低压电力线载波自动抄表系统设计中的关键问题

陈杰春 孙志明

(东北电力大学自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

传统的抄表方式和用电管理体系已经不能满足高度信息化时代下人们的生活需求。相比于传统的人工抄表方式，自动抄表系统以其突出的便捷性、实时性和高效性逐步成为研究的热点和今后的主要发展方向。自动抄表系统中可采用的通信方式种类较多，比如基于电话线网络(PSTN)的抄表系统、基于ZigBee技术的抄表系统、基于LonWorks现场总线的抄表系统及基于低压电力线载波通信的抄表系统等[1]。其中，低压电力线载波通信是以固有的低压电力线作为传播媒介的通信方式，省去了重新布线等中间环节，具有成本低、工程量小及便于维护等优势，在自动抄表系统中被认为是最理想的通信方式。但是，由于低压电力线的信道环境恶劣，对通信效果影响较大[2]，致使低压电力线载波通信的普及步伐较慢。笔者探讨了基于低压电力线载波通信的自动抄表系统设计中的关键问题。首先设计了自动抄表系统的总体结构，在此基础上设计低压电力线载波Modem的硬件电路和软件，其次还探讨了低压电力线载波通信的自动路由算法。

1 自动抄表系统的总体结构①

图1为基于低压电力线载波通信的自动抄表系统的总体结构，它主要由电能表、采集器、电力线载波Modem、集中器和计费中心软件5部分组成。其中采集器主要负责对电能表数据的采集和存储，当集中器发出抄读指令时，采集器通过电力线载波Modem将数据传出，最后由集中器整合来自各个采集器的电表数据并远传到计费中心。

图1 电力线载波自动抄表系统的结构

在一次抄收过程中，电力线载波Modem承担着数据传输的重任。首先Modem对采集器发送过来的电表数据进行调制，然后经过内部的耦合电路将数据耦合到低压电力线上进行传送，接收方再经过相反的步骤解调数据。由此可见，电力线载波Modem是整个抄表系统得以正常工作的关键，但由于其技术不成熟，电力线载波Modem也是系统设计中的难点。

2 低压电力线载波Modem的设计

2.1 硬件电路

低压电力线载波Modem主要由微处理器、载波芯片和接口电路组成，其硬件结构如图2所示。微处理器采用Silicon Laboratories公司推出的一种完全集成的混合信号片上系统(SOC)C8051F020，该芯片具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核，运行速度是一般8051单片机的10倍以上，具有较高的性价比。载波芯片ST7538Q是ST公司在前期产品ST7536、ST7537的基础上推出的改进型产品，具有载波监听及频段占用检测等实用功能，是一款专用于电力线载波通信的半双工FSK调制解调芯片。

图2 电力线载波Modem的硬件结构

ST7538Q芯片的BU引脚为频段占用检测引脚，可用于实现载波监听的功能。当检测到工作频段的载波信号时，BU引脚被置高电平以指示载波信号的到来。除了BU引脚，ST7538Q芯片的CD/PD引脚也可以用于实现载波监听的功能。但是相比较而言，BU引脚的灵敏度较低，只有在真正的载波信号出现时才会被置位[3]，不会被电力线上频率与工作频率相同的噪声信号所影响，抗干扰能力更佳。

图3是低压电力线载波Modem的接口电路，由于ST7538Q内部集成了功率放大电路，因此接口电路仅有：接收滤波电路、发送滤波电路、保护电路和耦合电路。

图3 接口电路

图3中，L1、C17和R4构成了一个二阶无源带通接收滤波器，该滤波器只允许一定频段的信号通过，能有效滤除电网中的工频噪声，而且无源滤波器不会像有源滤波器一样带来一定量的白噪声。L2、L3、C21、C22和C23构成了四阶带通发送滤波器，用来滤除发送电路上掺杂的噪声和伪信号。保护电路则由D2、D3和D4共3个单极型的瞬态抑制二极管星形连接而成，这样可以有效抑制冲击脉冲和尖峰信号。耦合变压器T1能够将待发送的信号耦合到低压电力线上，同时还具有隔离电力线的作用[4]。

2.2 软件

在微处理器C8051F020中烧写的应用程序为低压电力线载波Modem的软件。系统上电时，微处理器首先对ST7538Q芯片进行寄存器配置，只有寄存器配置完成后，Modem才能正常工作。图4为电力线载波Modem的软件流程。

图4 电力线载波Modem的软件流程

在初始化阶段，应用程序将状态变量State设置为0，然后在时钟下降沿进入寄存器配置状态。当串口有数据写入时，应用程序将状态变量State设置为2，并在时钟下降沿进入发送数据状态。如果状态变量State既不为0也不为2，应用程序则通过检测BU引脚的电平高低决定是否进入接收数据状态，如果BU引脚为高电平且状态变量State等于3，则进入接收数据状态，否则应用程序不会执行任何操作。

图5为示波器截图，该图准确地描述了寄存器的配置过程。其中，示波器的第一路信号为同步时钟信号，该同步时钟信号由ST7538Q芯片的CLR/T引脚提供(图2未画出)，数据在同步时钟的上升沿被采样；第二路信号为所配置的寄存器数据信号，该数据为1110 0000 0100 0101 1100 1000(E0 45 C8)，ST7538Q芯片的寄存器共有24位，配置过程中按照先配高位，后配低位的顺序进行，即先写入第23位，最后写入第0位。

图5 ST7538Q芯片的寄存器配置过程

配置好寄存器后，电线载波Modem则可进入正常的工作状态，图6、7分别给出了其发送数据和接收数据的波形图，可以明显看出接收端信号的幅值相比于发送端信号的幅值大幅减小，这是由电力线上的各种负载导致的，但考虑到ST7538Q芯片的接收灵敏度可以达到0.25mV，因此低压电力线载波Modem仍然能够可靠地接收到载波信号。

图6 发送数据波形

图7 接收数据波形

3 电力线载波通信的路由算法

由于低压供电网络的设计初衷不是为通信系统服务，因此采用低压电力线作为通信信道的效果并不是十分理想[5]，这也直接影响了低压电力线载波自动抄表系统的可靠性和通信距离。为了提高自动抄表系统的性能，首先从硬件设计的角度出发，比如优化接收滤波器、发送滤波器和阻抗匹配电路的设计，以及改进载波调制/解调方式等，但是以上措施只能对点对点系统的通信性能有所提高，而且提升空间有限[6]。

对于整个自动抄表系统而言，点对点的通信可靠性并不能作为系统性能的评价指标，因此在低压电力线载波通信系统中建立类似于以太网的路由网络是保证系统性能的有效方法。笔者将探讨一种适用于低压电力线通信网络的新型组网算法——人工蛛网算法。该算法能够把传统的树形网络拓扑转换为蛛网形式，比常规的电力线通信机制效率高。此外，笔者还将针对出现故障节点的情况探讨人工蛛网形式下的重路由算法。

3.1 基于人工蛛网的组网算法

图8是一个采用树形拓扑结构的低压电力线载波通信系统，其中C为集中器。在理想情况下，所有的节点都可以直接与集中器C进行数据的收、发，但随着节点与集中器C之间的距离增加，通信能力会越来越差。实际情况下，仅数米内的节点才能可靠通信。

图8 采用树形拓扑的低压电力线载波通信系统

为了提高低压电力线载波通信系统的可靠性，可以采用人工蛛网算法调整通信系统的拓扑结构，以图8所示的低压电力线载波通信系统为例，说明其调整过程：

a. 首先由集中器C发送组网广播，假设只有节点1～7收到了组网广播，在节点1～7中选择一个节点作为子网1的中心节点，这个节点应该既能与集中器C可靠通信，又能和剩余的其他6个节点可靠通信，此处假设为节点4。然后，再由子网1的中心节点(节点4)为其他6个节点分配逻辑地址，至此完成了子网1的组网。

b. 集中器C向子网1的中心节点(节点4)发送组网指令。接收到组网指令后，子网1的中心节点发送组网广播。假设节点1～14均收到了组网广播，此时应去除已经获得逻辑地址的节点(节点1～7)，并在剩下的节点中选择一个能与子网1的中心节点可靠通信的节点作为子网2的中心节点，此处假设为节点11，然后再为子网2内的其他节点分配逻辑地址。

c. 集中器C以子网1的中心节点为中继向子网2的中心节点发送组网指令。如图9所示，与子网2的组网过程相似，以节点16为中心节点，构建子网3。

d. 集中器C以子网1和子网2的中心节点为中继向子网3的中心节点发送组网指令，由于子网3已经将剩下的节点全部连通，因此子网3的中心节点通过子网2和子网1的中心节点向集中器发送空响应，这样就完成了对整个系统的组网[7]。

3.2 人工蛛网的重路由算法

在完成系统组网后，集中器C通过中心节点采集各子网内节点的数据，例如子网1中，中心节点4负责采集节点1～3和5～7的数据，然后将采集到的数据与自身的数据一同上传到集中器。这里规定，子网内中心节点采集其他节点数据所用的时间为一个数据采集周期，如果在某个数据采集周期内，中心节点没有接收到子网内某一个节点的数据，则认为这个节点不能与中心节点正常通信，这时中心节点就会对该节点发起重路由指令[8]。以图10为例，说明人工蛛网的重路由算法。

图10 双层人工蛛网

假设图10中的节点7在某一时刻不能与中心节点1通信，即节点7与节点1之间的信道环境较差。此时，节点7需要选择一个合适的中继路径恢复它与中心节点间的通信，而节点13受其影响也需要重新选择最优路径，路径选取的原则均以距离最短为最优。以节点13为例，分别采用Dijkstra算法和遗传算法对此进行仿真。Dijkstra算法是目前公认较好的求解最短路径问题的算法，也是很具代表性的一种算法[9]。该算法的步骤如下[10,11]：

a. 建立两个集合S和U，初始时，集合S中只包含源节点，集合U包含通信系统中的其他节点。

b. 从集合U中选取一个与源节点间最短距离最小的节点，并将其放在集合S中。假设节点s为源节点，节点w为集合U中的任意一个节点，若集合S中只包含源节点，则节点w与源节点之间的最短距离为min{dist(w,s)}。若集合S中包含两个或两个以上的节点，假设v为集合S中的除了源节点以外的任意一个节点，则节点w与源节点之间的最短距离为dist(w,v)+min{dist(v,s)}。

c. 重复步骤b，直至将集合U中的所有节点取出为止。

表1为仿真实验结果，可以看出：Dijkstra算法和遗传算法均能找到最优路径(最优路径如图10中实线部分所示)。但是从算法的运算时间来看，遗传算法并没有突出的优势，尽管它在高空间复杂的问题上有着较好的表现，而且实验过程中，遗传算法还存在非最优路径的解，因此，选用Dijkstra算法能够更好地满足本应用中重路由路径选择的需求。

表1 仿真结果

4 结束语

以电力线载波Modem和电力线载波路由算法为主，对电力线载波自动抄表系统中的关键问题进行了论述。分别从硬件和软件两方面介绍了电线载波Modem的设计方法，经调试该Modem能够稳定、可靠地运行，解决了抄表系统中的技术难点。从提高自动抄表系统可靠性的角度出发，又探讨了电力线载波的人工蛛网路由算法，通过比较Dijkstra算法与遗传算法在重路由路径选择时的结果，证明了Dijkstra算法在人工蛛网组网模式下的适用性。