基于窄帶雙模通信技術實現可靠的遠程費控

吳駿

摘 要：福建電力在國網范圍內率先采用基于窄帶Z-OFDM載波和微功率無線雙信道、雙?；旌下酚删W絡通信技術，利用電力線和無線信道介質特性差異，相互補充、從而大大提高了用電信息采集系統本地信道通信可靠性，提高了難點現場的采集成功率、并有效地支撐了遠程費控業務。

關鍵詞：Z-OFDM；雙模；混合路由；采集成功率；遠程費控

1 引言

“全覆蓋、全采集、全費控”是用電信息采集系統建設的目標，當前福建電力用采系統用戶覆蓋率99.9%，采集成功率98.5%，基本實現了全覆蓋、全采集的目標，而“全費控”由于大多采用單一的電力線載波通信技術，尤其是大部分載波技術均采用一個工作頻點工作的單載波通信技術，在工作頻率上無自適應能力，容易受到各種電器設備工作時產生的諧波以及接入電網的深度阻抗衰落影響，導致部分電表不能被可靠抄收，這點尤其在城中村、城鄉結合區域等電網結構復雜、用電電器類型復雜的惡劣電網環境下表現的更為凸出。而采用單一的微功率無線通信技術，其傳輸介質為空間電磁波，其信號傳輸容易受到地理環境、空氣濕度以及天線類型和安裝位置影響，因此在地下室、高樓、金屬表箱等環境下以及陰雨天導致部分電表不能被可靠抄收。因此基于單一信道通信技術的通信可靠性較差，采集成功率無法達到100%、且無法較好支撐遠程費控業務的應用。

2 窄帶雙模通信技術

2.1 窄帶雙模技術原理

“雙?！鳖櫭剂x就是兩種通信模式，這里特指電力線窄帶載波與微功率無線兩種通信技術。而雙模方案就是利用這兩種通信信道特性不同而形成一種互補機制的通信方案，從而使通信的時效性和可靠性得以有效的提升。

2.2 雙模相對于單一信道通信技術優勢

通過前面分析，無論電力線載波，還是微功率無線任何單一的通信技術都無法解決各自信道的自身缺陷。只有兩者相融合才能發揮各自優點，做到取長補短，可以最大程度降低各自信道的自身缺陷所帶來的影響，提高抄收的完整性、可靠性。

2.3 雙模技術方案設計關鍵和難點

2.3.1 成本。雙模通信技術方案成本不能明顯高于單一通信技術成本，否則無法大規模推廣實施。

2.3.2 工藝。雙模通信單元不能使兩個信道通信芯片簡單的合在一起，否則功耗、生產故障率將大大增加導致無法大規模生產。

2.3.3 物理層通信速率匹配。兩個信道物理層通信速率要匹配否則無法實現雙信道混合路由，失去雙模通信的意義。

2.3.4 通信信道通信魯棒性。無論電力線載波還是無線，采用物理通信技術一定都要具有較好的通信魯棒性，否則雙模就會失衡、無法達到通信性能最佳。

2.3.5 雙信道混合路由。雙模、雙信道通信技術的核心在于電力線、無線信道之間可以相互借力、相互中繼，從而減少中繼級數、提高通信鏈路的可靠性，而不是簡單的“橋接”，通過工程的方式解決現場通信盲區問題。

3 “Z-OFDM載波+微功率無線”窄帶雙模通信技術解決方案

針對第2章節雙模技術方案難點，我們選用“Z-OFDM載波+微功率無線”窄帶雙模通信技術，該雙模技術采用雙信道單芯片工藝，外圍電路簡單，從而確保了低功耗、低成本和大規模生產的可行性。

3.1 電力線和無線信道通信速率匹配

微功率無線物理層符合微功率無線通信技術規范物理層通信速率默認10kbps。電力線通信技術選用窄帶高速OFDM調制，物理層通信速率默認10kbps。

3.2 通信魯棒性

“Z-OFDM載波+微功率無線”窄帶雙模通信技術方案中電力線通信技術采用基于工頻過零Z-OFDM窄帶高速載波通信技術，微功率無線通信接收靈敏度可高達-110dbm以上。

Z-OFDM載波技術具體技術特點：

相對于傳統的BPSK或BFSK單載波調制而言，OFDM調制可以幾十個乃至上百個頻點同時工作、進行信號傳輸，不僅頻譜利用效率高、通信速度快（一般為單載波10倍以上的通信速率），而且對低壓電力線特有的頻率和阻抗頻率選擇性信道具有較高的自適應能力。

雙模技術方案中所采用的電力線窄帶Z-OFDM載波，是充分考慮到國內電力線環境的復雜性、惡劣性，再設計上采用了更加復雜、但通信更加魯棒的相干調制、插入導頻、信道估計和信道均衡技術。另外，在時域上采用工頻過零時隙同步傳輸。

工作原理：將物理層一幀分成若干個塊，每個數據塊都在工頻電壓過零點3.3ms（60°）內傳輸。

工頻過零時隙同步傳輸相對于連續傳輸的優勢：可避免漏電保護器誤跳閘：當漏電流超出漏電保護器門限電流并且持續時間超過40ms就會產生保護跳閘，連續傳輸的載波信號無疑傳輸時間滿足了40ms的時間條件，因此會有導致部分家用漏電保護器誤跳閘的風險，而工頻過零時隙同步傳輸，載波信號傳輸持續時間僅為3ms左右，可以有效的規避該風險。

準確相位識別：單相載波在本相電壓工頻過零點3ms（相位60°）內進行發送和接收，可實現單相表準確的相位識別。

系統抄表效率高：過零傳輸可充分利用自身多信道（三相）優勢，進行多信道同時采集不同電表（連續傳輸由于存在相間干擾問題不能實現三相同時傳輸），從而提高載波系統效率。因為三相不同電表的串口通信和CPU處理時間都是并行的，相對于連續傳輸這兩部分節省了2/3時間。

抗干擾能力強：我國電器設備EMC相關標準執行力相對歐美發達國家弱，導致國內電器EMI超標嚴重，導致我國低壓電網環境惡劣，采用工頻過零時隙傳輸可以有效地躲避絕大部分電器工作時段，噪聲小且阻抗高，有利于提高載波通信可靠性。

3.3 雙信道、雙模混合路由網絡通信技術

相對于其他雙模通信技術方案，僅作簡單的“橋接”功能而言，“Z-OFDM載波+微功率無線”雙模通信網絡層設計定位于電力線載波和微功率無線兩種信道通信技術真正地融合，使整個通信系統能夠發揮雙模通信的最大效益，實現雙模真正意義上的“混合路由”。

3.4 技術方案特點總結

“Z-OFDM載波+微功率無線”窄帶雙模通信技術方案特點總結如下：

雙信道、雙模通信單芯片實現工藝、低功耗、低成本。雙信道通信速率匹配。電力線載波Z-OFDM調制，微功率無線物理層采用GFSK調制以保證各自信道的通信魯棒性。雙信道、雙?；旌下酚?，大大提高網絡通信效率和網絡通信穩定性。

4 方案實施成效

4.1 試點前后采集成功率對比

試點選擇了漳浦電力公司36個臺區共7649戶，其中34個是城市臺區、2個為抄表環境較為復雜的農村臺區。經采用雙模通信技術后采集成功率從95%提升至99.5%。

4.2 費控功能測試

通過采用雙模通信技術方案實施遠程費控停電的55戶當中執行成功52戶，成功率從之前的平均88%提升至95%。滿足電力公司遠程費控應用需求。

5 結論

通過采用窄帶雙模通信技術方案有效地提升了現場設備的采集效率、采集成功率，更能對用電信息采集系統遠程費控業務進行有效的支撐，且相對于原有窄帶載波通信方案成本幾乎不變。因此，采用窄帶雙模通信技術對于用電信息采集系統升級改造是一種較好的通信技術方案。

參考文獻

[1]殷健，周克.雙模通信在智能用電信息采集系統的應用研究[J].電氣應用，2016（20）：18-22.

[2]于亮，馬丞君.淺析低壓窄帶通訊模式下的微功率無線雙模通信方式[J].科研，00037-00037.