基于高速电力线载波通信的智能终端设计

杨 丽,张 知,李 倩,韩永禄,张 晶

(1.国网河北省电力有限公司营销服务中心,河北 石家庄 050035；2.北京中宸微电子有限公司,北京 100081)

电力线载波通信(Power Line Carrier Communication,PLC)是以电力线作为信息传输媒介进行数据或语音等传输的一种特殊通信方式[1-2]。高速电力线载波通信(High Speed Power Line Carrier Communication,HPLC)技术具有实施简单、维护方便的特点,且相较于窄带载波具有高速、互联的技术优势[3]。随着网络和信息技术的迅猛发展,利用低压电力线进行高速电力线载波通信已成为国内外研究和工程应用的热点[45]。由于HPLC通信单元的大规模推广应用,现场终端运维人员的工作量倍增,并且在用电采集终端运维方面还存在“信息孤岛”的现象,各厂家的终端运维设备互不通用,现场运维人员需携带不同的设备往返于多个台区,同一台区多厂家混装的情况进一步加大了运维难度。文献[6]的抄控器设计只针对单相电能表的HPLC通信单元,且缺乏智能化元素。如何实现现场终端运维设备的通用性、规范化和智能化,是当前迫切需要解决的问题。因此,以下设计开发了一种基于HPLC技术的智能终端,适用于单、三相电能表和集中器的HPLC通信单元之间的通信,并根据最新规范设计了数据链路层通用协议,集不同厂家运维终端的功能于一体,方便携带,满足了现场运维人员的工作需要,并为后期的智能运维工作提供技术支撑。

1 总体结构设计

该智能终端以32位ARM为核心CPU,采用嵌入式uCOS－Ⅱ操作系统,实现软件设计平台化,其部署方式示意见图1。

图1 智能终端部署方式示意

该智能终端通过鳄鱼夹接头与电力线相连的方式获取电源,同时作为电力线网络中STA(单、三相电能表的HPLC通信单元)和CCO(集中器的HPLC通信单元)之间的信号耦合通路。该智能终端包括:主控CPU、抄控器模块、电源模块等部分,其系统总体结构示意见图2。

图2 智能终端的总体结构示意

抄控器模块用于对数据帧进行传输转发；LCD屏显示各种参数、功能及抄读的数据；键盘KEY用于参数输入设置和功能选择；USB模块与上位机进行数据传输；电源模块采用锂电池作为系统电源；红外模块用于红外无线抄表；扫描模块用于读取电能表上的条码信息。

2 功能设计

2.1 现场运维功能

智能终端的现场运维功能包括通用抄表、HPLC通信单元维护、采集器维护和在线升级HPLC通信单元。

a.通用抄表功能,包括载波抄表、红外抄表和中继抄表,支持DL/T 645－2007《多功能电能表通信协议》、DL/T 698.45－2017《电能信息采集与管理系统 第4-5部分:通信协议－面向对象的数据交换协议》。

b.HPLC通信单元维护功能,主要以HPLC通信单元为操作对象,关键是读取HPLC通信单元的软件版本信息。

c.采集器维护功能,对采集器进行数据读取、设置和初始化的操作。

d.在线升级HPLC通信单元功能,对现场的HPLC通信单元进行软件升级,支持指定单个或多个STA升级以及全网升级2种模式。

2.2 模拟集中器功能

a.统计入网节点总数及其中单、三相电能表数量、采集器数量、中继器数量；入网节点层级数,各层级节点数量(其中STA、PCO的数量),可查看各层级节点的表地址。

b.读取CCO的运行时间、SNID信息；读取CCO的内外部软件版本、频段、功率；读取STA的厂商代码、模块版本号。

c.支持查看白名单信息,以及白名单、入网节点信息导出功能。

d.设置CCO的频段、功率；指定电能表地址由CCO进行抄读。

2.3 干扰测试功能

干扰测试功能可实时现场采集电力线上噪声情况,接收增益可调,并直接输出波形,显示当前检测的噪声频率以及衰减值。

2.4 台区物理拓扑识别功能

台区物理拓扑识别功能按照中国电力科学研究院《HPLC技术应用手册－中国电力科学研究院V2.7》中台区自动识别交互流程,可实现软件仿真触发基于NTB的台区识别,并能展示台区识别结果。物理拓扑图主要用于展示当前网络中的拓扑节点信息和网络层级关系,拓扑节点之间的层级关系以树形图的形式展现。

2.5 二维码扫描功能

二维码扫描功能可自动感应识读电能表上的条码/二维码信息,并在智能终端屏幕上实时显示,支持导出电子版文件,供现场运维人员调取存档。

3 关键技术的实现

该智能终端抄控器模块的设计采用数据链路层通用协议,该协议根据《国家电网有限公司技术标准管理办法》最新要求编写,后期将推广至各类终端设备生产厂家,从根本上解决了不同厂家终端设备互抄不通的运维难题。以下将对数据链路层通用协议和抄控器模块这2个关键部分的实现进行详细叙述。

3.1 数据链路层通用协议

数据链路层通用协议给出了帧格式,按照分层的思想分别实现了负责接入的MAC子层功能、负责组网的网络管理子层功能、数据链路层的传输服务功能和管理服务功能。设计的频偏试探扩展帧与频偏试探应答扩展帧,在原数据链路层SACK可变区域帧的基础上进行了相应的扩展。

3.1.1 SACK可变区域帧

原数据链路层MPDU帧控制如表1所示。

表1 MPDU帧控制字段

SACK可变区域共68 bit,其HPLC标准中字段含义如表2所示。

表2 选择确认的可变区域

目前用到的SACK扩展帧类型为0,频偏试探帧与频偏试探应答帧的扩展帧类型分别为0X1和0X2,这样能够与标准的SACK完全区分,且不冲突。

3.1.2 频偏试探扩展帧

该抄控器模块首次发送频偏试探扩展帧时,网络标识字段采用0。节点收到频偏试探扩展帧后,进行频偏试探应答扩展帧的回应,入网的节点网络标识采用本网络的网络标识,未入网的节点网络标识采用0。抄控器模块接收到频偏试探应答扩展帧的回应后,配置与回应帧相同的网络标识。频偏试探扩展帧的可变区域格式,如表3所示。

表3 频偏试探扩展帧的可变区域格式

抄控器模块待抄读目的节点的MAC地址为6 bit实际有效的电能表地址,源节点短地址为抄控器模块自身的短地址,其TEI规定为0XFFE,频偏试探扩展帧的版本号规定为0X1,频偏试探扩展帧的类型规定为0X1。

3.1.3 频偏试探应答扩展帧

频偏试探应答扩展帧的可变区域格式,如表4所示。对于已入网待抄读节点,时间戳为网络基准时间。对于未入网的节点,时间戳为本地时钟值。源节点短地址即待抄读HPLC通信单元的短地址,入网时为路由分配的TEI,未入网时为0X000。频偏试探应答扩展帧的版本号规定为0X1,频偏试探应答扩展帧的类型规定为0X2。

表4 频偏试探应答扩展帧的可变区域格式

抄控器模块与未入网的故障HPLC通信单元频偏同步后,未入网HPLC通信单元接收到SOF帧,则HPLC通信单元锁定当前频段,等待抄控器模块抄读,与抄控器模块保持在同一个频段上,如果一段时间之后未收到抄控器模块的SOF帧,则继续进行频段切换,尝试入网CCO。

3.2 抄控器模块

智能终端通过内部集成的抄控器模块诊断载波链路通信状况、载波设备运行状态等问题。该智能终端的抄控器模块支持2～12 M、2.5～5.7 M、0.781～2.93 M和1.758～2.93 M频段抄读。在进行抄读前,首先使用某频段与被抄读的目的站点进行频偏调整,具体的频偏调整过程是通过频偏试探扩展帧和频偏试探应答扩展帧实现的。频偏调整完成之后,抄控器模块再向被抄读站点发起载波通信,如果在频偏调整阶段,抄控器模块未能收到站点的响应,抄控器模块将切换至下一频段进行频段频偏调整,如此循环使用不同的频段进行频偏调整,直至完成频偏调整。

3.2.1 抄控器模块与HPLC通信单元通信

抄控器模块与HPLC通信单元进行通信,连接待测HPLC通信单元时,通过频偏试探帧获取待测HPLC通信单元的频段与频偏,获取成功后发起通信。对于已入网的HPLC通信单元回复频偏试探应答帧时,网络号为本网络的网络号,对于未入网的HPLC通信单元频偏试探应答帧中的网络号为0。当待测HPLC通信单元接收到抄控器模块发送的频偏试探帧时,先判断目的应用地址,如果该地址属于当前站点,直接发送频偏试探应答帧。经过多次不同频段的试探通信,抄控器模块载波芯片完成频偏调整,使之与待调测HPLC通信单元站点实现稳定通信。

抄控器模块与待测HPLC通信单元在连接过程中,HPLC通信单元向抄控器模块周期性发送频偏试探应答帧,用于同步抄控器模块。发频偏试探应答帧的HPLC通信单元在收到频偏试探帧时,如果频偏试探帧中的目的应用地址非自身地址,则断开连接并停止发送频偏试探应答帧。

3.2.2 抄控器模块与采集器通信

抄控器模块与采集器进行通信时,待测采集器接收到频偏试探帧后,先判断读取帧目的地址是否对应当前采集器管理的RS485电能表地址或者采集器的MAC地址,如果是,则立即发送频偏试探应答帧,如果不是,采集器启动对应RS485电能表抄读试探,以确认被抄读的RS485电能表是否在本采集器下,并等待下一次频偏试探帧,如此完成一次抄控器模块与HPLC通信单元之间的连接。

3.2.3 抄控器模块抄读流程的实现

智能终端通过抄控器模块对HPLC通信单元发起的通信,其抄读流程示意见图3。

图3 智能终端抄读流程示意

a.智能终端通过通信口向抄控器模块发出DL/T 645—2007《多功能电能表通信协议》或者DL/T 698.45—2017《电能信息采集与管理系统第4-5部分:通信协议—面向对象的数据交换协议》的通信命令；或者智能终端通过通信口向抄控器模块发出Q/GDW 1376.2—2013《电力用户用电信息采集系统通信协议 第2部分:集中器本地通信模块接口协议》的通信命令。

b.抄控器模块接收到智能终端的通信命令请求,缓存当前的通信抄表报文。

c.抄控器模块发送携带目的地址的频偏试探帧,进行频偏试探调整,交替使用不同频段发送频偏试探帧,与待调试HPLC通信单元实现频偏调整,待调试HPLC通信单元是否在网不影响频偏调整过程。如果发送多个频偏试探帧,多个频偏试探帧发送时间间隔不小于100 ms。

d.抄控器模块与对应的目的节点频偏调整后,提取缓存的通信报文,发送HPLC载波SOF报文进行抄表,抄控器模块频偏试探成功后,下次再发起通信优先按照当前频偏试探成功的频段发送抄表报文。

e.抄控器模块与对应的目的节点连接成功后,提取缓存的通信报文,发送HPLC载波报文进行抄表。

f.抄控器模块通信报文遵循HPLC数据链路层及应用层抄表协议,其中发送者对应的TEI为0XFFE。

4 测试分析

4.1 抄表功能测试

在智能终端上选择抄表功能,智能终端接收到抄表信号后,由处理器根据电能表的通信地址和通信规约初始化通信接口并发出数据帧。智能终端在发送帧数据前,先发送4个字节FEH唤醒HPLC通信单元接收,然后按照一定的次序发送数据。HPLC通信单元收到帧数据后,进行有效校验,提取地址和控制码解析并操作,把智能终端要求的数据按规范统一的传输格式发送,智能终端再对接收的数据解析处理。根据智能终端是否能按时抄回HPLC通信单元的数据信息并解析,可判断电能表通信接口的好坏,在用电信息采集系统故障处理中,也可对终端抄表功能做出判断。

4.2 在线升级测试

智能终端可对现场HPLC通信单元进行软件升级,支持指定单个或多个STA升级以及全网升级2种模式。

在智能终端上选择文件升级功能,输入CCO通信地址,智能终端发送连接目标CCO命令,连接成功后,设定需要升级的文件类型,插入U盘,选取要升级的文件,发送传输命令,智能终端向抄控器模块发出文件升级数据帧,抄控器模块转发此帧给目标CCO,文件下发完成后,本次通信结束。测试结果如图4所示,该智能终端能够成功连接CCO,完成HPLC通信单元的软件升级操作。

图4 HPLC通信单元在线升级测试结果

4.3 干扰测试

在智能终端上选择干扰测试功能,发送数据采集命令,电能表收到帧信息后,进行解帧操作,将数据按规范统一的信息帧传输格式发送,智能终端对收到的数据进行解析计算,并输出波形图。测试结果如图5所示,其横坐标代表当前检测的噪声频率,纵坐标代表衰减值。据此可判断现场电力线环境对载波通信的影响。

图5 干扰测试结果

4.4 台区物理拓扑识别测试

在智能终端上选择台区拓扑识别功能,智能终端先检测与CCO的连接标志,如果是未连接状态,首先发送连接目标CCO命令。连接成功后,获取台区规模,设置特征参数,处理器选择好本地通信方式并初始化端口,发送启动采集命令,采集过程中抄控器模块对数据帧做传输转发并始终维持连接状态。CCO收到采集命令时开启采集功能,上报采集数据,这些数据包括同一时刻电能表的电压、电流、功率因数、采集时刻等,该智能终端对这些数据进行解析、存盘,之后在电脑终端上显示物理拓扑图。台区信息采集结果见图6,台区物理拓扑示意见图7。

图6 台区信息采集结果

图7 台区物理拓扑示意

该智能终端能够成功采集电能表的电压、电流、功率因数和Mesh网数据,从而判断低压线路的物理拓扑结构,根据拓扑结构可预测是否存在偷电行为和漏电现象。

5 结束语

不同厂家终端设备的投入使用对现场运维工作提出了很高的要求,以上提出的基于HPLC技术的智能终端携带方便,解决了不同厂家终端设备互抄不通的难题,可实现用电信息采集数据的实时获取、集中管理和综合分析,提高了现场运维人员的技术水平,使运维工作更全面,拓展性更强,后期还可以自由扩展其他功能,为现场终端设备的智能运维工作提供技术支撑。