低压电力线载波通信的远程抄表系统架构设计

杨金成，刘海洋，申 李，王 璐，张振源，黄大荣

(1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830011；2.重庆交通大学信息科学与工程学院，重庆 400074)

0 引言

近年来，物联网技术在电力相关领域中得到了广泛的应用[1-3]。在电力远程抄表系统中，电力线作为通信网络具有布置成本低、大规模部署难度小及接入方便的优势，已成为当前的研究热点[4-7]。针对远程抄表系统存在的相关问题，在详细分析了低压电力线信道特性的基础上，设计了一种低压电力线载波通信的远程抄表系统架构。首先，分析了低压电力线载波通信的远程抄表系统存在的问题及可行性；然后，针对低压电力线载波通信存在的可靠性低、误码率较高等问题，进行了低压电力线信道特性分析，并提出了基于过零同步分时传输的低压电力线载波通信技术，以改善上述问题；最后，通过芯片设计验证，完成了通信系统架构设计。

1 低压电力线载波的整体系统

低压电力线远程抄表系统如图1所示。

图1 低压电力线远程抄表系统框图

远程抄表系统主要由采集器、集中器和数据服务器构成[8]。采集网络中，采集器负责对采集设备或传感器进行采样或存储，并通过通信线路与集中器进行通信。集中器管理所负责的采集器，对数据进行汇总和处理，并通过通信网络将数据上传至数据中心服务器，同时传达数据中心服务器对集中器和采集点的增加、删除及修改等操作。

在整个远程抄表系统架构中，电力线网络作为全球覆盖规模较大、建设较为完善的网络，具有成为独立通信网络的独特优势。但这仅针对已经成熟的10 kV以上电压等级的高压电力线载波技术。基于低压电力线载波的通信网络由于电力载波信号存在脉冲干扰，传输距离越远，信号衰减越大,噪声干扰也越大，会影响载波通信的质量[9]。另外，在集中器与采集器之间的任务通信方式中，传统的通信方法是直接通过数据中心服务器与电能表之间“点对点”的通信方式[10]。在通信命令下发过程中，需要很多环节的配合。由于通信交互的实时性要求较高，且流程复杂，通信的可靠性不高，一个环节配合不好就会影响通信的成功率。因此，利用低压电力线载波作为通信网络，需要选择合适的调制方式、合适的频率等，降低通信传输过程中所产生的较高误码率，从而改善低压电力线载波通信质量。下文以低压电力线作为通信信道，展开特性分析。

2 低压电力线信道特性分析

由于电力线不是专用通信信道，加上低压电网负载复杂、负荷的时变性强，导致信道噪声较传统通信信道而言，噪声来源更多，也更为复杂。噪声的存在会导致信息在整个传输过程中最终表现为误码率较高、通信质量不佳，甚至可能会产生通信失效[11-13]。所以测量并分析电力线通信信道的噪声显得尤为重要。

本文主要从“噪声、阻抗、衰减”[14]这三个方面对低压电力线信道进行分析。其中，低压电力线交流市电频率为50 Hz，载波通信允许频段为500 kHz以下，且10 kHz以下为电网谐波范围。因此，信道分析选择时间长度为20 ms，衰减分析频率范围为10～500 kHz，阻抗分析和噪声分析的频率范围为80～500 kHz。下面将对噪声、阻抗、衰减特性分别进行详细分析。

2.1 噪声分析

低压电力线的工作环境复杂，电力线的噪声可能是雷电引起的，或者各种电器造成的。所以电力线的噪声在信号表现形式上并不是以高斯白噪声为主，而是表现为在极短时间周期内都可能会产生变化。

噪声测试框图如图2所示。

图2 噪声测试框图

电力线噪声通过耦合网络耦合至示波器。示波器则采集噪声并以数据文件形式进行存储，在计算机上利用相关软件进行相应的频谱分析。耦合电路的作用一是实现强电隔离，保证测试设备的安全；二是通过耦合网络中的滤波器对测试频段的噪声进行滤除，从而减少干扰。添加过零触发电路的作用则是为防止交流电压重复采集的问题，确保数据采集的精确性。

利用高通滤波器滤除交流市电中的高频分量，用高速数据采集设备以采样率100 MS/s采集20 ms的噪声分析数据，并存储传至计算机。对噪声数据作离散傅里叶变换，从而得到各频率分量的变化情况，并使用三维频谱图方式展示出各频点噪声随时间变化的幅度特性。噪声三维频谱如图3所示。

图3 噪声三维频谱示意图

由图3可知，虽然低压电力线噪声本身是随机时变，但总体表现存在100 Hz/50 Hz的周期性。从具体表现形式上看，电压过零时噪声较弱，非零时刻噪声变化更加明显，电压峰值时段噪声一般比过零时段噪声大15 dB。

2.2 阻抗分析

低压电力线往往存在负载。在产生负载时，所有频率的输入阻抗都会减小。而且由于负载类型的不同，所以实际情况比较复杂，使输入阻抗的变化不可预测。阻抗分析原理如图4所示。

图4 阻抗分析原理图

由于阻抗变化不可预测，于是选择了任意波形发生器产生信号，并采用高通滤波器对测试频段的噪声进行滤除。高速数据采集设备可采集每5 kHz为间隔的各频点20 ms低压电力线阻抗变化趋势。

以伏/安法为基础，通过计算机控制波形发生器产生不同频率的正弦信号，并采集对应频率的信号F1和F2，得到80～500 kHz频段内每隔5 kHz的各频点20 ms低压电力线阻抗变化趋势。再以工频同步交流市电电压过零时刻为基准点，得到如图5所示的三维阻抗分析图。由图5可知，低压电力线阻抗幅度变化范围大，最小小于10 Ω；阻抗具备与噪声一样的周期性，过零时刻与非过零时刻的表现形式有较大差异；从整体上看，一段时间内同一测试点各频点阻抗变化范围趋势比较稳定。

图5 三维阻抗分析图

2.3 衰减特性分析

由于低压电力线是非均匀不平衡的传输线，反射、驻波这些现象的存在使得信号的衰减幅度并不像其他信道一样，只是简单地随传输距离的增加，信号衰减得越快。因此，需要对电力线进行衰减特性分析。电力线信号衰减特性测量框图如图 6 所示。

图6 衰减特性测量框图

图6中，模拟搭建的各种测量场景组成了电力线网络参与测量过程的相关仪器，包括波形发生器、耦合器、示波器和频谱分析仪。

图7 三维衰减示意图

由图7可知，由于低压电力线是非均匀、不平衡的传输线，所以存在反射、驻波等复杂现象，使得信号衰减程度与距离并不是成简单的正比关系；同时，衰减最大一般出现在250 kHz，同时也存在100 Hz/50 Hz的周期性变化。

2.4 改善后的载波通信技术

通过以上对电力线信道特性的充分研究，可知交流市电过零时刻其噪声强度低、阻抗稳定等特点，而且低压电网噪声强度与信号传输频率普遍成反比关系：随频率的增加，电网噪声明显下降。这将显著提高接收信噪比。经大量试验表明，以421 kHz附近频率点作为传输频率，对提高载波通信能力而言效果最好。

基于上述分析结果，本文提出以交流市电电压过零时刻为时间基准进行信号同步，各相工作以本相过零点为基准的3.3 ms时间进行载波通信，同时选择噪声强度低的421 kHz作为载波中心频点，以及连续相位(frequency shift keying,FSK)调制方式、直序扩频编码技术和小波变化技术[15]等作为通信技术。利用FSK调制方式，可以直接避免电网阻抗影响；结合扩频编码，可以显著提高信号的抗干扰性；同时，使用连续相位的信号调制方式，可有效抑制调制信号时自身信号跳变产生的脉冲谐波干扰,最终有效适应低压电力线信道特性复杂的特点、显著提高载波通信的成功率和稳定性。

2.4.1 三相分时动态切换技术

过零同步分时传输载波信号原理如图8所示。

图8 过零同步分时传输载波信号原理图

利用低电压三相电压相差120°的特性，每个半波在10 ms时间里，终端设备与各相通信单元间以3.3 ms为间隔处于独立通信状态，实现三相并行传输。相比原有持续发送的载波技术必须三相轮流进行信号传输而言，该方法提高了综合码元传输速率，保障了用电信息的采集效率。

2.4.2 数字三态D类放大器技术

根据载波通信时间，在持续发送电力线通信(power line communication，PLC)技术[16](载波信号连续发送)和过零发送PLC(交流电压过零前后时间段发送)技术的理论基础上，研究数字化解调和调制方式，提出了一种可以显著降低带内谐波干扰且高输出效率的数字三态D类放大器技术。

2.4.3 任务通信方式

针对集中器与采集器之间的任务通信问题，以“集中器主动”替换原有的“采集主站服务器主动”，从而使服务器与电能表之间的交互模式由同步方式转为异步方式。较原有的方式而言，其通信效率有所提高，主站的占用时间也有所降低。设定任务优先级，同时不影响数据采集，通过多轮次下发的方式，为大量的数据通信提供了技术支持，并可以配合电费控制和电价下发等任务，与远程抄表任务一起完成。

3 系统架构设计

在分析用电信息采集系统及低压电力线信道特性的基础上，为改善以低压电力线作为用电信息采集系统的通信网络存在的问题，设计出一种新型的高性能、低成本、低功耗的电力线载波通信芯片，用于完成并验证系统架构设计。

3.1 芯片设计方案

利用数字三态D类放大器、数字解调、三相分时动态切换和低功耗控制等技术，设计低压电力线窄带载波通信芯片。本设计采用CK802高性能低功耗32位内核，配以丰富的片上外设模块，以及自主研发设计的、专门应对电力线载波通信的FSK解调和三态D类放大器调制模块等设计而成。系统以CK802作为工作芯片。相较于其他控制器而言，该芯片具有低功耗、高性能的性能特点，可以达到低功耗控制的效果。其在-40～+85 ℃内均可以正常工作，更适用于复杂、恶劣的工作环境。

3.2 芯片结构设计

低压电力线窄带载波通信芯片专用功能模块框图如图9所示。其功能框图由控制模块和功能模块构成。控制模块主要包括电源管理模块、输入/输出状态选择模块、频率选择模块、三路切换模块。功能模块主要包括线性放大模块、功率放大模块、滤波模块、稳频模块、解调模块、信号强度检测模块等。

图9 通信芯片内部专用功能模块功能框图

为解决上述芯片内部专用功能模块功能的问题，将这些功能分别集成到载波信号接收电路、高可靠窄带载波信号发送电路、过零测试电路、集中器载波模块以及单、三相载波模块中。

3.2.1 载波信号接收电路

载波信号接收电路是将来自电力线上的窄带载波信号经过谐振电路(LC)滤波电路去掉低频信号，利用隔离变压器将信号耦合至低压侧，从而实现载波信号的接收。

3.2.2 高可靠窄带载波信号发送电路

载波信号接收电路是将来自载波通信芯片输出的三态D类数字信号，经过自主研发的功率放大(power amplifier,PA)芯片及选频滤波器后，通过隔离变压器耦合至高压侧，实现载波信号发送。

3.2.3 过零测试电路

过零测试电路在工频交流电过零点处产生的下降沿输出作为过零同步信号，保障过零同步分时传输技术的稳定运行。

3.2.4 集中器载波模块

集中器载波模块的主要功能是对低压电力线通信网络与电力用户用电信息采集系统进行直接互联，在实现主站载波通信功能的同时，简化系统结构、降低成本，并提高系统稳定性。

3.2.5 单、三相载波模块

该模块的功能主要是利用新型数字解调技术，实现电力线通信网络的电子终端设备之间可靠的数据交换，同时具备中继功能，可实现载波快速组网、主动上报、台区区分、自动识别线路异常的功能。

4 通信系统架构测试

以载带路由模块、窄带单相通道板模块为测试对象，配合相关测试工具以及测试软件鼎信载波通信测试软件F版V201703209完成本次芯片测试。测试环境如图10所示。

图10 测试环境示意图

分别对设计的通信系统架构进行了通信测试、抗衰弱测试、抗白噪声测试以及数字三态D类放大器的验证测试，测试结果如下。

4.1 通信测试

路由和模块分别由12 V测试底座供电，放置于屏蔽箱内，额外提供过零信号；路由端设置不同的载波速率与模块端进行通信，并统计200次的通信结果。通信性能测试结果如表1所示。

经验证，在通信速率分别为50 bit/s、600 bit/s和1 200 bit/s的情况下，在未到达衰减临界值时，均能保证通信成功率达到90%以上。

4.2 抗衰减性能测试

在路由和模块载波通信线路之间加入可调衰减器，发送相应通信报文，记录错误检查和纠正(error correcting code,ECC)等级为0时在不同衰减环境下的通信能力，以及成功率从100%开始下降的衰减值。将路由和模块分别置于2个屏蔽箱中。模块通过12 V供电。载波通信接口过衰减器连接，用于通信。

由表1可知，当通信速率为600 bit/s时，成功率从100%开始下降的临界值为98 dB;当通信速率为1 200 bit/s时，成功率从100%开始下降的临界值为99 dB。

4.3 抗白噪声性能测试

通过信号发生器产生白噪信号，分别在路由端和模块端注入不同幅值的白噪声，设置以600 bit/s的速率发送PLC协议报文，设置衰减器的衰减值固定为98 dB，记录200次通信后成功率值。模拟噪声测试结果如表2所示。

表2 模拟噪声测试结果

由表2可知，模拟噪声添加至路由端时抗噪声性能较好，模块端则抗噪声能力较差。

4.4 数字三态D类放大器效率验证

以模拟421 kHz正弦波为例，当2个基频正强信号之差占中间半波的48.2%、两边各占半波的8.4%时，就能得到最理想的模拟效果。其3次谐波、5次谐波和7次谐波都很小。叠加方波仿真示意图如图11所示。

图11 叠加方波仿真示意图

由图11可知，通过通信系统测试，设计的数字三态D类放大器可以有效抑制带内谐波分量，同时具有高输出率。

5 结论

本文在详细分析了低压电力线信道特性的基础上，提出了基于过零同步分时传输的低压电力线载波通信技术，并利用相关技术设计了一套基于低压电力线载波芯片的远程抄表系统。该设计能一定程度提高系统通信的可靠性，并能够提高集中器任务透传的并发性，对智能电网的普及工作起到了推动作用。