低壓電力線載波通信的遠程抄表系統架構設計

楊金成，劉海洋，申 李，王 璐，張振源，黃大榮

(1.國網新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.重慶交通大學信息科學與工程學院，重慶 400074)

0 引言

近年來，物聯網技術在電力相關領域中得到了廣泛的應用[1-3]。在電力遠程抄表系統中，電力線作為通信網絡具有布置成本低、大規模部署難度小及接入方便的優勢，已成為當前的研究熱點[4-7]。針對遠程抄表系統存在的相關問題，在詳細分析了低壓電力線信道特性的基礎上，設計了一種低壓電力線載波通信的遠程抄表系統架構。首先，分析了低壓電力線載波通信的遠程抄表系統存在的問題及可行性；然后，針對低壓電力線載波通信存在的可靠性低、誤碼率較高等問題，進行了低壓電力線信道特性分析，并提出了基于過零同步分時傳輸的低壓電力線載波通信技術，以改善上述問題；最后，通過芯片設計驗證，完成了通信系統架構設計。

1 低壓電力線載波的整體系統

低壓電力線遠程抄表系統如圖1所示。

圖1 低壓電力線遠程抄表系統框圖

遠程抄表系統主要由采集器、集中器和數據服務器構成[8]。采集網絡中，采集器負責對采集設備或傳感器進行采樣或存儲，并通過通信線路與集中器進行通信。集中器管理所負責的采集器，對數據進行匯總和處理，并通過通信網絡將數據上傳至數據中心服務器，同時傳達數據中心服務器對集中器和采集點的增加、刪除及修改等操作。

在整個遠程抄表系統架構中，電力線網絡作為全球覆蓋規模較大、建設較為完善的網絡，具有成為獨立通信網絡的獨特優勢。但這僅針對已經成熟的10 kV以上電壓等級的高壓電力線載波技術?；诘蛪弘娏€載波的通信網絡由于電力載波信號存在脈沖干擾，傳輸距離越遠，信號衰減越大,噪聲干擾也越大，會影響載波通信的質量[9]。另外，在集中器與采集器之間的任務通信方式中，傳統的通信方法是直接通過數據中心服務器與電能表之間“點對點”的通信方式[10]。在通信命令下發過程中，需要很多環節的配合。由于通信交互的實時性要求較高，且流程復雜，通信的可靠性不高，一個環節配合不好就會影響通信的成功率。因此，利用低壓電力線載波作為通信網絡，需要選擇合適的調制方式、合適的頻率等，降低通信傳輸過程中所產生的較高誤碼率，從而改善低壓電力線載波通信質量。下文以低壓電力線作為通信信道，展開特性分析。

2 低壓電力線信道特性分析

由于電力線不是專用通信信道，加上低壓電網負載復雜、負荷的時變性強，導致信道噪聲較傳統通信信道而言，噪聲來源更多，也更為復雜。噪聲的存在會導致信息在整個傳輸過程中最終表現為誤碼率較高、通信質量不佳，甚至可能會產生通信失效[11-13]。所以測量并分析電力線通信信道的噪聲顯得尤為重要。

本文主要從“噪聲、阻抗、衰減”[14]這三個方面對低壓電力線信道進行分析。其中，低壓電力線交流市電頻率為50 Hz，載波通信允許頻段為500 kHz以下，且10 kHz以下為電網諧波范圍。因此，信道分析選擇時間長度為20 ms，衰減分析頻率范圍為10～500 kHz，阻抗分析和噪聲分析的頻率范圍為80～500 kHz。下面將對噪聲、阻抗、衰減特性分別進行詳細分析。

2.1 噪聲分析

低壓電力線的工作環境復雜，電力線的噪聲可能是雷電引起的，或者各種電器造成的。所以電力線的噪聲在信號表現形式上并不是以高斯白噪聲為主，而是表現為在極短時間周期內都可能會產生變化。

噪聲測試框圖如圖2所示。

圖2 噪聲測試框圖

電力線噪聲通過耦合網絡耦合至示波器。示波器則采集噪聲并以數據文件形式進行存儲，在計算機上利用相關軟件進行相應的頻譜分析。耦合電路的作用一是實現強電隔離，保證測試設備的安全；二是通過耦合網絡中的濾波器對測試頻段的噪聲進行濾除，從而減少干擾。添加過零觸發電路的作用則是為防止交流電壓重復采集的問題，確保數據采集的精確性。

利用高通濾波器濾除交流市電中的高頻分量，用高速數據采集設備以采樣率100 MS/s采集20 ms的噪聲分析數據，并存儲傳至計算機。對噪聲數據作離散傅里葉變換，從而得到各頻率分量的變化情況，并使用三維頻譜圖方式展示出各頻點噪聲隨時間變化的幅度特性。噪聲三維頻譜如圖3所示。

圖3 噪聲三維頻譜示意圖

由圖3可知，雖然低壓電力線噪聲本身是隨機時變，但總體表現存在100 Hz/50 Hz的周期性。從具體表現形式上看，電壓過零時噪聲較弱，非零時刻噪聲變化更加明顯，電壓峰值時段噪聲一般比過零時段噪聲大15 dB。

2.2 阻抗分析

低壓電力線往往存在負載。在產生負載時，所有頻率的輸入阻抗都會減小。而且由于負載類型的不同，所以實際情況比較復雜，使輸入阻抗的變化不可預測。阻抗分析原理如圖4所示。

圖4 阻抗分析原理圖

由于阻抗變化不可預測，于是選擇了任意波形發生器產生信號，并采用高通濾波器對測試頻段的噪聲進行濾除。高速數據采集設備可采集每5 kHz為間隔的各頻點20 ms低壓電力線阻抗變化趨勢。

以伏/安法為基礎，通過計算機控制波形發生器產生不同頻率的正弦信號，并采集對應頻率的信號F1和F2，得到80～500 kHz頻段內每隔5 kHz的各頻點20 ms低壓電力線阻抗變化趨勢。再以工頻同步交流市電電壓過零時刻為基準點，得到如圖5所示的三維阻抗分析圖。由圖5可知，低壓電力線阻抗幅度變化范圍大，最小小于10 Ω；阻抗具備與噪聲一樣的周期性，過零時刻與非過零時刻的表現形式有較大差異；從整體上看，一段時間內同一測試點各頻點阻抗變化范圍趨勢比較穩定。

圖5 三維阻抗分析圖

2.3 衰減特性分析

由于低壓電力線是非均勻不平衡的傳輸線，反射、駐波這些現象的存在使得信號的衰減幅度并不像其他信道一樣，只是簡單地隨傳輸距離的增加，信號衰減得越快。因此，需要對電力線進行衰減特性分析。電力線信號衰減特性測量框圖如圖 6 所示。

圖6 衰減特性測量框圖

圖6中，模擬搭建的各種測量場景組成了電力線網絡參與測量過程的相關儀器，包括波形發生器、耦合器、示波器和頻譜分析儀。

圖7 三維衰減示意圖

由圖7可知，由于低壓電力線是非均勻、不平衡的傳輸線，所以存在反射、駐波等復雜現象，使得信號衰減程度與距離并不是成簡單的正比關系；同時，衰減最大一般出現在250 kHz，同時也存在100 Hz/50 Hz的周期性變化。

2.4 改善后的載波通信技術

通過以上對電力線信道特性的充分研究，可知交流市電過零時刻其噪聲強度低、阻抗穩定等特點，而且低壓電網噪聲強度與信號傳輸頻率普遍成反比關系：隨頻率的增加，電網噪聲明顯下降。這將顯著提高接收信噪比。經大量試驗表明，以421 kHz附近頻率點作為傳輸頻率，對提高載波通信能力而言效果最好。

基于上述分析結果，本文提出以交流市電電壓過零時刻為時間基準進行信號同步，各相工作以本相過零點為基準的3.3 ms時間進行載波通信，同時選擇噪聲強度低的421 kHz作為載波中心頻點，以及連續相位(frequency shift keying,FSK)調制方式、直序擴頻編碼技術和小波變化技術[15]等作為通信技術。利用FSK調制方式，可以直接避免電網阻抗影響；結合擴頻編碼，可以顯著提高信號的抗干擾性；同時，使用連續相位的信號調制方式，可有效抑制調制信號時自身信號跳變產生的脈沖諧波干擾,最終有效適應低壓電力線信道特性復雜的特點、顯著提高載波通信的成功率和穩定性。

2.4.1 三相分時動態切換技術

過零同步分時傳輸載波信號原理如圖8所示。

圖8 過零同步分時傳輸載波信號原理圖

利用低電壓三相電壓相差120°的特性，每個半波在10 ms時間里，終端設備與各相通信單元間以3.3 ms為間隔處于獨立通信狀態，實現三相并行傳輸。相比原有持續發送的載波技術必須三相輪流進行信號傳輸而言，該方法提高了綜合碼元傳輸速率，保障了用電信息的采集效率。

2.4.2 數字三態D類放大器技術

根據載波通信時間，在持續發送電力線通信(power line communication，PLC)技術[16](載波信號連續發送)和過零發送PLC(交流電壓過零前后時間段發送)技術的理論基礎上，研究數字化解調和調制方式，提出了一種可以顯著降低帶內諧波干擾且高輸出效率的數字三態D類放大器技術。

2.4.3 任務通信方式

針對集中器與采集器之間的任務通信問題，以“集中器主動”替換原有的“采集主站服務器主動”，從而使服務器與電能表之間的交互模式由同步方式轉為異步方式。較原有的方式而言，其通信效率有所提高，主站的占用時間也有所降低。設定任務優先級，同時不影響數據采集，通過多輪次下發的方式，為大量的數據通信提供了技術支持，并可以配合電費控制和電價下發等任務，與遠程抄表任務一起完成。

3 系統架構設計

在分析用電信息采集系統及低壓電力線信道特性的基礎上，為改善以低壓電力線作為用電信息采集系統的通信網絡存在的問題，設計出一種新型的高性能、低成本、低功耗的電力線載波通信芯片，用于完成并驗證系統架構設計。

3.1 芯片設計方案

利用數字三態D類放大器、數字解調、三相分時動態切換和低功耗控制等技術，設計低壓電力線窄帶載波通信芯片。本設計采用CK802高性能低功耗32位內核，配以豐富的片上外設模塊，以及自主研發設計的、專門應對電力線載波通信的FSK解調和三態D類放大器調制模塊等設計而成。系統以CK802作為工作芯片。相較于其他控制器而言，該芯片具有低功耗、高性能的性能特點，可以達到低功耗控制的效果。其在-40～+85 ℃內均可以正常工作，更適用于復雜、惡劣的工作環境。

3.2 芯片結構設計

低壓電力線窄帶載波通信芯片專用功能模塊框圖如圖9所示。其功能框圖由控制模塊和功能模塊構成?？刂颇K主要包括電源管理模塊、輸入/輸出狀態選擇模塊、頻率選擇模塊、三路切換模塊。功能模塊主要包括線性放大模塊、功率放大模塊、濾波模塊、穩頻模塊、解調模塊、信號強度檢測模塊等。

圖9 通信芯片內部專用功能模塊功能框圖

為解決上述芯片內部專用功能模塊功能的問題，將這些功能分別集成到載波信號接收電路、高可靠窄帶載波信號發送電路、過零測試電路、集中器載波模塊以及單、三相載波模塊中。

3.2.1 載波信號接收電路

載波信號接收電路是將來自電力線上的窄帶載波信號經過諧振電路(LC)濾波電路去掉低頻信號，利用隔離變壓器將信號耦合至低壓側，從而實現載波信號的接收。

3.2.2 高可靠窄帶載波信號發送電路

載波信號接收電路是將來自載波通信芯片輸出的三態D類數字信號，經過自主研發的功率放大(power amplifier,PA)芯片及選頻濾波器后，通過隔離變壓器耦合至高壓側，實現載波信號發送。

3.2.3 過零測試電路

過零測試電路在工頻交流電過零點處產生的下降沿輸出作為過零同步信號，保障過零同步分時傳輸技術的穩定運行。

3.2.4 集中器載波模塊

集中器載波模塊的主要功能是對低壓電力線通信網絡與電力用戶用電信息采集系統進行直接互聯，在實現主站載波通信功能的同時，簡化系統結構、降低成本，并提高系統穩定性。

3.2.5 單、三相載波模塊

該模塊的功能主要是利用新型數字解調技術，實現電力線通信網絡的電子終端設備之間可靠的數據交換，同時具備中繼功能，可實現載波快速組網、主動上報、臺區區分、自動識別線路異常的功能。

4 通信系統架構測試

以載帶路由模塊、窄帶單相通道板模塊為測試對象，配合相關測試工具以及測試軟件鼎信載波通信測試軟件F版V201703209完成本次芯片測試。測試環境如圖10所示。

圖10 測試環境示意圖

分別對設計的通信系統架構進行了通信測試、抗衰弱測試、抗白噪聲測試以及數字三態D類放大器的驗證測試，測試結果如下。

4.1 通信測試

路由和模塊分別由12 V測試底座供電，放置于屏蔽箱內，額外提供過零信號；路由端設置不同的載波速率與模塊端進行通信，并統計200次的通信結果。通信性能測試結果如表1所示。

經驗證，在通信速率分別為50 bit/s、600 bit/s和1 200 bit/s的情況下，在未到達衰減臨界值時，均能保證通信成功率達到90%以上。

4.2 抗衰減性能測試

在路由和模塊載波通信線路之間加入可調衰減器，發送相應通信報文，記錄錯誤檢查和糾正(error correcting code,ECC)等級為0時在不同衰減環境下的通信能力，以及成功率從100%開始下降的衰減值。將路由和模塊分別置于2個屏蔽箱中。模塊通過12 V供電。載波通信接口過衰減器連接，用于通信。

由表1可知，當通信速率為600 bit/s時，成功率從100%開始下降的臨界值為98 dB;當通信速率為1 200 bit/s時，成功率從100%開始下降的臨界值為99 dB。

4.3 抗白噪聲性能測試

通過信號發生器產生白噪信號，分別在路由端和模塊端注入不同幅值的白噪聲，設置以600 bit/s的速率發送PLC協議報文，設置衰減器的衰減值固定為98 dB，記錄200次通信后成功率值。模擬噪聲測試結果如表2所示。

表2 模擬噪聲測試結果

由表2可知，模擬噪聲添加至路由端時抗噪聲性能較好，模塊端則抗噪聲能力較差。

4.4 數字三態D類放大器效率驗證

以模擬421 kHz正弦波為例，當2個基頻正強信號之差占中間半波的48.2%、兩邊各占半波的8.4%時，就能得到最理想的模擬效果。其3次諧波、5次諧波和7次諧波都很小。疊加方波仿真示意圖如圖11所示。

圖11 疊加方波仿真示意圖

由圖11可知，通過通信系統測試，設計的數字三態D類放大器可以有效抑制帶內諧波分量，同時具有高輸出率。

5 結論

本文在詳細分析了低壓電力線信道特性的基礎上，提出了基于過零同步分時傳輸的低壓電力線載波通信技術，并利用相關技術設計了一套基于低壓電力線載波芯片的遠程抄表系統。該設計能一定程度提高系統通信的可靠性，并能夠提高集中器任務透傳的并發性，對智能電網的普及工作起到了推動作用。