宽带电力线载波(HPLC)一体化嵌入式系统及关键技术

2022-11-08冯笑邓惠贤陈武董腾飞廖应霞

电气自动化 2022年3期

冯笑，邓惠贤，陈武，董腾飞，廖应霞

(国网信通亿力科技有限责任公司,福建福州 350001)

0 引言

宽带电力线载波(HPLC)是一种新型和速度较高的电力线通信载波方式，该技术在国内领域中也得到相关研究。文献[1]采用泛在物联网技术，将高速电力载波技术应用于台区线损治理中，在试点台区安装低压配网监测终端及其主站系统，并研究由此构成的泛在电力物联网基本形态。该技术虽然在一定程度上提高了数据采集成功率和线损合理率，对于监控户变关系起到一定的积极作用，但是对数据的采集和计算并没有提及，用户难以获取通信过程中的数据信息。文献[2]提出了宽带多输入多输出电力线载波通信设计模型,充分考虑了载波信道空间的关联性，为多输入多输出电力线载波的研究提供了可靠的分析方法。虽然提高了通信效率，但并不能实现通信链路的故障评估。

针对上述不足，本文提出了一种新型的宽带电力线载波(HPLC)一体化嵌入式系统。

1 总体方案设计

本文开展了新型HPLC模组的硬件架构研究，采用国产高性能工业级MCU芯片，依据已有的智能融合终端和模组化能源控制器通信模组尺寸要求，从硬件平台、嵌入式系统及驱动三方面进行研究。采用HPLC网络感应硬件[3]，实现监听回路可监听，获得完整的通信数据，形成新型HPLC模组硬件平台。总体架构示意图如图1所示。

本文的创新点如上。

(1) 采用嵌入式技术，提高了外观整体形象，便携能力强，集成化程度高，改变了常规技术中各个模块分散的局面。

(2) 采用双模数据采集技术，通过对双模通信模块的硬件结构进行设计，实现了嵌入式工作，提高了采集效率。

(3) 设计出新型的通信模块，构建出不同通信链路下的故障评估，实现了通信模块的平稳调整。

在工作时，供电公司终端设置有通信接口，采集单元通过通信接口与供电公司终端连接。采集单元、集中器接收采集单元输出的数据信息，通过宽带电力线载波HPLC实现数据的通信[4]。集中器还连接有耦合器，耦合器设置有断口，通过该断口连接有通信使用的电力线。在中央控制中心的控制下，实现电力线通信的数据诊断，诊断信息被传递到上层物业管理中心，一旦发生故障，可立即通知管理人员，降低了故障发生的概率，保证电网处于安全、稳定的运行状态[5]。

图1 新型HPLC模组的硬件架构

2 关键技术设计

2.1 采集单元设计

采用双模数据采集的方式实现数据采集。硬件结构包括中央控制中心、计算模块、显示单元、控制单元、存储单元、通信电路和电源等。电源包括常用电源和备用电源[6]。采集单元的硬件设计示意图如图2所示。

图2 采集单元硬件设计示意图

由图2可知其技术优点在于：数据通信过程中，采用双向通信的方式，即双模信道，应用过程通过集中器即可完成，无需将主站参与进来，这样便利了数据采集，降低了系统的复杂度[7]。

中央控制中心采用的硬件芯片类型为S3C2440。该芯片技术速度快，能够融合电力线宽带载波技术，通过采用红外通信技术、RS485通信技术和分组无线服务(GPRS)技术等，最终实现与上层管理中心的信息交互[8]。采用的软件系统为嵌入式Linux操作系统，该系统通过多路I/O接口，能够实现多种数据信息的交互，提高数据交互能力。

图3 DSP硬件技术设计示意图

在计算模块中，采用了DSP计算技术，该计算系统为DSP核和ARM核组合在一起的双核强力芯片，DSP核为TMS321VC5501型号，APM核为三星的S3C-44BOX型号[9]。DSP部分主要负责采样、信号处理和控制保护功能，而APM部分主要负责数据传输和数据显示控制功能。首先来说DSP部分，通过电流互感器与电压互感器得到的电能质量数据样本，经过A/D变换采样触发信号，再经低噪声、高输入阻抗对信号进行处理，并转化为数字信号，然后传输至DSP中进行信号的运算和处理[10]。DSP硬件技术设计示意图如图3所示。

在该模块中融合嵌入式软件，实现了嵌入式计算。在进行嵌入式计算时，融合了EMD算法。该算法能够从采集到的数据信息中，快速、准确地输出基函数，进而输出分辨率较高的数据信息，降低计算难度。EMD算法在应用过程中，首先假设其采集到的数据信息为X(t)，为了评估计算的准确性，假设所有的网络数据信息中，以其中一个数据项目为例，如果最小值用字母Xmin(t)表示，则最大值可以为Xmax(t)，然后对最大值和最小值进行数据拟合。采用的拟合方法为插值算法，输出的平均包络数据信息用字母m1(t)表示，通过上述说明，则采集到的数据信息可以为：

(1)

对式(1)进一步计算，则有

d1(t)=X(t)-m1(t)

(2)

式中:d1(t)为剩余信号。在门限值不小于筛分门限值(SD)的情况下，输出第一阶模态分量c1(t)(第一IMF)，在式(2)的计算过程中，其中的筛分门限值通常可以设置<0.5的数值。计算公式如式(3)所示。

(3)

式中:dk(t)为筛分门限值为k下的剩余信号。第一阶残差量r1(t)的计算公式可以用式(4)表示。

r1(t)=X(t)-c1(t)

(4)

为了提高计算的精确度，可以反复迭代计算，在进行n次计算之后，输出的数据信息为第n阶cn(t)、rn(t)，其中:cn(t)为模拟函数;rn(t)为残差量。启动EMD算法，通过数据分解，最终输出采集到的数据信息为：

(5)

通过上述技术计算，提高了数据计算能力，增加了HPLC模组工作过程中的计算量。

2.2 通信单元设计

硬件结构主要包括接发射器、接收器、微处理器以及耦合电路等，如图4所示。

图4 通信单元硬件结构设计

图 4中，发射器、接收器的型号分别采用MAX2986和MAX2980，采用的微处理器为W90N740，采用的耦合电路为单片机技术。MAX2986模块的输出端与MAX2980模块的输入端连接，其中MAX2986模块与MAX2980模块之间还通过AFE端口连接。电力线终端接收到的数据信息经过电力数据解包，将数据信息转换为MII帧，W90N740处理器通过MAX232实现电力数据电平的转换。该芯片为32位微处理器，通过嵌入式硬件设计，本文还配置了底层软件设计。该软件设计主要功能是实现宽带电力线载波在通信过程中的失效概率评估。宽带电力线载波通信正常与否是系统正常运行的关键，整体失效算法如式(6)所示。

(6)

式中:Pk为宽带电力线载波通信过程中第k个通信出现的故障率;Pki为ki个数据线路中出现通信的故障率；Pk*fj为提取故障信号后，整个宽带电力线载波发生通信故障的效率。假设在整个宽带电力线载波通信中，发生故障的几率通过式(7)计算，则有：

P=P1×P2

(7)

式中:P1为第一通信链路的故障发生率;P2为第二通信链路的故障发生率。假设整个宽带电力线载波通信的故障发生率为P2.1，当前宽带电力线载波通信的故障发生率为P2.1.i，则存在以下关系式：

R2.1=P2.1×LE1

(8)

式中:R2.1为整套系统存在运行风险的结果;LE1为第一通信电路中发生故障的原因。在构建数据评价模型时，当宽带电力线载波通信中存在k个相邻电力通信链路时，则通过式(9)表示。

R2.2.k=P1.k×P2.2×LE2.2.k

(9)

式中:P1.k为宽带电力线载波通信网络中第k条通信链路发生故障的概率;LE2.2.k为当前第k条宽带电力线载波通信线路与目前正在运行的宽带电力线载波通信同时运行时的计算结果。整个宽带电力线载波通信线路发生故障的概率值为：

(10)

通过上述公式计算，即可实现通信电路的评估，提高了宽带电力线载波在通信过程中的稳定性和运行风险的评估能力。

3 试验与分析

在实验室环境内，采用MATLAB2017仿真技术，人工设置通信场景，利用本研究采用的技术进行模拟仿真。在MATLAB2013b软件的基础上构建Simulink-Function仿真模型。所用的计算机操作系统为Windows10，64位，计算机的开发工具为Visual Studio 2019，OpenCV 3.0。计算机的硬件环境为CPU：Inter(R)Core(TM)i7；主频为2.59 GHz；内存16G。