李國鈺，張成文，張 強(qiáng)，李 偉

LI Guo-yu, ZHANG Cheng-wen, ZHANG Qiang, LI Wei

（遼寧省電力有限公司大連供電公司，大連 116000）

0 引言

電力線載波通信（Power Line Communication）簡稱PLC，是指通過電力線作為通信通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)，它是將所需要的信息數(shù)據(jù)調(diào)制在適于電力線介質(zhì)傳輸?shù)牡皖l或高頻載波信號上進(jìn)行傳輸，接收端通過解調(diào)載波信號將原始信息數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)解析。

電力線通信主要是通過高壓輸電線、中壓配電線、低壓供電線和低壓用戶線進(jìn)行傳輸，其中利用低壓電力線傳輸載波信號的方式稱為低壓電力線載波通信，用電信息采集系統(tǒng)中的低壓集抄就是利用低壓供電線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

隨著電網(wǎng)公司對集中抄表系統(tǒng)建設(shè)力度的加大,低壓電力線載波通信進(jìn)入到行業(yè)發(fā)展成熟階段，近年來堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)進(jìn)入全面建設(shè)期，為配合智能電網(wǎng)建設(shè)，集抄系統(tǒng)的功能得到進(jìn)一步完善。由于我國電網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，低壓電力線上存在噪聲干擾等問題，導(dǎo)致載波抄表存在抄表盲點(diǎn)和孤島現(xiàn)象，為解決載波抄表的弊端，結(jié)合載波和無線的優(yōu)點(diǎn)，本文提出通過一種電力線載波和微功率無線雙模的通信方式，將載波通信失敗的表端更換為這種雙模模塊，進(jìn)行雙模發(fā)送和接收，對于已經(jīng)安裝實(shí)施低壓集抄的臺區(qū)不需要進(jìn)行額外的改造即可解決抄讀成功率問題。

1 電力線載波在低壓集抄系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 電力線通信的使用方式

低壓電力線載波通信技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于國內(nèi)自動抄表領(lǐng)域，目前低壓載波通信是電網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)中最主要的數(shù)據(jù)采集通信方式，所占比例較高。

低壓集抄中低壓窄帶載波技術(shù)發(fā)展相對成熟，綜合來講性價(jià)比較高。窄帶載波為半雙工輪詢訪問機(jī)制，可以滿足用電信息采集系統(tǒng)大部分應(yīng)用場合的需求，特別對于用戶分散環(huán)境下的用電信息采集具有成本低，維護(hù)方便等優(yōu)勢。由于受負(fù)載特性影響，需要動態(tài)組網(wǎng)優(yōu)化。

低壓寬帶載波技術(shù)提供更高帶寬通信，為全雙工雙向通信機(jī)制。適合對通信實(shí)時性要求較高、用戶相對密集及多業(yè)務(wù)應(yīng)用場合。并且在使用大量變頻電氣、可控硅電力設(shè)備使用的地方，也適合采用多路子載波調(diào)制的寬帶載波通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于寬帶載波通信的高頻信號在信道中衰減較快，在相對較長距離通信中需要中繼組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距通信。

低壓集抄現(xiàn)場運(yùn)行方式主要劃分為全載波方式、半載波方式和混合方式等三種方式。

1）全載波方式

由載波電能表、集中器組成。這種低壓集抄臺區(qū)方式，在本臺區(qū)變壓器供電范圍內(nèi)，載波電能表和臺區(qū)集中器通過低壓電力線載波方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不需要再敷設(shè)專用數(shù)據(jù)通信線路，不需要改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

基本工作流程：集中器通過路由自動組網(wǎng)方式與此臺區(qū)范圍內(nèi)的載波電能表建立完整的路徑關(guān)系。集中器全天定時啟動抄讀電表數(shù)據(jù)命令，通過低壓電力線按照當(dāng)前的路由路徑與臺區(qū)范圍內(nèi)的載波電能表進(jìn)行通信，采集電能表的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。當(dāng)有點(diǎn)抄任務(wù)時，集中器暫停當(dāng)前自動抄讀流程，優(yōu)先響應(yīng)點(diǎn)抄命令，根據(jù)主站點(diǎn)抄命令與指定電能表按照當(dāng)前路由路徑進(jìn)行通信，采集電能表的相應(yīng)數(shù)據(jù)。

適用范圍：用于電表分散、山區(qū)、工程施工難度大的地方。整個系統(tǒng)采用電力線載波通信，電能表與電能表之間相互中繼，從而保證抄表效果，施工過程中，無需敷設(shè)額外的通信線路，載波表只需要接上電源即可。

2）半載波方式

由載波采集器、485電能表、集中器組成。半載波采集方式，載波采集器和集中器是通過載波方式通信，載波采集器和電能表之間通過RS485連接，需要額外敷設(shè)RS485專用通信線路。

基本工作流程：集中器通過路由自動組網(wǎng)方式與此臺區(qū)范圍內(nèi)的載波采集器建立完整的路徑關(guān)系。集中器全天定時啟動抄讀電表數(shù)據(jù)命令，通過低壓電力線按照當(dāng)前的路由路徑與此臺區(qū)范圍內(nèi)的載波采集器通信，然后載波采集器通過RS485總線與支持485協(xié)議的電能表進(jìn)行通信，采集電能表的相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)有點(diǎn)抄任務(wù)時，集中器暫停當(dāng)前自動抄讀流程，優(yōu)先響應(yīng)點(diǎn)抄命令，集中器根據(jù)點(diǎn)抄命令按照當(dāng)前路由路徑與指定的電能表通信時，首先經(jīng)過和載波采集器進(jìn)行通信，然后載波采集器與指定電能表通過RS485專線進(jìn)行通信，采集電能表的相關(guān)數(shù)據(jù)。

適用場合：此種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集需要進(jìn)行額外的RS485線進(jìn)行連接，因此適用于集中表箱、敷設(shè)RS485線容易的新建或規(guī)范性的住宅小區(qū)。

3）混合方式

一部分載波電能表通過載波方式與集中器進(jìn)行通信，另外一部分電能表通過載波采集器方式與集中器進(jìn)行通信。

此種采集方式根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況不同，對于現(xiàn)場集中安裝的電能表，電能表之間通過485線進(jìn)行連接，表箱內(nèi)安裝載波采集器，載波采集器與電能表之間通過RS485總線方式進(jìn)行連接；對于安裝分散的用戶電能表，或因樓宇之間不允許安裝RS485通信線等情況的電能表，直接安裝載波電能表；組網(wǎng)后的基本工作流程與上述兩種采集方式一致。

對比三種采集方式，全載波方式的突出優(yōu)勢是易安裝、易維護(hù)、無需布線；半載波方式的突出優(yōu)勢是安裝設(shè)備量少，成本相對較低，但需要敷設(shè)專門的通信線，安裝施工難度和維護(hù)工作量多一些；混合方式的突出優(yōu)勢是應(yīng)用靈活，能夠解決全載和半載模式的臺區(qū)，但施工難度相對較大，管理起來復(fù)雜得多。

2 電力線通信技術(shù)的特性

電力線載波就是通過低壓電力線做為通信信道的一種數(shù)據(jù)傳輸方式。此中通信方式的優(yōu)點(diǎn)是，臺區(qū)改造簡單，成本低、施工難度小、方便安裝維護(hù)、臺區(qū)擴(kuò)充容易，便于實(shí)施，所以目前被廣泛的應(yīng)用于低壓集抄系統(tǒng)中。電力線載波技術(shù)同樣也有不足之處：低壓電力線存在較多的噪聲干擾和信號衰減，在實(shí)際應(yīng)用中，必然存在一定的問題。

1）抗干擾能力強(qiáng)的擴(kuò)頻通信方式，目前得到廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的擴(kuò)頻技術(shù)由于各種限制在電力線上傳輸信號難以克服較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)際運(yùn)行中需要通過自動中繼技術(shù)、接力通信技術(shù)彌補(bǔ)此情況的不足，這樣可以極大的提高傳輸距離。

2）在特別復(fù)雜的通信環(huán)境下，接力通信技術(shù)能夠使每一個節(jié)點(diǎn)成為其他節(jié)點(diǎn)的接力隊(duì)員，用來保證數(shù)據(jù)的有效可靠傳輸，從而提高通信質(zhì)量。

3）中繼技術(shù)則是通過路由發(fā)起通過實(shí)際運(yùn)行環(huán)境優(yōu)化路徑，在通信過程中選取最佳節(jié)點(diǎn)模塊實(shí)現(xiàn)線路后端節(jié)點(diǎn)設(shè)備通信信號的中繼，通過此種方式可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)的有效通信。

在現(xiàn)場臺區(qū)運(yùn)行環(huán)境中，通過運(yùn)用以上方法，可以有效的解決信號的衰減和窄帶噪聲的干擾問題。但是由于電力線的噪聲信號干擾的隨機(jī)性，偶爾會存在抄讀死區(qū)和孤島情況，想要徹底解決最后一公里問題，還需要其他通信方式的輔助，從而使抄表系統(tǒng)真正走向?qū)嵱谩?/p>

3 電力線通信和微功率雙模通信技術(shù)

雙模通信技術(shù)是指在同一個通信模塊上同時實(shí)現(xiàn)電力線載波通信和微功率無線通信，實(shí)現(xiàn)以一種以載波通信為主微功率無線通信為輔的雙模通信方式。這種通信方式是充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長補(bǔ)短。只通過電力線載波通信方式目前已可實(shí)現(xiàn)日抄收百分之九十的通信成功率，但還不能完全達(dá)到百分百的日抄成功率，通過利用微功率無線通信的的優(yōu)點(diǎn)作為輔助通信可解決最后一公里問題，可達(dá)到日抄收百分百的成功率。

通過結(jié)合電力線載波及微功率無線的優(yōu)點(diǎn)，將兩種通信信道集成到一起，將無線通信技術(shù)與載波通信技術(shù)相結(jié)合，采用雙模通信模塊，電力線載波信道和微功率無線信道，兩個信道相互獨(dú)立，同時收發(fā)，微功率無線通信技術(shù)和電力線載波通信技術(shù)互補(bǔ)，提高了通信效率和可靠性。

兩種不同的通信方式在傳輸特性與傳輸距離上都有很大的不同。最大限度的利用網(wǎng)絡(luò)資源，就需要盡可能的提高網(wǎng)絡(luò)并行度，可以在同一時刻在兩個相互獨(dú)立的信道上運(yùn)行兩個不同的任務(wù)。

雙模抄表技術(shù)就是在同一個通信模塊上實(shí)現(xiàn)電力線載波通信和微功率無線通信。這種雙模通信的裝置叫做雙模模塊，雙模模塊可應(yīng)用于目前已經(jīng)實(shí)施了電力線載波集抄，并且抄讀存在盲區(qū)和孤島現(xiàn)象的臺區(qū)，現(xiàn)場應(yīng)用時，系統(tǒng)集中器端的路由無需任何操作和修改，在抄讀效果不理想的位置與效果較好的位置，分別替換幾個（至少兩個）原來的電表載波通信模塊即可。使其作為雙模中繼通信使用，如果不考慮成本問題，也可將整個臺區(qū)模塊全部更換為雙模模塊。

4 雙模通信技術(shù)的解決方案

雙模通信技術(shù)，對比與單純的載波通信技術(shù)具有明顯的通信優(yōu)勢，雖然成本不是很高，但相對于單通道載波來說，成本有所增加，如何在基本不增加成本的現(xiàn)有臺區(qū)環(huán)境的前提下提高采集成功率，針對這樣的問題，我們只要找到現(xiàn)場兩點(diǎn)載波不同的電能表，將模塊更換為雙模通信模塊，載波不通的情況下通過無線進(jìn)行通信，提高載波臺區(qū)抄讀盲區(qū)和孤島現(xiàn)象是我們主要的解決目的。

4.1 雙模通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理圖

本文提出的雙模通信方式是將電力線載波和微功率無線通信集中在一只模塊內(nèi)的通信方式，這種模塊稱為雙模模塊，雙模模塊在現(xiàn)場和載波模塊可以互換互通，主要是解決已有載波低壓集抄內(nèi)，因電力線干擾、噪聲等原因?qū)е碌妮d波通信失敗的情況，這種通信方式是以載波為主，無線為輔的雙信道通信。

如圖1所示，集中器通過載波信道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，載波信道到達(dá)雙模電能表2時，雙模模塊接收到載波信道發(fā)來的信息后，經(jīng)過載波和無線通信同時發(fā)送的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)回應(yīng)或者向下轉(zhuǎn)發(fā)，向下轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文被后續(xù)雙模電能表3接收，雙模電能表3通過雙信道通信進(jìn)行回應(yīng)數(shù)據(jù)，或者通過雙信道通信向載波電能表4進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，載波電能表由于不具備雙模通信，所以只會通過電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)回復(fù)，此種通信方式主要解決，電能表2和電能表3之間因?yàn)檩d波干擾等原因?qū)е碌某砻^(qū)和孤島現(xiàn)象，這種通信方式不需要對臺區(qū)進(jìn)行改造幾個實(shí)現(xiàn)抄讀成功率問題。

圖1 雙模通信示意圖

4.2 雙模通信在載波臺區(qū)中的應(yīng)用

雙模通信作為中繼模塊主要是在不改變當(dāng)前載波抄表臺區(qū)的環(huán)境下，解決因電力線上的噪聲干擾導(dǎo)致的孤島現(xiàn)象，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還是由后臺主站、集中器、電能表組成，集中器端采用電力線載波模塊，電能表端采用載波模塊，不同的是在現(xiàn)場環(huán)境中，由于全臺區(qū)不是全網(wǎng)雙模系統(tǒng)，所以更換模塊時最少更換兩個，即在電力線通信正常的電能表端更換一個，此線路后面不通的電能表端更換一個，最少需要成對使用，只有這樣才能發(fā)揮雙模通信的作用。

如圖2所示，載波臺區(qū)中，集中器通過電力線通信抄讀現(xiàn)場載波電能表，載波電能表通過電力線載波通信將數(shù)據(jù)進(jìn)行返回。抄讀過程中，2號電表由于線路原因?qū)е螺d波不通，由于前端的1號表載波通信正常，所以將1號表的模塊更換為雙模模塊，2號表的模塊也更換為雙模模塊。此時1號表收到集中器發(fā)送的抄讀2表的報(bào)文時，1號表通過載波和無線雙模將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?號表，2號表通過無線接收后，將數(shù)據(jù)按照載波和無線雙信道進(jìn)行返回，1號表收到數(shù)據(jù)后通過載波將數(shù)據(jù)返回到集中器，從而解決2號表孤島問題，達(dá)到數(shù)據(jù)100%抄收。

此方案優(yōu)點(diǎn)是，不需要改變現(xiàn)有臺區(qū)運(yùn)行模式，安裝維護(hù)簡單、組網(wǎng)靈活、易擴(kuò)充。載波和無線通信相結(jié)合，采用雙模通信模塊，電力線載波信道和微功率無線信道，兩個信道相互獨(dú)立，同時收發(fā)，微功率無線通信技術(shù)和電力線載波通信技術(shù)互補(bǔ)，提高了通信效率和可靠性。

4.3 雙模通信在載波集抄中的意義

雙模通信采用電力線載波和微功率無線兩種通信技術(shù)的互補(bǔ)性，將無線通信技術(shù)與載波通信技術(shù)相融合，通過將現(xiàn)場無法通過電力線載波通信的表計(jì)更換為雙模通信模塊，實(shí)現(xiàn)兩通道同發(fā)同收，有力解決現(xiàn)場因?yàn)檩d波噪聲衰減造成的孤島現(xiàn)象，將會提高整體抄表系統(tǒng)的通信成功率，實(shí)現(xiàn)電表信息的百分百采集。

圖2 雙模通信在載波臺區(qū)中的應(yīng)用

5 結(jié)論

通過以上分析及現(xiàn)有技術(shù)來看，基于DBPSK電力線載波和GFSK微功率無線雙模通信方式，有助于解決現(xiàn)場已經(jīng)實(shí)施載波低壓集抄的臺區(qū)，無需額外進(jìn)行臺區(qū)改造，只需更換模塊即可解決抄讀問題。雙模抄表由于采用了雙信道通信技術(shù)，真正的發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，且安裝調(diào)試、維護(hù)和電力線載波抄表系統(tǒng)一樣簡單。基于以上優(yōu)勢，基于DBPSK電力線載波和GFSK微功率無線雙模通信技術(shù)，現(xiàn)場采用雙模模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效解決因電力線噪聲造成的孤島現(xiàn)象和覆蓋率問題，有效保證低壓集抄數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性和穩(wěn)定性。

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