基于DBPSK低压电力线载波通信和微功率无线通信的双模通信在低压载波集抄系统中的应用

李国钰，张成文，张 强，李 伟

LI Guo-yu, ZHANG Cheng-wen, ZHANG Qiang, LI Wei

（辽宁省电力有限公司大连供电公司，大连 116000）

0 引言

电力线载波通信（Power Line Communication）简称PLC，是指通过电力线作为通信通道进行数据传输的一种通信技术，它是将所需要的信息数据调制在适于电力线介质传输的低频或高频载波信号上进行传输，接收端通过解调载波信号将原始信息数据进行恢复解析。

电力线通信主要是通过高压输电线、中压配电线、低压供电线和低压用户线进行传输，其中利用低压电力线传输载波信号的方式称为低压电力线载波通信，用电信息采集系统中的低压集抄就是利用低压供电线路进行数据采集。

随着电网公司对集中抄表系统建设力度的加大,低压电力线载波通信进入到行业发展成熟阶段，近年来坚强智能电网进入全面建设期，为配合智能电网建设，集抄系统的功能得到进一步完善。由于我国电网环境复杂，低压电力线上存在噪声干扰等问题，导致载波抄表存在抄表盲点和孤岛现象，为解决载波抄表的弊端，结合载波和无线的优点，本文提出通过一种电力线载波和微功率无线双模的通信方式，将载波通信失败的表端更换为这种双模模块，进行双模发送和接收，对于已经安装实施低压集抄的台区不需要进行额外的改造即可解决抄读成功率问题。

1 电力线载波在低压集抄系统中的应用

1.1 电力线通信的使用方式

低压电力线载波通信技术已经普遍应用于国内自动抄表领域，目前低压载波通信是电网公司用电信息采集系统中最主要的数据采集通信方式，所占比例较高。

低压集抄中低压窄带载波技术发展相对成熟，综合来讲性价比较高。窄带载波为半双工轮询访问机制，可以满足用电信息采集系统大部分应用场合的需求，特别对于用户分散环境下的用电信息采集具有成本低，维护方便等优势。由于受负载特性影响，需要动态组网优化。

低压宽带载波技术提供更高带宽通信，为全双工双向通信机制。适合对通信实时性要求较高、用户相对密集及多业务应用场合。并且在使用大量变频电气、可控硅电力设备使用的地方，也适合采用多路子载波调制的宽带载波通信技术进行数据传输。由于宽带载波通信的高频信号在信道中衰减较快，在相对较长距离通信中需要中继组网实现远距通信。

低压集抄现场运行方式主要划分为全载波方式、半载波方式和混合方式等三种方式。

1）全载波方式

由载波电能表、集中器组成。这种低压集抄台区方式，在本台区变压器供电范围内，载波电能表和台区集中器通过低压电力线载波方式进行数据采集，不需要再敷设专用数据通信线路，不需要改变网络拓扑结构。

基本工作流程：集中器通过路由自动组网方式与此台区范围内的载波电能表建立完整的路径关系。集中器全天定时启动抄读电表数据命令，通过低压电力线按照当前的路由路径与台区范围内的载波电能表进行通信，采集电能表的各项数据。当有点抄任务时，集中器暂停当前自动抄读流程，优先响应点抄命令，根据主站点抄命令与指定电能表按照当前路由路径进行通信，采集电能表的相应数据。

适用范围：用于电表分散、山区、工程施工难度大的地方。整个系统采用电力线载波通信，电能表与电能表之间相互中继，从而保证抄表效果，施工过程中，无需敷设额外的通信线路，载波表只需要接上电源即可。

2）半载波方式

由载波采集器、485电能表、集中器组成。半载波采集方式，载波采集器和集中器是通过载波方式通信，载波采集器和电能表之间通过RS485连接，需要额外敷设RS485专用通信线路。

基本工作流程：集中器通过路由自动组网方式与此台区范围内的载波采集器建立完整的路径关系。集中器全天定时启动抄读电表数据命令，通过低压电力线按照当前的路由路径与此台区范围内的载波采集器通信，然后载波采集器通过RS485总线与支持485协议的电能表进行通信，采集电能表的相关数据。当有点抄任务时，集中器暂停当前自动抄读流程，优先响应点抄命令，集中器根据点抄命令按照当前路由路径与指定的电能表通信时，首先经过和载波采集器进行通信，然后载波采集器与指定电能表通过RS485专线进行通信，采集电能表的相关数据。

适用场合：此种方式进行数据采集需要进行额外的RS485线进行连接，因此适用于集中表箱、敷设RS485线容易的新建或规范性的住宅小区。

3）混合方式

一部分载波电能表通过载波方式与集中器进行通信，另外一部分电能表通过载波采集器方式与集中器进行通信。

此种采集方式根据现场实际情况不同，对于现场集中安装的电能表，电能表之间通过485线进行连接，表箱内安装载波采集器，载波采集器与电能表之间通过RS485总线方式进行连接；对于安装分散的用户电能表，或因楼宇之间不允许安装RS485通信线等情况的电能表，直接安装载波电能表；组网后的基本工作流程与上述两种采集方式一致。

对比三种采集方式，全载波方式的突出优势是易安装、易维护、无需布线；半载波方式的突出优势是安装设备量少，成本相对较低，但需要敷设专门的通信线，安装施工难度和维护工作量多一些；混合方式的突出优势是应用灵活，能够解决全载和半载模式的台区，但施工难度相对较大，管理起来复杂得多。

2 电力线通信技术的特性

电力线载波就是通过低压电力线做为通信信道的一种数据传输方式。此中通信方式的优点是，台区改造简单，成本低、施工难度小、方便安装维护、台区扩充容易，便于实施，所以目前被广泛的应用于低压集抄系统中。电力线载波技术同样也有不足之处：低压电力线存在较多的噪声干扰和信号衰减，在实际应用中，必然存在一定的问题。

1）抗干扰能力强的扩频通信方式，目前得到广泛的应用，传统的扩频技术由于各种限制在电力线上传输信号难以克服较远距离的数据传输，实际运行中需要通过自动中继技术、接力通信技术弥补此情况的不足，这样可以极大的提高传输距离。

2）在特别复杂的通信环境下，接力通信技术能够使每一个节点成为其他节点的接力队员，用来保证数据的有效可靠传输，从而提高通信质量。

3）中继技术则是通过路由发起通过实际运行环境优化路径，在通信过程中选取最佳节点模块实现线路后端节点设备通信信号的中继，通过此种方式可以实现远距离节点的有效通信。

在现场台区运行环境中，通过运用以上方法，可以有效的解决信号的衰减和窄带噪声的干扰问题。但是由于电力线的噪声信号干扰的随机性，偶尔会存在抄读死区和孤岛情况，想要彻底解决最后一公里问题，还需要其他通信方式的辅助，从而使抄表系统真正走向实用。

3 电力线通信和微功率双模通信技术

双模通信技术是指在同一个通信模块上同时实现电力线载波通信和微功率无线通信，实现以一种以载波通信为主微功率无线通信为辅的双模通信方式。这种通信方式是充分利用两者的优点，扬长补短。只通过电力线载波通信方式目前已可实现日抄收百分之九十的通信成功率，但还不能完全达到百分百的日抄成功率，通过利用微功率无线通信的的优点作为辅助通信可解决最后一公里问题，可达到日抄收百分百的成功率。

通过结合电力线载波及微功率无线的优点，将两种通信信道集成到一起，将无线通信技术与载波通信技术相结合，采用双模通信模块，电力线载波信道和微功率无线信道，两个信道相互独立，同时收发，微功率无线通信技术和电力线载波通信技术互补，提高了通信效率和可靠性。

两种不同的通信方式在传输特性与传输距离上都有很大的不同。最大限度的利用网络资源，就需要尽可能的提高网络并行度，可以在同一时刻在两个相互独立的信道上运行两个不同的任务。

双模抄表技术就是在同一个通信模块上实现电力线载波通信和微功率无线通信。这种双模通信的装置叫做双模模块，双模模块可应用于目前已经实施了电力线载波集抄，并且抄读存在盲区和孤岛现象的台区，现场应用时，系统集中器端的路由无需任何操作和修改，在抄读效果不理想的位置与效果较好的位置，分别替换几个（至少两个）原来的电表载波通信模块即可。使其作为双模中继通信使用，如果不考虑成本问题，也可将整个台区模块全部更换为双模模块。

4 双模通信技术的解决方案

双模通信技术，对比与单纯的载波通信技术具有明显的通信优势，虽然成本不是很高，但相对于单通道载波来说，成本有所增加，如何在基本不增加成本的现有台区环境的前提下提高采集成功率，针对这样的问题，我们只要找到现场两点载波不同的电能表，将模块更换为双模通信模块，载波不通的情况下通过无线进行通信，提高载波台区抄读盲区和孤岛现象是我们主要的解决目的。

4.1 双模通信系统实现原理图

本文提出的双模通信方式是将电力线载波和微功率无线通信集中在一只模块内的通信方式，这种模块称为双模模块，双模模块在现场和载波模块可以互换互通，主要是解决已有载波低压集抄内，因电力线干扰、噪声等原因导致的载波通信失败的情况，这种通信方式是以载波为主，无线为辅的双信道通信。

如图1所示，集中器通过载波信道进行数据采集，载波信道到达双模电能表2时，双模模块接收到载波信道发来的信息后，经过载波和无线通信同时发送的方式进行数据回应或者向下转发，向下转发的报文被后续双模电能表3接收，双模电能表3通过双信道通信进行回应数据，或者通过双信道通信向载波电能表4进行转发，载波电能表由于不具备双模通信，所以只会通过电力线进行数据回复，此种通信方式主要解决，电能表2和电能表3之间因为载波干扰等原因导致的抄表盲区和孤岛现象，这种通信方式不需要对台区进行改造几个实现抄读成功率问题。

图1 双模通信示意图

4.2 双模通信在载波台区中的应用

双模通信作为中继模块主要是在不改变当前载波抄表台区的环境下，解决因电力线上的噪声干扰导致的孤岛现象，系统结构还是由后台主站、集中器、电能表组成，集中器端采用电力线载波模块，电能表端采用载波模块，不同的是在现场环境中，由于全台区不是全网双模系统，所以更换模块时最少更换两个，即在电力线通信正常的电能表端更换一个，此线路后面不通的电能表端更换一个，最少需要成对使用，只有这样才能发挥双模通信的作用。

如图2所示，载波台区中，集中器通过电力线通信抄读现场载波电能表，载波电能表通过电力线载波通信将数据进行返回。抄读过程中，2号电表由于线路原因导致载波不通，由于前端的1号表载波通信正常，所以将1号表的模块更换为双模模块，2号表的模块也更换为双模模块。此时1号表收到集中器发送的抄读2表的报文时，1号表通过载波和无线双模将数据传输到2号表，2号表通过无线接收后，将数据按照载波和无线双信道进行返回，1号表收到数据后通过载波将数据返回到集中器，从而解决2号表孤岛问题，达到数据100%抄收。

此方案优点是，不需要改变现有台区运行模式，安装维护简单、组网灵活、易扩充。载波和无线通信相结合，采用双模通信模块，电力线载波信道和微功率无线信道，两个信道相互独立，同时收发，微功率无线通信技术和电力线载波通信技术互补，提高了通信效率和可靠性。

4.3 双模通信在载波集抄中的意义

双模通信采用电力线载波和微功率无线两种通信技术的互补性，将无线通信技术与载波通信技术相融合，通过将现场无法通过电力线载波通信的表计更换为双模通信模块，实现两通道同发同收，有力解决现场因为载波噪声衰减造成的孤岛现象，将会提高整体抄表系统的通信成功率，实现电表信息的百分百采集。

图2 双模通信在载波台区中的应用

5 结论

通过以上分析及现有技术来看，基于DBPSK电力线载波和GFSK微功率无线双模通信方式，有助于解决现场已经实施载波低压集抄的台区，无需额外进行台区改造，只需更换模块即可解决抄读问题。双模抄表由于采用了双信道通信技术，真正的发挥了各自的优势，且安装调试、维护和电力线载波抄表系统一样简单。基于以上优势，基于DBPSK电力线载波和GFSK微功率无线双模通信技术，现场采用双模模块进行数据传输，有效解决因电力线噪声造成的孤岛现象和覆盖率问题，有效保证低压集抄数据采集的实时性和稳定性。

[1]王勤初,姚艳霞.低压电力线载波技术在居民集抄中的应用[J].农村电工,2011.

[2]舒衫.低压载波集抄的技术突破方向探讨[J].电力系统通信,2009.

[3]蔡晓玲.低压集抄系统的现状与管理分析[J].工程科技,2012.

[4]谭新,陆俊.微功率无线通信技术在低压抄表中的应用[J].数字技术与应用,2012.

[5]蒲川勇.浅谈低压电力线载波集中抄表系统的设计与应用[J].中国新技术新产品,2012.