基于電力線載波通信的線路識別檢測儀設(shè)計研究

徐蕊妍

（上海市安全生產(chǎn)科學(xué)研究所）

0 引言

電力線載波（Power Line Carrier, PLC）通信是利用高壓電力線路（通常指 35 kV 及以上電壓等級）、中壓電力線路（指10 kV 電壓等級）或低壓配電線（380 V、220 V 用戶線），作為信息傳輸媒介進行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。近年來，高壓電力線載波技術(shù)突破了僅單片機應(yīng)用的限制,已經(jīng)進入了數(shù)字化時代。隨著電力線載波技術(shù)的不斷發(fā)展，中低壓電力線載波通信的技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用越來越廣泛。PLC是電力系統(tǒng)特有的基本通信方式，與其他通信方式相比，電力線載波通信以電力線路為載體，具有傳輸數(shù)據(jù)信息可靠、投資少，以及施工期短無需再鋪設(shè)信號線等優(yōu)點[1-3]。本文研究一種基于電力線載波通信的線路識別技術(shù)，通過啟動主檢測線路上的檢測命令，可以確定低壓出線側(cè)的線路連接情況，形成基于電力線載波通信的線路識別技術(shù)方案，再利用載波通信功能模塊，對該技術(shù)方案進行驗證。

1 在低壓電力線路識別中遇到的問題

在某化工園區(qū)規(guī)劃過程中，低壓電力線路遇到不能識別復(fù)雜線路連接的情況。如果采用人工斷電進行線路識別，將對化工生產(chǎn)造成重大影響，因此需要開發(fā)一種方便快捷的裝置，能夠在不停電的情況下方便地檢查出低壓線路的連接情況。

調(diào)查研究了相關(guān)儀器但都不能進行雙邊協(xié)同工作，距離遠時還要解決相互溝通的問題。在布線工程中采用最普遍的是區(qū)分線序的方法，具體如下。

1）布線一根接一根，非常耗時，但最可靠。缺點是效率非常差、重復(fù)勞動最多。

2）萬用表加對講機，二人協(xié)同方式。優(yōu)點是準確、重復(fù)勞動較少。缺點是需要多次測量、校對，效率低、浪費人力，并且人員需要培訓(xùn)。

在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，部分單位正在使用一些電纜對線設(shè)備。但是這些設(shè)備或者是簡單的信號發(fā)生器，準確性不好，不易掌握，抗干擾性能低，或者是體積龐大、笨重，無法便捷攜帶和使用，工人們在沒有特殊要求時是不愿意使用它們的。因此，需要研制一款體積小、操作簡便、測量準確的電纜對線儀器，提高布線施工的便捷性和可靠性。

通信公司（電信、聯(lián)通、移動）所用的網(wǎng)線檢測儀可以進行信息傳遞，但無法進行雙向通信，也無法進行線路詳細信息的傳遞。利用這些設(shè)備的信息傳遞原理，開發(fā)設(shè)計出一種能夠測量準確的線路識別儀器，它既能進行信息傳遞、又能雙向通信，能夠?qū)崿F(xiàn)線路詳細信息的傳遞。

2 線路識別檢測儀的工作原理

基于電力線載波通信的線路識別檢測儀利用載波技術(shù)將電信號編碼后發(fā)送出去，用于識別線路狀況；根據(jù)接收端接收信號情況來判斷線路狀況，如果發(fā)射信號接收成功則說明線路是通的，接收失敗則說明斷路，如接收端多路同時收到發(fā)射信號則說明短路。

線路識別檢測儀分為發(fā)射端和接收端，使用載波模塊進行載波通信。發(fā)射機部分的接地線與被測試電纜的屏蔽層或與鋼芯連接；將1～12號檢測線與被測試線纜連接，并開啟發(fā)射機。接收機部分的接地線與被測試電纜的屏蔽層或與鋼芯連接；將檢測接口依次對接未知線纜，LCD顯示器會顯示對應(yīng)的發(fā)射機序號即可知道對應(yīng)線纜。

基于電力線載波通信的線路識別檢測儀的工作原理見圖1。發(fā)射機通過1～12號口以不同的波特率交替發(fā)送“A1-A12”字符串。接收機捕捉對應(yīng)字符串來檢測對應(yīng)的線纜線序。

基于電力線載波通信的線路識別檢測儀具有以下優(yōu)點。

1）利用雙向饋電電路進行檢測，無需公共線。

2）利用被測線路進行異步通信，并進行編碼校驗，排除誤碼，強抗干擾。

3）線路標號直接顯示，防誤操作。

4）測量方式多樣化，適應(yīng)多種測量場合。

5）整機低功耗設(shè)計，最大限度地增加工作時間。

6）采用載波通信模式，確保施工人員安全。

7）小型手持儀器，單人、單手操作。

3 線路識別檢測儀的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

基于電力線載波通信的線路識別檢測儀的硬件結(jié)構(gòu)見圖2，載波發(fā)射模塊見圖3，供電降壓模塊DC-DC見圖4。

圖2 線纜檢測儀硬件結(jié)構(gòu)

圖3 載波發(fā)射模塊

圖4 供電降壓模塊DC-DC

載波發(fā)射模塊供電電壓檢測儀，實時查看發(fā)射機電壓。電壓顯示圖見圖5。

圖5 電壓顯示

ATMEGA328載波發(fā)射模塊，從TX1、RX0、D2-D11，對應(yīng)輸出A0-A11載波字符串，對應(yīng)12路線路信號。信號檢測模塊，通過RX0接收載波信號并在液晶顯示屏上顯示。

Arduino Uno開發(fā)板——以ATmega328 MCU控制器為基礎(chǔ)——具備14路數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6路可用于PWM輸出）、6路模擬輸入、一個16MHz陶瓷諧振器、一個USB接口、一個電源插座、一個ICSP接頭和一個復(fù)位按鈕。它采用Atmega16U2芯片進行USB到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。Uno PCB的最大長度和寬度分別為2.7英寸（6.86cm）和2.1英寸（5.33cm），USB連接器和電源插座超出了以前的尺寸。4個螺絲孔讓電路板能夠附著在表面或外殼上。請注意，數(shù)字引腳7和8之間的距離是160密耳（4mm），不是其他引腳間距（100密耳，2.5mm）的偶數(shù)倍。它包含了組成微控制器的所有結(jié)構(gòu)，同時，只需要一條USB數(shù)據(jù)線連接至電腦。目前，Arduino Uno已成為Arduino主推的產(chǎn)品。

ATmega328具有32KB閃存（其中0.5KB被啟動加載器占用）。它還具有2KB SRAM和1KB EEPROM（可以利用EEPROM庫讀取和寫入）。

Arduino Uno可通過USB連接或者外部電源供電。外部（非USB）電源可以是AC-DC適配器，也可以是電池。通過將2.1mm中心正極插頭插入電路板的電源插座即可連接適配器。電池的引線可插入電源連接器的Gnd和Vin排針。電路板可由6～20V外部電源供電。然而，如果電源電壓低于7V，那么5V引腳可能會提供低于5V的電壓，電路板也許會不穩(wěn)定。如果電源電壓超過12V，穩(wěn)壓器可能會過熱，從而損壞電路板。電壓范圍建議為7～12V。

3.2 軟件設(shè)計

基于電力線載波通信的線路識別檢測儀采用AVR軟件模擬串口程序。

輸出：用定時器控制普通IO口輸出位。

輸入：用外部中斷+定時器，判斷位的寬度。

4 線路識別檢測儀的應(yīng)用

在該化工園區(qū)應(yīng)用了線路識別檢測儀，能夠在不停電的情況下方便地檢查出低壓線路的連接情況，效果良好?，F(xiàn)場檢測圖如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場檢測圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于電力線載波通信的線路設(shè)備檢測儀，通過設(shè)計基于電力線載波通信的主從設(shè)備，能夠方便、快捷地完成低壓電力線路的連接情況的識別。該線路設(shè)備檢測儀應(yīng)用在低壓電力線路中，能及時、有效、簡便地檢測出進線對應(yīng)的出線，也確保施工人員安全。