一種低壓電力線寬帶載波通信單元快速檢測系統(tǒng)

付義豪，楊雷，谷戰(zhàn)壘，王軍

（1.國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京，211106；2.國網(wǎng)河南省電力公司營銷服務(wù)中心，河南鄭州，450052；3.河南許繼儀表有限公司，河南許昌，461000）

0 引言

隨著我國智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，低壓側(cè)的用電數(shù)據(jù)采集項、采集頻次不斷提高，對低壓電力線寬帶載波通信技術(shù)提出了更高的要求。在電力系統(tǒng)應(yīng)用中，電力線是最普及、覆蓋面最為廣的一種物理介質(zhì)，利用電力線傳輸用電數(shù)據(jù)信息，具有極大的便捷性，與傳統(tǒng)的RS-485通信相比，無需重新走線，即可將所有與電力線相連接的電力設(shè)備組成一個廣域通信網(wǎng)絡(luò)[1-2]。這種通信方式實施簡單、維護(hù)方便，可以有效降低電力企業(yè)運營成本、減少構(gòu)建新的通信網(wǎng)絡(luò)的成本支出，已成為堅強智能電網(wǎng)、能源監(jiān)管、智慧用能、新能源發(fā)電、電動車充電管理等應(yīng)用的主要通信方式[2-3]。

目前，受限于窄帶電力線通信單元帶寬和速率的影響，用電信息采集系統(tǒng)僅對電能量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，嚴(yán)重制約用電數(shù)據(jù)深化應(yīng)用的開展。低壓電力線寬帶載波通信技術(shù)經(jīng)過近幾年的研究與應(yīng)用，用電信息采集系統(tǒng)已基本實現(xiàn)全覆蓋、全采集。根據(jù)電力企業(yè)對用電數(shù)據(jù)全量高頻采集、臺區(qū)拓?fù)渥R別、停電事件上報、時鐘精準(zhǔn)校核等深化應(yīng)用的要求，部分省電力企業(yè)開展了低壓電力線寬帶載波通信單元的試點建設(shè)，實現(xiàn)了全量數(shù)據(jù)高頻采集、臺區(qū)拓?fù)渥R別、時鐘精準(zhǔn)校核等功能，在用戶側(cè)電能數(shù)據(jù)深化應(yīng)用方面取得了良好的效果。因此，低壓電力線寬帶載波通信單元的應(yīng)用將會越來廣泛，有力推動了用電信息數(shù)據(jù)深化應(yīng)用的有效開展[3-4]。

但是，各省電力企業(yè)在低壓電力線寬帶載波通信單元檢測方面缺少相應(yīng)的檢測設(shè)備，只能手動搭建測試環(huán)境，檢測傳統(tǒng)的功能項目，檢測效率和檢測質(zhì)量不高。特別是對不同設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)提供的低壓電力線寬帶載波通信單元開展適應(yīng)性檢查、供貨前樣品比對、供貨前全性能試驗、到貨后樣品比對、到貨后抽樣驗收試驗、到貨后全檢驗收試驗、故障診斷等質(zhì)量監(jiān)督工作造成很大的困擾。另外，對低壓電力線寬帶載波通信單元的性能、一致性、深化應(yīng)用功能和互聯(lián)互通方面的檢測方法，基本處于空白狀態(tài)，嚴(yán)重制約低壓電力線寬帶載波通信單元的推廣和應(yīng)用[4-5]。

鑒于上述原因，本文在詳細(xì)分析了當(dāng)前各省電力企業(yè)對低壓電力線寬帶載波通信單元檢測能力及存在問題的基礎(chǔ)上，有針對性地設(shè)計了一種低壓電力線寬帶載波通信單元快速檢測系統(tǒng)。

1 設(shè)計方案

基于低壓電力線寬帶載波通信單元檢測系統(tǒng)主要由上位機(jī)檢測單元、虛擬集中器、虛擬電能表等部分組成（見圖1）。以上位機(jī)檢測單元為核心，搭建低壓電力線寬帶載波通信單元模擬檢測系統(tǒng)，每臺虛擬集中器及下掛虛擬電能表組成一個虛擬低壓臺區(qū)，開展低壓電力線寬帶載波通信單元檢測業(yè)務(wù)。同時，能夠模擬現(xiàn)有的用電信息采集主站的所有數(shù)據(jù)采集及控制功能[6-7]。

圖1 檢測系統(tǒng)架構(gòu)圖

上位機(jī)檢測單元通過以太網(wǎng)或者4G通信的方式與虛擬集中器通信，虛擬集中器與虛擬電能表之間通過低壓電力線寬帶載波通信。上位機(jī)檢測單元下發(fā)性能及功能檢測任務(wù)，包括高頻數(shù)據(jù)采集、停電事件上報、時鐘精準(zhǔn)管理、臺區(qū)拓?fù)渥R別、檔案自動同步、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通檢測等項目。通過虛擬集中器執(zhí)行，將檢測任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給電能表，由虛擬集中器和虛擬電能表共同完成所有檢測項目，載波偵聽模塊實時偵聽通信狀態(tài)并上報給檢測系統(tǒng)[8-12]。

1.1 上位機(jī)檢測單元

上位機(jī)檢測單元包括檢測軟件系統(tǒng)、載波偵聽模塊、程控衰減模塊、射頻衰減模塊等組成。通過上位機(jī)檢測軟件系統(tǒng)選擇本次檢測項目的通信協(xié)議，包括Q/GDW 376.1、DL/T 698.45等通信協(xié)議。同時，可以通過系統(tǒng)頁面選擇通信接口方式、設(shè)置通信接口參數(shù)、選擇檢測項目、選擇檢測項目及檢測任務(wù)下發(fā)等功能。

上位機(jī)檢測單元通過載波偵聽模塊和虛擬集中器采集的數(shù)據(jù)，分析并記錄不同型號的低壓電力線寬帶載波通信單元運行狀態(tài)，以檢測日志的形式存儲低壓電力線寬帶載波通信單元的功能及性能檢測結(jié)果。

1.1.1 載波偵聽模塊

載波偵聽模塊以FPGA核心板為主體，外圍電路包括電源模塊、過零檢測電路、載波耦合電路、高速數(shù)據(jù)采集單元等組成。載波偵聽模塊包括載波透明接入單元和載波信道偵聽單元，透明接入單元與信道偵聽單元硬件完全一樣，軟件總體一致，細(xì)節(jié)進(jìn)行分支區(qū)分。透明接入單元的主要作用是將檢測軟件系統(tǒng)組織的數(shù)據(jù)發(fā)送到載波通信介質(zhì)，并根據(jù)需求自動回復(fù)SACK與NACK線路信號。信道偵聽單元的主要作用是將載波通信介質(zhì)里的所有數(shù)據(jù)實時發(fā)送給檢測軟件系統(tǒng)，供其進(jìn)行分析判斷。載波偵聽模塊通過以太網(wǎng)TCP協(xié)議與檢測軟件系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，載波偵聽模塊作為TCP Server，檢測軟件系統(tǒng)作為TCP Client。

圖2 載波偵聽模塊原理圖

1.1.2 程控衰減模塊

程控衰減模塊分為三個部分，包括控制單元、強電隔離單元和弱電衰減單元。強電隔離單元和弱電衰減單元通過PCB板走線連在一起。程控衰減模塊采用強弱電分離，強電設(shè)置隔離分區(qū)，弱電進(jìn)行通信，并進(jìn)行信號強度控制。強電隔離單元總隔離度大于70 dB，可調(diào)節(jié)精度為2dB，分為6段控制，調(diào)節(jié)幅度為2 dB至20 dB之間（見圖3）；強電額定電流為：2A；弱電衰減單元工作頻段為500kHz至12MHz；程控衰減模塊通過RS-485或者RS-232與上位機(jī)檢測單元通信。

圖3 程控衰減模塊原理圖

1.1.3 射頻衰減模塊

射頻衰減模塊是通過電力線與載波偵聽模塊、待測低壓電力線寬帶載波模塊連接，具有信號源和頻譜儀的功能，同時具有調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和待測模塊之間衰減值得作用。射頻衰減模塊具有以下通路：信號源可以通過射頻開關(guān)1為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備提供時鐘信號。信號源可以通過射頻開關(guān)1、功分器2、射頻開關(guān)2、射頻開關(guān)4為待測模塊注入干擾噪聲。頻譜分析儀可以通過功分器1、功分器2、射頻開關(guān)2、射頻開關(guān)4測試待測模塊工作頻段和PSD。示波器可以通過功分器1、功分器2、射頻開關(guān)2、射頻開關(guān)4測試待測模塊時域信號，此通道為備用通道。載波偵聽模塊通過三通1、程控衰減器和三通2連接到待測模塊，此通過為衰減值可調(diào)通道（見圖4）。

圖4 射頻衰減模塊框圖

1.2 虛擬集中器

虛擬集中器按照集中器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計，具有數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、運行狀態(tài)顯示、按鍵、載波通信、以太網(wǎng)通信等功能。處理上位機(jī)檢測系統(tǒng)下發(fā)的低壓電力線寬帶載波通信單元檢測任務(wù)，對電能表寬帶載波模塊上上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。轉(zhuǎn)發(fā)檢測系統(tǒng)時鐘校時數(shù)據(jù)，對虛擬電能表上報的數(shù)據(jù)、停電事件，主動轉(zhuǎn)發(fā)給檢測系統(tǒng)。協(xié)助處理低壓電力線寬帶載波通信單元的深化應(yīng)用功能，包括高頻數(shù)據(jù)采集、精準(zhǔn)校時、停電事件上報、臺區(qū)物理拓?fù)洹⑾辔蛔R別等功能。

1.3 虛擬電能表

虛擬電能裝置按照電力企業(yè)電能表設(shè)計規(guī)范設(shè)計，具有計量、通信、顯示、異常事件上報等功能。外圍預(yù)留低壓電力線寬帶載波通信、RS-485通信、紅外通信等接口，滿足插拔不同型號規(guī)格的寬帶載波通信模塊測試需求。能夠執(zhí)行虛擬集中器下發(fā)的數(shù)據(jù)采集、時鐘校驗、臺區(qū)拓?fù)渥R別等任務(wù)[4]。

2 檢測功能

通過檢查系統(tǒng)初始化操作，選擇檢測項目，下發(fā)檢測任務(wù)，由上位機(jī)檢測單元配置檢測參數(shù)，自動檢測低壓電力線寬帶載波通信單元的高頻數(shù)據(jù)采集、停電事件上報、時鐘精準(zhǔn)校時、臺區(qū)拓?fù)渥R別、互聯(lián)互通檢測等項目，詳細(xì)檢測流程（見圖5）。

圖5 寬帶載波通信單元檢測流程圖

2.1 高頻數(shù)據(jù)采集性能檢測

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)項，高頻數(shù)據(jù)采集頻次不同，主要包括如下幾種方案。檢測系統(tǒng)每天采集24至96個實時用電數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)；用于檢測低壓電力線寬帶載波通信單元數(shù)據(jù)采集性能，采集的點數(shù)按照規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，采集間隔為15分鐘至1小時，將1小時間分割為整數(shù)個采集間隔點，采集間隔點起始從0分開始。另外，對虛擬電能表負(fù)荷曲線、小時凍結(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。檢測系統(tǒng)每天采集前一天的負(fù)荷曲線、小時凍結(jié)數(shù)據(jù)；檢測過程在保證24點的小時凍結(jié)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展96點的15分鐘負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集過程中，加入射頻干擾信號、程控衰減信號，通過多輪次的數(shù)據(jù)采集，分析采集成功率、采集數(shù)據(jù)的完整性，以此判斷寬帶載波模塊的通信性能[5]。

為了最大限度地檢測寬帶載波通信單元的通信性能，對于電壓、電流、功率、負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)的采集頻率，本文采用最大采集頻率96個點/天。檢驗高頻數(shù)據(jù)采集性能的指標(biāo)用β表示，β指數(shù)據(jù)采集的成功率，判斷標(biāo)準(zhǔn)，詳見公式1和公式2。

其中，Q為成功采集到數(shù)據(jù)個數(shù)，Ui為成功采集到電壓數(shù)據(jù)的個數(shù)，Ii為成功采集到電流數(shù)據(jù)的個數(shù)，Li為成功采集到負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)的個數(shù)，Pi為成功采集到功率數(shù)據(jù)的個數(shù)。

在檢測的過程中加入射頻衰減信號和程控衰減信號。在不同干擾信號的影響下，若β≥98%，判斷該種型號的寬帶載波通信單元的高頻數(shù)據(jù)采集性能滿足指標(biāo)要求。

2.2 停電事件上報功能檢測

停電事件主動上報是寬帶載波通信單元主要功能之一，為低壓臺區(qū)精益化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。寬帶載波通信單元通過低時延模式，快速上報自身所在設(shè)備的停復(fù)電狀態(tài)，確保停電、復(fù)電事件的上報和遠(yuǎn)程遙控指令下發(fā)的實時性。在寬帶載波通信單元子節(jié)點中配置超級電容器件，可實現(xiàn)停復(fù)電后的事件主動上報，由被動搶修變?yōu)橹鲃訐屝蓿岣叩蛪号_區(qū)的供電可靠性，提升客 戶服務(wù)保障能力。通過控制虛擬電能表通斷電操作，判斷寬帶載波通信單元上報停電事件的準(zhǔn)確性[5-6]。本項檢測要求寬帶載波通信單元3分鐘內(nèi)完成停電事件上報。超過3分鐘未上報，則認(rèn)為該種型號的寬帶載波通信單元不符合要求，判斷標(biāo)準(zhǔn)按照公式3計算。

其中，公式3中Td為時間差值，Tb為標(biāo)準(zhǔn)時鐘值，Tm為停電事件上報時鐘值。停電事件上報后，要求Td≤3min，超過3min則判斷停電事件上報不合格。

2.3 時鐘精準(zhǔn)校時檢測

時鐘精準(zhǔn)校時檢測，判斷寬帶載波通信單元的時鐘校時的準(zhǔn)確性。通過周期廣播對時模式，檢查系統(tǒng)每天在虛擬臺區(qū)內(nèi)進(jìn)行一次電能表時鐘廣播校時操作，將各個電能表的時鐘同步到虛擬集中器自身時鐘，通過 寬帶載波通信單元發(fā)送廣播校時指令，進(jìn)行 全部從節(jié)點的時鐘同步。驗證特定電能表點抄單播校時業(yè)務(wù)，針對某些時鐘超差電能表，其時鐘誤差超過廣播校時的標(biāo)準(zhǔn)范圍時，無法通過廣播校時進(jìn)行校核時，采用人工實時點抄的方式，由檢測系統(tǒng)直接進(jìn)行子節(jié)點時鐘的校時，校時后的結(jié)果判斷，按照如下公式4計算。

其中，γ為時鐘誤差，T0為標(biāo)準(zhǔn)時鐘源，Ti為每個虛擬電能表的時鐘源。若γ＜99.98%，則判斷合格；否則，判斷不合格。

2.4 臺區(qū)拓?fù)渥R別功能檢測

臺區(qū)拓?fù)渥R別是寬帶載波通信單元的深化應(yīng)用功能之一，能夠判斷低壓臺區(qū)的戶變關(guān)系是否異常。檢測系統(tǒng)下發(fā)臺區(qū)拓?fù)渥R別指令，電能表側(cè)寬帶載波通信單元與集中器側(cè)寬帶載波通信單元相互配合，由虛擬集中器生成整個臺區(qū)的物理拓?fù)鋱D。另外，依據(jù)臺區(qū)物理拓?fù)鋱D，能夠判斷整個低壓臺區(qū)的數(shù)據(jù)采集成功率及臺區(qū)線損的合格率。能夠自動篩選設(shè)備檔案管理混亂臺區(qū)，形成完整的臺區(qū)設(shè)備檔案關(guān)系，實現(xiàn)臺區(qū)檔案完整率100%，詳細(xì)流程（見下圖6）。

圖6 臺區(qū)拓?fù)渥R別檢測流程圖

2.5 數(shù)據(jù)互聯(lián)互通項目檢測

檢測不同廠家的寬帶載波通信單元互聯(lián)互通業(yè)務(wù)，是寬帶載波通信單元的核心功能之一。通過更換不同型號的虛擬集中器寬帶載波通信單元、虛擬電能表寬帶載波通信單元、同類型載波模塊混裝等模式，判斷整個虛擬臺區(qū)能否正常通信。寬帶載波通信單元互聯(lián)互通指標(biāo)判斷如下公式5所示。

其中，N為采集次數(shù)，Qt為虛擬電能表當(dāng)前電量采集次數(shù)，Pi為當(dāng)前功率采集次數(shù)，c設(shè)置為100，間隔時間為15分鐘。通過檢測系統(tǒng)下發(fā)抄讀當(dāng)前電量指令，判斷不同載波模塊之間的數(shù)據(jù)抄讀成功率。

若δ＞99%，則認(rèn)為互聯(lián)互通正常，否則，判斷互聯(lián)互通異常。

3 實驗結(jié)果與分析

該系統(tǒng)能夠快速檢測不同型號的寬帶載波單元通信性能、互聯(lián)互通性能、高頻數(shù)據(jù)采集性能等功能，判斷不同廠家提供的寬帶載波通信單元是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的指標(biāo)要求，大大提高了各省電力公司對寬帶載波通信單元的檢測能力，保證產(chǎn)品質(zhì)量，詳細(xì)檢測指標(biāo)數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

文中提出了一種低壓電力線寬帶載波通信單元快速檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠快速檢測不同型號的低壓電力線寬帶載波通信單元的通信性能、采集性能、互聯(lián)互通一致性等功能，解決各省電力公司缺少低壓電力線寬帶載波通信單元檢測裝置的問題。

實驗結(jié)果表明該方案能快速檢測不同型號的低壓電力線寬帶載波通信單元，檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，實現(xiàn)了低壓電力線寬帶載波通信單元檢測的公平公正。