Tb為標準時鐘值，Tm為停電事件上報時鐘值。停電事件上報后，要求Td≤3min，超過3min則判斷停電事件上報不合格。

2.3 時鐘精準校時檢測

時鐘精準校時檢測，判斷寬帶載波通信單元的時鐘校時的準確性。通過周期廣播對時模式，檢查系統每天在虛擬臺區內進行一次電能表時鐘廣播校時操作，將各個電能表的時鐘同步到虛擬集中器自身時鐘，通過 寬帶載波通信單元發送廣播校時指令，進行 全部從節點的時鐘同步。驗證特定電能表點抄單播校時業務，針對某些時鐘超差電能表，其時鐘誤差超過廣播校時的標準范圍時，無法通過廣播校時進行校核時，采用人工實時點抄的方式，由檢測系統直接進行子節點時鐘的校時，校時后的結果判斷，按照如下公式4計算。

其中，γ為時鐘誤差，T0為標準時鐘源，Ti為每個虛擬電能表的時鐘源。若γ＜99.98%，則判斷合格；否則，判斷不合格。

2.4 臺區拓撲識別功能檢測

臺區拓撲識別是寬帶載波通信單元的深化應用功能之一，能夠判斷低壓臺區的戶變關系是否異常。檢測系統下發臺區拓撲識別指令，電能表側寬帶載波通信單元與集中器側寬帶載波通信單元相互配合，由虛擬集中器生成整個臺區的物理拓撲圖。另外，依據臺區物理拓撲圖，能夠判斷整個低壓臺區的數據采集成功率及臺區線損的合格率。能夠自動篩選設備檔案管理混亂臺區，形成完整的臺區設備檔案關系，實現臺區檔案完整率100%，詳細流程（見下圖6）。

圖6 臺區拓撲識別檢測流程圖

2.5 數據互聯互通項目檢測

檢測不同廠家的寬帶載波通信單元互聯互通業務，是寬帶載波通信單元的核心功能之一。通過更換不同型號的虛擬集中器寬帶載波通信單元、虛擬電能表寬帶載波通信單元、同類型載波模塊混裝等模式，判斷整個虛擬臺區能否正常通信。寬帶載波通信單元互聯互通指標判斷如下公式5所示。

其中，N為采集次數，Qt為虛擬電能表當前電量采集次數，Pi為當前功率采集次數，c設置為100，間隔時間為15分鐘。通過檢測系統下發抄讀當前電量指令，判斷不同載波模塊之間的數據抄讀成功率。

若δ＞99%，則認為互聯互通正常，否則，判斷互聯互通異常。

3 實驗結果與分析

該系統能夠快速檢測不同型號的寬帶載波單元通信性能、互聯互通性能、高頻數據采集性能等功能，判斷不同廠家提供的寬帶載波通信單元是否滿足標準規范的指標要求，大大提高了各省電力公司對寬帶載波通信單元的檢測能力，保證產品質量，詳細檢測指標數據如下表1所示。

表1 檢測結果

4 結束語

文中提出了一種低壓電力線寬帶載波通信單元快速檢測系統，該系統能夠快速檢測不同型號的低壓電力線寬帶載波通信單元的通信性能、采集性能、互聯互通一致性等功能，解決各省電力公司缺少低壓電力線寬帶載波通信單元檢測裝置的問題。

實驗結果表明該方案能快速檢測不同型號的低壓電力線寬帶載波通信單元，檢測結果準確可靠，實現了低壓電力線寬帶載波通信單元檢測的公平公正。