自动应答式混合线路载波通道测试系统的研究

詹志飞，曹袖，高传善，宗明，梁卢鸿

0 引言

配电网自动化是提高电网工作效率的重要举措，可以提高电网的安全性，加快故障处理速度，减少停复役时间，提高劳动效率。目前配电自动化的主要通信方式有光纤、电力线载波、无线通信等。近年来，随着技术的发展，电力线载波通信在配电网自动化系统中得到应用，而混合线路（电缆和架空线混合）载波通信方式作为电力载波的一个技术分支，也开始被应用于电力系统中[1]。采用混合线路作为载波通道是一种新的尝试，与电缆屏蔽层载波通信比较，混合线路载波通信主要面临的是载波通道衰减大、突发干扰强等困难，这就对如何有效地对载波通道进行测试提出了更高的要求。

现有的电力线载波通道测试设备比较落后，主要表现为：电路复杂、集成化程度低、性能不稳定、调试难度高等缺点，很多设备不具备实验规程融入功能和实验数据记录和分析能力。虽然有些科技工作者作了大量研究，但却没有实质的发展。因此有必要开发一套混合线路载波现场调试测试装置，用于测试载波安装情况，避免重复施工。

本文根据载波测试原理技术，在目前载波测试设备系统架构的基础上，提出了一个自动应答式的载波测试装置系统架构方案，来对现场的混合线路载波现场进行测试。

1 相关工作

电力系统配网自动化分为主站和从站，主从站之间通过光纤、电力线载波、无线通信等方式进行信息的交互，以保证电网的正常运行，一个主站需要控制和调度多个从站。针对电力线载波方式的通信，为保证线路的正常运行，需测试其通道载波情况，传统的测试系统的结构，如图1所示：

图1 传统载波测试系统结构图

从图1中可以看出，利用现在的设备进行载波通道测试时，需要分别在被测通道的主站和从站上安装检测设备，通过卡接式耦合器将设备连接到线路上，测试人员需要在两端操控检测设备配合完成任务，所获得的结果也只能通过设备简单的界面展示，而且目前的载波测试仪器繁多，测试人员必须根据试验调试规程及厂家技术资料规定的试验项目、接线和方法，配合使用多台仪器，逐点进行试验，试验繁琐、难度大，因此容易出现试验错误及项目遗漏。

针对这些缺点，国内外很多研究机构都提出了将传统设备与计算机相结合的方式来完成线路的测试[2-6]，以利用计算机的优点降低通道测试的难度。

集自动测试、数据采集和数据处理于一体的新型高频阻波器自动测试方案，该方案根据阻波器测试原理，设计了相应的硬件模块和软件系统[2]。该系统解决了电力载波通信高频阻波器传统测试方法中存在的测试时间长、精度低和不能进行数据处理的问题。

智能化电力线高频载波通道测试装置是为了满足载波通信测试而研制的一种综合性试验测试装置。该系统利用分层的思想进行软件总体设计，以MSComm 控件的串口通信实现方法，基于MS ACCESS 进行数据库系统的设计以及借助OLE（Object Linking and Embedding）Automation技术实现Borland C++ Builder 与MS Word 的融合[3]。实际工程运行表明,该系统功能适用，运行可靠。

在传统的测试装备上，采用以FPGA为主的信号采集处理卡，经USB口与便携电脑相结合，充分利用计算机的显示、处理、存储功能，集多功能于一体[4]。这个系统实现了频谱分析，通道误码率测试，FSK调制解调器、示波器、录波器、频率发生器等功能，并能对故障进行分析。

总的来说，这些工作初步实现了同计算机的结合，但是却仍然未能从根本上改变现状，仍存在问题，如下位机电路设计复杂；设备只能测试载波通道某一载波物理性质；没有充分利用计算机资源和灵活性等缺点，适用度不广，同时都未能改变测试时需要多名测试人员协同工作的弊端，仍需要测试人员点对点的配合测试。

2 自动应答式载波通道测试系统

2.1 系统的结构

在已有的技术架构的基础上，本文给出了一种新的现场载波测试系统，该系统不仅从软硬件上简化了传统载波测试的操作，也从根本上改变了需要测试人员从两端相互协同工作的缺点，实现了测试人员在一端即可完成整个操作的自动应答式测试的优点，其结构，如图2所示：

图2 自动应答式混合线路载波通道测试系统结构图

本系统由硬件模块和软件系统两部分组成，底层为集合型自动应答式硬件平台，使用时安装在被测载波通道的主站和从站上，通过卡接式耦合器连接到线路上，同时开发了相关的上位机测试软件以配套使用，只需通过操作软件即可完成整个测试工作，从本质上改变传统的通道测试流程。其整体技术架构和每层的设计及系统工作流程将在下文详细阐述。

2.2 系统的设计

自动应答式混合线路载波通道测试系统按分层思想设计，分为软件和硬件两大模块，细分为4个层次，其系统分层结构，如图3所示：

图3 自动应答式混合线路载波通道测试系统分层结构

这样的分层结构设计不仅架构清晰，有利于系统的实现，同时易于进一步扩展，为以后进一步的研究工作打下基础。

2.2.1 第一层——应用模块实现

第一层为应用层，面对用户，主要处理用户的输入和结果的输出，主要分为测试模块、用户模块和系统模块。设计出一个操作方便的基于图形用户界面的集成化测试界面，用户可以在界面上设置参数并发起测试过程，包括载波信道的信道质量、载波通信频率建议、数据报文传输能力测试。所得到的结果经过处理在界面上以直观易懂的方式显示出来，并提供一定的数据分析能力，能够方便测试人员导出数据报表和测试报告等，让整个测试过程更加规范有序。这样的设计不仅便于操作，而且可以随时对载波现场进行测试并进行数据的收集处理。

2.2.2 第二层——数据处理模块实现

第二层为数据处理模块，负责收集从下层中获得的数据，并进行处理，返还给上层处理结果，另外接收上一层用户发出的命令，处理后生成相应的报文发送至下层通信模块，另一方面，本测试系统要保存大量的测试数据，这个模块负责将所需存储的实验数据保存在数据库中，以利于以后对历史数据进行进一步分析。

2.2.3 第三层——通信模块实现

第三层为通信模块，主要功能是实现通信协议以和下层硬件实现通信，同时向上层提供从下层测试设备所获取的数据，是实现软硬件结合的关键模块。

在电力系统中，设备需实现规定的通信协议，才能达到相互通信的目的，但是在当前的电力通信系统中，存在着各种并存的通信协议，每个协议实现的功能和报文的格式定义都有所不同。本系统在测试载波通道时，因为不涉及到现有的载波设备，所以可以利用自己自定义的载波通道测试协议来实现硬件设备间的通讯，此协议在下文中做详细阐述。

2.2.4 第四层——硬件测试平台实现

第四层为通道测试硬件平台，该平台负责通过底层的载波通道进行相互通信，主要包括报文的接收和发送。该硬件平台集合各种常见的载波通道测试装置功能，广泛采用先进的数字技术，如DDS技术、快速模数转换技术和DSP技术等，从而使整个装置硬件电路简单、体积小、重量轻，可靠性及稳定性大幅提高。其硬件装置主要包括振荡器、选频电平表、频率计、毫秒计、标准电阻箱及标准电容箱等，综合组合硬件测试平台，由便携式计算机上安装的上位机软件控制这一层的运行。按安装地点和功能作用的不同，其主要分为两个部分：

1）载波通道测试装置：硬件设备，和便携式计算机相连，安装在系统主站，负责接收上位机软件的指令并发送相应报文，同时接收应答报文并交给上位机软件处理。

2）自动应答终端：硬件设备，具有自动测试应答功能，配合“载波通道测试装置”完成通道测试，主要负责接收载波通道上的报文并进行分析后按要求发送应答报文。

通过底层载波通道的通信，两端硬件装置按要求同时自动协调工作，以应答的方式完成对载波通道的测试，同时提供RS232接口，以实现与上位机软件的通信。

和传统测试装备相比，硬件平台的特点集中在集成化和在自动应答两方面，集成化指硬件采用先进的技术，集合了多种测试装置，可以完成多种测试任务；自动应答指设备无需测试人员的直接操作，也无需测试人员相互间配合完成测试，只需测试人员操作软件即可完成整个测试过程，节省时间和劳动力，这也使得它具有很高的智能性，可以让测试人员从繁杂的仪器操作规则中脱离出来。

2.3 自动应答式混合线路通道测试系统测试流程

自动应答式混合线路载波通道测试系统测试流程按以下步骤进行。

1）在变电站系统主从站安装好整个系统；

2）在测试主站，测试人员根据需要在上位机软件上设置测试参数，如波特率，通信端口号等，并从上位机软件发起测试，软件则会根据自定义通信协议向底层的硬件装置发送相应数据报文至载波通道测试装置；

3）载波通道测试装置接收上位机软件传送的数据报文，通过被测载波通道发送出去；

4）经过载波线路的传输后，安装在载波通道另一端的自动应答终端接收测试报文，根据自定义通信协议重组应答报文并通过载波通道发送应答报文；

5）载波通道测试装置接收到应答报文后，发送至上位机软件，上位机软件通过对报文的处理得出载波通道测试结果，包括载波通道质量、载波通信频率优化选择、传输能力等，然后以直观化的方式在界面上显示给用户。

此操作流程上可以看出，与传统的测试系统相比，本系统结构最大的优点在于整体的自动应答式，从操作上表现为测试人员只需在上位机软件上发起测量命令，就可以自动方便地获得所需数据，从工作原理上表现为通过硬件平台的相互自动通信来完成数据的获取。该系统摆脱了传统测试流程中需要多名测试人员相互协调的缺点，可以方便高效的完成整个测试流程。

3 自定义载波通道测试协议

3.1 协议报文格式

自定义载波通道测试协议报文格式，如表1所示：

表1 自定义载波通道测试协议报文格式

所有字段均采用十六进制表示；当字段为多字节时，低位在前，高位在后，总报文长度不超过250字节。

3.2 测试模式设定

FrameType字段表示测试模式，当值为0x03时，表示上位机软件到载波通道测试装置的通讯，正在进行通道测试，此时参数（Parameters）全设为0xFF，字节数(DataLength)为0；当值为0x83时，表示主载到上位机的通讯，是载波通道测试装置返回的报文，表示测试成功。

当FrameType值为0x04时，表示上位机到载波通道测试装置的通讯，正在进行透传测试，参数（Parameters）全设为0xFF，字节数(DataLength)为0；当值为0x84时，表示载波通道测试装置到上位机的通讯，是主载返回的报文，表示测试成功。

3.3 其它字段说明

3.3.1 参数字段

参数（Parameters）字段共10个字节，用来表示载波通道的物理参数，按顺序具体为。

1）第1，2字节表示波特率，计算时换算成十进制。

2）第3，4字节表示频率，计算时换算成十进制，前两位为频率范围低值，后两位为频率范围高,单位为kHz。

3）第5字节表示测试成功与否，其中0x00表示成功，0x01则表示失败。

4）第6字节表示接收灵敏度，计算时换算成十进制，并取负值，单位为dBm。

5）第7字节表示发送功率，计算时换算成十进制，单位为W。

6）第8字节表示线路阻抗，计算时换算成十进制，单位为Ω。

7）第9字节为总延迟时间，单位为10S。

8）第10字节为通道质量，其值范围为0-7，其中7表示最好，0为最差。

3.3.2 字节数，数据，校验和字段

字节数(DataLength)，表示数据（Data）字段的byte数。

数据（Data）字段长度可变，测试时从0x00开始依次填入字节数表示的个数个字节。

校验和(CheckSum)字段的值为对从开始的起始符（StartByte）字段到数据（Data）字段所有数据，按字节累加和。

4 模拟及现场应用

为测试系统的测试功能，分别进行了模拟和现场应用。模拟测试为在实验条件下，通过约50米长的纯电缆线路和串口调试软件等工具软件模拟了电力线路设备通信环境，并在此模拟条件下对线路进行载波测试。同时在松江供电公司和闵行供电公司的配合下，选取了纬4站上65路（主站）和中吴5号（从站）之间的纯电缆线路与行西站（主站）和罗阳一号站（从站）之间的混合线路进行系统的现场应用。在这两种情况下，测试了不同报文长度下各线路的载波质量，其测试结果，如图4所示：

图4 不同条件下线路的载波质量测试结果

同时测定每个报文在不同线路上的总延迟时间，其测试结果，如图5所示：

图5 不同条件下线路的信道延迟测试结果

因为报文在通道的传输中会遭到多种因素的干扰，造成响应报文内容的改变，从而造成上位机软件收到错误报文，导致测试失败，因此从发生这一情况的概率上也可以反映通道的载波能力。为测得报文发生错误的概率，在每条线路上，对每个长度的报文进行多次测试，以得到不同条件下收到正确的应答报文的成功率，也即完成测试的成功率，其结果，如图6所示：

图6 不同条件下线路的测试成功率

在图4中，信道质量为7时代表线路通信能力优秀，为0时代表线路无法通信，从图4中可以看出，模拟测试和纯电缆条件下所有长度的报文条件下载波通道通信质量都为7，达到最好；在混合线路中，报文长度为在30字节以下时，载波通道通信质量为7，到达最好，而在报文长度为30字节以上时，通道通信质量逐渐降低，到50字节长度时其通信质量为0，这表示随着报文长度的增加，混合线路的通信能力不断降低。通过对比，此图反映了纯电缆优秀的载波能力，也反映了混合线路在传送较长的报文时很差的载波通信能力，符合实际情况。

从图5中可以看出，在3种不同的线路中，对于正常传送的报文，随着报文长度的增加，其总延迟时间都接近线性增加，同时在不同的线路中，相同长度的报文的延迟时间接近相等，这是因为报文在线路上的传输时间非常短，延迟主要为报文在硬件和软件上的处理时间，故其随着长度线性增加。另外，在报文长度大于50字节时，混合线路中报文延迟时间无数据，代表实际中载波通道测试装置在规定时间内未能接收到应答报文，报文在载波通道中丢失，这也是图四中载波质量为0的原因，同样，此图反映了纯电缆优秀的载波能力，也反映了混合线路在传送较长的报文时很差的载波通信能力，符合实际情况。

从图6中可以看出，在模拟测试条件下，不同长度报文下的都能收到正确的应答报文，其测试成功率都为100%，而在纯电缆的情况下，不同长度报文下测试成功率有所偏差，当报文长度为0至45字节时，部分测试成功率为100%，另一部分则为75%，到报文长度增至50字节长度以上时，测试成功率稳定在70%，失败的测试表示系统此时未能收到正确的应答报文，应答报文在传送过程中发生错误，这反映了在实际情况下，纯电缆中报文的传输会受到环境的干扰从而导致报文传送发生错误；在混合线路中，当报文长度为0至45字节时，测试成功率随着报文长度的不断增加而逐渐降低，这说明随着报文长度的增加，在混合线路中应答报文发生错误的概率同样增加；同时在同样报文长度下，其测试成功率比纯电缆和模拟测试下要低，这说明在混合线路中，报文的传送更易受到自身传送能力和外界环境的影响，而当字节长度增加至50字节以上时，测试成功率降为0%，这和图5中反映的问题一样，载波通道测试装置在规定时间内未能接收到应答报文，因此，此图同样也反映了混合线路在传送较长的报文时很差的载波通信能力，符合实际情况。

从3幅图中可以看出，测试结果可以从多方面很好地反映纯电缆和混合线路的实际载波情况，这说明此系统可以很好的用来测试线路的载波质量，反映真实的线路状况。同时从3图中可以发现在50长度字节以上时混合线路通道载波能力很差，几乎没有载波能力。在实际的配网自动化系统中，由于大量的通信都是依靠短的、实时的报文，小于50字节长度的报文可以承载足够的信息以完成绝大多数的应用需求，而少量的报文可以分拆进行，这从另一方面佐证了混合电力载波在配电网自动化中应用的可行性。

5 结论

从系统的架构和现场的测试结果上可以看出，本文所设计的自应答式载波现场测试装置，较以往的电力线载波通道测试设备有很大的改进和创新。设计上体现了智能化、集成化的特点，硬件结构简单可靠，接线方便，软件操作简单，功能齐全。通过本系统的实施，测试人员可以在现场高效快速地得到线路的载波质量状况，避免可以得知载波设备的安装情况，避免重复施工，极大地提高现场施工的工作效率。系统实用化后，可以向同级供电企业推广使用。

未来的改进集中在将本测试系统拓展至广域测试方面，通过和网络技术的结合实现系统的远程控制功能，让测试人员可以远程操作控制系统完成对载波通道的现场测试，进一步提高系统的智能化水平。

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