載波通信分布式仿真系統的試驗研究

韓東，孫洋，殷聰，宮游

（1.黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱150001；2.哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱150001）

0 引 言

隨著國民經濟的快速發展，傳統的人工管理已不能適應新形勢的需求，取而代之的是利用現代科技實現低壓電網用電管理的現代化、自動化，這已經成為一種新的發展趨勢。低壓電力線載波通信技術以其覆蓋范圍廣、連接方便、投資成本低等優勢，已

被廣泛應用于低壓居民用戶的用電信息采集系統。由于低壓電力線中存在的衰減、噪聲、用戶負荷等干擾因素的影響，載波通信難以實現100%的暢通。因此，為保證用電信息采集系統正常運營，需選擇通信設備品質優良性能的產品投入使用，我國計量檢測機構尚未建立完整的載波通信檢測體系，也未有成型的載波檢測經驗，急需建立一套科學有效檢測平臺更顯得尤為重要.雖然國內、外制定了部分載波通信性能檢測規定，但只針對單個元件在有限條件下進行性能檢測，實際運行負載特性能力無法檢測［1-5］。

鑒于上述原因，國內、外相關機構正在對載波通信測試進行積極的研究和探索。相關組織也正在積極組織行業進行載波通信的相關標準的研究和制定。但現階段，國內對低壓電力載波通信測試主要采用集中式的測試方法，難以真實反映現場運行的實際環境［6-12］。

開發研制低壓電力線載波分布式通信仿真系統目的是：

（1）建立切實可行真實反映現場實際運行環境的檢測系統（平臺），它不但具備檢測載波單器件全部通信性能，還具備檢測各種運行條件下載波負載傳輸特性、路由組網、信號接收品質優劣等功能；

（2）載波仿真測試系統，通信檢測功能齊全，起到掌控載波通信產品質量動向，杜絕偽劣產品上網運行的作用。另外，載波仿真測試系統被廣泛應用，進而深入掌握載波通信傳出特性機理，為我國載波技術領域的發展和提升，制定國家相應標準乃至國際標準，提供可靠技術支撐，其意義深遠重大。

1 仿真系統實施方案

分布式低壓電力載波通信仿真試驗系統由三個網絡構成，即：電力線載波通信網絡（三相電路）、GPRS網絡和計算機以太網。在實際建筑網絡中本地負載前端串入監測控制裝置配電箱，作為負載和電力線之間進行測試的節點。配電箱中主要設備有；電能表、阻抗匹配終端、阻抗測試終端和高頻阻波器，A/D和485轉換器等。集中器下行通過電力載波通信信道與電能表進行通信，從而獲取電能表抄讀電量、抄表成功率、路由相關信息；主站通過GPRS網絡與集中器通信，獲取集中器各種數據信息，記錄載波信道的通信指標；同時利用以太網、電能表、阻抗匹配終端、阻抗測試終端及各種現場的負載等設備構成的網絡，對現場電力載波通信信道進行負荷配置調整，在設定載波信道負荷參數的基礎之上，通過計算機、以太網、GPRS網絡、電力線交互傳遞集中器電能表試驗數據，通過電力線通信信道采集的數據進行校核比對，完成載波通信試驗全過程。

如圖1所示，試驗系統布置在四層1 500平米樓內，利用樓內用電作為負載。樓內供電分三類電源，分別是各樓層的動力、照明和集中空調電源。照明電源負荷主要是日關燈、電腦和獨立式空調等；動力電源負荷為各種電器、儀器、試驗設備、電梯、程控電源等；集中空調電源供大樓的中央空調。載波傳輸在樓內220 V/380 V低壓電力線上進行信號傳輸，信道環境符合現場實際運行狀態，信道中噪聲干擾由樓內各負荷提供，即；各品種電器，各種試驗設備，開關電源，電梯等，較一般臺區環境干擾環境復雜。

2 阻抗匹配終端工作原理

圖1 仿真試驗系統布置Fig.1 Layout of simulation test system

圖2 仿真試驗系統的負荷采集結構布置圖Fig.2 Loads collection structure layout of simulation test system

載波阻抗匹配終端硬件電路由主控板和高頻阻波器兩大部分構成。主控電路板是整個載波阻抗匹配終端的核心單元，主要實現RS232串口通信、CPU控制繼電器切換板上電阻、數據存儲、定時復位重啟系統等功能；阻波器實現對高頻信號呈現大阻抗，對低頻信號呈現小阻抗的作用，降低外部無關信號的影響。

高頻阻波器要滿足高頻高阻抗低頻小阻抗的設計要求，為了滿足高頻高阻抗，研究中先后試驗了鐵硅鋁、鐵氧體、鎳鋅、錳鋅等材質鐵芯。經大量試驗發現，只有錳鋅在100 kHz～500 kHz時阻抗能維持在100Ω～500Ω的高阻抗，而為了滿足50 Hz工頻能量無損傳輸，研究中先后設計了十幾種外圍電路，最后確定了下文中的跨接電容和增加串聯諧振以改變電路諧振點的阻波器外圍電路，如圖3所示。

圖3 高頻阻波器Fig.3 High frequency trap

表1 單相及三相高頻阻波器阻抗實驗數據Tab.1 Impedance test data of single-phase and three-phase high frequency trap

從表1數據可以看到，在100 kHz到500 kHz這一國內主要電能表生產廠家的載波頻率范圍內，當用戶負荷端的阻抗從0Ω變化到500Ω的范圍內，阻波器都能保持對高頻呈現大于50Ω的阻抗值，而對工頻50 Hz信號呈現毫歐級的小阻抗，符合設計需要。

3 仿真試驗系統操作原理

3.1 主站功能

主站承擔整個系統操作指揮核心，它具有錄入參數、試驗方案設置、試驗測試、測試數據管理等功能。

3.2 測試操作流程

（1）由主站、集中器錄入被試驗設備相關參數，即；單、三相表和集中器等；

（2）設置實驗方案，即，單器件通信性能測試還是電網系統特性測試。調節載波阻抗匹配裝置，確定測試環境；

（3）測試項目：單器件通信性能；電平峰植、帶寬、外帶干擾、主峰頻率、環境背景躁聲等。系統特性測試；載波阻抗分布、環境背景躁聲分布、載波品質信號強度分布、路由路線和拓撲結構，組網優化評價等；

（4）數據管理，主要是通過各通信信道，即；電線載波信道，GPRS無線網絡信道，以太網信道采集數據，進行篩選、校核比對、分析列圖顯示等。

4 仿真試驗系統測試結果分析

利用四層樓電力網設施，各樓層分別設置27點的測試配電箱，單器件通信性能測試及國家規范檢測項目本文就不作一一介紹。

4.1 路由拓撲試驗

主站管理軟件通過載波阻抗匹配裝置與樓中運行負荷混合的組合調配（組網），組成多種載波通信試驗環境，分別抄讀各網絡中相關信息數據，仿真系統可配置7種不同的路由拓撲結構；分別是串聯結構、并聯結構、星形結構、對稱雙徑結構、不對稱雙徑結構、樹形結構和網狀結構。

以電能表103931291410為例，路由拓撲結構發生變化，如圖5（e）、圖5（f）、圖5（g）所示。該電能表分別在三種類型的拓撲結構圖中出現，說明整個網絡的路由拓撲結構會隨著仿真試驗系統中阻抗的配置和調節而發生變化。

圖4 主站軟件的系統功能Fig.4 System function of main station software

圖5 路由拓撲結構圖Fig.5 Routing topology structure diagram

4.2 阻抗、路由及信號品質的變化關系

表2所示，列舉出三個電能表，隨著阻抗設置的變化，左證電能表的路由發生相應的變化特性。例如，電能表103931291410號，當阻抗設置為斷開、20 Ω和5Ω狀態時，集中器直抄此電能表；當阻抗設置為0Ω時，集中器需要經過1級中繼才能抄讀到此電能表。電能表104200007371號，當阻抗設置為斷開時，集中器抄讀到此電能表需要經過1級中繼；當阻抗設置為20Ω時，集中器抄讀到此電能表需要經過2級中繼；當阻抗設置為5Ω時，集中器抄讀到此電能表需要經過3級中繼；當阻抗設置為0Ω時，集中器抄讀到此電能表需要經過4級中繼。

由此表明，當載波通信信道中的阻抗值由50Ω減小到0Ω時，越來越不適合低壓電力載波通信，集中器需要增加中繼的級數才能抄讀到電能表，反應了低壓電力載波通信信道中阻抗值的變化對抄表的路由以及抄表能力的影響。

阻抗設置變化也會影響信號品質因數，如表2所示，分別列出的電能表在阻抗設置變化時，集中器抄表的信號品質因數也會發生變化。

信號品質因數是載波通信模塊內的一種特殊參數，涉及到各個載波通信模塊廠家的路由算法，與載波信號強度、系統的信噪比以及通信距離有直接關系。電力線載波通信是利用電力線，通過載波方式將模擬或數字的信號進行傳輸的技術。由于電力線輸送電是50 Hz工頻信號，用戶使用負荷所產生邂波勢必污染通信信道，影響了載波調制、解調信號傳輸全過程，載波信號的信噪比急劇下降，通信可靠性降低，因此，提高信噪比是確保載波信號傳輸數據的可靠性和系統抄讀準確度的關鍵。目前低壓電力載波通信的調制方式都是采用FSK或PSK，其誤碼率分別為：

式中r為輸出信噪比，其表達式如下：

其中a是經過衰減的載波信號幅度，當低壓電力線載波通信系統中阻抗設置發生變化，Pe中的a會發生變化，總誤碼率變化，所以信噪比發生變化，進而影響信號品質因數。

表2 阻抗設置變化對路由及信號品質因數的影響Tab.2 Impact of routing and signal quality factor by impedance variation

電能表103931291410，在四種阻抗設置的情況下信號品質因數的變化如下：當阻抗設置為斷開時，信號品質因數為13；當阻抗變化為20Ω時，信號品質因數也由13變化為33；當阻抗設置為5Ω時，信號品質因數由33變化為13；當阻抗設置為0Ω，信號品質因數變為02。電能表104200007371，反映了阻抗設置和路由的變化對信號品質因數的影響，當阻抗設置為斷開時，中繼級數為1級，信號品質因數為53；當阻抗變化為20Ω時，中繼級數為2級，信號品質因數也由53變化為13；當阻抗設置為5Ω時，中繼級數變化為3級，信號品質因數由13變化為53；當阻抗設置為0Ω，中繼級數變化為4級，信號品質因數變化為02。

這里需要說明的是信號品質因數越大代表通信質量越好，在阻抗設置為斷開或者設置為0時，都是電網和電能表阻抗不匹配狀態，所以電能表載波通信的信號品質因數的大小也是隨電網負荷變化的；當阻抗設置由大變小（20Ω變化為5Ω）的過程中，原有電能表的路由改變，隨著中繼級數的增加通信質量變好，信號品質因數是上升的。因此可以通過改變路由，增加中繼來增加信號品質因數，從而提高通信的可靠性。

5 結束語

本文建立了分布式低壓電力線載波通信仿真試驗系統。通過實踐驗證，實現了以載波阻抗匹配的組合方式，真實模仿了低壓電力線載波通信的運行環境。試驗研究中測得7種路由拓撲結構，并運用實際測試數據驗證了仿真系統試驗真實性。如抄表真實性，由以太網通過485線驗證；路由拓撲結構由各電能表中繼方式和信號品質因數驗證等。

綜上所述載波通信仿真試驗系統有以下特點：

（1）采用供電運行環境，運用分布多點測試方法，真實反映了現場實際載波通信狀態；

（2）研發了載波阻抗匹配組合方法，充分利用一種固定電網結構改變多種載波通信路徑和通信環境，突破載波通信無法仿真的難題；

（3）仿真測試系統操作簡單，通信測試項目齊全完整，試驗數據真實準確（可運用三種通信信道測試驗證）；

（4）載波通信仿真試驗系統，不但為電力線載波通信設備產品質量驗收服務，還可為研究機構和生產廠商提供科學試驗研究平臺。系統不足之處是供電范圍小，測試點少；若足夠大，路由拓撲結構將更加多樣。