基于DBPSK低壓電力線載波通信和微功率無(wú)線通信的雙模通信在低壓載波集抄系統(tǒng)中的應(yīng)用

李國(guó)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(jiǎn)稱PLC，是指通過(guò)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(hào)上進(jìn)行傳輸，接收端通過(guò)解調(diào)載波信號(hào)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(guò)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(hào)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(duì)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(lái)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(guó)電網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，低壓電力線上存在噪聲干擾等問(wèn)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(wú)線的優(yōu)點(diǎn)，本文提出通過(guò)一種電力線載波和微功率無(wú)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(duì)于已經(jīng)安裝實(shí)施低壓集抄的臺(tái)區(qū)不需要進(jìn)行額外的改造即可解決抄讀成功率問(wèn)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(guó)內(nèi)自動(dòng)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(duì)成熟，綜合來(lái)講性價(jià)比較高。窄帶載波為半雙工輪詢?cè)L問(wèn)機(jī)制，可以滿足用電信息采集系統(tǒng)大部分應(yīng)用場(chǎng)合的需求，特別對(duì)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(shì)。由于受負(fù)載特性影響，需要?jiǎng)討B(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(duì)通信實(shí)時(shí)性要求較高、用戶相對(duì)密集及多業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)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(hào)在信道中衰減較快，在相對(duì)較長(zhǎng)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(chǎng)運(yùn)行方式主要?jiǎng)澐譃槿d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(tái)區(qū)方式，在本臺(tái)區(qū)變壓器供電范圍內(nèi)，載波電能表和臺(tái)區(qū)集中器通過(guò)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(guò)路由自動(dòng)組網(wǎng)方式與此臺(tái)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(shí)啟動(dòng)抄讀電表數(shù)據(jù)命令，通過(guò)低壓電力線按照當(dāng)前的路由路徑與臺(tái)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(shí)，集中器暫停當(dāng)前自動(dòng)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(gè)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(guò)程中，無(wú)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(guò)載波方式通信，載波采集器和電能表之間通過(guò)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(guò)路由自動(dòng)組網(wǎng)方式與此臺(tái)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(shí)啟動(dòng)抄讀電表數(shù)據(jù)命令，通過(guò)低壓電力線按照當(dāng)前的路由路徑與此臺(tái)區(qū)范圍內(nèi)的載波采集器通信，然后載波采集器通過(guò)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(shí)，集中器暫停當(dāng)前自動(dòng)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(shí)，首先經(jīng)過(guò)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(guò)RS485專線進(jìn)行通信，采集電能表的相關(guān)數(shù)據(jù)。

適用場(chǎng)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(guò)載波方式與集中器進(jìn)行通信，另外一部分電能表通過(guò)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(chǎng)實(shí)際情況不同，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)集中安裝的電能表，電能表之間通過(guò)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(guò)RS485總線方式進(jìn)行連接；對(duì)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(duì)比三種采集方式，全載波方式的突出優(yōu)勢(shì)是易安裝、易維護(hù)、無(wú)需布線；半載波方式的突出優(yōu)勢(shì)是安裝設(shè)備量少，成本相對(duì)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(shì)是應(yīng)用靈活，能夠解決全載和半載模式的臺(tái)區(qū)，但施工難度相對(duì)較大，管理起來(lái)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(guò)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(tái)區(qū)改造簡(jiǎn)單，成本低、施工難度小、方便安裝維護(hù)、臺(tái)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(hào)衰減，在實(shí)際應(yīng)用中，必然存在一定的問(wèn)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(hào)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(guò)自動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)成為其他節(jié)點(diǎn)的接力隊(duì)員，用來(lái)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(guò)路由發(fā)起通過(guò)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境優(yōu)化路徑，在通信過(guò)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(hào)的中繼，通過(guò)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(chǎng)臺(tái)區(qū)運(yùn)行環(huán)境中，通過(guò)運(yùn)用以上方法，可以有效的解決信號(hào)的衰減和窄帶噪聲的干擾問(wèn)題。但是由于電力線的噪聲信號(hào)干擾的隨機(jī)性，偶爾會(huì)存在抄讀死區(qū)和孤島情況，想要徹底解決最后一公里問(wèn)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(gè)通信模塊上同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力線載波通信和微功率無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)以一種以載波通信為主微功率無(wú)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(zhǎng)補(bǔ)短。只通過(guò)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(guò)利用微功率無(wú)線通信的的優(yōu)點(diǎn)作為輔助通信可解決最后一公里問(wèn)題，可達(dá)到日抄收百分百的成功率。

通過(guò)結(jié)合電力線載波及微功率無(wú)線的優(yōu)點(diǎn)，將兩種通信信道集成到一起，將無(wú)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(wú)線信道，兩個(gè)信道相互獨(dú)立，同時(shí)收發(fā)，微功率無(wú)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(shí)刻在兩個(gè)相互獨(dú)立的信道上運(yùn)行兩個(gè)不同的任務(wù)。

雙模抄表技術(shù)就是在同一個(gè)通信模塊上實(shí)現(xiàn)電力線載波通信和微功率無(wú)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(tái)區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)集中器端的路由無(wú)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(gè)（至少兩個(gè)）原來(lái)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(wèn)題，也可將整個(gè)臺(tái)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(duì)比與單純的載波通信技術(shù)具有明顯的通信優(yōu)勢(shì)，雖然成本不是很高，但相對(duì)于單通道載波來(lái)說(shuō)，成本有所增加，如何在基本不增加成本的現(xiàn)有臺(tái)區(qū)環(huán)境的前提下提高采集成功率，針對(duì)這樣的問(wèn)題，我們只要找到現(xiàn)場(chǎng)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(guò)無(wú)線進(jìn)行通信，提高載波臺(tái)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(wú)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(chǎng)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(wú)線為輔的雙信道通信。

如圖1所示，集中器通過(guò)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(shí)，雙模模塊接收到載波信道發(fā)來(lái)的信息后，經(jīng)過(guò)載波和無(wú)線通信同時(shí)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(guò)雙信道通信進(jìn)行回應(yīng)數(shù)據(jù)，或者通過(guò)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(huì)通過(guò)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(duì)臺(tái)區(qū)進(jìn)行改造幾個(gè)實(shí)現(xiàn)抄讀成功率問(wèn)題。

圖1 雙模通信示意圖

4.2 雙模通信在載波臺(tái)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(tái)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(tái)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(chǎng)環(huán)境中，由于全臺(tái)區(qū)不是全網(wǎng)雙模系統(tǒng)，所以更換模塊時(shí)最少更換兩個(gè)，即在電力線通信正常的電能表端更換一個(gè)，此線路后面不通的電能表端更換一個(gè)，最少需要成對(duì)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(tái)區(qū)中，集中器通過(guò)電力線通信抄讀現(xiàn)場(chǎng)載波電能表，載波電能表通過(guò)電力線載波通信將數(shù)據(jù)進(jìn)行返回。抄讀過(guò)程中，2號(hào)電表由于線路原因?qū)е螺d波不通，由于前端的1號(hào)表載波通信正常，所以將1號(hào)表的模塊更換為雙模模塊，2號(hào)表的模塊也更換為雙模模塊。此時(shí)1號(hào)表收到集中器發(fā)送的抄讀2表的報(bào)文時(shí)，1號(hào)表通過(guò)載波和無(wú)線雙模將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?號(hào)表，2號(hào)表通過(guò)無(wú)線接收后，將數(shù)據(jù)按照載波和無(wú)線雙信道進(jìn)行返回，1號(hào)表收到數(shù)據(jù)后通過(guò)載波將數(shù)據(jù)返回到集中器，從而解決2號(hào)表孤島問(wèn)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(tái)區(qū)運(yùn)行模式，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活、易擴(kuò)充。載波和無(wú)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(wú)線信道，兩個(gè)信道相互獨(dú)立，同時(shí)收發(fā)，微功率無(wú)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(wú)線兩種通信技術(shù)的互補(bǔ)性，將無(wú)線通信技術(shù)與載波通信技術(shù)相融合，通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法通過(guò)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(chǎng)因?yàn)檩d波噪聲衰減造成的孤島現(xiàn)象，將會(huì)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(tái)區(qū)中的應(yīng)用

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析及現(xiàn)有技術(shù)來(lái)看，基于DBPSK電力線載波和GFSK微功率無(wú)線雙模通信方式，有助于解決現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)實(shí)施載波低壓集抄的臺(tái)區(qū)，無(wú)需額外進(jìn)行臺(tái)區(qū)改造，只需更換模塊即可解決抄讀問(wèn)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(shì)，且安裝調(diào)試、維護(hù)和電力線載波抄表系統(tǒng)一樣簡(jiǎn)單?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，基于DBPSK電力線載波和GFSK微功率無(wú)線雙模通信技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題，有效保證低壓集抄數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

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