載波通信分布式仿真系統(tǒng)的試驗研究

韓東，孫洋，殷聰，宮游

（1.黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150001；2.哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱150001）

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工管理已不能適應(yīng)新形勢的需求，取而代之的是利用現(xiàn)代科技實(shí)現(xiàn)低壓電網(wǎng)用電管理的現(xiàn)代化、自動化，這已經(jīng)成為一種新的發(fā)展趨勢。低壓電力線載波通信技術(shù)以其覆蓋范圍廣、連接方便、投資成本低等優(yōu)勢，已

被廣泛應(yīng)用于低壓居民用戶的用電信息采集系統(tǒng)。由于低壓電力線中存在的衰減、噪聲、用戶負(fù)荷等干擾因素的影響，載波通信難以實(shí)現(xiàn)100%的暢通。因此，為保證用電信息采集系統(tǒng)正常運(yùn)營，需選擇通信設(shè)備品質(zhì)優(yōu)良性能的產(chǎn)品投入使用，我國計量檢測機(jī)構(gòu)尚未建立完整的載波通信檢測體系，也未有成型的載波檢測經(jīng)驗，急需建立一套科學(xué)有效檢測平臺更顯得尤為重要.雖然國內(nèi)、外制定了部分載波通信性能檢測規(guī)定，但只針對單個元件在有限條件下進(jìn)行性能檢測，實(shí)際運(yùn)行負(fù)載特性能力無法檢測［1-5］。

鑒于上述原因，國內(nèi)、外相關(guān)機(jī)構(gòu)正在對載波通信測試進(jìn)行積極的研究和探索。相關(guān)組織也正在積極組織行業(yè)進(jìn)行載波通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定。但現(xiàn)階段，國內(nèi)對低壓電力載波通信測試主要采用集中式的測試方法，難以真實(shí)反映現(xiàn)場運(yùn)行的實(shí)際環(huán)境［6-12］。

開發(fā)研制低壓電力線載波分布式通信仿真系統(tǒng)目的是：

（1）建立切實(shí)可行真實(shí)反映現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的檢測系統(tǒng)（平臺），它不但具備檢測載波單器件全部通信性能，還具備檢測各種運(yùn)行條件下載波負(fù)載傳輸特性、路由組網(wǎng)、信號接收品質(zhì)優(yōu)劣等功能；

（2）載波仿真測試系統(tǒng)，通信檢測功能齊全，起到掌控載波通信產(chǎn)品質(zhì)量動向，杜絕偽劣產(chǎn)品上網(wǎng)運(yùn)行的作用。另外，載波仿真測試系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，進(jìn)而深入掌握載波通信傳出特性機(jī)理，為我國載波技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和提升，制定國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)乃至國際標(biāo)準(zhǔn)，提供可靠技術(shù)支撐，其意義深遠(yuǎn)重大。

1 仿真系統(tǒng)實(shí)施方案

分布式低壓電力載波通信仿真試驗系統(tǒng)由三個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，即：電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)（三相電路）、GPRS網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)以太網(wǎng)。在實(shí)際建筑網(wǎng)絡(luò)中本地負(fù)載前端串入監(jiān)測控制裝置配電箱，作為負(fù)載和電力線之間進(jìn)行測試的節(jié)點(diǎn)。配電箱中主要設(shè)備有；電能表、阻抗匹配終端、阻抗測試終端和高頻阻波器，A/D和485轉(zhuǎn)換器等。集中器下行通過電力載波通信信道與電能表進(jìn)行通信，從而獲取電能表抄讀電量、抄表成功率、路由相關(guān)信息；主站通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與集中器通信，獲取集中器各種數(shù)據(jù)信息，記錄載波信道的通信指標(biāo)；同時利用以太網(wǎng)、電能表、阻抗匹配終端、阻抗測試終端及各種現(xiàn)場的負(fù)載等設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，對現(xiàn)場電力載波通信信道進(jìn)行負(fù)荷配置調(diào)整，在設(shè)定載波信道負(fù)荷參數(shù)的基礎(chǔ)之上，通過計算機(jī)、以太網(wǎng)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、電力線交互傳遞集中器電能表試驗數(shù)據(jù)，通過電力線通信信道采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核比對，完成載波通信試驗全過程。

如圖1所示，試驗系統(tǒng)布置在四層1 500平米樓內(nèi)，利用樓內(nèi)用電作為負(fù)載。樓內(nèi)供電分三類電源，分別是各樓層的動力、照明和集中空調(diào)電源。照明電源負(fù)荷主要是日關(guān)燈、電腦和獨(dú)立式空調(diào)等；動力電源負(fù)荷為各種電器、儀器、試驗設(shè)備、電梯、程控電源等；集中空調(diào)電源供大樓的中央空調(diào)。載波傳輸在樓內(nèi)220 V/380 V低壓電力線上進(jìn)行信號傳輸，信道環(huán)境符合現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，信道中噪聲干擾由樓內(nèi)各負(fù)荷提供，即；各品種電器，各種試驗設(shè)備，開關(guān)電源，電梯等，較一般臺區(qū)環(huán)境干擾環(huán)境復(fù)雜。

2 阻抗匹配終端工作原理

圖1 仿真試驗系統(tǒng)布置Fig.1 Layout of simulation test system

圖2 仿真試驗系統(tǒng)的負(fù)荷采集結(jié)構(gòu)布置圖Fig.2 Loads collection structure layout of simulation test system

載波阻抗匹配終端硬件電路由主控板和高頻阻波器兩大部分構(gòu)成。主控電路板是整個載波阻抗匹配終端的核心單元，主要實(shí)現(xiàn)RS232串口通信、CPU控制繼電器切換板上電阻、數(shù)據(jù)存儲、定時復(fù)位重啟系統(tǒng)等功能；阻波器實(shí)現(xiàn)對高頻信號呈現(xiàn)大阻抗，對低頻信號呈現(xiàn)小阻抗的作用，降低外部無關(guān)信號的影響。

高頻阻波器要滿足高頻高阻抗低頻小阻抗的設(shè)計要求，為了滿足高頻高阻抗，研究中先后試驗了鐵硅鋁、鐵氧體、鎳鋅、錳鋅等材質(zhì)鐵芯。經(jīng)大量試驗發(fā)現(xiàn)，只有錳鋅在100 kHz～500 kHz時阻抗能維持在100Ω～500Ω的高阻抗，而為了滿足50 Hz工頻能量無損傳輸，研究中先后設(shè)計了十幾種外圍電路，最后確定了下文中的跨接電容和增加串聯(lián)諧振以改變電路諧振點(diǎn)的阻波器外圍電路，如圖3所示。

圖3 高頻阻波器Fig.3 High frequency trap

表1 單相及三相高頻阻波器阻抗實(shí)驗數(shù)據(jù)Tab.1 Impedance test data of single-phase and three-phase high frequency trap

從表1數(shù)據(jù)可以看到，在100 kHz到500 kHz這一國內(nèi)主要電能表生產(chǎn)廠家的載波頻率范圍內(nèi)，當(dāng)用戶負(fù)荷端的阻抗從0Ω變化到500Ω的范圍內(nèi)，阻波器都能保持對高頻呈現(xiàn)大于50Ω的阻抗值，而對工頻50 Hz信號呈現(xiàn)毫歐級的小阻抗，符合設(shè)計需要。

3 仿真試驗系統(tǒng)操作原理

3.1 主站功能

主站承擔(dān)整個系統(tǒng)操作指揮核心，它具有錄入?yún)?shù)、試驗方案設(shè)置、試驗測試、測試數(shù)據(jù)管理等功能。

3.2 測試操作流程

（1）由主站、集中器錄入被試驗設(shè)備相關(guān)參數(shù)，即；單、三相表和集中器等；

（2）設(shè)置實(shí)驗方案，即，單器件通信性能測試還是電網(wǎng)系統(tǒng)特性測試。調(diào)節(jié)載波阻抗匹配裝置，確定測試環(huán)境；

（3）測試項目：單器件通信性能；電平峰植、帶寬、外帶干擾、主峰頻率、環(huán)境背景躁聲等。系統(tǒng)特性測試；載波阻抗分布、環(huán)境背景躁聲分布、載波品質(zhì)信號強(qiáng)度分布、路由路線和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)優(yōu)化評價等；

（4）數(shù)據(jù)管理，主要是通過各通信信道，即；電線載波信道，GPRS無線網(wǎng)絡(luò)信道，以太網(wǎng)信道采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行篩選、校核比對、分析列圖顯示等。

4 仿真試驗系統(tǒng)測試結(jié)果分析

利用四層樓電力網(wǎng)設(shè)施，各樓層分別設(shè)置27點(diǎn)的測試配電箱，單器件通信性能測試及國家規(guī)范檢測項目本文就不作一一介紹。

4.1 路由拓?fù)湓囼?/h3>

主站管理軟件通過載波阻抗匹配裝置與樓中運(yùn)行負(fù)荷混合的組合調(diào)配（組網(wǎng)），組成多種載波通信試驗環(huán)境，分別抄讀各網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)信息數(shù)據(jù)，仿真系統(tǒng)可配置7種不同的路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；分別是串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)、對稱雙徑結(jié)構(gòu)、不對稱雙徑結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

以電能表103931291410為例，路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如圖5（e）、圖5（f）、圖5（g）所示。該電能表分別在三種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中出現(xiàn)，說明整個網(wǎng)絡(luò)的路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會隨著仿真試驗系統(tǒng)中阻抗的配置和調(diào)節(jié)而發(fā)生變化。

圖4 主站軟件的系統(tǒng)功能Fig.4 System function of main station software

圖5 路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.5 Routing topology structure diagram

4.2 阻抗、路由及信號品質(zhì)的變化關(guān)系

表2所示，列舉出三個電能表，隨著阻抗設(shè)置的變化，左證電能表的路由發(fā)生相應(yīng)的變化特性。例如，電能表103931291410號，當(dāng)阻抗設(shè)置為斷開、20 Ω和5Ω狀態(tài)時，集中器直抄此電能表；當(dāng)阻抗設(shè)置為0Ω時，集中器需要經(jīng)過1級中繼才能抄讀到此電能表。電能表104200007371號，當(dāng)阻抗設(shè)置為斷開時，集中器抄讀到此電能表需要經(jīng)過1級中繼；當(dāng)阻抗設(shè)置為20Ω時，集中器抄讀到此電能表需要經(jīng)過2級中繼；當(dāng)阻抗設(shè)置為5Ω時，集中器抄讀到此電能表需要經(jīng)過3級中繼；當(dāng)阻抗設(shè)置為0Ω時，集中器抄讀到此電能表需要經(jīng)過4級中繼。

由此表明，當(dāng)載波通信信道中的阻抗值由50Ω減小到0Ω時，越來越不適合低壓電力載波通信，集中器需要增加中繼的級數(shù)才能抄讀到電能表，反應(yīng)了低壓電力載波通信信道中阻抗值的變化對抄表的路由以及抄表能力的影響。

阻抗設(shè)置變化也會影響信號品質(zhì)因數(shù)，如表2所示，分別列出的電能表在阻抗設(shè)置變化時，集中器抄表的信號品質(zhì)因數(shù)也會發(fā)生變化。

信號品質(zhì)因數(shù)是載波通信模塊內(nèi)的一種特殊參數(shù)，涉及到各個載波通信模塊廠家的路由算法，與載波信號強(qiáng)度、系統(tǒng)的信噪比以及通信距離有直接關(guān)系。電力線載波通信是利用電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字的信號進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。由于電力線輸送電是50 Hz工頻信號，用戶使用負(fù)荷所產(chǎn)生邂波勢必污染通信信道，影響了載波調(diào)制、解調(diào)信號傳輸全過程，載波信號的信噪比急劇下降，通信可靠性降低，因此，提高信噪比是確保載波信號傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)抄讀準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。目前低壓電力載波通信的調(diào)制方式都是采用FSK或PSK，其誤碼率分別為：

式中r為輸出信噪比，其表達(dá)式如下：

其中a是經(jīng)過衰減的載波信號幅度，當(dāng)?shù)蛪弘娏€載波通信系統(tǒng)中阻抗設(shè)置發(fā)生變化，Pe中的a會發(fā)生變化，總誤碼率變化，所以信噪比發(fā)生變化，進(jìn)而影響信號品質(zhì)因數(shù)。

表2 阻抗設(shè)置變化對路由及信號品質(zhì)因數(shù)的影響Tab.2 Impact of routing and signal quality factor by impedance variation

電能表103931291410，在四種阻抗設(shè)置的情況下信號品質(zhì)因數(shù)的變化如下：當(dāng)阻抗設(shè)置為斷開時，信號品質(zhì)因數(shù)為13；當(dāng)阻抗變化為20Ω時，信號品質(zhì)因數(shù)也由13變化為33；當(dāng)阻抗設(shè)置為5Ω時，信號品質(zhì)因數(shù)由33變化為13；當(dāng)阻抗設(shè)置為0Ω，信號品質(zhì)因數(shù)變?yōu)?2。電能表104200007371，反映了阻抗設(shè)置和路由的變化對信號品質(zhì)因數(shù)的影響，當(dāng)阻抗設(shè)置為斷開時，中繼級數(shù)為1級，信號品質(zhì)因數(shù)為53；當(dāng)阻抗變化為20Ω時，中繼級數(shù)為2級，信號品質(zhì)因數(shù)也由53變化為13；當(dāng)阻抗設(shè)置為5Ω時，中繼級數(shù)變化為3級，信號品質(zhì)因數(shù)由13變化為53；當(dāng)阻抗設(shè)置為0Ω，中繼級數(shù)變化為4級，信號品質(zhì)因數(shù)變化為02。

這里需要說明的是信號品質(zhì)因數(shù)越大代表通信質(zhì)量越好，在阻抗設(shè)置為斷開或者設(shè)置為0時，都是電網(wǎng)和電能表阻抗不匹配狀態(tài)，所以電能表載波通信的信號品質(zhì)因數(shù)的大小也是隨電網(wǎng)負(fù)荷變化的；當(dāng)阻抗設(shè)置由大變小（20Ω變化為5Ω）的過程中，原有電能表的路由改變，隨著中繼級數(shù)的增加通信質(zhì)量變好，信號品質(zhì)因數(shù)是上升的。因此可以通過改變路由，增加中繼來增加信號品質(zhì)因數(shù)，從而提高通信的可靠性。

5 結(jié)束語

本文建立了分布式低壓電力線載波通信仿真試驗系統(tǒng)。通過實(shí)踐驗證，實(shí)現(xiàn)了以載波阻抗匹配的組合方式，真實(shí)模仿了低壓電力線載波通信的運(yùn)行環(huán)境。試驗研究中測得7種路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并運(yùn)用實(shí)際測試數(shù)據(jù)驗證了仿真系統(tǒng)試驗真實(shí)性。如抄表真實(shí)性，由以太網(wǎng)通過485線驗證；路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由各電能表中繼方式和信號品質(zhì)因數(shù)驗證等。

綜上所述載波通信仿真試驗系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）采用供電運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)用分布多點(diǎn)測試方法，真實(shí)反映了現(xiàn)場實(shí)際載波通信狀態(tài)；

（2）研發(fā)了載波阻抗匹配組合方法，充分利用一種固定電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變多種載波通信路徑和通信環(huán)境，突破載波通信無法仿真的難題；

（3）仿真測試系統(tǒng)操作簡單，通信測試項目齊全完整，試驗數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確（可運(yùn)用三種通信信道測試驗證）；

（4）載波通信仿真試驗系統(tǒng)，不但為電力線載波通信設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量驗收服務(wù)，還可為研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商提供科學(xué)試驗研究平臺。系統(tǒng)不足之處是供電范圍小，測試點(diǎn)少；若足夠大，路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將更加多樣。