基于HPLC通信技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐文濤

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司， 銀川 750001)

0 引言

隨著我國(guó)電力市場(chǎng)的不斷發(fā)展，“一戶一表”已經(jīng)全面普及，實(shí)現(xiàn)了電力的“全覆蓋”和“全采集”。而在用電信息采集過程中，基于電力線載波通信的用電采集，憑借其低成本優(yōu)勢(shì)，高通信傳輸速率等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前電力傳輸研究的重點(diǎn)。利用電力線載波通信，其不必占用原來緊張的通信資源，還可以節(jié)省大量的人力和物力。同時(shí)，隨著我國(guó)智能電表數(shù)量的不斷增加，在大量智能電表運(yùn)維管理面前，如何借助這種高效率和低成本的通信方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，是當(dāng)前電力企業(yè)思考和技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。本文針對(duì)以上的研究熱點(diǎn)，提出一種基于OFDM+DSSS電力線載波通信的用電采集系統(tǒng)，并重點(diǎn)對(duì)通信傳輸和軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文構(gòu)建的系統(tǒng)其主要的目的是借助電力線通信載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能電表數(shù)據(jù)傳輸。在實(shí)際的架構(gòu)搭建中，系統(tǒng)分為3個(gè)部分：采集設(shè)備層、通信信道層、主站系統(tǒng)層。具體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

其中，主站層主要是由磁盤陣列、前置服務(wù)器等組成；通信信道部門主要是主站和終端通信的信道，采用光纖通信、230 MHz電力專用信道、GPRS/CDMA公用網(wǎng)絡(luò)信道等完成通信；在采集設(shè)備層主要是指各種采集器、集中器、電能表和轉(zhuǎn)變終端設(shè)備、多功能表等。

圖1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

在本文探討的系統(tǒng)中，其主要的目的是采用OFDM+DSSS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力數(shù)據(jù)的采集，所以本文將該系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)為如圖2所示。

圖2 本系統(tǒng)的整體架構(gòu)

在本文構(gòu)建的系統(tǒng)中，對(duì)圖1的部分內(nèi)容進(jìn)行了弱化，將主站看成是一個(gè)基于PC的軟件，同時(shí)在采集設(shè)備層，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 硬件整體方案

在本系統(tǒng)構(gòu)建中，硬件部分主要包括集中器控制模塊和載波模塊，具體方案如圖3所示。

圖3 硬件整體方案

2.2 載波模塊方案設(shè)計(jì)

載波通信模塊方案如圖4所示。

圖4 載波模塊通信方案

在該載波通信模塊中，載波信號(hào)通過耦合電路連接到電力線，然后通過電力線將信號(hào)傳輸給無源低通濾波。然后經(jīng)有源濾波后，將信號(hào)傳輸給主控芯片。

3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

對(duì)本文來講，通信協(xié)議是重點(diǎn)。對(duì)此，針對(duì)通信協(xié)議的問題，本文重點(diǎn)對(duì)物理層通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用OFDM+DSSS算法。之所以選擇這兩種方法，主要是低壓配網(wǎng)的傳輸特性，其占用較寬的直序擴(kuò)頻信號(hào)將產(chǎn)生很大的失真，因此通常采用多載波通信的方式，讓每個(gè)載波占用較窄的信道，同時(shí)為充分利用帶寬，認(rèn)為采用OFDM調(diào)制方式。

3.1 OFDM調(diào)制設(shè)計(jì)

該調(diào)制方式發(fā)送信號(hào)的原理如圖5所示。

認(rèn)為在工頻過零點(diǎn)附近，發(fā)送由由64個(gè)OFDM符構(gòu)成的一幀信號(hào)，該信號(hào)的發(fā)送時(shí)間為1/6周期。結(jié)合相關(guān)的參數(shù)就可以得到OFDM具體的調(diào)制參數(shù)設(shè)置。如最大工頻的偏差為±2 Hz,周期設(shè)定為19.2 ms，那么一個(gè)周期內(nèi)，其傳送耗費(fèi)的時(shí)間為3.2，總共傳送64個(gè)OFDM符號(hào)，那么得到傳輸每個(gè)符號(hào)所耗費(fèi)是時(shí)間。由此，再根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，可得到本文的OFDM調(diào)制方式的A/D采樣率等基礎(chǔ)參數(shù)信息。

圖5 發(fā)送信號(hào)原理

3.2 DSSS算法設(shè)計(jì)

要提高傳輸?shù)男?，就需要進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻調(diào)制。本文采用的是64符號(hào)的OFDM調(diào)制信號(hào)作為一幀，那么擴(kuò)頻碼長(zhǎng)64。對(duì)每個(gè)子載波進(jìn)行BPSK調(diào)制，得到每個(gè)子載波中包含一個(gè)碼片。擴(kuò)頻后的OFDM包含64個(gè)信號(hào)，因此接收端也必須對(duì)64個(gè)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)解。

4 軟件部分設(shè)計(jì)

4.1 主站軟件設(shè)計(jì)

4.1.1 軟件功能模塊組成

本文所設(shè)計(jì)的用電信息采集系統(tǒng)軟件端主要包括數(shù)據(jù)采集管理、數(shù)據(jù)管理以及用電控制三大功能。

① 數(shù)據(jù)采集功能模塊

數(shù)據(jù)采集功能模塊是用電信息采集系統(tǒng)的核心功能，關(guān)系著系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)的輸入。由此，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能必須具備較高的準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性，才能滿足用電信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入需求。數(shù)據(jù)采集功能主要由實(shí)時(shí)采集以及定時(shí)采集兩種數(shù)據(jù)采集方式。其中，實(shí)時(shí)采集主要是對(duì)當(dāng)前終端設(shè)備實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，適用于用電信息定點(diǎn)采集；定時(shí)采集主要利用設(shè)定采集間隔使用電信息采集系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)。但需要注意的是，定時(shí)采集方式需在采集工作開始之前對(duì)本次數(shù)據(jù)采集周期、采集點(diǎn)以及采集開始時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，并且需將采集時(shí)間控制在15分鐘以上。若由于網(wǎng)絡(luò)故障或是通訊問題使系統(tǒng)無法進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，數(shù)據(jù)采集模塊還將對(duì)人工補(bǔ)錄抄查方式進(jìn)行支持。具體數(shù)據(jù)采集功能結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集功能結(jié)構(gòu)圖

② 數(shù)據(jù)管理功能模塊

數(shù)據(jù)管理功能模塊主要作用于對(duì)系統(tǒng)采集到的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。在數(shù)據(jù)采集功能完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)之后，數(shù)據(jù)管理功能模塊將通過數(shù)據(jù)篩選、存儲(chǔ)及統(tǒng)計(jì)分析等多種方式對(duì)數(shù)據(jù)高層語義信息進(jìn)行獲取，為數(shù)據(jù)變化情況的跟蹤分析工作提供參考。在用電信息采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)管理功能模塊是主要數(shù)據(jù)輸出模塊之一，能夠幫助電力工作人員掌握大數(shù)據(jù)量背后的數(shù)字規(guī)律。數(shù)據(jù)管理功能模塊主要由四部分構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)篩查管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理以及數(shù)據(jù)表報(bào)管理。具體數(shù)據(jù)管理功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)管理功能模塊結(jié)構(gòu)圖

③ 用電控制功能模塊

用電控制功能模塊主要是以數(shù)據(jù)采集功能所獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)用戶用電過程進(jìn)行控制管理。借助用電控制功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)供電管理。用電控制功能模塊主要由四個(gè)部分構(gòu)成，分別為限電控制管理、供電質(zhì)量控制管理、電費(fèi)控制管理以及負(fù)荷控制管理。通過對(duì)用電信息數(shù)據(jù)的分析后，能夠發(fā)現(xiàn)用戶是否存在你用電故障或是違法安全用電規(guī)則，并借助用電控制功能模塊對(duì)用戶進(jìn)行限電管理。同時(shí)，借助用電控制功能模塊的供電質(zhì)量控制管理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)供電質(zhì)量的調(diào)整與跟蹤。電費(fèi)管理部分的管理依據(jù)來源于數(shù)據(jù)采集功能獲取到的電量數(shù)據(jù)，以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)用戶電費(fèi)進(jìn)行計(jì)算。具體用電控制功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 用電控制功能模塊結(jié)構(gòu)圖

4.1.2 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

用電信息采集系統(tǒng)軟件部分主要采用J2EE企業(yè)平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)軟件部分劃分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層以及表現(xiàn)層。具體用電信息采集系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 用電信息采集系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

4.2 集中器軟件設(shè)計(jì)方案

該部分的方案設(shè)計(jì)為如圖10所示。

圖10 集中器層軟件方案

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1 服務(wù)層

服務(wù)層作為用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用層與數(shù)據(jù)層之間，主要起到為數(shù)據(jù)層級(jí)應(yīng)用層提供各種中間服務(wù)的作用。服務(wù)層提供的中間服務(wù)主要包括以下幾種：

① 數(shù)據(jù)訪問服務(wù)

考慮到用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問量較大，本文在開展對(duì)象數(shù)據(jù)庫接口設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是基于容器的對(duì)象數(shù)據(jù)庫接口，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供一種管理簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大的對(duì)象映射手段，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)層能夠更好的為各應(yīng)用提供服務(wù)。

② 圖形服務(wù)

圖形服務(wù)主要是指服務(wù)層為系統(tǒng)所有圖形的顯示方式進(jìn)行支持，具體包括曲線圖、棒圖、餅圖以及工況圖等，能夠?qū)VG、JPG、PNG等多種圖形顯示方式進(jìn)行支持。

③ 消息服務(wù)

消息服務(wù)主要借助消息中間件進(jìn)行包裝，便于用電信息采集系統(tǒng)各應(yīng)用進(jìn)行消息通信。

④ 告警服務(wù)

告警服務(wù)主要多種形式向系統(tǒng)各應(yīng)用模塊發(fā)起告警，具體包括告警窗、告警打印、短消息告警等形式。

⑤ 權(quán)限服務(wù)

權(quán)限服務(wù)是一種為系統(tǒng)各應(yīng)用部分提供的權(quán)限認(rèn)證服務(wù)，通過權(quán)限服務(wù)，系統(tǒng)各應(yīng)用部分就能完成用戶認(rèn)證、應(yīng)用權(quán)限以及數(shù)據(jù)權(quán)限等功能。

5.2 應(yīng)用層

用電信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用層主要由三部分構(gòu)成，分別為采集子層、業(yè)務(wù)子層以及對(duì)外接口。應(yīng)用層是用電信息采集系統(tǒng)的核心部分，為系統(tǒng)的通訊、消息、安全、存儲(chǔ)等提供保障。系統(tǒng)應(yīng)用層主要采用了成熟穩(wěn)定的J2EE平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使應(yīng)用層為系統(tǒng)提供以下幾點(diǎn)保障：

1. 保障用電信息采集系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確且快速的存儲(chǔ)至系統(tǒng)商業(yè)數(shù)據(jù)庫中；

2. 應(yīng)用層為基于多種策略的數(shù)據(jù)傳輸，能夠?yàn)殡娏ζ髽I(yè)公司級(jí)與分公司級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸與同步進(jìn)行支持；

3. 能夠滿足電力企業(yè)對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用需要的并發(fā)訪問請(qǐng)求；

4. 系統(tǒng)應(yīng)用層將采用統(tǒng)一的安全管理，確保系統(tǒng)的安全性；

5. 應(yīng)用層具備易于擴(kuò)展的接口支持。

本文對(duì)用電信息采集系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)完全符合J2EE標(biāo)準(zhǔn)，使用電信息采集系統(tǒng)能夠部署于Web Logic、Web Sphere、Oracle AS等多個(gè)應(yīng)用服務(wù)器之上。在實(shí)際應(yīng)用過程中，使用者應(yīng)根據(jù)用電信息采集系統(tǒng)硬件設(shè)備選型情況對(duì)應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行選擇。

5.3 數(shù)據(jù)層

在用電信息采集軟件部分中，數(shù)據(jù)層主要作用于對(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、檔案數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)等進(jìn)行存儲(chǔ)?？紤]到用電信息采集數(shù)據(jù)擁有的數(shù)據(jù)量過于龐大，數(shù)據(jù)層將采用大型商用數(shù)據(jù)庫，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。同時(shí)，數(shù)據(jù)層關(guān)系型結(jié)構(gòu)將采用數(shù)據(jù)中間層對(duì)其進(jìn)行封裝，使用電信息采集系統(tǒng)各應(yīng)用只需通過調(diào)用數(shù)據(jù)中間層應(yīng)用函數(shù)接口就能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問。具體平臺(tái)數(shù)據(jù)表如圖11所示。

圖11 用電信息采集平臺(tái)圖

6 應(yīng)用效果

通過上述的設(shè)計(jì)，初步為當(dāng)前HPLC通信技術(shù)在用電采集系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了借鑒。而通過上述的構(gòu)建，將其應(yīng)用到某小區(qū)用電信息采集中，實(shí)現(xiàn)了該小區(qū)智能電表的全面無死角采集，同時(shí)全網(wǎng)自動(dòng)化超表率達(dá)到99.7%，精準(zhǔn)治理偷用電電表179戶，從而為該取智能電表的完好采集提供了一種新的途徑。