低压用户侧泛在电力物联网的关键技术与组网方案

石 凯，沈卫康，欧阳孟可

(南京工程学院 电气工程学院，南京 211167)

随着全球能源互联网和中国泛在电力物联网(ubiquitous power internet of things,UPIOT)的提出与建设，国家电网公司急需建立全面的物联网应用管理体系。在公司现有的物联网应用基础上，要达到“三型两网、世界一流”的战略目标，物联网的整体建设深度与应用广度仍不足，主要表现在配电信息采集覆盖不全，用户用能信息感知不及时、不全面等[1]。低压用户侧电器设备是指低压配电网末端连接的各种家庭用电设备，应用先进的电力通信方法和低成本的智能设备对其进行用能信息采集，是实现UPIOT智能化管理和电能质量分析的重要依据。

1 电力物联网通信与组网分析

1.1 中高压侧电力网的通信技术

中国电力通信方式包括远程通信和本地通信。远程通信网有光纤、电力无线专网、无线公网4G/5G等通信方式；本地通信网主要有认知电力线载波、微功率无线等[2]。当前电力物联网已具有一定基础，各种通信方式已运用于电力物联网的大型信息网之间。在无线通信领域内，窄带物联网(narrowband internet of things，NB-IOT)作为全球的蜂窝物联网技术，因具备广覆盖、低功耗、低成本和海量连接四大特点，被用于电力物联网的高中压侧和配电侧间信息交流[3-4]。光纤凭借其高速、安全、稳定和低功耗等特点，成为全球互联网、电力、军事等领域通信专用的首选介质[5-6]。而EPON作为光纤通信最常见的技术，其传输速率可达到Gbit/s的等级，常被应用于电力通信网中的管理侧。电力载波通信(power line communication，PLC)技术能充分利用普及的电力线网络资源，建设速度快、投资少、安全稳定，被业内人士提出有望解决“最后一公里”问题[7-8]。宽带载波(high-speed power line carrier，HPLC)作为电力线载波的一种，因具有较高的传输速率和可靠性，被用于线路侧信息网间的通信。

1.2 低压用户侧通信及组网方法

目前在整个电力物联网体系中，电力信息的采集已经延伸到低压用户端的智能电表。智能电表作为底层的感知层，具有远程通信的能力，目前大多采用本地通信网把收集的用电设备总功率上传给电力系统侧，如图1所示。

图1 一种电力物联网系统与通信方法结构

然而，随着智能电网的发展，管理侧只采集用户端的总功率是远远不够的，如果能够获取用户侧各终端设备的详细用电信息，并对各用电终端进行控制管理[9]，这对泛在电力物联网建设将是一个有意义的促进。这就要求建立起针对低压用户侧中家用电器的信息采集系统，如图2中列出的一种构想方案。图2中所示的各家庭用电终端与智能电表构成的家用电器信息网(home electrical information network，HEIN)。这种组网方法与现有的远程和本地电力通信方法不同，现有的通信方法不太适合HEIN，主要变现如下：远程通信中NB-IOT技术存在数据传输的安全性和稳定性问题，不利于在家庭住房内传输[10]。光纤通信前期的投资成本和维护成本太大，不同的开发商制定的标准也不一样[11]，所以依靠光纤进行HEIN通信是不现实的。在现有的PLC技术中无论是宽带PLC还是窄带PLC，都要借助高等级的处理芯片完成，导致其通信模块的制作成本高昂[12]，不符合HEIN通信的低成本应用需求，难以推广。

图2 低压用户侧家用电器信息网结构

图2所示的包含居民用户信息传输系统的方案，在原有电力信息通信网络的基础上，增加了HEIN层。HEIN以居民家用电表为核心节点，与各中大功率的家用电器间构成通信网。其中智能电表不仅要负责收集家用电器的工作状态并进行居民用电电量的计算，还要负责家电控制器与电器设备之间的连接。

HEIN实际上是泛在电力物联网建设中低压用户侧家电设备的信息接入网络，它应是一种低成本、高速有效、安全可靠的通信方法。就此，提出一种新的电力线载波通信的调制解调方法，可定义为临频差分键控(adjacent frequency differential keying，AFDK)调制下的PLC技术。该方法在调制时，使用双路频率相近且幅值交变的载波进行信号传输，既而设计出一款基于FIR带通滤波器的解调器，有效降低了解调的复杂度。利用该通信方法制成的低成本PLC模块可与智能电表结合使用，用于实现HEIN的组网方法，达到用户与电网双向互动的效果。

2 家用电器信息网HEIN的研究与实现

2.1 HEIN通信协议分析

由于以前家用电器信息网的研究工作中外开展的不多，所以用于该方面的通信协议少之又少，且市场上智能家居方面的通信协议侧重点又与本方案有所不同。所以需要设计一套针对HEIN的通信协议。协议的整体功能框架如图3所示，现对该协议的报文格式和传输数据做简要分析，为后期协议的设计打好基础。

图3 系统功能框架

2.1.1 通信协议报文格式

本方案参考DL/T 645—2007通信规约，提出的报文格式如图4所示，主要由设备地址、标识码、信息区和校验码组成。

图4 报文格式

该报文格式中设备地址由智能电表端分配，由于中国家庭用电器数量一般都在几十台以内，不会超过两百台，所以该地址用八位二进制来表示，最多可有256种不同的地址号，可以很好地满足实际需求。标识码用以说明报文的类型，即用8位二进制数来表示该报文传输的数据类型，具体分配见下文。信息区用来存放有效报文发送的数据或者各类具体指令，各类数据的信息区长度各不相同，接收方通过识别标识码进行下一步操作。最后是校验码，用于校验报文在发送过程中是否出错。

2.1.2 HEIN通信数据传输分析

在不考虑信息加密的情况下，上行数据包括特征数据和工作数据等，下行数据有设备联络数据和控制数据等。为满足各类数据的传输要求，采用ASCII码对数据信息进行编码，各类数据所需字节数如表1所示。

表1 传输数据字节

其中特征数据用于表示用电终端的类型、生产厂家以及详细参数，经实际调查家用电器铭牌后得出，最多需要12个字节便可描述相关信息。由于设备额定功率等相关信息可由铭牌抄录可知，所以工作数据需要包含的信息有实时电压电流、通断时间以及设备工作的目标参数，如空调的设定温度和电热水器温度等。目标参数的采集可用于电力系统端对终端设备调控的参考，例如家用电热水器的设定温度是90 ℃，而此时采集到的温度是80 ℃，为了满足该区域电力分配需求，可先将该家庭的热水器关断，等后期电力稳定了再控制其开通。联络数据用于判定终端设备是否在线，以及传输智能电表回复给设备的时间数据。控制数据携带了上层的控制指令信息，一方面用于控制设备的开通与关断，另一方面也可用于调节空调或风扇等可调节功率的用电终端。经过上述分析可以看出，各类数据报文的基本组成相同但每种数据的长度又各不相同，导致系统每个节点一次发送的报文长度不一，表2列出了各基本报文的长度。

表2 报文长度

由表2可知，各类型的报文都有固定长度，最短的6字节，最长的21字节。设定每个用电终端每隔5 min向智能电表发送一次数据，按照50台家用设备和每次发送21个字节来算，且传输时间留有一定的裕量，其传输速率约为34 bps，因此，这种家用电器组网的信息速率要求不高，设计师考虑留有充足的备份，实际通信速率可为200 bps。

2.2 一种临频差分键控调制的PLC技术

2.2.1 低压电力线信道特性分析与建模

实际应用中，低压配电网分为室内电力线网络和室外配电网络。对于户外电力线，传输在电力线内的高频信号容易产生不同程度的信号耦合[13]，加之室外极多的无线通信短波干扰，使得室外电力线信道的分析及建模变得复杂。而室内电力线上连接着众多电器设备，容易对信道产生电磁干扰[14]。本方案在排除室外电力线大部分干扰的前提下，提出了一种基于自顶向下的时域多径信道模型[15]，具体表达式为

(1)

式中：|gi(f)|eφgi(f)为加权因子，表示多径信道中第i条路径中反射和透射因子的共同作用，其信号值一般小于原始信号，即|gi(f)|eφgi(f)≤1；e-(a0+a1fk)di为传输线路衰减，a0、a1为衰减参数，di为路径i的长度，k为衰减因子的指数；e-j2πfτi为延时造成的信号相位差，τi为路径i的延时；n表示一共有n条路径。

2.2.2 临频差分键控PLC调制解调的实现

采用一种临频差分传输下的电力线载波通信技术，该方法在调制时，通过比较两条频率相近的正弦波的幅值来表示“0”和“1”。对于一个连续的正弦载波f(t)=Asin 2πfct，每隔几个周期改变正弦波的幅值，其余时间段幅值保持不变，该调制的一般时域表达式为

(2)

式中：g0(t)和f0(t)对应“0”码元的调制波形，g1(t)和f1(t)对应“1”码元；fc1、fc2为两条载波的频率；A、B分别对应不同时间段内载波幅值；T=N/fc为一对码元周期，N为一对码元持续时间内载波周期的个数；τ=k/fc为幅值跳变时间，k为跳变时间内幅值变化的载波周期数，且k

图5 调制信号“1010”的时域波形

调制器有两种设计方案，一是基于数模转换的数字化调制[16]，二是基于开关调制的模数混合调制[17]。采用图6所示的数模混合方式实现调制器。图中fc1、fc2为载波频率，τ为幅值跳变持续时间，三位二进制信息序列用于选择电子开关的导通通道，“001”时选择1通道，“010”时选择2通道。

图6 基于开关调制的数模混合调制结构

对比传统PSK调制信号的解调器主要利用冲击滤波器实现[18]，设计出一种基于FIR带通滤波器的解调方案，如图7所示。

图7 解调器方案

将式(2)表示的调制信号经过FIR带通滤波器后，对滤波器的输出波形进行放大处理，再将得到的两路波形分别进行幅度检测，得到包络后再进行差分比较，差值为正时，判定为“1”，差值为负时，判定为“0”。

2.3 通信技术可行性分析

下面通过仿真实验来验证上述调制解调方法的可行性与有效性。仿真实验采用AWGN信道，仿真的参数设置为：fc1=40 kHz，fc2=39.5 kHz，N=4，k=2，A=1，B=0.5。图8(a)为对应信息“1010”的调制信号，图8(b)为FIR带通滤波器对调制信号的滤波结果。可以看出，该滤波器在两个周期内就将调制信号波形呈现出来，如果按照每20个载波调制一位来计算，数据的上行和下行传输速率在2 kbps左右，通信速率并不高，但由于本方案中传输数据量较少，因此基本满足管理侧与用户侧间通信速率的要求。

图8 调制解调波形

图9是采用RC低通滤波电路对解调出的两条波形进行幅度检测，可以明显地比较出同一周期段内40 kHz与39.5 kHz的幅值高度，再经过差分比较器进行幅度判决，判决输出的脉冲二值序列如图10 所示，最后再送入MCU进行解码。

图9 幅度检测波形

图10 幅度判决电路输出波形

3 家用电器信息网组网案例

基于上述临频差分键控PLC技术，提出一种低压用户侧家用电器信息网的组网案例，如图11所示。为排除室外电力线中大部分干扰，本案例在室外电力线与智能电表之间安装了阻波器。且安装在中大功率家用电器内的PLC通信模块主动将终端设备的用电信息上传至智能电表，大大降低了智能电表的工作量，使通信效率得到提高。案例中智能电表不仅可以收发数据，还能把下一级的数据转发给上一级或者将上一级的指令数据进行转发并传递给各用电终端，以实现对整个网络中家用电器的控制和管理。

图11 HEIN组网案例

4 结论

为提升泛在电力物联网的感知深度与广度，致力于研究低压用户侧家用电器信息网的通信与组网方法，提出了一种临频差分键控调制下的PLC技术。经检验，该技术凭借调制时频率相近的载波信号在电力线中受到的干扰相似，以及解调过程中仅对信号波形的幅值进行检测与比较，大大降低了通信的复杂度，满足家用电器信息网应用需求。虽然传输波特率较低，但对于信息采集、家电控制来说，通信速度已经足够。