基于高速電力線載波通信的智能終端設計

楊 麗,張 知,李 倩,韓永祿,張 晶

(1.國網河北省電力有限公司營銷服務中心,河北 石家莊 050035；2.北京中宸微電子有限公司,北京 100081)

電力線載波通信(Power Line Carrier Communication,PLC)是以電力線作為信息傳輸媒介進行數(shù)據或語音等傳輸?shù)囊环N特殊通信方式[1-2]。高速電力線載波通信(High Speed Power Line Carrier Communication,HPLC)技術具有實施簡單、維護方便的特點,且相較于窄帶載波具有高速、互聯(lián)的技術優(yōu)勢[3]。隨著網絡和信息技術的迅猛發(fā)展,利用低壓電力線進行高速電力線載波通信已成為國內外研究和工程應用的熱點[45]。由于HPLC通信單元的大規(guī)模推廣應用,現(xiàn)場終端運維人員的工作量倍增,并且在用電采集終端運維方面還存在“信息孤島”的現(xiàn)象,各廠家的終端運維設備互不通用,現(xiàn)場運維人員需攜帶不同的設備往返于多個臺區(qū),同一臺區(qū)多廠家混裝的情況進一步加大了運維難度。文獻[6]的抄控器設計只針對單相電能表的HPLC通信單元,且缺乏智能化元素。如何實現(xiàn)現(xiàn)場終端運維設備的通用性、規(guī)范化和智能化,是當前迫切需要解決的問題。因此,以下設計開發(fā)了一種基于HPLC技術的智能終端,適用于單、三相電能表和集中器的HPLC通信單元之間的通信,并根據最新規(guī)范設計了數(shù)據鏈路層通用協(xié)議,集不同廠家運維終端的功能于一體,方便攜帶,滿足了現(xiàn)場運維人員的工作需要,并為后期的智能運維工作提供技術支撐。

1 總體結構設計

該智能終端以32位ARM為核心CPU,采用嵌入式uCOS－Ⅱ操作系統(tǒng),實現(xiàn)軟件設計平臺化,其部署方式示意見圖1。

圖1 智能終端部署方式示意

該智能終端通過鱷魚夾接頭與電力線相連的方式獲取電源,同時作為電力線網絡中STA(單、三相電能表的HPLC通信單元)和CCO(集中器的HPLC通信單元)之間的信號耦合通路。該智能終端包括:主控CPU、抄控器模塊、電源模塊等部分,其系統(tǒng)總體結構示意見圖2。

圖2 智能終端的總體結構示意

抄控器模塊用于對數(shù)據幀進行傳輸轉發(fā)；LCD屏顯示各種參數(shù)、功能及抄讀的數(shù)據；鍵盤KEY用于參數(shù)輸入設置和功能選擇；USB模塊與上位機進行數(shù)據傳輸；電源模塊采用鋰電池作為系統(tǒng)電源；紅外模塊用于紅外無線抄表；掃描模塊用于讀取電能表上的條碼信息。

2 功能設計

2.1 現(xiàn)場運維功能

智能終端的現(xiàn)場運維功能包括通用抄表、HPLC通信單元維護、采集器維護和在線升級HPLC通信單元。

a.通用抄表功能,包括載波抄表、紅外抄表和中繼抄表,支持DL/T 645－2007《多功能電能表通信協(xié)議》、DL/T 698.45－2017《電能信息采集與管理系統(tǒng) 第4-5部分:通信協(xié)議－面向對象的數(shù)據交換協(xié)議》。

b.HPLC通信單元維護功能,主要以HPLC通信單元為操作對象,關鍵是讀取HPLC通信單元的軟件版本信息。

c.采集器維護功能,對采集器進行數(shù)據讀取、設置和初始化的操作。

d.在線升級HPLC通信單元功能,對現(xiàn)場的HPLC通信單元進行軟件升級,支持指定單個或多個STA升級以及全網升級2種模式。

2.2 模擬集中器功能

a.統(tǒng)計入網節(jié)點總數(shù)及其中單、三相電能表數(shù)量、采集器數(shù)量、中繼器數(shù)量；入網節(jié)點層級數(shù),各層級節(jié)點數(shù)量(其中STA、PCO的數(shù)量),可查看各層級節(jié)點的表地址。

b.讀取CCO的運行時間、SNID信息；讀取CCO的內外部軟件版本、頻段、功率；讀取STA的廠商代碼、模塊版本號。

c.支持查看白名單信息,以及白名單、入網節(jié)點信息導出功能。

d.設置CCO的頻段、功率；指定電能表地址由CCO進行抄讀。

2.3 干擾測試功能

干擾測試功能可實時現(xiàn)場采集電力線上噪聲情況,接收增益可調,并直接輸出波形,顯示當前檢測的噪聲頻率以及衰減值。

2.4 臺區(qū)物理拓撲識別功能

臺區(qū)物理拓撲識別功能按照中國電力科學研究院《HPLC技術應用手冊－中國電力科學研究院V2.7》中臺區(qū)自動識別交互流程,可實現(xiàn)軟件仿真觸發(fā)基于NTB的臺區(qū)識別,并能展示臺區(qū)識別結果。物理拓撲圖主要用于展示當前網絡中的拓撲節(jié)點信息和網絡層級關系,拓撲節(jié)點之間的層級關系以樹形圖的形式展現(xiàn)。

2.5 二維碼掃描功能

二維碼掃描功能可自動感應識讀電能表上的條碼/二維碼信息,并在智能終端屏幕上實時顯示,支持導出電子版文件,供現(xiàn)場運維人員調取存檔。

3 關鍵技術的實現(xiàn)

該智能終端抄控器模塊的設計采用數(shù)據鏈路層通用協(xié)議,該協(xié)議根據《國家電網有限公司技術標準管理辦法》最新要求編寫,后期將推廣至各類終端設備生產廠家,從根本上解決了不同廠家終端設備互抄不通的運維難題。以下將對數(shù)據鏈路層通用協(xié)議和抄控器模塊這2個關鍵部分的實現(xiàn)進行詳細敘述。

3.1 數(shù)據鏈路層通用協(xié)議

數(shù)據鏈路層通用協(xié)議給出了幀格式,按照分層的思想分別實現(xiàn)了負責接入的MAC子層功能、負責組網的網絡管理子層功能、數(shù)據鏈路層的傳輸服務功能和管理服務功能。設計的頻偏試探擴展幀與頻偏試探應答擴展幀,在原數(shù)據鏈路層SACK可變區(qū)域幀的基礎上進行了相應的擴展。

3.1.1 SACK可變區(qū)域幀

原數(shù)據鏈路層MPDU幀控制如表1所示。

表1 MPDU幀控制字段

SACK可變區(qū)域共68 bit,其HPLC標準中字段含義如表2所示。

表2 選擇確認的可變區(qū)域

目前用到的SACK擴展幀類型為0,頻偏試探幀與頻偏試探應答幀的擴展幀類型分別為0X1和0X2,這樣能夠與標準的SACK完全區(qū)分,且不沖突。

3.1.2 頻偏試探擴展幀

該抄控器模塊首次發(fā)送頻偏試探擴展幀時,網絡標識字段采用0。節(jié)點收到頻偏試探擴展幀后,進行頻偏試探應答擴展幀的回應,入網的節(jié)點網絡標識采用本網絡的網絡標識,未入網的節(jié)點網絡標識采用0。抄控器模塊接收到頻偏試探應答擴展幀的回應后,配置與回應幀相同的網絡標識。頻偏試探擴展幀的可變區(qū)域格式,如表3所示。

表3 頻偏試探擴展幀的可變區(qū)域格式

抄控器模塊待抄讀目的節(jié)點的MAC地址為6 bit實際有效的電能表地址,源節(jié)點短地址為抄控器模塊自身的短地址,其TEI規(guī)定為0XFFE,頻偏試探擴展幀的版本號規(guī)定為0X1,頻偏試探擴展幀的類型規(guī)定為0X1。

3.1.3 頻偏試探應答擴展幀

頻偏試探應答擴展幀的可變區(qū)域格式,如表4所示。對于已入網待抄讀節(jié)點,時間戳為網絡基準時間。對于未入網的節(jié)點,時間戳為本地時鐘值。源節(jié)點短地址即待抄讀HPLC通信單元的短地址,入網時為路由分配的TEI,未入網時為0X000。頻偏試探應答擴展幀的版本號規(guī)定為0X1,頻偏試探應答擴展幀的類型規(guī)定為0X2。

表4 頻偏試探應答擴展幀的可變區(qū)域格式

抄控器模塊與未入網的故障HPLC通信單元頻偏同步后,未入網HPLC通信單元接收到SOF幀,則HPLC通信單元鎖定當前頻段,等待抄控器模塊抄讀,與抄控器模塊保持在同一個頻段上,如果一段時間之后未收到抄控器模塊的SOF幀,則繼續(xù)進行頻段切換,嘗試入網CCO。

3.2 抄控器模塊

智能終端通過內部集成的抄控器模塊診斷載波鏈路通信狀況、載波設備運行狀態(tài)等問題。該智能終端的抄控器模塊支持2～12 M、2.5～5.7 M、0.781～2.93 M和1.758～2.93 M頻段抄讀。在進行抄讀前,首先使用某頻段與被抄讀的目的站點進行頻偏調整,具體的頻偏調整過程是通過頻偏試探擴展幀和頻偏試探應答擴展幀實現(xiàn)的。頻偏調整完成之后,抄控器模塊再向被抄讀站點發(fā)起載波通信,如果在頻偏調整階段,抄控器模塊未能收到站點的響應,抄控器模塊將切換至下一頻段進行頻段頻偏調整,如此循環(huán)使用不同的頻段進行頻偏調整,直至完成頻偏調整。

3.2.1 抄控器模塊與HPLC通信單元通信

抄控器模塊與HPLC通信單元進行通信,連接待測HPLC通信單元時,通過頻偏試探幀獲取待測HPLC通信單元的頻段與頻偏,獲取成功后發(fā)起通信。對于已入網的HPLC通信單元回復頻偏試探應答幀時,網絡號為本網絡的網絡號,對于未入網的HPLC通信單元頻偏試探應答幀中的網絡號為0。當待測HPLC通信單元接收到抄控器模塊發(fā)送的頻偏試探幀時,先判斷目的應用地址,如果該地址屬于當前站點,直接發(fā)送頻偏試探應答幀。經過多次不同頻段的試探通信,抄控器模塊載波芯片完成頻偏調整,使之與待調測HPLC通信單元站點實現(xiàn)穩(wěn)定通信。

抄控器模塊與待測HPLC通信單元在連接過程中,HPLC通信單元向抄控器模塊周期性發(fā)送頻偏試探應答幀,用于同步抄控器模塊。發(fā)頻偏試探應答幀的HPLC通信單元在收到頻偏試探幀時,如果頻偏試探幀中的目的應用地址非自身地址,則斷開連接并停止發(fā)送頻偏試探應答幀。

3.2.2 抄控器模塊與采集器通信

抄控器模塊與采集器進行通信時,待測采集器接收到頻偏試探幀后,先判斷讀取幀目的地址是否對應當前采集器管理的RS485電能表地址或者采集器的MAC地址,如果是,則立即發(fā)送頻偏試探應答幀,如果不是,采集器啟動對應RS485電能表抄讀試探,以確認被抄讀的RS485電能表是否在本采集器下,并等待下一次頻偏試探幀,如此完成一次抄控器模塊與HPLC通信單元之間的連接。

3.2.3 抄控器模塊抄讀流程的實現(xiàn)

智能終端通過抄控器模塊對HPLC通信單元發(fā)起的通信,其抄讀流程示意見圖3。

圖3 智能終端抄讀流程示意

a.智能終端通過通信口向抄控器模塊發(fā)出DL/T 645—2007《多功能電能表通信協(xié)議》或者DL/T 698.45—2017《電能信息采集與管理系統(tǒng)第4-5部分:通信協(xié)議—面向對象的數(shù)據交換協(xié)議》的通信命令；或者智能終端通過通信口向抄控器模塊發(fā)出Q/GDW 1376.2—2013《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議 第2部分:集中器本地通信模塊接口協(xié)議》的通信命令。

b.抄控器模塊接收到智能終端的通信命令請求,緩存當前的通信抄表報文。

c.抄控器模塊發(fā)送攜帶目的地址的頻偏試探幀,進行頻偏試探調整,交替使用不同頻段發(fā)送頻偏試探幀,與待調試HPLC通信單元實現(xiàn)頻偏調整,待調試HPLC通信單元是否在網不影響頻偏調整過程。如果發(fā)送多個頻偏試探幀,多個頻偏試探幀發(fā)送時間間隔不小于100 ms。

d.抄控器模塊與對應的目的節(jié)點頻偏調整后,提取緩存的通信報文,發(fā)送HPLC載波SOF報文進行抄表,抄控器模塊頻偏試探成功后,下次再發(fā)起通信優(yōu)先按照當前頻偏試探成功的頻段發(fā)送抄表報文。

e.抄控器模塊與對應的目的節(jié)點連接成功后,提取緩存的通信報文,發(fā)送HPLC載波報文進行抄表。

f.抄控器模塊通信報文遵循HPLC數(shù)據鏈路層及應用層抄表協(xié)議,其中發(fā)送者對應的TEI為0XFFE。

4 測試分析

4.1 抄表功能測試

在智能終端上選擇抄表功能,智能終端接收到抄表信號后,由處理器根據電能表的通信地址和通信規(guī)約初始化通信接口并發(fā)出數(shù)據幀。智能終端在發(fā)送幀數(shù)據前,先發(fā)送4個字節(jié)FEH喚醒HPLC通信單元接收,然后按照一定的次序發(fā)送數(shù)據。HPLC通信單元收到幀數(shù)據后,進行有效校驗,提取地址和控制碼解析并操作,把智能終端要求的數(shù)據按規(guī)范統(tǒng)一的傳輸格式發(fā)送,智能終端再對接收的數(shù)據解析處理。根據智能終端是否能按時抄回HPLC通信單元的數(shù)據信息并解析,可判斷電能表通信接口的好壞,在用電信息采集系統(tǒng)故障處理中,也可對終端抄表功能做出判斷。

4.2 在線升級測試

智能終端可對現(xiàn)場HPLC通信單元進行軟件升級,支持指定單個或多個STA升級以及全網升級2種模式。

在智能終端上選擇文件升級功能,輸入CCO通信地址,智能終端發(fā)送連接目標CCO命令,連接成功后,設定需要升級的文件類型,插入U盤,選取要升級的文件,發(fā)送傳輸命令,智能終端向抄控器模塊發(fā)出文件升級數(shù)據幀,抄控器模塊轉發(fā)此幀給目標CCO,文件下發(fā)完成后,本次通信結束。測試結果如圖4所示,該智能終端能夠成功連接CCO,完成HPLC通信單元的軟件升級操作。

圖4 HPLC通信單元在線升級測試結果

4.3 干擾測試

在智能終端上選擇干擾測試功能,發(fā)送數(shù)據采集命令,電能表收到幀信息后,進行解幀操作,將數(shù)據按規(guī)范統(tǒng)一的信息幀傳輸格式發(fā)送,智能終端對收到的數(shù)據進行解析計算,并輸出波形圖。測試結果如圖5所示,其橫坐標代表當前檢測的噪聲頻率,縱坐標代表衰減值。據此可判斷現(xiàn)場電力線環(huán)境對載波通信的影響。

圖5 干擾測試結果

4.4 臺區(qū)物理拓撲識別測試

在智能終端上選擇臺區(qū)拓撲識別功能,智能終端先檢測與CCO的連接標志,如果是未連接狀態(tài),首先發(fā)送連接目標CCO命令。連接成功后,獲取臺區(qū)規(guī)模,設置特征參數(shù),處理器選擇好本地通信方式并初始化端口,發(fā)送啟動采集命令,采集過程中抄控器模塊對數(shù)據幀做傳輸轉發(fā)并始終維持連接狀態(tài)。CCO收到采集命令時開啟采集功能,上報采集數(shù)據,這些數(shù)據包括同一時刻電能表的電壓、電流、功率因數(shù)、采集時刻等,該智能終端對這些數(shù)據進行解析、存盤,之后在電腦終端上顯示物理拓撲圖。臺區(qū)信息采集結果見圖6,臺區(qū)物理拓撲示意見圖7。

圖6 臺區(qū)信息采集結果

圖7 臺區(qū)物理拓撲示意

該智能終端能夠成功采集電能表的電壓、電流、功率因數(shù)和Mesh網數(shù)據,從而判斷低壓線路的物理拓撲結構,根據拓撲結構可預測是否存在偷電行為和漏電現(xiàn)象。

5 結束語

不同廠家終端設備的投入使用對現(xiàn)場運維工作提出了很高的要求,以上提出的基于HPLC技術的智能終端攜帶方便,解決了不同廠家終端設備互抄不通的難題,可實現(xiàn)用電信息采集數(shù)據的實時獲取、集中管理和綜合分析,提高了現(xiàn)場運維人員的技術水平,使運維工作更全面,拓展性更強,后期還可以自由擴展其他功能,為現(xiàn)場終端設備的智能運維工作提供技術支撐。