电力线通信技术用于设备监控系统的研究分析

孙 滨，王 浩

（国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京 211106）

0 引 言

设备监控系统是保证设备正常运行的重要工具。在设备出现问题或故障时，监控系统能够及时向维护人员或上级系统发出警示，是一种低投入、高效的保障机制。此外，监控系统本身结构会受到电力环境的影响，企业可以利用电力通信技术保证监控系统中电力和网络的稳定性，提高监控系统的使用寿命，同时提升监控系统的使用效率。

1 电力线通信技术概述

电 力 线 通 信 技 术（Power Line Communication，PLC）利用已有的电源媒介来进行数据和能量的传送，在对数据进行调制的同时，利用耦合器将其与供电介质相连接。具有数据的高频载波信号与一般工作频率信号处于两个频带，不需要再进行线路改造，能够实现一网两用，既可以进行语音、图像和视频信号的传送，又不会对能量传输造成任何的干扰，从而降低通信的复杂性。PLC主要有两种，分别是窄带PLC和宽带PLC。其中，窄带PLC控制频率为3～500 kHz、物理层通信宽带不超过1 Mb/s，通常采用移相键控（Phase Shift Keying，PSK）、动态频谱共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）等多种调制模式；宽带PLC则以以太网络为基础，将频率控制在1.8～30 MHz，物理层通信带宽大于200 Mb/s。由于电力网络的覆盖面较广，因此在电力网络建设中采用电力线通信技术是目前最具竞争性的技术手段[1]。

2 设备监控系统的研究意义

随着科技水平的不断提高，电子系统的集成化程度也在不断提升。一个集成化的系统中通常包含多台设备，当其中的装置出现故障时，采用常规的手工维修方法不但耗时，而且受现场的干扰还会存在很大的随机性，导致检测数据有偏差，无法精确地找到异常的设备和数据，从而影响设备的日常维修。通过有线设备监控系统对装置运行状况进行实时监测，根据收集到的资料进行处理、分析，从而帮助技术人员实时了解不同设备的运行状况[2]。

3 电力线通信技术用于设备监控系统的研究分析

3.1 通信信道测试与分析

3.1.1 物理信道及拓扑结构

该项目采用PLC通信的物理信道，由4个短接头铜排将3根主铜排相连。铜排上的负载由AC/DC模块和节点组成，并配有风扇，其中AC/DC供电采用48 V直流电源。验收环境内的全部负载都是由铜排进行取电和供电。PLC通信的物理信道拓扑结构如图1所示，其中用圆圈标注的位置是此次信道测试的测量点。

图1 PLC通信的物理信道拓扑结构

3.1.2 信道阻抗测试与分析

电力线信道的阻抗性可以从某种意义上反映出这种电力线在高速信号传输过程中的阻尼效应，即信道中信号的衰减强度。信号在传输过程中，只有当通信节点的输出阻抗与信道的输入阻抗匹配时，才能使信号功率达到最大。然而，在设计初期，电力线信道并未将其视为50 Ω的传输线。从某一端看实际的电力线信道，其输入阻抗随时间的推移而发生动态改变，在线路上实现阻抗的匹配是非常困难的。在电力网络中，高频信号碰到不符合的节点时会出现反射效应，进而导致多径效应、时变特性及频率选择性衰减。

3.1.3 衰减特性

供电插头的损失很少，-1 dB的最低损失几乎可以忽略。单根铜片具有很强的衰减特性，并有一个-35 dB的深度衰减区。通过对其他位置的衰减测试，可以得知铜排在很大程度上决定了整个系统的传输能力。通过比较不同铜排之间的对角位置和最大距离位置的传输特性，发现短铜线对信号的相位特性影响很大，且存在较多的相位突变频点。相位的改变会使通信信号产生延时现象，在一定的频带范围内，由于相位的差异，多个子载波的传输会产生不同的延迟，从而造成符号间的交互作用，因此必须采用正交频分复用调制和解调的载波芯片来进行。不同铜排对角线的振幅会有很大的衰减，并产生-60 dB的深衰落区域，从而使相位突变点增加。由于短接铜排对信号的减弱有较大影响，因此最后的验收必须在相同的铜排上进行。

3.2 CSMA/CA协议分析

3.2.1 CSMA/CA协议介绍

载 波 侦 听 /冲 突 避 免（Carrier Sense Multiple Access/Conflict Avoiding，CSMA/CA）是基于竞争的随机接入技术，可以降低两个以上站点的数据传输过程中发生冲突的概率。在网络中存在数据要传送的情况下，每个节点都要根据一定的竞争原则来争夺信道的使用权，最大限度地降低了碰撞，使信道的使用效率得到了有效提高。CSMA/CA协议可以最大限度避免多个节点在同一信道内的数据传送，减少了网络间的冲突。

3.2.2 CSMA/CA吞吐量

根据课题需求，本文所研制的PLC总线能够最大实现30个结点，每一个结点的数据传输速率都在4 Mb/s以上，系统吞吐量能达到要求。在不计优先级的前提下，CSMA/CA协议对所有的节点都是平等的，在相同情况下各节点的接入信道概率是相同的，而且各节点的传输带宽也大致相同，因此可以根据PLC总线上的吞吐量和节点数量的相关性来判定每个结点的逻辑带宽是否符合要求[3]。

3.3 硬件设计

3.3.1 调制解调芯片需求分析

根据相同位置铜排的传输特性，信号在5 Hz～100 MHz的通信带宽范围内，最大衰减约为50 dB。通过对铜导线最长距离的分析，信号在5 Hz～100 MHz的通信带宽范围内，最大损耗约为60 dB。为保证所设计的PLC通信链路可达到200 Mb/s的通信带宽，选用的调制解调芯片必须能达到超过200 Mb/s的通信带宽。在综合考虑信道中节点、电源等负载噪声注入因素的情况下，选用的调制解调芯片应当能够有效消除信道中的脉冲干扰，对脉冲噪声具有一定的抑制作用[4]。在满足一定的传输频段时，所选用的调制解调芯片在多址接入解决方案中要能支持CSMA/CA。

3.3.2 LISN电路

LISN电路既能抑制后电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）滤波器中的电容器对于信号的衰减作用，又能减少由切换供电线路造成的阻抗变化，同时避免开关电源所生成的噪音传至前级。

3.3.3 缓起电路

铜排中有48 V的直流电源，一旦单板进行插拔，不仅会使连接器的机械触点发生跳跃导致电源发生振动，造成系统断路或重新启动，而且也会因电容器的存在而产生大量的冲击电流。根据上述理论，在单板连接电源后，应在极短时间内切断其供电路径，并在单片稳定插入后进行充电[5]。

3.3.4 滤波电路

开关供电中存在着两种干扰，分别是差模干扰和共模干扰。在电路的设计中，为了有效消除差模和共模干扰，通常将EMI滤波器引入到切换功率的输入端。本课题采用直流48 V供电，其中切换电源模块为主要的噪音源，不但会对通信系统的传送造成一定影响，而且噪音中的高频率脉冲还会干扰载波芯片的主动前端（Active Front End，AFE），因此必须在前端增加EMI滤波器[6]。

3.4 软件要求

3.4.1 软件测试内容

在PC上实现对参数的分配，使其在进行调试时无须修改和烧录软件。在实际应用中，传输的通信带宽不低于200 Mb/s，最大可支援30个从站，每个从站的通信速度均不低于4 Mb/s。主次节点应对发送和接收的资料进行分节点统计，包括发送帧数目、接收帧数目、每个节点信道率、PLC信道的整体速度等。此外，还要提供循环测试和统计结果显示。

3.4.2 主节点控制程序

在Linux开始运行时，先对其进行初始化，获得网络卡的位址等。在网卡正常运行后，建立一个用于用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）传送的初始套接字。在完成以上操作后，主节点会打开独立的线程来接收从节点的全部控制画面，然后再进入到开发者的操作界面。主节点控制程序包括建立开始测试和循环测试模式、采集全部从节点MAC地址、输入和发送配置信息以及发送配置信息到所有从节点[7]。

3.4.3 PLC链路优势

PLC利用已有的供电线路进行数据传送，不需要布线，适用于空间有限、布线困难的场合，可大大减少维修费用[8]。各PLC链路中的节点在各网络中的角色与位置均等，每一个节点均能充当主要的数据收集节点。如果局部网络中的主节点发生故障，不能采集到任何资料，则从节点可以作为一个临时主节点，接收由其他从节点发送的数据，提高监控系统的可靠性[9]。此外，PLC链路能够实现高清晰度的图像数据传送[10]。

4 结 语

当企业将电力线通信技术用于设备监测时，需要了解技术特点并做好测试工作，合理选择应用协议。此外，企业还要做好软件与硬件设计，从多个方面充分利用电力线通信技术的优点，构建符合自身需求的设备监控系统，从而实现健康长久发展。