基于電力線載波通信的電力設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張之曦

摘 要：基于電力線載波通信的電力設(shè)備控制系統(tǒng)主要依托于電力線載波通信技術(shù)，利用電力設(shè)備之間已有的電力線路將電力設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，避免了鋪設(shè)大量通信線路帶來的布線問題和使用無線通信技術(shù)存在接入設(shè)備數(shù)量有限和成本高的問題，，實(shí)現(xiàn)了對電力設(shè)備的遠(yuǎn)程智能控制。

關(guān)鍵詞：電力線載波通信；電力設(shè)備；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：TN913.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）20-0129-01

1 引言

本系統(tǒng)采用電力線載波通信技術(shù)，其節(jié)點(diǎn)之間采用原來的電力線進(jìn)行通信。電力線載波通信其實(shí)也是一種總線通信技術(shù)，只是它是利用原有的電線作為通信介質(zhì)，不像總線那樣，需要專用的通信總線。該技術(shù)不僅滿足較長的通信距離的需求，可以將遠(yuǎn)距離的電力設(shè)備互聯(lián)，接入設(shè)備數(shù)量的容量較大，而且不需要單獨(dú)鋪設(shè)通信線路，減少施工難度和資源的浪費(fèi)。

2 整體設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)解決的問題：主要依托電力線載波通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備的控制。同時(shí)，借助樹莓派和APP平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備的近場控制和遠(yuǎn)程控制。

主要技術(shù)路線：（1）利用電力線載波通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)核心控制端與各電力設(shè)備終端的數(shù)據(jù)通信；（2）利用樹莓派作為控制系統(tǒng)核心控制端，實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備的近場管理；（3）利用電力設(shè)備終端MCU，實(shí)時(shí)控制各終端電器的工作狀態(tài)；（4）借助APP平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。借助APP平臺(tái)，將用戶指令傳遞給服務(wù)器，再由服務(wù)器分發(fā)給各個(gè)電力設(shè)備的樹莓派核心控制端，通過電力線載波通信，傳遞給硬件終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2.2 系統(tǒng)工作原理及方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)如下：將樹莓派作為電力設(shè)備的核心控制端，并運(yùn)行電力設(shè)備管理UWP應(yīng)用程序，可以采用LCD顯示屏直接控制電力設(shè)備的工作狀態(tài)。樹莓派發(fā)出的操作指令經(jīng)過電力線載波模塊，在已有的電力線路上進(jìn)行傳輸，在電力設(shè)備的末端由另一電力線載波通信模塊進(jìn)行接收，最后將指令傳遞至智能終端的MCU（51單片機(jī)），由MCU對指令進(jìn)行解析，并且控制電力設(shè)備的工作狀態(tài)。在遠(yuǎn)程控制方面，基于APP平臺(tái)，運(yùn)維人員將控制指令通過APP平臺(tái)通過以太網(wǎng)傳遞至樹莓派控制端，借助電力線載波通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備的智能控制。

3 電力設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的搭建

3.1 基于OFDM載波調(diào)制技術(shù)的電力線載波通信模塊工作原理

電力線載波在380/220V用戶配電網(wǎng)上的應(yīng)用，在90年代后期之前只限于采用調(diào)幅或調(diào)頻制式的載波電話機(jī)，實(shí)現(xiàn)近距離的撥號(hào)通話，也有采用專用的芯片實(shí)現(xiàn)近距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)腫1]。目前在自動(dòng)集抄系統(tǒng)中采用的載波通信方式有擴(kuò)頻、窄帶調(diào)頻或調(diào)相。在各種方式中，由于采用OFDM調(diào)制具有突發(fā)模式的多信道傳輸、較高的傳輸速率、更有效的頻譜利用率和較強(qiáng)的抗突發(fā)干擾噪聲的能力，再加上前向糾錯(cuò)、交叉糾錯(cuò)、自動(dòng)重發(fā)和信道編碼等技術(shù)來保證信息傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，因而成為電力線上網(wǎng)應(yīng)用的主導(dǎo)通信方式[2]。

OFDM即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上OFDM是MCM（多載波調(diào)制）的一種。OFDM技術(shù)由MCM發(fā)展而來。OFDM技術(shù)是多載波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一，它的調(diào)制和解調(diào)是分別基于IFFT和FFT來實(shí)現(xiàn)的，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度最低、應(yīng)用最廣的一種多載波傳輸方案[3]。

具體通信過程為：先將發(fā)送端輸入的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換器變成N路并行信號(hào)，然后將各路信號(hào)分別進(jìn)行基帶調(diào)制，通過快速傅立葉反變換，將基帶信號(hào)調(diào)制到各個(gè)子載波上，在實(shí)際應(yīng)用中，為了消除碼間干擾，在OFDM信號(hào)中加入保護(hù)間隔，使得保護(hù)時(shí)間大于信道的多徑時(shí)延，通常是將OFDM符號(hào)尾部長度為L的樣品復(fù)制到本符號(hào)的前面，作為循環(huán)前綴用以間隔各符號(hào)。插入循環(huán)前綴以后，再將并行信號(hào)轉(zhuǎn)為串行信號(hào)。經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)通過射頻電路將信號(hào)發(fā)射出去，在通過信道以后，接收機(jī)通過一系列相反變換恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)然，為進(jìn)一步提高實(shí)際系統(tǒng)抗干擾性能，通常還增加頻域交織、時(shí)域交織、均衡、導(dǎo)頻和信道編解碼等功能模塊。

在通信系統(tǒng)中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號(hào)所需的帶寬要寬得多。如果一個(gè)信道只傳送一路信號(hào)是非常浪費(fèi)的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復(fù)用的方法。將OFDM應(yīng)用于載波模塊，使得載波模塊在強(qiáng)干擾，強(qiáng)衰減，遠(yuǎn)距離要求的環(huán)境下，能夠可靠，穩(wěn)定的傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)還具有傳輸速率高，容量大的優(yōu)點(diǎn)，有利于后期對電力設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能的進(jìn)一步改進(jìn)。

3.2 基于電力線載波通信的電力設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)

由于本系統(tǒng)是由軟硬件平臺(tái)共同搭建。終端控制采用51單片機(jī)作為終端的控制核心，通過電力線載波通信模塊與電力線實(shí)現(xiàn)耦合。同時(shí)零線和火線作為電源變壓模塊、終端控制裝置和備用電源模塊的供電電源。電源變壓模塊接入零火線，實(shí)現(xiàn)變壓給MCU供電，讓MCU執(zhí)行數(shù)據(jù)處理與控制。通過繼電保護(hù)模塊控制電力設(shè)備的工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)基本功能。當(dāng)電力設(shè)備處于接通狀態(tài)，電能計(jì)量模塊和中央控制模塊開始工作，并將數(shù)據(jù)借助電力線載波技術(shù)，中央控制模塊。若出現(xiàn)異常功率，APP控制平臺(tái)將會(huì)收相應(yīng)的警告信息，告知運(yùn)維人員，并等待用戶響應(yīng)，進(jìn)行下一步操作（是否遠(yuǎn)程斷開電路）。

3.3 基于樹莓派和Windows IoT平臺(tái)的UWP應(yīng)用程序的工作原理

樹莓派：它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有1/2/4個(gè)USB接口和一個(gè)10/100 以太網(wǎng)接口，可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時(shí)擁有視頻模擬信號(hào)的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上。

為了使得樹莓派能夠兼容運(yùn)行通過C#開發(fā)的應(yīng)用程序，我們采用了Windows IoT物聯(lián)網(wǎng)版本的操作系統(tǒng)。同時(shí)，利用Visual Studio Community2015開發(fā)出了一款基于UWP技術(shù)的電力設(shè)備控制程序。UWP是Windows 10中的Universal Windows Platform簡稱。即Windows通用應(yīng)用平臺(tái)，在Win 10 Mobile/Surface（Windows平板電腦）/PC/Xbox/HoloLens等平臺(tái)上運(yùn)行，UWP不同于傳統(tǒng)pc上的exe應(yīng)用也跟只適用于手機(jī)端的app有本質(zhì)區(qū)別。它并不是為某一個(gè)終端而設(shè)計(jì)，而是可以在所有windows10設(shè)備上運(yùn)行。利用Visual Studio開發(fā)出了電力設(shè)備核心控制中心設(shè)備中的物聯(lián)網(wǎng)程序。該程序包含主頁，設(shè)備控制頁，檢查更新頁和語音控制頁，在設(shè)備控制頁用戶可以直接在平板設(shè)備上進(jìn)行控制，確定電力設(shè)備的工作與否。

為了方便使用和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，還專門開發(fā)了配套的APP平臺(tái)。借助該平臺(tái)，運(yùn)維人員能夠隨時(shí)了解電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并對其進(jìn)行控制操作。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于電力載波通信的電力設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，借助了電力線載波通信技術(shù)具有高度的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，且于管理，分布基本一致。當(dāng)電力設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可以迅速的確定故障位置，從而提高系統(tǒng)可靠性。另外不需要額外的通訊線路能更好的利用現(xiàn)有電力線路，進(jìn)一步提高了電力設(shè)備的集成度，極大地解決了有線通信帶來的布線難度。同時(shí)擁有近場控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式。近場控制，用戶可以直接在樹莓派，51單片機(jī)等智能總控端進(jìn)行操作，控制電力設(shè)備的工作與否。遠(yuǎn)程控制，運(yùn)維人員可實(shí)時(shí)了解電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

參考文獻(xiàn)

[1]楊天琦，方華.基于電力線載波模塊的多電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2016，（12）：85-86.

[2]仲元昌，劉勇，李飛，等.電力線載波通信的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（2）：47-50.

[3]王君紅，劉寶，袁若權(quán)，等.基于電力載波通訊的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2009，（1）：49-52.endprint