基于HPLC的智能電能表通信模塊狀態監測技術研究

賀云隆，宋曉林，白宇峰，楊東華，鄧宏昌，朱洋洋，何曉奎

(1.國網陜西省電力有限公司營銷服務中心(計量中心)，西安 710100；2.國網陜西省電力有限公司，西安 710048； 3.北京中宸微電子有限公司，北京 100080)

0 引 言

我國電能信息采集系統主要的通信技術有RS-485有線技術、低壓電力載波、微功率無線、塑料光纖、無線雙模等方式，而高速電力線載波通信技術[1](High Power Line Communication, HPLC)是現有集抄系統中應用最多的一種通信技術，其物理信道是與電力傳輸共用的電力線纜。該系統連接簡便，抄表模塊安裝快速，支持互聯互通[2]。但是在復雜的低壓配電網臺區，通信穩定性和實時性不易達標，經常會受到強電環境及線路本身的電磁諧波干擾，在不同臺區、不同時段，受負荷變化影響，通信成功率差異較大，部分臺區組網不穩定，導致高頻曲線采集[3]成功率低、日凍結抄讀成功率99%后難以提升等，且現場運維工作量大、成本高。

目前對基于HPLC通信技術相關設備通信可靠性和故障檢測的研究越來越重視，文獻[4-6]設計的裝置能夠根據采集終端和電能表記錄的數據準確判斷事件屬性，但對不同廠家模塊的信號未能做到一致性的診斷；文獻[7]設計針對單個設備進行檢測的便攜式低壓電力線載波通信信道測試裝置，不具有通用性，效率低；文獻[8-9]針對不同廠家的終端模塊通信差異設計了檢測方法和裝置；文獻[10]雖然利用深度學習算法對仿真HPLC通信信號進行調制，提升了通信傳輸穩定性，但如果沒有足夠多的采集信號，則無法充分提取信號特征；文獻[11-12]設計了檢測HPLC模塊異常的裝置，可以對不同廠家的模塊進行監測；文獻[13]提出了基于交互時長的通信協議應用診斷，提高了曲線采集任務采集效率，但需要剔除通信不良或干擾嚴重時段的通信報文；文獻[14-15]利用終端設備故障信息來確定通信故障位置；文獻[16-17]構建了具有高速電力線載波和微功率無線通信能力的雙模異構場域網，提高了連通率和傳輸效率，彌補了單一通信方式在復雜環境下的通信效果。

當低壓臺區數據通信出現問題后，各廠家才開始對HPLC通信單元進行監控，收集到一定量的調試信息后分析問題原因，而且在現場對模塊進行監控極不方便，需要將電能表的模塊頻繁插拔，這一系列操作較為費時，存在的問題來不及監控便已經消失，甚至有些問題再監控時難以復現。因此，文中設計出基于HPLC技術的智能電能表通信模塊狀態監測裝置，該裝置安裝于HPLC模塊與智能電能表或集中器之間，通過載波可對不同廠家模塊的運行報文信息進行實時監控和存儲，并自動化解析，分析出故障原因，減少運維工作量，用戶可及時查看解決問題，提高電力企業通信可靠性和采集成功率等運行指標，為數據分析工作提供充足的基礎數據支撐，進而達到配電網狀態估計[18-19]，線損精確定位分析[20]，用戶用電異常[21]報警等服務。

1 監測單元設計

1.1 監測單元硬件設計

文中所設計的監測單元符合HPLC互聯互通通信標準，將通過國網電科院芯片級測試認證的HPLC載波通信芯片接入電力載波線路從而具備監測單元的監測功能。該系列監測單元分為CCO監測單元和STA監測單元，其硬件原理圖如圖1所示。主要由供電電源電路模塊、載波監聽電路模塊、SD卡存儲電路模塊、MCU外圍電路模塊(包括外部晶振電路和LED指示燈電路)、接收濾波電路模塊和強弱電載波耦合電路模塊組成。圖1中Meter強電接口為220 V電力線，同時作為載波通信的路徑，Meter弱電接口為電能表提供的12 V電源，同時作為與HPLC模塊信息交互的接口。

圖1 硬件原理圖

監測單元上電運行后，供電電源電路模塊將電能表提供的12 V轉換為穩定的3.3 V提供給監測單元系統中的載波監聽電路模塊、SD卡存儲電路模塊、MCU外圍電路模塊、接收濾波電路模塊。當HPLC模塊與電力線有信息交互或HPLC模塊與電能表有信息交互時，監測單元載波監聽電路模塊開始工作，并將處理后的數據存儲到SD卡存儲電路模塊中，完成監測單元基本的工作過程。接收濾波電路模塊能夠將來自電力線上除數據頻段以外的噪聲進行濾除，保證在噪聲環境復雜的情況下，載波數據也能準確地發送到載波監聽電路模塊中，保證監測單元的性能穩定性。

1.1.1 供電電源設計

監測單元工作時會產生一定的功耗，如果其與原HPLC模塊工作的總功耗超出了電能表的供電能力，會導致HPLC模塊、監測單元甚至電能表都無法正常工作。按照設計原理搭建測試模型，測量監測單元的工作功耗，計算監測單元與HPLC模塊一起工作時的動態功耗，功耗驗證如表1所示。

表1 功耗驗證

根據模塊功耗，如果使用5 V電池供電，假定電池輸出電源模塊功率轉換效率為90%，則需要電池輸出電流67 mA，按照工作1天計算，電池容量需要1 608 mAh，當前普通的充電寶額定容量10 000 mAh，可以支持6天，無法滿足持續10天工作要求。根據表1結果，監測單元整體工作功耗很小，集中器、電能表完全可以滿足供電需求，因此選擇采用電表弱電接口取電方式，使用DC-DC模塊轉換輸出3.3 V作為系統工作電源，供電電源電路如圖2所示。該方案從電能表取12 V電源，因此只要電能表電源正常，監測單元即可正常工作，可以滿足系統長時間工作的需求。

圖2 供電電源電路

將HPLC模塊插在監測單元上與對比模塊進行抗衰減、抗噪聲測試，結果如表2所示。因為監測單元是從電能表弱電接口取電，強電接口只有輸入阻抗會對接收性能產生影響，根據二端口傳輸線模型分壓理論計算出理論衰減值在0.4 dB～1 dB之間，HPLC模塊插在監測單元上的衰減值只要在3 dB以內，通信性能就不會受影響。從實驗結果可知，對監測單元供電時，供電電源不會引入噪聲等其它因素影響HPLC模塊的通信性能。

表2 載波通信性能影響

1.1.2 載波監聽設計

監聽電力線上載波信號需要濾除工頻電壓信號，工頻電壓功率較大，采用無源濾波形式，設計使用LC方式耦合電力線載波信號，如圖3所示，其中電容C濾除工頻信號，采用安規電容用以提高安全性能；使用變壓器隔離電力線和系統之間電氣連接，增強強弱電之間的電氣隔離用以提高安全性能。

圖3 載波耦合電路

為了提高載波接收性能，在LC耦合電路和載波接收機之間設計濾波器濾除載波頻段外干擾信號。載波工作頻段覆蓋0.78 MHz～12 MHz范圍，因此設計一款帶通濾波器，采用低通+高通級聯方式實現，借助filter solution軟件設計原始電路，結合實際器件參數選型確定電路參數。考慮濾波器通帶內幅頻特性平坦度，采用Butterworth濾波器。

選擇低通3階Butterworth，截止頻率為10 MHz，輸入阻抗500 Ω，輸出阻抗200 Ω，生成電路圖和幅頻響應曲線如圖4所示。結合考慮工程實踐效果和仿真參數，加上后級內部芯片數字濾波器，截止頻率10 MHz不會影響設計。

選擇高通3階Butterworth，截止頻率為500 kHz輸入阻抗200 Ω，輸出阻抗300 Ω，生成電路圖和幅頻響應曲線如圖5所示。

無源濾波器性能受輸入輸出阻抗變化影響，輸入端采用510 Ω串聯阻抗匹配，輸出并聯510 Ω匹配接收機阻抗，防止外界強干擾損壞接收機，增加鉗位設計保護接收機，接收濾波電路結構如圖6所示。

1.2 監測單元軟件設計

1.2.1 HPLC載波通信報文和串口通信報文監聽及解析

HPLC載波監測單元具備串口監聽和載波監聽的能力，通過串口接入HPLC模塊監聽對應的HPLC模塊與電能表或者集中器之間的串口交互報文，也可通過載波接口利用寬帶OFDM載波調制方式專門監聽其對應的HPLC模塊與其它模塊之間的載波通信報文。

圖4 3階低通Butterworth

圖5 3階高通Butterworth

圖6 接收濾波電路

監測單元硬件上支持載波監聽，通過自動掃描載波，獲取當前載波工作頻段，在有效頻段內監控CCO載波交互的報文。監測單元直連集中器和CCO的交互串口，在集中器和CCO進行串口信息交互時，監測單元可以同時監聽CCO串口的接收和發送，通過識別通信的波特率，獲取后續監控的能力，解析交互內容或者集中器和CCO交互的時鐘信息，維護自身RTC，增加監控報文的時標，支持對交互報文進行存儲。對于電能表和STA模塊，監測單元除了支持以上功能外，還支持自動識別波特率及通信地址，有精準信息，更方便進行報文分析。

對于接收到的載波報文，按照HPLC協議進行解析，先按照MPDU定界符類型區分為信標幀、SOF幀、選擇確認幀和網間協調幀四種，再將SOF幀按照MSDU類型區分為網絡管理消息報文和應用層報文。

1.2.2 HPLC網絡同步時間獲取及維護校正

CCO時鐘同步流程圖如圖7所示。CCO組網完成后立即向集中器請求時鐘，并通過HPLC模塊廣播校時報文對全網STA進行時鐘校時。CCO還可固定周期向集中器請求時鐘，校準自身時鐘，CCO向集中器請求時鐘默認周期為4小時。

STA接收到CCO的HPLC模塊校時報文后，按照校時報文同步自身的實時時鐘，然后讀取電表時鐘，計算電表時鐘與自身實時時鐘之間時間偏差T，并將這個偏差值保存在存儲器中，掉電不丟失。STA重啟后，檢查時鐘有效標志，讀出時鐘偏差T，讀取電能表時鐘，根據時間偏差計算出時鐘初始時間，啟動時鐘。

圖7 CCO時鐘同步流程

STA時鐘同步流程圖如圖8所示。

圖8 STA時鐘同步流程

與HPLC模塊安裝在一起的通信監測單元，只要能從串口或者載波線路接收到本網絡的校時報文，就可以將自身的實時時鐘與HPLC網絡進行同步校正。利用報文時標可快速準確定位故障發生于某一天某一刻。

1.2.3 日志存儲管理

日志存儲功能將監聽到的通信報文與實時時鐘產生的時標一起，作為日志信息寫入監測單元的SD卡中。寫日志報文時，先將16進制報文幀格式轉換為ASCII碼，保存為可顯示字符，取日志報文時直接按文本文件導入到電腦。

2 通信故障分析

文中還設計了一個監測單元日志分析軟件，其總體結構圖如圖9所示，它包含預解析模塊、數據分析模塊、流程分析模塊和判別需求模塊。預解析模塊將日志文件中的信息進行第一次基礎的協議解析，記錄網絡內信息交互記錄，并進行歸類劃分和存儲；數據分析模塊根據需要的網絡信息將經過預解析的數據進行詳細解析，取出網絡信息并存儲，記錄網絡屬性(網絡拓撲)、組網過程、白名單、芯片ID、模塊ID；流程分析模塊根據不同的業務功能采用不同的業務流程判別方案進行流程的核對，可只判別STA或CCO自身的流程，也可將STA和CCO的流程對照進行判別，分析出抄表、深化應用類流程是否有異常；判別需求模塊提供操作UI，方便用戶與系統交互。該軟件能夠對存儲的日志文件按設備按網絡逐級自動化分析判別，用戶通過查詢對應條目獲取本地通信模塊故障及原因。

圖9 總體結構

流程分析模塊中，通過分析HPLC組網流程，可以得到組網完成時間、網絡層級數、代理節點數量、是否有相鄰網絡串擾等信息，可以發現網絡層級偏高、某一層級節點數偏少存在瓶頸、存在檔案異常等問題。通過分析網絡維護流程，可以得到拓撲變更信息、STA節點離線上線信息、層級之間發現列表報文攜帶的上下行成功率統計信息等，根據這些信息可以判斷出網絡拓撲頻繁變更、STA異常離線、不同廠家模塊之間成功率統計異常等各種問題。通過分析從CCO到STA的上下行抄表業務流程，可以得到交互流程、抄表并發數據、廣播幀數量、數據轉發路徑、重發次數等信息，根據這些信息可以判斷CCO與集中器交互效率異常、數據轉發路由錯誤、廣播幀過多導致某些廠家模塊處理阻塞、不同廠家模塊MAC層ACK配合異常等問題。通過分析各種應用業務報文，可以得到應用業務交互流程信息，根據這些信息可以判斷出不同廠家模塊互通發生的諸如停復電誤報漏報、相位識別錯誤、臺區識別過零點偏差等各種問題及原因。若集中器上行通信鏈路存在問題，則需要分析遠程通信模塊內部的日志記錄；若下行通信鏈路存在問題，則本地通信模塊的故障原因如表3所示。

表3 故障判斷

3 應用實例分析

3.1 臺區測試

對某供電公司采集系統中兩個數據采集異常臺區使用CCO監測單元進行現場監控，CCO監測單元和CCO模塊如圖10所示，現場安裝如圖11所示，對兩個臺區不間斷實時偵聽監測22*24小時，并將整臺區的報文打同步網絡時間戳。

圖10 CCO監測單元

圖11 安裝示意圖

3.1.1 臺區一

臺區一為臺架配電站，供電區域為農村居民用戶，共有123塊智能電能表，采用A廠家集中器，B廠家電能表和集中器HPLC通信單元，互聯互通混合使用。該臺區存在遠程費控失敗和日凍結抄讀時間過長，經統計該臺區平均日凍結采集時長為1小時7分鐘，遠超同規模臺區的日凍結時長。

于8月19日對臺區一CCO模塊和集中器進行監測，利用自動化解析軟件對日志文件分析，輸出監測結果，如表4所示。

故障原因定位后，去現場進行核查解決。通過監測單元分析出費控指令從8月23日～8月27日沒有從集中器發送到CCO上，與營銷系統遠程費控下發失敗時間一致，故費控失敗問題需要從集中器和主站的日志記錄進行分析解決。針對檔案混亂問題，由于臺區曾經進行過拆分，確定是集中器檔案與主站檔案不一致，與監測單元分析結果一致。對集中器多余檔案進行了清除，之后從采集系統后臺數據統計，該臺區日凍結抄表時間約1小時，按照該計算方法，如果刪除多余檔案，則該臺區理論日凍結抄表時間約為12分鐘。對操作之后日凍結抄表時間與操作之前進行對比如表5所示。

表4 故障分析

表5 日凍結抄讀時間

由表5可看出實際抄表時間與理論計算相符合。由此證明，刪除多余檔案明顯縮短了日凍結數據抄讀時間。

HPLC的相關標準未規定集中器并發抄表的并發量。各個集中器廠家和本地通信單元廠家關于并發抄表最大并發幀數并不相同。所以在并發抄表中，集中器的并發量與CCO模塊的并發量未能保持兼容，數據采集效率不能達到最高，導致集中器抄表時間會延長。

針對終端復位問題，修改升級集中器程序，使該集中器每日00點不再對CCO進行復位，修改后組網時間減少，臺區的日凍結抄表時間和曲線數據抄表時間因此減少。

3.1.2 臺區二

臺區二為箱變配電站，供電區域為城市居民小區，共計654塊智能電能表，采用A廠家集中器，C廠家電能表HPLC通信單元，B廠家集中器HPLC通信單元，互聯互通混合使用。該臺區存在日凍結抄讀時間過長和曲線采集漏點，24點電壓曲線抄讀如圖12所示。經統計該臺區平均日凍結采集時長為3小時16分，遠超同規模臺區的日凍結時長。

圖12 電壓曲線

于8月20日對臺區二CCO模塊和集中器進行監測，判別出故障原因如表6所示。

故障原因定位后，去現場對臺區二修改升級集中器程序，使該集中器每日00點不再對CCO進行復位，因此組網時間減少。將集中器并發數改成10條，與CCO并發數保持一致，臺區曲線數據采集明細如圖13所示，修改并發數后臺區24點曲線數據采集完整率明顯高于并發數不一致時曲線采集完整率，后期進行網絡優化，曲線采集完整率會更高，達到100%。

表6 故障分析

圖13 電壓曲線

在兩個異常臺區測試監測單元，根據實時記錄的報文信息，精準分析出當前影響數據采集成功率的網絡故障原因。對異常問題解決之后，使得抄表時間最優化，24點曲線或96點曲線抄讀可以達到采集性能要求。

3.2 并發抄表方式測試

兩個臺區都使用A廠家集中器，在進行報文分析時，發現A廠家集中器在并發抄表時，其并發量固定為5條，且該集中器對645協議電能表數據項進行抄讀時，每幀只包含一個數據項。如兩個臺區對單相645協議電能表數據項進行抄讀時，3個數據項分為3次抄回，此種方式未能充分利用HPLC通信網絡的并發抄表性能。

因此，抽取供貨量大的現場臺區集中器與CCO模塊進行報文監控，包括A廠家等5個廠家集中器和B廠家等CCO模塊，針對集中器的并發量與CCO模塊的并發量兼容性問題和并發幀中每幀包含最大數據項項數問題進行測試分析，以確定集中器的并發量與CCO模塊的并發量達到最優抄表速率，測試結果如表7和表8所示。集中器對645協議電能表數據項進行抄讀時每幀只包含1個數據項，這樣的抄讀方式會大大增加日凍結數據采集時間。隨著每幀包含數據項個數的增加，日凍結數據采集時間在大大縮短。

表7 集中器并發量

表8 CCO并發量

3.3 裝置對比分析

文獻[12]介紹了一種HPLC現場運維模塊，通過藍牙通信將運維模塊與現場作業終端連接，內嵌標準CCO模塊和STA模塊，根據待測故障模塊類別選擇對應標準模塊進行模擬交互和報文監控與解析，通過內置處理器的分析將HPLC模塊故障結果上報給現場作業終端。但是文獻[12]設計的裝置是在出現問題反饋后，人工去現場對相應模塊進行通信故障排查，當有大量問題模塊時，工作量將特別大，現場排查只是待測故障模塊和運維模塊的一對一交互監測，而且只能監聽到該段時間的通信報文，屬于延遲監聽，不一定能夠復現已出現的問題，使得問題原因無法查詢到，而監測單元接入載波線路通信穩定，可以分布式部署，長期對每一個HPLC模塊的原始通信報文進行監聽，實時同步錄制保存所有時刻運行信息，并可以對同一時間所有模塊的交互情況進行監控，提供更多的分析信息，利用解析軟件對監聽的報文信息進行分析后，可定位故障原因及發生時刻。將文獻[12]所設裝置與監測單元進行對比，如表9所示。

表9 監測裝置對比

4 結束語

文中設計了一種基于載波通信技術的全方位、高要求監控HPLC模塊運行裝置，分析了硬件結構設計、軟件功能設計和故障診斷流程。現場試掛應用表明，該裝置不受安裝現場條件限制，結構簡單、監控智能、實用性強，有利于供電企業及時解決本地通信質量問題，提高日凍結、96點曲線數據和遠程費控等采集業務成功率，穩固HPLC深化應用類業務，有效提升用戶用電服務體驗。