基于窄帶雙模通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠的遠(yuǎn)程費(fèi)控

吳駿

摘 要：福建電力在國網(wǎng)范圍內(nèi)率先采用基于窄帶Z-OFDM載波和微功率無線雙信道、雙?；旌下酚删W(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，利用電力線和無線信道介質(zhì)特性差異，相互補(bǔ)充、從而大大提高了用電信息采集系統(tǒng)本地信道通信可靠性，提高了難點(diǎn)現(xiàn)場的采集成功率、并有效地支撐了遠(yuǎn)程費(fèi)控業(yè)務(wù)。

關(guān)鍵詞：Z-OFDM；雙模；混合路由；采集成功率；遠(yuǎn)程費(fèi)控

1 引言

“全覆蓋、全采集、全費(fèi)控”是用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)，當(dāng)前福建電力用采系統(tǒng)用戶覆蓋率99.9%，采集成功率98.5%，基本實(shí)現(xiàn)了全覆蓋、全采集的目標(biāo)，而“全費(fèi)控”由于大多采用單一的電力線載波通信技術(shù)，尤其是大部分載波技術(shù)均采用一個(gè)工作頻點(diǎn)工作的單載波通信技術(shù)，在工作頻率上無自適應(yīng)能力，容易受到各種電器設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的諧波以及接入電網(wǎng)的深度阻抗衰落影響，導(dǎo)致部分電表不能被可靠抄收，這點(diǎn)尤其在城中村、城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)域等電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、用電電器類型復(fù)雜的惡劣電網(wǎng)環(huán)境下表現(xiàn)的更為凸出。而采用單一的微功率無線通信技術(shù)，其傳輸介質(zhì)為空間電磁波，其信號傳輸容易受到地理環(huán)境、空氣濕度以及天線類型和安裝位置影響，因此在地下室、高樓、金屬表箱等環(huán)境下以及陰雨天導(dǎo)致部分電表不能被可靠抄收。因此基于單一信道通信技術(shù)的通信可靠性較差，采集成功率無法達(dá)到100%、且無法較好支撐遠(yuǎn)程費(fèi)控業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

2 窄帶雙模通信技術(shù)

2.1 窄帶雙模技術(shù)原理

“雙?！鳖櫭剂x就是兩種通信模式，這里特指電力線窄帶載波與微功率無線兩種通信技術(shù)。而雙模方案就是利用這兩種通信信道特性不同而形成一種互補(bǔ)機(jī)制的通信方案，從而使通信的時(shí)效性和可靠性得以有效的提升。

2.2 雙模相對于單一信道通信技術(shù)優(yōu)勢

通過前面分析，無論電力線載波，還是微功率無線任何單一的通信技術(shù)都無法解決各自信道的自身缺陷。只有兩者相融合才能發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，做到取長補(bǔ)短，可以最大程度降低各自信道的自身缺陷所帶來的影響，提高抄收的完整性、可靠性。

2.3 雙模技術(shù)方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵和難點(diǎn)

2.3.1 成本。雙模通信技術(shù)方案成本不能明顯高于單一通信技術(shù)成本，否則無法大規(guī)模推廣實(shí)施。

2.3.2 工藝。雙模通信單元不能使兩個(gè)信道通信芯片簡單的合在一起，否則功耗、生產(chǎn)故障率將大大增加導(dǎo)致無法大規(guī)模生產(chǎn)。

2.3.3 物理層通信速率匹配。兩個(gè)信道物理層通信速率要匹配否則無法實(shí)現(xiàn)雙信道混合路由，失去雙模通信的意義。

2.3.4 通信信道通信魯棒性。無論電力線載波還是無線，采用物理通信技術(shù)一定都要具有較好的通信魯棒性，否則雙模就會(huì)失衡、無法達(dá)到通信性能最佳。

2.3.5 雙信道混合路由。雙模、雙信道通信技術(shù)的核心在于電力線、無線信道之間可以相互借力、相互中繼，從而減少中繼級數(shù)、提高通信鏈路的可靠性，而不是簡單的“橋接”，通過工程的方式解決現(xiàn)場通信盲區(qū)問題。

3 “Z-OFDM載波+微功率無線”窄帶雙模通信技術(shù)解決方案

針對第2章節(jié)雙模技術(shù)方案難點(diǎn)，我們選用“Z-OFDM載波+微功率無線”窄帶雙模通信技術(shù)，該雙模技術(shù)采用雙信道單芯片工藝，外圍電路簡單，從而確保了低功耗、低成本和大規(guī)模生產(chǎn)的可行性。

3.1 電力線和無線信道通信速率匹配

微功率無線物理層符合微功率無線通信技術(shù)規(guī)范物理層通信速率默認(rèn)10kbps。電力線通信技術(shù)選用窄帶高速OFDM調(diào)制，物理層通信速率默認(rèn)10kbps。

3.2 通信魯棒性

“Z-OFDM載波+微功率無線”窄帶雙模通信技術(shù)方案中電力線通信技術(shù)采用基于工頻過零Z-OFDM窄帶高速載波通信技術(shù)，微功率無線通信接收靈敏度可高達(dá)-110dbm以上。

Z-OFDM載波技術(shù)具體技術(shù)特點(diǎn)：

相對于傳統(tǒng)的BPSK或BFSK單載波調(diào)制而言，OFDM調(diào)制可以幾十個(gè)乃至上百個(gè)頻點(diǎn)同時(shí)工作、進(jìn)行信號傳輸，不僅頻譜利用效率高、通信速度快（一般為單載波10倍以上的通信速率），而且對低壓電力線特有的頻率和阻抗頻率選擇性信道具有較高的自適應(yīng)能力。

雙模技術(shù)方案中所采用的電力線窄帶Z-OFDM載波，是充分考慮到國內(nèi)電力線環(huán)境的復(fù)雜性、惡劣性，再設(shè)計(jì)上采用了更加復(fù)雜、但通信更加魯棒的相干調(diào)制、插入導(dǎo)頻、信道估計(jì)和信道均衡技術(shù)。另外，在時(shí)域上采用工頻過零時(shí)隙同步傳輸。

工作原理：將物理層一幀分成若干個(gè)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊都在工頻電壓過零點(diǎn)3.3ms（60°）內(nèi)傳輸。

工頻過零時(shí)隙同步傳輸相對于連續(xù)傳輸?shù)膬?yōu)勢：可避免漏電保護(hù)器誤跳閘：當(dāng)漏電流超出漏電保護(hù)器門限電流并且持續(xù)時(shí)間超過40ms就會(huì)產(chǎn)生保護(hù)跳閘，連續(xù)傳輸?shù)妮d波信號無疑傳輸時(shí)間滿足了40ms的時(shí)間條件，因此會(huì)有導(dǎo)致部分家用漏電保護(hù)器誤跳閘的風(fēng)險(xiǎn)，而工頻過零時(shí)隙同步傳輸，載波信號傳輸持續(xù)時(shí)間僅為3ms左右，可以有效的規(guī)避該風(fēng)險(xiǎn)。

準(zhǔn)確相位識別：單相載波在本相電壓工頻過零點(diǎn)3ms（相位60°）內(nèi)進(jìn)行發(fā)送和接收，可實(shí)現(xiàn)單相表準(zhǔn)確的相位識別。

系統(tǒng)抄表效率高：過零傳輸可充分利用自身多信道（三相）優(yōu)勢，進(jìn)行多信道同時(shí)采集不同電表（連續(xù)傳輸由于存在相間干擾問題不能實(shí)現(xiàn)三相同時(shí)傳輸），從而提高載波系統(tǒng)效率。因?yàn)槿嗖煌姳淼拇谕ㄐ藕虲PU處理時(shí)間都是并行的，相對于連續(xù)傳輸這兩部分節(jié)省了2/3時(shí)間。

抗干擾能力強(qiáng)：我國電器設(shè)備EMC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行力相對歐美發(fā)達(dá)國家弱，導(dǎo)致國內(nèi)電器EMI超標(biāo)嚴(yán)重，導(dǎo)致我國低壓電網(wǎng)環(huán)境惡劣，采用工頻過零時(shí)隙傳輸可以有效地躲避絕大部分電器工作時(shí)段，噪聲小且阻抗高，有利于提高載波通信可靠性。

3.3 雙信道、雙?；旌下酚删W(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

相對于其他雙模通信技術(shù)方案，僅作簡單的“橋接”功能而言，“Z-OFDM載波+微功率無線”雙模通信網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)定位于電力線載波和微功率無線兩種信道通信技術(shù)真正地融合，使整個(gè)通信系統(tǒng)能夠發(fā)揮雙模通信的最大效益，實(shí)現(xiàn)雙模真正意義上的“混合路由”。

3.4 技術(shù)方案特點(diǎn)總結(jié)

“Z-OFDM載波+微功率無線”窄帶雙模通信技術(shù)方案特點(diǎn)總結(jié)如下：

雙信道、雙模通信單芯片實(shí)現(xiàn)工藝、低功耗、低成本。雙信道通信速率匹配。電力線載波Z-OFDM調(diào)制，微功率無線物理層采用GFSK調(diào)制以保證各自信道的通信魯棒性。雙信道、雙模混合路由，大大提高網(wǎng)絡(luò)通信效率和網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定性。

4 方案實(shí)施成效

4.1 試點(diǎn)前后采集成功率對比

試點(diǎn)選擇了漳浦電力公司36個(gè)臺(tái)區(qū)共7649戶，其中34個(gè)是城市臺(tái)區(qū)、2個(gè)為抄表環(huán)境較為復(fù)雜的農(nóng)村臺(tái)區(qū)。經(jīng)采用雙模通信技術(shù)后采集成功率從95%提升至99.5%。

4.2 費(fèi)控功能測試

通過采用雙模通信技術(shù)方案實(shí)施遠(yuǎn)程費(fèi)控停電的55戶當(dāng)中執(zhí)行成功52戶，成功率從之前的平均88%提升至95%。滿足電力公司遠(yuǎn)程費(fèi)控應(yīng)用需求。

5 結(jié)論

通過采用窄帶雙模通信技術(shù)方案有效地提升了現(xiàn)場設(shè)備的采集效率、采集成功率，更能對用電信息采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程費(fèi)控業(yè)務(wù)進(jìn)行有效的支撐，且相對于原有窄帶載波通信方案成本幾乎不變。因此，采用窄帶雙模通信技術(shù)對于用電信息采集系統(tǒng)升級改造是一種較好的通信技術(shù)方案。

參考文獻(xiàn)

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