基于電力線載波與無線通信技術的通信系統設計

楊宏武　王敏　溫浩康　胡軍

摘要：為解決電力線通信因受阻抗隨機、信號衰弱和噪聲干擾而通信距離和可靠性受到一定影響的弊端，文章提出了一種集低壓電力線通信與無線傳輸相結合的通信系統，將無線通信技術融入距離受限的電力通信系統，發揮各自的通信優勢，使信號在通信過程中更好地傳輸。

關鍵詞：電力線載波；無線通信；檢測系統

隨著電力供網的發展，電力線覆蓋面積越來越寬廣，如何充分利用現有供電網絡資源，在電力線上實現可靠的信息傳輸，正逐步引起人們廣泛關注和研究。

電力線載波通信是以電力線網絡作為傳輸信道的一種通信方式，而低壓電力線通信以其網絡覆蓋范圍廣、接入便利等特點，成為新技術，具有廣闊的應用前景。但與其他通信技術相比，電力線通信也具有噪聲干擾大、頻率選擇性衰弱等缺點。為了解決這些問題，該系統利用現有的電力傳輸網絡與無線通信技術對用電設備中電量參數進行采集、監測、配套的上位機軟件將實時對系統采集到的數據進行實時分析、存儲，使通信信號覆蓋面更廣、傳輸成本更低，對相關信號、數據的監測性、可靠性更高。

1 總體設計方案

由于單一的電力線載波信號具有不可避免的衰減大、干擾強的缺點，因此我們采用電力線載波與無線通信組合網絡的設計。整體上看，我們主要設計電力線載波模塊與無線模塊的通信接口以及無線模塊與上位機的通信接口，對遠程在線監控系統及其通信的組成原理和結構進行研究，以及研究和設計適用于線型鏈路結構下數據傳輸的通信協議，并對該通信協議的結構和設計進行優化，使其能夠滿足系統通信的設計要求。

目前建立無線及電力線混合通信網絡更多的是在現有的通信產品中選取適用的設備，搭建混合通信網絡主要考慮及解決的問題如下。

（1）融合點通信技術的接口。融合點涉及數據的交互，必須有統一的接口。目前主要的形式是以太網口、串行接口，對于特殊應用可考慮總線接口等方式。

（2）無線網通信穩定性問題。無線網通信雖然能夠解決建筑物復雜結構布線難的問題，但其自身穩定性也是一個需要考慮的重要因素。特別是在電力系統設備中，信號的穩定性關系到安全問題。

（3）多種通信模式組網，信號的相互干擾問題。

2 系統原理

系統原理如圖1所示。

組網監測系統主要由電量計算模塊、無線發射模塊、電力線載波模塊這三大模塊組成。與用電設備連接的電量計算模塊通過AD轉換，將模擬信號變成數字信號，然后電量計算模塊把信息處理、儲存之后，通過信號線將信號傳遞給無線發射模塊，同時，電量計算模塊也將信息傳遞給電力線載波模塊。

在本廠區，無線發射模塊通過無線發射芯片的驅動，將電學量信號發射覆蓋本廠區，這時可以到固定終端上位機定時查看相關用電設備電學量狀態，也可以通過MCU處理，在手持可移動LCD顯示屏幕上實時獲取相關電量信息。在遠程廠區中，通過電力線模塊，將電量信息及時整合到220公路電線中，通過電力線載波技術將電量信息傳遞給遠程廠區的電力線載波機，這時通過DA轉換，將數字信號轉換為模擬信號，然后把信息傳遞給遠程廠區的固終端，這時遠程廠區也可以對用電設備各種用電信息進行實時監測、并儲存。另外，系統基本監測功能完成后，可以在此基礎上加入存儲器模塊用來記錄設備異常數據，也可以加入警報提示模塊對系統突發狀況設置報警功能。

3 技術關鍵

根據配用電現場環境選擇適當的技術組網，結合無線及電力線載波通信完成由用電終端到通信集中器的再到配電主站的完整的通信道路，并對混合通信無縫連接提出可行方案。

3.1 技術對比

電力線載波技術及無線通信技術均無需鋪設新的傳輸介質，帶寬及傳輸速率均可滿足一定配電網業務要求，在標準的通信接口下可實現相互組網或結合光纖等通信方式組網，技術對比如表1所示。

3.2 通信組網方案

電力線載波技術與無線技術既可以單獨組網，又可以混合組網。電力線載波可承載帶寬在2-20M的業務，可作為多個終端站點業務上傳的通道同時借助電力線載波較長的數據傳輸能力，可將無線集中器收集的數據由電力線載波上傳。電力線載波主載波機即可直接與通信主站相連，也可通過其他通信手段到達通信主站。如電力線載波主載波機上行鏈路連接到寬帶無線網絡或光纖網路。

低壓電力載波通信方式不能實現跨變壓器通信，因此只能用于同一變壓器內的數據通信，而要實現電力設備遠程監控功能，則需在數據采集器和上位機管理中心之間選擇另外的通信方式。由于ZigBee技術傳輸距離較短，而考慮到WIFI技術無線電波覆蓋范圍廣，最新半徑可達900英尺左右，約合300米，另外藍牙的電波半徑約合50英尺左右，約合15米，因此藍牙技術與ZigBee技術傳播距離遠遠不及WIFI。另外，WIFI具備高速傳播的優勢，可達37.5Mbit/s，遠遠高于TDLTE230MHz以及ZigBee。故而在這里我們使用建設方便且傳播范圍更廣的高速WIFI無線網絡來實現數據的遠傳。另外，光纖與電力線載波相比較，電力線載波技術既可作為終端數據接入設備，也可作為無線的匯聚設備，完成終端或無線設備的功能，可彌補光纖無法鋪設及無線通信因建筑等因素導致的信息盲點。

4 硬件設計

以單片機為控制核心，其監測系統包括：電學量采集模塊、電力線通信控制模塊、低壓電設備專用無線通信模塊、上位機數據實時監測模塊。通過電學量采集模塊對電網中用電設備進行電學量采集，并把采集到的數據通過電力線傳送到電力線通信模塊，此模塊再通過電力線將數據通過無線通信模塊發送到上位機，上位機可以實時監測電網中用電設備狀況，同時上位機軟件可以通過監測系統向用電設備發送操作指令。