低压电力线宽带载波HPLC组网通信测试系统设计

燕伯峰 刘宇鹏 黄 欣 董永乐 余 佳 李 轩

（1．内蒙古电力（集团）有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020；2．内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

窄带载波经过多年的建设与运维，通信缺陷逐渐突显，其组网性能、网络拓扑适应能力是宽带载波通信运行的关键，对电网环境的适应能力关系着整个电网系统能否正常运行。目前国内已经加快低压电力线宽带载波通信技术的研究和市场布局，并发布低压电线宽带载波HPLC的技术标准和检测标准[1-2]。2020年3月，国家电网发布HPLC深化应用功能升级改造要求，主要体现在通信性能检测和网络优化功能。

由于HPLC通信缺乏严格的性能检测设备，现有的检测系统较少考虑HPLC高频特征带来的空间辐射影响，辐射信号串扰影响设备的准确度量和检测，不适用于对宽带载波通信进行定量分析检测。文献[3-4]只是基于RS485 通信研究了用电信息采集系统的通信检测方法。文献[5] 研制了一种便携式低压电力线载波通信信道测试装置，只对单个设备进行的检测，效率不高。文献[6]是对现场采集成功率提升措施研究。文献[7]仅基于多节点的低压宽带电力线信道建模方法研究。文献[8-10]研究载波的信道特性并进行模拟通信测试，以上研究仅针对电能表或采集终端进行检测及仿真。基于此，该文从用电信息采集系统层面对现场干扰因素进行仿真试验，采用真实表计和全模块测试验证研究，实现用电信息采集通信过程中的故障定位及复现。对HPLC模块系统组网通信及抗干扰能力进行检测，设计能够针对不同厂家设备在仿真环境下对HPLC组网性能进行测试与分析。

1 组网检测仿真系统设计与实现

宽带载波通信组网检测系统框图如图1所示，整套系统主要由3个挂表测试装置、测控平台软件、宽带载波信道仿真箱、多功能控制模块和频谱仪等组成，建立采集终端、多级载波表的现场仿真环境。

图1 宽带载波组网通信检测

3个测控装置模拟安装在较远距离、不同位置以及不同载波计量设备的现场安装环境，信道仿真箱是模拟低压线路上宽带载波信号随着线路距离和环境变化造成信号衰减的设备。多功能控制模块能够模拟不同的信道负载，测试网络的带载能力。测控平台软件是该系统的核心部分，包括测试用例模块、设备控制模块、指令收发模块、数据处理分析模块、故障库模块、电能表模拟模块和测试报告模块等。通过对宽带载波HPLC模块系统组网通信及抗干扰能力进行检测，实现模拟影响载波通信效果的距离衰减、阻抗变化、带载能力、组网效率及路由性能等主要因素的HPLC组网通信测试系统。

1.1 测控装置设计

组网测控装置的设计兼容电网中各种采集计量设备，包括I型集中器、I型采集器、II型采集器、单相表和三相表。首先，通过隔离变压器滤除市电低压电力线上的各种高频、电磁等干扰信号，保证一个稳定的检测环境。其次，设计三级衰减以达到中继路由测试目的。最后，因为宽带载波在测试过程中发现存在40 cm～50 cm的空间辐射距离，为降低辐射干扰，每个装置相隔大于50 cm，所以采用分体式结构，且每级载波信号均接入频谱仪，实现实时信道信号的监控。

具体设计思路是工控机通过串口服务器与集中器相连，工控机上测控平台软件控制电源、宽带载波信道仿真箱以及载波带载能力控制模块的加载和参数设置，并通过Q/GDW376.1协议控制集中器抄表。在载波路由表建立及完成组网过程中，基于黑盒测试技术对组网中的模块进行通信性能测试。组网成功后，测控平台软件通过集中器HPLC 模块（CCO）发送数据帧给电表或采集器上HPLC模块（PCO/STA），表上HPLC模块从数据帧中解析出DL/T645或DL/T698数据帧给电表，电表再反方向返回数据给测试平台，测试平台是否收到应答来判定本次通信是否成功，以此依据来测试通信成功率，完成通信可靠性自动化测试的目的。

1.2 宽带载波信道仿真箱的设计与实现

此外在信号的传输过程中，会在网络的节点上发生反射、折射，还会产生多径效应，对传输信号具有较高的频率选择性衰落，在长距离宽带载波现场组网抄表过程中，信号会存在一定的衰减[13]。该文为了模拟低压电力线所处的水、气、温度、闪电等环境因素，采用宽带载波信道实况仿真箱，如图2所示，模拟现场低压电力线在外场环境下可能遇到的情况。

屏蔽箱作为模拟电力线传输的空间环境的设施，箱体有模拟线路衰减的衰减器和模拟自然环境的触发接口，模拟自然环境，具体是通过水阀喷头接入口、气阀喷头接入口、模拟的闪电雷击放电接入端口以及箱体温度控制调节口分别作用于箱体内，测试单一环境变量改变或多个因素同时作用后，箱体内通信线路通信的稳定性。

箱体内可调强电衰减器的控制信号线采用绝缘绞线引出。通过上位机控制强电衰减器步进式调节信号衰减量，用频谱仪观察从耦合器分离出来的宽带载波信号，研究不同衰减量条件下与链路数据稳定性、可靠性、完整性之间的关系，进而可以分析不同厂家载波模块的性能。

1.3 多功能控制模块设计与实现

由于低压电力线上的用电设备等无规则上下电的影响，使信道上的负载实时变化，因此该文设计了多功能控制模块，负责切换系统内不同的负载，模拟低压线路上用电设备的变化。

为了模拟信道上的容抗和感抗，该模块设计采用多个容性负载和阻性负载相结合的方式，通过多路继电器控制通道接入负载电路。4个继电器控制电路连接多功能控制板MCU，多功能版经过通信信道RS232受控于测控平台软件。启动测试后系统按照测试用例的自动顺序选择不同负载组合，经集中器下发数据帧至多功能控制板，MCU解析出有效命令转化为控制信号，使对应的继电器动作， 将载波通信影响试验负载切入，此时负载网络的两端即模拟了一种电网的网络特性。之后集中器接收测控平台软件的指令开始读取网络另一端的载波电能表数据，根据抄表成功率验证指标，得出该种负载测试结果并记录，继而自动执行切换下一种负载的测试，直到多种负载网络测试完毕，完成该项负载影响性能的自动化测试流程。

1.4 测控平台软件设计

测控平台软件的设计主要是依据低压集抄网络的功能要求，充分考虑测试和现场调试业务的未来发展需要，实现智能宽带载波电表与计量终端组网通信检测及网络优化的目的。图3为该宽带载波测试平台软件设计架构图。

图2 宽带载波信道仿真箱

测控平台软件的架构主要分基础设施层、公共数据库操作、规约操作、通信控制、设备控制、测试流程和UI层。测试流程控制包括HPLC通信性能验证、组网性能验证、高频数据采集性能、HPLC路由修复能力以及通信抗干扰性能等。设备控制包括装置控制、信道仿真箱控制和多功能控制模块控制。规约协议部分包括了多种设备间最新传输协议解析与封装功能。

1.4.1 软件测试流程设计

软件测试首先分析测试需求，明确组网测试的对象、功能和目的，设计切实可行的测试需求点。接着编写测试用例，通过分析测试需求，设计出满足测试需求点的测试用例，并编写测试用例文档。然后编写测试脚本步骤，根据制定统一规范的标准化脚本规则，将测试用例文档编写成自动化测试软件可执行的步骤方案。最后执行自动化测试，运行自动化测试软件，执行脚本步骤方案，输出测试结果，记录测试问题。

1.4.2 测试结果分析方法

通过统计测试方案中被验证的测试项数、有效缺陷测试用例数以及执行次数等数据来计算测试用例覆盖率、测试用例有效率。

测试用例覆盖率 = 被验证到项目数/总的项目数量测试用例有效率=有效缺陷数/系统测试用例数

图3 测试平台软件架构图

对测试方案中被验证的测试项数、有效缺陷测试用例数均可以查看数据明细，可以用Excel导出测试结果。

2 系统实验测试

笔者根据低压电力线宽带载波（HPLC）组网通信测试系统的设计框架及软硬件关键部件的设计，对测试系统进行测试与验证。

测试软件平台根据宽带载波组网检测系统功能要求预置各种自动化测试用例，根据测试用例对各功能模块、辅助测试设备、计量设备进行控制和数据通信，逐步完成测试用例的测试流程，并记录测试数据和结果，形成测试报告。

2.1 宽带载波信道仿真箱衰减验证

宽带载波信道仿真箱是检测系统的核心部分，对其衰减准确性进行验证。测试模型为标准数据信号经过信道仿真箱衰减不同的衰减值后，使用频谱仪测试衰减后的标准数据信号衰减程度是否和信道仿真箱理论衰减值一致。设置仿真箱的理论衰减值分别为0 dBm、20 dBm、40 dBm、60 dBm，频谱仪测试结果如图4所示。

图4各个频点的数据见表1。

测试使用标准信号是宽带载波模块的频段范围0.7 MHz～3 MHz，从频谱仪测试图可分析到频带外信号底噪较大，频带内在0 dB、20 dB和40 dB时，实测的衰减度和理论相吻合，由于60 db因频谱仪本身底噪较大，本地噪声掩盖了信号，因此不做讨论。通过测试说明信道仿真箱的理论设计值与实测一致，可以用来模拟组网信道对计量设备的检测。

2.2 通信组网性能验证

宽带载波网络是自动组网、动态路由、实时更新的网状网络[14-15]，是基于信道质量、信号强度、路径最短等因素构成的复杂算法网络，该文通过组网性能验证算法流程如图5所示，监测每个设备状态信息、统计分析节点入网时间、高频数据通信成功率、中继节点移除修复能力、游离节点入网测试和数据采集准确性等方法，验证组网的效率、稳定性、可修复性和准确性。并可通过监测数据，分析网络运行水平，调整HPLC性能参数，对通信网络进行持续优化。

2.2.1 设备入网效率验证

图4 宽带载波衰减测试比对

表1 不同频点不同衰减值测试数据

系统共3个装置，每个装置挂表96台，共计288台载波表，载波表上HPLC具有唯一的ID，在集中器搜表流程中，HPLC电表从节点发送关联请求将该ID信息和表计信息一起上报给集中器上的载波模块CCO，CCO核对表计档案并对请求入网的站点进行管理认证，白名单内的发送关联确认报文允许表计节点入网，不在白名单内则拒绝其入网。集中器存储搜表结果上报测控平台软件模拟主站，模拟主站记录设备入网信息，按时间梯度的方式对测试实验结果进行图形化展示，表计入网时间统计如图6 所示，288台载波表在60 min内入网情况符合某模块厂家的测试结果，因此测试系统入网测试方式可行。以此测试数据评价载波厂家模块的组网效率。假设检测样本总数N，规定时间t内的入网个数n（t）占比样本总数N的比值来衡量组网效率，μ（t）为入网效率，算法如下：

结合平台软件通过时间梯度的方式来统计入网数量，如在规定的时间t秒，梯度周期Δt秒下，多个Δtk，（k=0，1，2，……m）内入网平均效率，根据公式（1）和图6柱状图，对每个梯度周期Δt内的上线节点求和，再取平均值得：

μ(t)为入网平均效率，数值越大，效率越高，入网速度越快，组网性能越好。实际模型中，当时，须根据样本数量选择合适的时间t：

τ为一块表的平均入网时间。

图5 组网性能验证算法流程图

实际应用中在无中继点抄1块表约1.8 s，按平均中继路由7级计算1块表的时间为12.6 s，根据公式（3）计算288件下发继电器控制命令使站点STA表T断电，检测K表重新上线时间，如图7所示，查看站点STA表K上一级路由为站点STA表M，证明HPLC网络具备实时更新的能力，移除中继节点后自动修复网络，以此验证宽带载波组网的中继功能和路由更新性能。

3 结语

该文依据电网公司对宽带载波HPLC深化应用功能升级改造、完成精益化管理的需求，设计多功能组网通信测试系统，通过采用真实的各种采集终端和载波电表，模拟现场复杂的用电采集系统环境，利用宽带载波信号仿真箱模拟长距离电力线的衰减情况，利用载波带载能力控制模块模拟现场不同客户的负载情况，充分发挥智能化测控平台软件功能。监测在不同载波环境下，通过对通信成功率、组网效率、通信可靠性等电网公司计量中心要求的宽带载波测试功能，进行综合分析，判断相应制造厂商通信模块及采集设备性能的优劣，从而选择稳定、抗干扰能力强以及组网效率高的用电信息采集设备，确保入网采集设备的品质，减少入网后的维护工作，提高电力建设效益。块表的时间t=288×12.6=3628.8 s，因此案例中取时间60 min，以梯度5 min来计算。

图6 表计入网时间统计

2.2.2 路由修复能力验证

路由修复能力是宽带载波组网性能的重要指标，测控软件实现网络状态实时图形化展示，反映网络拓扑信息、节点厂商信息、标注邻域主节点信息和通信性能指标。如图8界面可设置信道仿真箱衰减值，并以不同颜色区分表计配置，显示在线和离线状态。通过测试数据分析不同厂家HPLC模块的组网性能。

HPLC组网路由性能测试如图7所示，图中标识说明为：

CCO：载波协调器，集中器或终端上配置的路由HPLC模块；

PCO：路由站点，采集器上配置的HPLC模块。

STA： 无路由功能站点，电表上配置的HPLC模块。

A～N：字母A到N即为分布在不同位置的HPLC设备。

在衰减模式下，测控软件读出站点STA表K上一级路由站点PCO表T，确定T为非中央协调器CCO终端A，测控软

图7 宽带载波组网修复拓扑图

图8 通信组网软件截图