電力線通信技術(shù)用于設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究分析

孫 濱，王 浩

（國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是保證設(shè)備正常運(yùn)行的重要工具。在設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題或故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)向維護(hù)人員或上級(jí)系統(tǒng)發(fā)出警示，是一種低投入、高效的保障機(jī)制。此外，監(jiān)控系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)會(huì)受到電力環(huán)境的影響，企業(yè)可以利用電力通信技術(shù)保證監(jiān)控系統(tǒng)中電力和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，提高監(jiān)控系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)提升監(jiān)控系統(tǒng)的使用效率。

1 電力線通信技術(shù)概述

電 力 線 通 信 技 術(shù)（Power Line Communication，PLC）利用已有的電源媒介來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)和能量的傳送，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制的同時(shí)，利用耦合器將其與供電介質(zhì)相連接。具有數(shù)據(jù)的高頻載波信號(hào)與一般工作頻率信號(hào)處于兩個(gè)頻帶，不需要再進(jìn)行線路改造，能夠?qū)崿F(xiàn)一網(wǎng)兩用，既可以進(jìn)行語(yǔ)音、圖像和視頻信號(hào)的傳送，又不會(huì)對(duì)能量傳輸造成任何的干擾，從而降低通信的復(fù)雜性。PLC主要有兩種，分別是窄帶PLC和寬帶PLC。其中，窄帶PLC控制頻率為3～500 kHz、物理層通信寬帶不超過(guò)1 Mb/s，通常采用移相鍵控（Phase Shift Keying，PSK）、動(dòng)態(tài)頻譜共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）等多種調(diào)制模式；寬帶PLC則以以太網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將頻率控制在1.8～30 MHz，物理層通信帶寬大于200 Mb/s。由于電力網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面較廣，因此在電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中采用電力線通信技術(shù)是目前最具競(jìng)爭(zhēng)性的技術(shù)手段[1]。

2 設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究意義

隨著科技水平的不斷提高，電子系統(tǒng)的集成化程度也在不斷提升。一個(gè)集成化的系統(tǒng)中通常包含多臺(tái)設(shè)備，當(dāng)其中的裝置出現(xiàn)故障時(shí)，采用常規(guī)的手工維修方法不但耗時(shí)，而且受現(xiàn)場(chǎng)的干擾還會(huì)存在很大的隨機(jī)性，導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)有偏差，無(wú)法精確地找到異常的設(shè)備和數(shù)據(jù)，從而影響設(shè)備的日常維修。通過(guò)有線設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)裝置運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)收集到的資料進(jìn)行處理、分析，從而幫助技術(shù)人員實(shí)時(shí)了解不同設(shè)備的運(yùn)行狀況[2]。

3 電力線通信技術(shù)用于設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究分析

3.1 通信信道測(cè)試與分析

3.1.1 物理信道及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該項(xiàng)目采用PLC通信的物理信道，由4個(gè)短接頭銅排將3根主銅排相連。銅排上的負(fù)載由AC/DC模塊和節(jié)點(diǎn)組成，并配有風(fēng)扇，其中AC/DC供電采用48 V直流電源。驗(yàn)收環(huán)境內(nèi)的全部負(fù)載都是由銅排進(jìn)行取電和供電。PLC通信的物理信道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中用圓圈標(biāo)注的位置是此次信道測(cè)試的測(cè)量點(diǎn)。

圖1 PLC通信的物理信道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1.2 信道阻抗測(cè)試與分析

電力線信道的阻抗性可以從某種意義上反映出這種電力線在高速信號(hào)傳輸過(guò)程中的阻尼效應(yīng)，即信道中信號(hào)的衰減強(qiáng)度。信號(hào)在傳輸過(guò)程中，只有當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)的輸出阻抗與信道的輸入阻抗匹配時(shí)，才能使信號(hào)功率達(dá)到最大。然而，在設(shè)計(jì)初期，電力線信道并未將其視為50 Ω的傳輸線。從某一端看實(shí)際的電力線信道，其輸入阻抗隨時(shí)間的推移而發(fā)生動(dòng)態(tài)改變，在線路上實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配是非常困難的。在電力網(wǎng)絡(luò)中，高頻信號(hào)碰到不符合的節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致多徑效應(yīng)、時(shí)變特性及頻率選擇性衰減。

3.1.3 衰減特性

供電插頭的損失很少，-1 dB的最低損失幾乎可以忽略。單根銅片具有很強(qiáng)的衰減特性，并有一個(gè)-35 dB的深度衰減區(qū)。通過(guò)對(duì)其他位置的衰減測(cè)試，可以得知銅排在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的傳輸能力。通過(guò)比較不同銅排之間的對(duì)角位置和最大距離位置的傳輸特性，發(fā)現(xiàn)短銅線對(duì)信號(hào)的相位特性影響很大，且存在較多的相位突變頻點(diǎn)。相位的改變會(huì)使通信信號(hào)產(chǎn)生延時(shí)現(xiàn)象，在一定的頻帶范圍內(nèi)，由于相位的差異，多個(gè)子載波的傳輸會(huì)產(chǎn)生不同的延遲，從而造成符號(hào)間的交互作用，因此必須采用正交頻分復(fù)用調(diào)制和解調(diào)的載波芯片來(lái)進(jìn)行。不同銅排對(duì)角線的振幅會(huì)有很大的衰減，并產(chǎn)生-60 dB的深衰落區(qū)域，從而使相位突變點(diǎn)增加。由于短接銅排對(duì)信號(hào)的減弱有較大影響，因此最后的驗(yàn)收必須在相同的銅排上進(jìn)行。

3.2 CSMA/CA協(xié)議分析

3.2.1 CSMA/CA協(xié)議介紹

載 波 偵 聽(tīng) /沖 突 避 免（Carrier Sense Multiple Access/Conflict Avoiding，CSMA/CA）是基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入技術(shù)，可以降低兩個(gè)以上站點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)生沖突的概率。在網(wǎng)絡(luò)中存在數(shù)據(jù)要傳送的情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要根據(jù)一定的競(jìng)爭(zhēng)原則來(lái)爭(zhēng)奪信道的使用權(quán)，最大限度地降低了碰撞，使信道的使用效率得到了有效提高。CSMA/CA協(xié)議可以最大限度避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一信道內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送，減少了網(wǎng)絡(luò)間的沖突。

3.2.2 CSMA/CA吞吐量

根據(jù)課題需求，本文所研制的PLC總線能夠最大實(shí)現(xiàn)30個(gè)結(jié)點(diǎn)，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速率都在4 Mb/s以上，系統(tǒng)吞吐量能達(dá)到要求。在不計(jì)優(yōu)先級(jí)的前提下，CSMA/CA協(xié)議對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)都是平等的，在相同情況下各節(jié)點(diǎn)的接入信道概率是相同的，而且各節(jié)點(diǎn)的傳輸帶寬也大致相同，因此可以根據(jù)PLC總線上的吞吐量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的相關(guān)性來(lái)判定每個(gè)結(jié)點(diǎn)的邏輯帶寬是否符合要求[3]。

3.3 硬件設(shè)計(jì)

3.3.1 調(diào)制解調(diào)芯片需求分析

根據(jù)相同位置銅排的傳輸特性，信號(hào)在5 Hz～100 MHz的通信帶寬范圍內(nèi)，最大衰減約為50 dB。通過(guò)對(duì)銅導(dǎo)線最長(zhǎng)距離的分析，信號(hào)在5 Hz～100 MHz的通信帶寬范圍內(nèi)，最大損耗約為60 dB。為保證所設(shè)計(jì)的PLC通信鏈路可達(dá)到200 Mb/s的通信帶寬，選用的調(diào)制解調(diào)芯片必須能達(dá)到超過(guò)200 Mb/s的通信帶寬。在綜合考慮信道中節(jié)點(diǎn)、電源等負(fù)載噪聲注入因素的情況下，選用的調(diào)制解調(diào)芯片應(yīng)當(dāng)能夠有效消除信道中的脈沖干擾，對(duì)脈沖噪聲具有一定的抑制作用[4]。在滿足一定的傳輸頻段時(shí)，所選用的調(diào)制解調(diào)芯片在多址接入解決方案中要能支持CSMA/CA。

3.3.2 LISN電路

LISN電路既能抑制后電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）濾波器中的電容器對(duì)于信號(hào)的衰減作用，又能減少由切換供電線路造成的阻抗變化，同時(shí)避免開(kāi)關(guān)電源所生成的噪音傳至前級(jí)。

3.3.3 緩起電路

銅排中有48 V的直流電源，一旦單板進(jìn)行插拔，不僅會(huì)使連接器的機(jī)械觸點(diǎn)發(fā)生跳躍導(dǎo)致電源發(fā)生振動(dòng)，造成系統(tǒng)斷路或重新啟動(dòng)，而且也會(huì)因電容器的存在而產(chǎn)生大量的沖擊電流。根據(jù)上述理論，在單板連接電源后，應(yīng)在極短時(shí)間內(nèi)切斷其供電路徑，并在單片穩(wěn)定插入后進(jìn)行充電[5]。

3.3.4 濾波電路

開(kāi)關(guān)供電中存在著兩種干擾，分別是差模干擾和共模干擾。在電路的設(shè)計(jì)中，為了有效消除差模和共模干擾，通常將EMI濾波器引入到切換功率的輸入端。本課題采用直流48 V供電，其中切換電源模塊為主要的噪音源，不但會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)的傳送造成一定影響，而且噪音中的高頻率脈沖還會(huì)干擾載波芯片的主動(dòng)前端（Active Front End，AFE），因此必須在前端增加EMI濾波器[6]。

3.4 軟件要求

3.4.1 軟件測(cè)試內(nèi)容

在PC上實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的分配，使其在進(jìn)行調(diào)試時(shí)無(wú)須修改和燒錄軟件。在實(shí)際應(yīng)用中，傳輸?shù)耐ㄐ艓挷坏陀?00 Mb/s，最大可支援30個(gè)從站，每個(gè)從站的通信速度均不低于4 Mb/s。主次節(jié)點(diǎn)應(yīng)對(duì)發(fā)送和接收的資料進(jìn)行分節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，包括發(fā)送幀數(shù)目、接收幀數(shù)目、每個(gè)節(jié)點(diǎn)信道率、PLC信道的整體速度等。此外，還要提供循環(huán)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示。

3.4.2 主節(jié)點(diǎn)控制程序

在Linux開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，先對(duì)其進(jìn)行初始化，獲得網(wǎng)絡(luò)卡的位址等。在網(wǎng)卡正常運(yùn)行后，建立一個(gè)用于用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）傳送的初始套接字。在完成以上操作后，主節(jié)點(diǎn)會(huì)打開(kāi)獨(dú)立的線程來(lái)接收從節(jié)點(diǎn)的全部控制畫面，然后再進(jìn)入到開(kāi)發(fā)者的操作界面。主節(jié)點(diǎn)控制程序包括建立開(kāi)始測(cè)試和循環(huán)測(cè)試模式、采集全部從節(jié)點(diǎn)MAC地址、輸入和發(fā)送配置信息以及發(fā)送配置信息到所有從節(jié)點(diǎn)[7]。

3.4.3 PLC鏈路優(yōu)勢(shì)

PLC利用已有的供電線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，不需要布線，適用于空間有限、布線困難的場(chǎng)合，可大大減少維修費(fèi)用[8]。各PLC鏈路中的節(jié)點(diǎn)在各網(wǎng)絡(luò)中的角色與位置均等，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均能充當(dāng)主要的數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)。如果局部網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，不能采集到任何資料，則從節(jié)點(diǎn)可以作為一個(gè)臨時(shí)主節(jié)點(diǎn)，接收由其他從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性[9]。此外，PLC鏈路能夠?qū)崿F(xiàn)高清晰度的圖像數(shù)據(jù)傳送[10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)企業(yè)將電力線通信技術(shù)用于設(shè)備監(jiān)測(cè)時(shí)，需要了解技術(shù)特點(diǎn)并做好測(cè)試工作，合理選擇應(yīng)用協(xié)議。此外，企業(yè)還要做好軟件與硬件設(shè)計(jì)，從多個(gè)方面充分利用電力線通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建符合自身需求的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)健康長(zhǎng)久發(fā)展。