基于電力線載波通信的電力設備遠程控制系統設計

張之曦

摘 要：基于電力線載波通信的電力設備控制系統主要依托于電力線載波通信技術，利用電力設備之間已有的電力線路將電力設備進行互聯，避免了鋪設大量通信線路帶來的布線問題和使用無線通信技術存在接入設備數量有限和成本高的問題，，實現了對電力設備的遠程智能控制。

關鍵詞：電力線載波通信；電力設備；遠程控制

中圖分類號：TN913.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）20-0129-01

1 引言

本系統采用電力線載波通信技術，其節點之間采用原來的電力線進行通信。電力線載波通信其實也是一種總線通信技術，只是它是利用原有的電線作為通信介質，不像總線那樣，需要專用的通信總線。該技術不僅滿足較長的通信距離的需求，可以將遠距離的電力設備互聯，接入設備數量的容量較大，而且不需要單獨鋪設通信線路，減少施工難度和資源的浪費。

2 整體設計方案

2.1 設計思路

本設計系統解決的問題：主要依托電力線載波通信技術，實現對電力設備的控制。同時，借助樹莓派和APP平臺，實現對電力設備的近場控制和遠程控制。

主要技術路線：（1）利用電力線載波通信技術，實現核心控制端與各電力設備終端的數據通信；（2）利用樹莓派作為控制系統核心控制端，實現對電力設備的近場管理；（3）利用電力設備終端MCU，實時控制各終端電器的工作狀態；（4）借助APP平臺，實現遠程控制。借助APP平臺，將用戶指令傳遞給服務器，再由服務器分發給各個電力設備的樹莓派核心控制端，通過電力線載波通信，傳遞給硬件終端，實現遠程控制。

2.2 系統工作原理及方案設計

本系統的整體方案設計如下：將樹莓派作為電力設備的核心控制端，并運行電力設備管理UWP應用程序，可以采用LCD顯示屏直接控制電力設備的工作狀態。樹莓派發出的操作指令經過電力線載波模塊，在已有的電力線路上進行傳輸，在電力設備的末端由另一電力線載波通信模塊進行接收，最后將指令傳遞至智能終端的MCU（51單片機），由MCU對指令進行解析，并且控制電力設備的工作狀態。在遠程控制方面，基于APP平臺，運維人員將控制指令通過APP平臺通過以太網傳遞至樹莓派控制端，借助電力線載波通信技術，實現對電力設備的智能控制。

3 電力設備遠程控制系統的搭建

3.1 基于OFDM載波調制技術的電力線載波通信模塊工作原理

電力線載波在380/220V用戶配電網上的應用，在90年代后期之前只限于采用調幅或調頻制式的載波電話機，實現近距離的撥號通話，也有采用專用的芯片實現近距離數據傳輸的[1]。目前在自動集抄系統中采用的載波通信方式有擴頻、窄帶調頻或調相。在各種方式中，由于采用OFDM調制具有突發模式的多信道傳輸、較高的傳輸速率、更有效的頻譜利用率和較強的抗突發干擾噪聲的能力，再加上前向糾錯、交叉糾錯、自動重發和信道編碼等技術來保證信息傳輸的穩定可靠，因而成為電力線上網應用的主導通信方式[2]。

OFDM即正交頻分復用技術，實際上OFDM是MCM（多載波調制）的一種。OFDM技術由MCM發展而來。OFDM技術是多載波傳輸方案的實現方式之一，它的調制和解調是分別基于IFFT和FFT來實現的，是實現復雜度最低、應用最廣的一種多載波傳輸方案[3]。

具體通信過程為：先將發送端輸入的串行數據經過串并變換器變成N路并行信號，然后將各路信號分別進行基帶調制，通過快速傅立葉反變換，將基帶信號調制到各個子載波上，在實際應用中，為了消除碼間干擾，在OFDM信號中加入保護間隔，使得保護時間大于信道的多徑時延，通常是將OFDM符號尾部長度為L的樣品復制到本符號的前面，作為循環前綴用以間隔各符號。插入循環前綴以后，再將并行信號轉為串行信號。經過數模轉換器（D/A）把數字信號轉變為模擬信號通過射頻電路將信號發射出去，在通過信道以后，接收機通過一系列相反變換恢復出原始數據，從而實現高速數據傳輸。當然，為進一步提高實際系統抗干擾性能，通常還增加頻域交織、時域交織、均衡、導頻和信道編解碼等功能模塊。

在通信系統中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號所需的帶寬要寬得多。如果一個信道只傳送一路信號是非常浪費的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復用的方法。將OFDM應用于載波模塊，使得載波模塊在強干擾，強衰減，遠距離要求的環境下，能夠可靠，穩定的傳送數據，同時還具有傳輸速率高，容量大的優點，有利于后期對電力設備遠程控制系統功能的進一步改進。

3.2 基于電力線載波通信的電力設備遠程控制系統硬件平臺

由于本系統是由軟硬件平臺共同搭建。終端控制采用51單片機作為終端的控制核心，通過電力線載波通信模塊與電力線實現耦合。同時零線和火線作為電源變壓模塊、終端控制裝置和備用電源模塊的供電電源。電源變壓模塊接入零火線，實現變壓給MCU供電，讓MCU執行數據處理與控制。通過繼電保護模塊控制電力設備的工作狀態，進而實現各項基本功能。當電力設備處于接通狀態，電能計量模塊和中央控制模塊開始工作，并將數據借助電力線載波技術，中央控制模塊。若出現異常功率，APP控制平臺將會收相應的警告信息，告知運維人員，并等待用戶響應，進行下一步操作（是否遠程斷開電路）。

3.3 基于樹莓派和Windows IoT平臺的UWP應用程序的工作原理

樹莓派：它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內存硬盤，卡片主板周圍有1/2/4個USB接口和一個10/100 以太網接口，可連接鍵盤、鼠標和網線，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上。

為了使得樹莓派能夠兼容運行通過C#開發的應用程序，我們采用了Windows IoT物聯網版本的操作系統。同時，利用Visual Studio Community2015開發出了一款基于UWP技術的電力設備控制程序。UWP是Windows 10中的Universal Windows Platform簡稱。即Windows通用應用平臺，在Win 10 Mobile/Surface（Windows平板電腦）/PC/Xbox/HoloLens等平臺上運行，UWP不同于傳統pc上的exe應用也跟只適用于手機端的app有本質區別。它并不是為某一個終端而設計，而是可以在所有windows10設備上運行。利用Visual Studio開發出了電力設備核心控制中心設備中的物聯網程序。該程序包含主頁，設備控制頁，檢查更新頁和語音控制頁，在設備控制頁用戶可以直接在平板設備上進行控制，確定電力設備的工作與否。

為了方便使用和實現實時遠程控制，還專門開發了配套的APP平臺。借助該平臺，運維人員能夠隨時了解電力設備的運行狀態，并對其進行控制操作。

4 結語

本文設計的基于電力載波通信的電力設備遠程控制系統，借助了電力線載波通信技術具有高度的可靠性和經濟性，且于管理，分布基本一致。當電力設備出現故障時，可以迅速的確定故障位置，從而提高系統可靠性。另外不需要額外的通訊線路能更好的利用現有電力線路，進一步提高了電力設備的集成度，極大地解決了有線通信帶來的布線難度。同時擁有近場控制和遠程控制兩種模式。近場控制，用戶可以直接在樹莓派，51單片機等智能總控端進行操作，控制電力設備的工作與否。遠程控制，運維人員可實時了解電力設備的運行狀態和進行遠程控制。

參考文獻

[1]楊天琦，方華.基于電力線載波模塊的多電機遠程監控通訊系統設計[J].工業控制計算機，2016，（12）：85-86.

[2]仲元昌，劉勇，李飛，等.電力線載波通信的遠程控制系統[J].重慶大學學報，2010，（2）：47-50.

[3]王君紅，劉寶，袁若權，等.基于電力載波通訊的遠程控制系統設計及應用[J].化工自動化及儀表，2009，（1）：49-52.endprint