高速电力线载波技术在电力集抄业务中的研究及应用

王艳芹，李 蒙，周凤华，张海宁，妙红英，曹 智

(国网冀北电力有限公司 承德供电公司，河北 承德 067000)

在过去的10年中，基于低压电力载波技术开发的抄表系统产品已经过测试和试点应用，但是由于电网噪声和负载阻抗的巨大变化，电力线载波已成为通信的瓶颈[1]。电力线载波技术的开发和应用具有广阔的市场前景，电力线载波通信(PLC)分为窄带低速PLC、窄带高速PLC和宽带高速PLC，PLC是低压集中阅读系统中的下行通信[2]。利用发达的低压电网作为数据传输通道，实现了用户各种电表数据(水，电，气等)采集点与集中点之间的数据通信和信息交换，具有经济、方便等优势。20世纪70年代和80年代之后，外国学者开始研究集中式抄表技术。以色列、加拿大、英国、意大利和西班牙等国家已经相继推出了针对特定国家的集中式抄表设备终端[3-4]。

借鉴国外发展经验，我国从90年代开始开发集中式抄表系统终端。20世纪末，我国的集中抄表系统终端主要使用国外的载运芯片，如LM1893和ST7536。这些芯片可以实现电力线上集中抄表系统的数据传输，但是一般来说，这些芯片是窄带载波通信方式，因此在通信以及电源的强电磁环境中存在很多盲点。从20世纪90年代中期到2001年，电子式电度表投入市场。与以前的电度表相比，电子电度表采用了自感应采样方法，并为用户提供了RS485数据接口，以提高质量和功能。电度表的所有功能都得到了极大的改进，以确保集中式抄表系统中抄表数据的可靠性。近年来，随着国际经济的发展，国内一些新的制造商已经开始在现场逐渐使用PRIME和G3等OFDM多载波技术。同时，海思公司采用宽带载波技术，开发了频率为2～12 MHz的宽带电力线载波Hi3911芯片。

针对当前电力系统集中抄表系统的迫切需求以及国内外集中抄表系统的研究现状，本文基于集中抄表系统的通用拓扑结构，开发出与电力线载波相适应的通信调制技术，最后开发一套可应用工程实际的基于高速电力载波技术的低压集中抄表系统。

1 低压电力线信号传输原理

信号在电力线中传播的主要原理时，当电力线的长度将会远远大于载波的波长，电力线沿线的电阻R、电感L、电容C、电导G等参数均不能以集中参数的形式反映，而需以分布在长线的每一点上的分布参数来表示，这使得信号会在电力线上以TEM波的形式传播[5]。

对于理想的无损电力线，其分布参数等效电路如图1所示。

图1 无损电力线等效电路Fig.1 Lossless power line equivalent circuit

对于无损电力线的一个长度单元dx，则有：

(1)

(2)

式中，L0为单位长度电力线的电感；C0为单位长度电力线的电容[6]。

当信号在电源线上传播时，如果电源线是均匀的，并且在整个传输过程中没有发生特征阻抗变化，则信号传播时不会发生变形。如果电源线不均匀，并且信号在传输过程中遇到特性阻抗变化，则在传播到具有不同特性阻抗的节点时，信号不可避免地会发生折射和反射，从而导致传输信号失真以及由于严重失真而导致信号传输失败。因此，使用电力线进行信号传输应确保电力线的特性阻抗在传输过程中尽可能地不发生大的变化，确保信号传输的准确性和可靠性[7-8]。

2 高速电力线载波技术特点

窄带低速PLC由于存在防衰减低、抗干扰能力差、通信速度低、数据采集成功率低等问题，只能用于远程自动抄表(AMR)[9]。 而G3-PLC是窄带高速PLC，其在速度性能、低电压集中读取方面具有良好的应用潜力。窄带高速PLC工业中主要有2个标准：G3-PLC和PRIME。在中国电网环境中，多家国内制造商使用G3-PLC测试并比较了两种标准的通信模块后，PRIME的结论是，在同一位置进行点对点通信比较时，当电力线的干扰增加时，PRIME通信模块的通信结论是成功率显著降低。与窄带低速PLC相比，G3-PLC具有许多优点，性能参数比较见表1。

G3-PLC在中国尚未大规模应用，但是中国国家电网公司和许多智能电表公司已加入G3-PLC联盟，参与G3-PLC技术的研究、测试和应用。

电力线运营商通信可以避免建立新网络并促进家庭联网。电力线信号衰减包括2部分：耦合衰减和线路衰减。理论上，由耦合产生的衰减可以最小化，线路衰减是电力线的主要衰减，电力线信道是典型的选择性衰落信道。电力线信道幅频特性如图2所示。

表1 G3-PLC与窄带低速PLC性能参数对比Tab.1 Comparison of performance parameters between G3-PLC and narrow-band low-speed PLC

图2 电力线信道幅频特性Fig.2 Power line channel amplitude-frequency characteristics

电力线载波通信将突发错误分配到不相关的子信道，从而减少了电力线信道的选择性衰减，可以通过前向纠错有效地恢复信号。频谱利用率较高，副载波正交重叠，提高了频带利用率。

当信号通过电源线传播时，如果电源线是均匀的，并且在整个传输过程中特性阻抗没有变化，则折射系数为1，反射系数为0。如果电源线不均匀，并且信号在传输过程中遇到特征阻抗变化，则当传播到具有不同特征阻抗的节点时，信号不可避免地会发生折射和反射，从而导致传输信号失真，严重失真会导致信号传输失败。对于电力输电线单位长度的电感L0，设流过电力输电线A相的电流为Ia，电力输电线导线半径为Da，如图3所示[10]。

由于在实际工程中，电力输电线的阻抗并非固定不变的，随着外界环境的变化、供电负荷的变化，电力输电线的阻抗一直在持续变化之中，这就使得电力输电线的信号传递特性持续变化，对集中抄表系统中信号的传输造成了影响。

图3 电力输电线示意Fig.3 Power transmission line schematic

3 低压高速电力线载波集中抄表系统研究

3.1 集抄系统拓扑结构选型

扩频通信(扩频技术)使用特定的扩频功能将所传输信息的频谱转换为宽带信号，然后用载波对其进行调制并在低频段进行传输。它使用低压电力线进行传输，该接收端根据扩频功能将宽带信号恢复为原始信号，以获得传输信息。扩频调制技术基本原理如图4所示[11]。

图4 扩频调制技术原理Fig.4 Principles of spread spectrum modulation technology

在线性调频模式的情况下，将载波频率在1个周期内线性变化的脉冲信号称为线性调频信号，由于其频率在较宽的带宽范围内变化，线性调频脉冲用于有效地扩展信息带宽。扩频调制技术通过其扩频功能，可以在接收端提取自相关的多路径信号，并分离出最有用的信号，或者在多个路径中组合相同的信号，以避免单路径传输信号的干扰。

当前在用户端和数据中继端使用的主要交互方法是无线传输和RS485通信。当前的无线电力模式具有较低的传输速度和较短的传输距离，如果居住区域较小，则无线传输方法具有外观漂亮且易于布置的优点[12]。但是，随着我国经济的发展，居住面积逐渐增加，住宅建筑物的高度逐渐增加，无线传输和通信距离短的弊端逐渐扩大，难以适应目前的情况。因此，本文中设计的低压高速电力线载波集中抄表系统的基本拓扑如图5所示。

图5 集抄系统拓扑结构Fig.5 Topology structure of collection system

在图5中，用户侧和数据中继端使用RS485通信，数据中继端与电力公司操作系统之间的信号通过低压高速电力线载波传输到操作系统。

3.2 集抄系统硬件回路设计

电源环路是整个低压电力线载波中央抄表系统的基础，并且是确保每个芯片稳定可靠运行的能量保证。电源电路采用2个阶段设计：第1步是整流电路，在220 V电力系统交流电经全桥整流后，通过双管正向电路输出15 V直流电源。环路的整流器部分如图6所示，环路的这一部分被设计为外部组件。双管正向电路如图7所示[13]。

图6 第一级供电回路全桥整流回路Fig.6 Full bridge rectifier circuit of the first stage power supply circuit

图7 第一级供电回路双管正激回路Fig.7 The first-stage power supply loop double-tube forward loop

当电力系统的交流电源以正半周期运行时，晶闸管T1和T4导通。当电力系统的交流电源以负半周期运行时，晶闸管T2和T3导通。通过该全桥整流电路输出直流电压Uout。然后，直流电压Uout通过直流斩波器电路，并转换为用于第2级的15 V直流电源。从图7中可以看出，双管正向电路将整流的Uout通过初级侧VD1和VD2的开/关传输，然后通过隔离变压器传输至次级侧。由次级侧上的VD1和VD1组成并且由VD2组成的斩波电路被转换为低压直流输出。

4 集抄系统软件设计

4.1 G3-PLC通信

该系统中G3-PLC模块不仅可以在CENELECA(32～95 kHz)频带中运行，而且还可以在FCC(154～487 kHz)频带中运行，这提高了窄带载波的频带利用率。 CENELECA频带的平均载波速度约为30 Kb/s，而FCC频带的平均载波速度约为100 Kb/s。载波模块在出厂前基本上在特定的频段内运行。

高速电力线载波抄表方案的网络构架如图8所示，网络体系结构由物理层、数据链路层和应用程序层组成，并且可以扩展为5层体系结构，包括网络层和传输层。

图8 高速电力线载波抄表方案的网络构架Fig.8 Network structure of the high-speed power line carrier meter reading scheme

(1)应用层。使得字符单元之间的服务数据交换能够彼此通信，并通过数据链路层完成数据传输。

(2)数据链路层。实现网络管理和MAC与网络管理下层，宽带运营商自动联网、网络维护，路由表管理和应用层消息传输至MAC子层，通过2个专用信道进行访问，竞争物理信道并最终实现可靠的传输数据消息。

(3)物理层。MAC层数据消息被编码并调制为载波信号，然后该载波被发送到电力线。接收端在电力线上对载波信号进行解调和解码，以获得发送到MAC层的数据消息。

G3-PLC可以及时识别通信链接状态并实时调整路由，每个节点都可以根据站点环境动态调整路由表和相邻表，最大限度地减少了到达目标节点的路由成本，提高通信的稳定性和可靠性。 G3-PLC网络的通信方式不是传统的一站式，而是多站式，多个节点可以同时启动与其他节点的通信，实时数据通信，确保灵活性。

4.2 集抄系统工作程序原理

整个集抄系统的工作原理如图9所示。在系统启动时，整个低压电力线集中抄表系统都已打开电源，并且C/OS-II操作系统正在运行，然后，系统决定是否有操作命令，如果没有命令，则决定是否进入操作系统的结尾，并且当操作员选择关闭时，它将关闭整个系统。如果有命令，系统会自动输入，数据中继终端会向用户的电能表发送查询通信命令，以检查通信是否成功，然后电能表会做出响应并发回响应信息。最后，数据中继终端将电能从用户侧发送到用户侧，电表发送数据命令，用户侧电表上传数据。通过PL3105扩展后，它连接到低压电源线并传输到操作系统。

图9 集抄系统工作程序原理Fig.9 Principles of Collecting Reading System Working Procedure

在实验室中使用串行调试助手对开发的低压电力线载波中央抄表系统进行调试，串行调试助手在电力用户侧模拟电能表，通过数据中继终端发送各种类型的消息，检测接收和发送结果。

4.3 抗干扰设计

(1)硬件设计的抗干扰措施。在集中抄表系统中，电源是连接系统和电源线的直接通道，信号传输通道以及对系统的各种干扰的入口。因此，电源的安全性和可靠性在系统正确可靠的运行中起着重要作用。市电具有许多高频干扰源，这些高频组件可以通过电源轻松进入单片机系统。系统本身的传输频率也反馈给单片机，系统通过电源感应引起干扰。在电源电路中添加滤波电路以抑制各种高频信号，并选择具有双层屏蔽的电源变压器，这有助于抑制高频干扰。对于快速瞬态脉冲群干扰、静电干扰和辐射电磁场干扰，可使用干扰源产生的电磁干扰(滤波，屏蔽和接地)来抑制电磁干扰。无线电波阻挡可防止干扰源和内部电磁波污染外部路径，内部电磁波会降低对干扰的敏感性，瞬态电压抑制器用于在电压超过预定值时转换能量，滤波器用于抑制传导。

(2)软件抗干扰措施。当干扰信号进入计算机系统时，可能会干扰程序的正常运行，该系统采取了几种实用的软件抗干扰措施。当CPU中断时，使用指令代码执行随机数通常会造成混乱，有必要尽快将程序合并到实际执行的指令序列中。所以，系统软件设计使用更多的单字节指令，并在关键位置插入一些NOP(空指令)或重复单字节指令(冗余指令)。通常，将重复的命令插入确定程序流程的命令中，以便将错误程序快速集成到正确的控制轨道中。首先，必须将错误程序放置在程序区域中，其次，必须执行重复的命令。如果运行中的程序属于非程序，则可以使用软件陷阱技术。所谓的软件陷阱是一种指导指令，它强制将捕获的程序发送到错误处理子例程以进行及时有效的处理，以便系统可以恢复正常运行。软件陷阱一般可安放在下列4种地方：未使用的中断向量区、未使用的大片ROM区、数据表格或散转表格、程序区。

4.4 载波集中器与载波采集器

(1)载波集中器。这是一个三相中央控制单元。它连接到三相低压电力线，管理安装在同一变电站区域中的三相电力线上的所有载波收集器，通过低压电力线发送和收集数据收集命令，并报告结果所有收集的数据，该表格被发送到管理中心计算机。集中器实现的主要功能是通过电话调制解调器从管理中心计算机接收指令，调整系统时钟，通过电源调制解调器，将收集的数据传输到主计算机(手动执行)，在各个时间点以一定间隔收集数据，低压电源通信方法，最多255个采集点，存储过去2个月中采集的数据以及三相电源线电源、电源故障状态检测和记录，电池用于确保时钟正常运行，并在备用锂电源停电后存储数据，它可以安装在低压电网上的任何位置。

(2)载波采集器。它是系统的主要数据收集设备。它从用户的电表中收集功耗，并将其通过电源线传输。收集器使用传感器来测量机电式电度表刻度盘，转向电度表或电子电度表的脉冲数，然后根据电表常数将其转换为功耗，然后进行传输。电源线上累积的电量消耗以及相关数据，带有数据采集装置的集中器。收集器的主要功能：测量机电式电度表的转数或电子式电度表的脉冲数，并根据电度表常数计算并存储。在内部存储器中，低压电力线上的数据传输；指示灯指示设备的运行状态；它具有一个红外接口，可以读取和修改内部数据。由电源线直接供电，断电时提供数据保护，可与各种现有电表相匹配，能够实现时钟调整，可以固定安装，且集电器和电表间用常用4芯线直接连接。

5 集抄系统应用与测试结果

根据研究结果，构建了相应的PCB板。它使用数据中继终端的操作系统并编写相应的软件，从而使整个系统根据已建立的过程运行。该系统是一种可处理，高度可移植且可定制的主动型多任务实时操作系统。每个命令任务是操作系统的一个应用程序，用于调节每个命令任务的计算资源。

使用设计的低压高速电力线载波集中抄表系统，对某地特定变电站的A线、B线、C线和D线进行了测试，测试结果见表2。

表2 低压集中抄表系统测试结果Tab.2 Low-voltage centralized meter reading system test results

从表2中可以看出，设计的低压集中抄表系统在线路长度小于2 km时可以很好地传输数据并保持较高的精度，而在线路长度超过2 km时数据传输率相对较低。错误率很小，这可能是由于在长距离传输过程中由于距离过长导致信号过度衰减所致。

6 结论

本文主要完成了电力集抄业务中高速电力线载波技术的研究和应用，通过采用高速电力线载波的几种关键技术来解决信道特性问题，实现了自动抄表，并实现现有电力线的网络功能。通过变电站集中抄表系统的现场测试，证实了当传输距离小于2 km时，低压高速电力线载波的集中抄表系统可以准确地传输数据。传输距离大于2 km，由于线路长和信号衰减，某些数据传输失败，但是系统仍可以保持良好的传输效率。

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