载波通信分布式仿真系统的试验研究

韩东，孙洋，殷聪，宫游

（1.黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨150001；2.哈尔滨电工仪表研究所，哈尔滨150001）

0 引 言

随着国民经济的快速发展，传统的人工管理已不能适应新形势的需求，取而代之的是利用现代科技实现低压电网用电管理的现代化、自动化，这已经成为一种新的发展趋势。低压电力线载波通信技术以其覆盖范围广、连接方便、投资成本低等优势，已

被广泛应用于低压居民用户的用电信息采集系统。由于低压电力线中存在的衰减、噪声、用户负荷等干扰因素的影响，载波通信难以实现100%的畅通。因此，为保证用电信息采集系统正常运营，需选择通信设备品质优良性能的产品投入使用，我国计量检测机构尚未建立完整的载波通信检测体系，也未有成型的载波检测经验，急需建立一套科学有效检测平台更显得尤为重要.虽然国内、外制定了部分载波通信性能检测规定，但只针对单个元件在有限条件下进行性能检测，实际运行负载特性能力无法检测［1-5］。

鉴于上述原因，国内、外相关机构正在对载波通信测试进行积极的研究和探索。相关组织也正在积极组织行业进行载波通信的相关标准的研究和制定。但现阶段，国内对低压电力载波通信测试主要采用集中式的测试方法，难以真实反映现场运行的实际环境［6-12］。

开发研制低压电力线载波分布式通信仿真系统目的是：

（1）建立切实可行真实反映现场实际运行环境的检测系统（平台），它不但具备检测载波单器件全部通信性能，还具备检测各种运行条件下载波负载传输特性、路由组网、信号接收品质优劣等功能；

（2）载波仿真测试系统，通信检测功能齐全，起到掌控载波通信产品质量动向，杜绝伪劣产品上网运行的作用。另外，载波仿真测试系统被广泛应用，进而深入掌握载波通信传出特性机理，为我国载波技术领域的发展和提升，制定国家相应标准乃至国际标准，提供可靠技术支撑，其意义深远重大。

1 仿真系统实施方案

分布式低压电力载波通信仿真试验系统由三个网络构成，即：电力线载波通信网络（三相电路）、GPRS网络和计算机以太网。在实际建筑网络中本地负载前端串入监测控制装置配电箱，作为负载和电力线之间进行测试的节点。配电箱中主要设备有；电能表、阻抗匹配终端、阻抗测试终端和高频阻波器，A/D和485转换器等。集中器下行通过电力载波通信信道与电能表进行通信，从而获取电能表抄读电量、抄表成功率、路由相关信息；主站通过GPRS网络与集中器通信，获取集中器各种数据信息，记录载波信道的通信指标；同时利用以太网、电能表、阻抗匹配终端、阻抗测试终端及各种现场的负载等设备构成的网络，对现场电力载波通信信道进行负荷配置调整，在设定载波信道负荷参数的基础之上，通过计算机、以太网、GPRS网络、电力线交互传递集中器电能表试验数据，通过电力线通信信道采集的数据进行校核比对，完成载波通信试验全过程。

如图1所示，试验系统布置在四层1 500平米楼内，利用楼内用电作为负载。楼内供电分三类电源，分别是各楼层的动力、照明和集中空调电源。照明电源负荷主要是日关灯、电脑和独立式空调等；动力电源负荷为各种电器、仪器、试验设备、电梯、程控电源等；集中空调电源供大楼的中央空调。载波传输在楼内220 V/380 V低压电力线上进行信号传输，信道环境符合现场实际运行状态，信道中噪声干扰由楼内各负荷提供，即；各品种电器，各种试验设备，开关电源，电梯等，较一般台区环境干扰环境复杂。

2 阻抗匹配终端工作原理

图1 仿真试验系统布置Fig.1 Layout of simulation test system

图2 仿真试验系统的负荷采集结构布置图Fig.2 Loads collection structure layout of simulation test system

载波阻抗匹配终端硬件电路由主控板和高频阻波器两大部分构成。主控电路板是整个载波阻抗匹配终端的核心单元，主要实现RS232串口通信、CPU控制继电器切换板上电阻、数据存储、定时复位重启系统等功能；阻波器实现对高频信号呈现大阻抗，对低频信号呈现小阻抗的作用，降低外部无关信号的影响。

高频阻波器要满足高频高阻抗低频小阻抗的设计要求，为了满足高频高阻抗，研究中先后试验了铁硅铝、铁氧体、镍锌、锰锌等材质铁芯。经大量试验发现，只有锰锌在100 kHz～500 kHz时阻抗能维持在100Ω～500Ω的高阻抗，而为了满足50 Hz工频能量无损传输，研究中先后设计了十几种外围电路，最后确定了下文中的跨接电容和增加串联谐振以改变电路谐振点的阻波器外围电路，如图3所示。

图3 高频阻波器Fig.3 High frequency trap

表1 单相及三相高频阻波器阻抗实验数据Tab.1 Impedance test data of single-phase and three-phase high frequency trap

从表1数据可以看到，在100 kHz到500 kHz这一国内主要电能表生产厂家的载波频率范围内，当用户负荷端的阻抗从0Ω变化到500Ω的范围内，阻波器都能保持对高频呈现大于50Ω的阻抗值，而对工频50 Hz信号呈现毫欧级的小阻抗，符合设计需要。

3 仿真试验系统操作原理

3.1 主站功能

主站承担整个系统操作指挥核心，它具有录入参数、试验方案设置、试验测试、测试数据管理等功能。

3.2 测试操作流程

（1）由主站、集中器录入被试验设备相关参数，即；单、三相表和集中器等；

（2）设置实验方案，即，单器件通信性能测试还是电网系统特性测试。调节载波阻抗匹配装置，确定测试环境；

（3）测试项目：单器件通信性能；电平峰植、带宽、外带干扰、主峰频率、环境背景躁声等。系统特性测试；载波阻抗分布、环境背景躁声分布、载波品质信号强度分布、路由路线和拓扑结构，组网优化评价等；

（4）数据管理，主要是通过各通信信道，即；电线载波信道，GPRS无线网络信道，以太网信道采集数据，进行筛选、校核比对、分析列图显示等。

4 仿真试验系统测试结果分析

利用四层楼电力网设施，各楼层分别设置27点的测试配电箱，单器件通信性能测试及国家规范检测项目本文就不作一一介绍。

4.1 路由拓扑试验

主站管理软件通过载波阻抗匹配装置与楼中运行负荷混合的组合调配（组网），组成多种载波通信试验环境，分别抄读各网络中相关信息数据，仿真系统可配置7种不同的路由拓扑结构；分别是串联结构、并联结构、星形结构、对称双径结构、不对称双径结构、树形结构和网状结构。

以电能表103931291410为例，路由拓扑结构发生变化，如图5（e）、图5（f）、图5（g）所示。该电能表分别在三种类型的拓扑结构图中出现，说明整个网络的路由拓扑结构会随着仿真试验系统中阻抗的配置和调节而发生变化。

图4 主站软件的系统功能Fig.4 System function of main station software

图5 路由拓扑结构图Fig.5 Routing topology structure diagram

4.2 阻抗、路由及信号品质的变化关系

表2所示，列举出三个电能表，随着阻抗设置的变化，左证电能表的路由发生相应的变化特性。例如，电能表103931291410号，当阻抗设置为断开、20 Ω和5Ω状态时，集中器直抄此电能表；当阻抗设置为0Ω时，集中器需要经过1级中继才能抄读到此电能表。电能表104200007371号，当阻抗设置为断开时，集中器抄读到此电能表需要经过1级中继；当阻抗设置为20Ω时，集中器抄读到此电能表需要经过2级中继；当阻抗设置为5Ω时，集中器抄读到此电能表需要经过3级中继；当阻抗设置为0Ω时，集中器抄读到此电能表需要经过4级中继。

由此表明，当载波通信信道中的阻抗值由50Ω减小到0Ω时，越来越不适合低压电力载波通信，集中器需要增加中继的级数才能抄读到电能表，反应了低压电力载波通信信道中阻抗值的变化对抄表的路由以及抄表能力的影响。

阻抗设置变化也会影响信号品质因数，如表2所示，分别列出的电能表在阻抗设置变化时，集中器抄表的信号品质因数也会发生变化。

信号品质因数是载波通信模块内的一种特殊参数，涉及到各个载波通信模块厂家的路由算法，与载波信号强度、系统的信噪比以及通信距离有直接关系。电力线载波通信是利用电力线，通过载波方式将模拟或数字的信号进行传输的技术。由于电力线输送电是50 Hz工频信号，用户使用负荷所产生邂波势必污染通信信道，影响了载波调制、解调信号传输全过程，载波信号的信噪比急剧下降，通信可靠性降低，因此，提高信噪比是确保载波信号传输数据的可靠性和系统抄读准确度的关键。目前低压电力载波通信的调制方式都是采用FSK或PSK，其误码率分别为：

式中r为输出信噪比，其表达式如下：

其中a是经过衰减的载波信号幅度，当低压电力线载波通信系统中阻抗设置发生变化，Pe中的a会发生变化，总误码率变化，所以信噪比发生变化，进而影响信号品质因数。

表2 阻抗设置变化对路由及信号品质因数的影响Tab.2 Impact of routing and signal quality factor by impedance variation

电能表103931291410，在四种阻抗设置的情况下信号品质因数的变化如下：当阻抗设置为断开时，信号品质因数为13；当阻抗变化为20Ω时，信号品质因数也由13变化为33；当阻抗设置为5Ω时，信号品质因数由33变化为13；当阻抗设置为0Ω，信号品质因数变为02。电能表104200007371，反映了阻抗设置和路由的变化对信号品质因数的影响，当阻抗设置为断开时，中继级数为1级，信号品质因数为53；当阻抗变化为20Ω时，中继级数为2级，信号品质因数也由53变化为13；当阻抗设置为5Ω时，中继级数变化为3级，信号品质因数由13变化为53；当阻抗设置为0Ω，中继级数变化为4级，信号品质因数变化为02。

这里需要说明的是信号品质因数越大代表通信质量越好，在阻抗设置为断开或者设置为0时，都是电网和电能表阻抗不匹配状态，所以电能表载波通信的信号品质因数的大小也是随电网负荷变化的；当阻抗设置由大变小（20Ω变化为5Ω）的过程中，原有电能表的路由改变，随着中继级数的增加通信质量变好，信号品质因数是上升的。因此可以通过改变路由，增加中继来增加信号品质因数，从而提高通信的可靠性。

5 结束语

本文建立了分布式低压电力线载波通信仿真试验系统。通过实践验证，实现了以载波阻抗匹配的组合方式，真实模仿了低压电力线载波通信的运行环境。试验研究中测得7种路由拓扑结构，并运用实际测试数据验证了仿真系统试验真实性。如抄表真实性，由以太网通过485线验证；路由拓扑结构由各电能表中继方式和信号品质因数验证等。

综上所述载波通信仿真试验系统有以下特点：

（1）采用供电运行环境，运用分布多点测试方法，真实反映了现场实际载波通信状态；

（2）研发了载波阻抗匹配组合方法，充分利用一种固定电网结构改变多种载波通信路径和通信环境，突破载波通信无法仿真的难题；

（3）仿真测试系统操作简单，通信测试项目齐全完整，试验数据真实准确（可运用三种通信信道测试验证）；

（4）载波通信仿真试验系统，不但为电力线载波通信设备产品质量验收服务，还可为研究机构和生产厂商提供科学试验研究平台。系统不足之处是供电范围小，测试点少；若足够大，路由拓扑结构将更加多样。