基于電力線載波與無(wú)線通信技術(shù)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊宏武　王敏　溫浩康　胡軍

摘要：為解決電力線通信因受阻抗隨機(jī)、信號(hào)衰弱和噪聲干擾而通信距離和可靠性受到一定影響的弊端，文章提出了一種集低壓電力線通信與無(wú)線傳輸相結(jié)合的通信系統(tǒng)，將無(wú)線通信技術(shù)融入距離受限的電力通信系統(tǒng)，發(fā)揮各自的通信優(yōu)勢(shì)，使信號(hào)在通信過(guò)程中更好地傳輸。

關(guān)鍵詞：電力線載波；無(wú)線通信；檢測(cè)系統(tǒng)

隨著電力供網(wǎng)的發(fā)展，電力線覆蓋面積越來(lái)越寬廣，如何充分利用現(xiàn)有供電網(wǎng)絡(luò)資源，在電力線上實(shí)現(xiàn)可靠的信息傳輸，正逐步引起人們廣泛關(guān)注和研究。

電力線載波通信是以電力線網(wǎng)絡(luò)作為傳輸信道的一種通信方式，而低壓電力線通信以其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、接入便利等特點(diǎn)，成為新技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。但與其他通信技術(shù)相比，電力線通信也具有噪聲干擾大、頻率選擇性衰弱等缺點(diǎn)。為了解決這些問(wèn)題，該系統(tǒng)利用現(xiàn)有的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信技術(shù)對(duì)用電設(shè)備中電量參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)測(cè)、配套的上位機(jī)軟件將實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、存儲(chǔ)，使通信信號(hào)覆蓋面更廣、傳輸成本更低，對(duì)相關(guān)信號(hào)、數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)性、可靠性更高。

1 總體設(shè)計(jì)方案

由于單一的電力線載波信號(hào)具有不可避免的衰減大、干擾強(qiáng)的缺點(diǎn)，因此我們采用電力線載波與無(wú)線通信組合網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。整體上看，我們主要設(shè)計(jì)電力線載波模塊與無(wú)線模塊的通信接口以及無(wú)線模塊與上位機(jī)的通信接口，對(duì)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)及其通信的組成原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以及研究和設(shè)計(jì)適用于線型鏈路結(jié)構(gòu)下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，并對(duì)該通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠滿足系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)要求。

目前建立無(wú)線及電力線混合通信網(wǎng)絡(luò)更多的是在現(xiàn)有的通信產(chǎn)品中選取適用的設(shè)備，搭建混合通信網(wǎng)絡(luò)主要考慮及解決的問(wèn)題如下。

（1）融合點(diǎn)通信技術(shù)的接口。融合點(diǎn)涉及數(shù)據(jù)的交互，必須有統(tǒng)一的接口。目前主要的形式是以太網(wǎng)口、串行接口，對(duì)于特殊應(yīng)用可考慮總線接口等方式。

（2）無(wú)線網(wǎng)通信穩(wěn)定性問(wèn)題。無(wú)線網(wǎng)通信雖然能夠解決建筑物復(fù)雜結(jié)構(gòu)布線難的問(wèn)題，但其自身穩(wěn)定性也是一個(gè)需要考慮的重要因素。特別是在電力系統(tǒng)設(shè)備中，信號(hào)的穩(wěn)定性關(guān)系到安全問(wèn)題。

（3）多種通信模式組網(wǎng)，信號(hào)的相互干擾問(wèn)題。

2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)原理如圖1所示。

組網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由電量計(jì)算模塊、無(wú)線發(fā)射模塊、電力線載波模塊這三大模塊組成。與用電設(shè)備連接的電量計(jì)算模塊通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，然后電量計(jì)算模塊把信息處理、儲(chǔ)存之后，通過(guò)信號(hào)線將信號(hào)傳遞給無(wú)線發(fā)射模塊，同時(shí)，電量計(jì)算模塊也將信息傳遞給電力線載波模塊。

在本廠區(qū)，無(wú)線發(fā)射模塊通過(guò)無(wú)線發(fā)射芯片的驅(qū)動(dòng)，將電學(xué)量信號(hào)發(fā)射覆蓋本廠區(qū)，這時(shí)可以到固定終端上位機(jī)定時(shí)查看相關(guān)用電設(shè)備電學(xué)量狀態(tài)，也可以通過(guò)MCU處理，在手持可移動(dòng)LCD顯示屏幕上實(shí)時(shí)獲取相關(guān)電量信息。在遠(yuǎn)程廠區(qū)中，通過(guò)電力線模塊，將電量信息及時(shí)整合到220公路電線中，通過(guò)電力線載波技術(shù)將電量信息傳遞給遠(yuǎn)程廠區(qū)的電力線載波機(jī)，這時(shí)通過(guò)DA轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后把信息傳遞給遠(yuǎn)程廠區(qū)的固終端，這時(shí)遠(yuǎn)程廠區(qū)也可以對(duì)用電設(shè)備各種用電信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、并儲(chǔ)存。另外，系統(tǒng)基本監(jiān)測(cè)功能完成后，可以在此基礎(chǔ)上加入存儲(chǔ)器模塊用來(lái)記錄設(shè)備異常數(shù)據(jù)，也可以加入警報(bào)提示模塊對(duì)系統(tǒng)突發(fā)狀況設(shè)置報(bào)警功能。

3 技術(shù)關(guān)鍵

根據(jù)配用電現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)組網(wǎng)，結(jié)合無(wú)線及電力線載波通信完成由用電終端到通信集中器的再到配電主站的完整的通信道路，并對(duì)混合通信無(wú)縫連接提出可行方案。

3.1 技術(shù)對(duì)比

電力線載波技術(shù)及無(wú)線通信技術(shù)均無(wú)需鋪設(shè)新的傳輸介質(zhì)，帶寬及傳輸速率均可滿足一定配電網(wǎng)業(yè)務(wù)要求，在標(biāo)準(zhǔn)的通信接口下可實(shí)現(xiàn)相互組網(wǎng)或結(jié)合光纖等通信方式組網(wǎng)，技術(shù)對(duì)比如表1所示。

3.2 通信組網(wǎng)方案

電力線載波技術(shù)與無(wú)線技術(shù)既可以單獨(dú)組網(wǎng)，又可以混合組網(wǎng)。電力線載波可承載帶寬在2-20M的業(yè)務(wù)，可作為多個(gè)終端站點(diǎn)業(yè)務(wù)上傳的通道同時(shí)借助電力線載波較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，可將無(wú)線集中器收集的數(shù)據(jù)由電力線載波上傳。電力線載波主載波機(jī)即可直接與通信主站相連，也可通過(guò)其他通信手段到達(dá)通信主站。如電力線載波主載波機(jī)上行鏈路連接到寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或光纖網(wǎng)路。

低壓電力載波通信方式不能實(shí)現(xiàn)跨變壓器通信，因此只能用于同一變壓器內(nèi)的數(shù)據(jù)通信，而要實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，則需在數(shù)據(jù)采集器和上位機(jī)管理中心之間選擇另外的通信方式。由于ZigBee技術(shù)傳輸距離較短，而考慮到WIFI技術(shù)無(wú)線電波覆蓋范圍廣，最新半徑可達(dá)900英尺左右，約合300米，另外藍(lán)牙的電波半徑約合50英尺左右，約合15米，因此藍(lán)牙技術(shù)與ZigBee技術(shù)傳播距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及WIFI。另外，WIFI具備高速傳播的優(yōu)勢(shì)，可達(dá)37.5Mbit/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TDLTE230MHz以及ZigBee。故而在這里我們使用建設(shè)方便且傳播范圍更廣的高速WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳。另外，光纖與電力線載波相比較，電力線載波技術(shù)既可作為終端數(shù)據(jù)接入設(shè)備，也可作為無(wú)線的匯聚設(shè)備，完成終端或無(wú)線設(shè)備的功能，可彌補(bǔ)光纖無(wú)法鋪設(shè)及無(wú)線通信因建筑等因素導(dǎo)致的信息盲點(diǎn)。

4 硬件設(shè)計(jì)

以單片機(jī)為控制核心，其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：電學(xué)量采集模塊、電力線通信控制模塊、低壓電設(shè)備專用無(wú)線通信模塊、上位機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊。通過(guò)電學(xué)量采集模塊對(duì)電網(wǎng)中用電設(shè)備進(jìn)行電學(xué)量采集，并把采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)電力線傳送到電力線通信模塊，此模塊再通過(guò)電力線將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中用電設(shè)備狀況，同時(shí)上位機(jī)軟件可以通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向用電設(shè)備發(fā)送操作指令。