摘要：针对低压集抄载波通信信道的特点，深入研究了可用于智能电网的电力线载波通信技术的通信性能测试方法，提出了基于固定通信次数的灵敏度范围夹挤算法，研制了用于现场测试载波通信单元通信性能的装置，开发了一套应用于试验系统的自动测试软件。该装置可以改变电力线载波通信信道参数，对中心频率不同的两种载波通信技术方案进行接收灵敏度、正确性测试。
关键词：低压集抄；集抄载波模块；系统研制；检测应用
1 引言
用电信息采集系统是坚强智能电网的物理基础，高速、双向、实时的通信技术是用电信息采集系统建设的关键环节。电力线载波通信作为用电信息采集系统的一种基本通信方式，具有建设成本低、覆盖范围广、无后续工程的优势，在电力行业和其他相关领域得到广泛应用。但由于低压配电线路存在信号衰减大、阻抗变化大、噪声源多且干扰强等诸多不利因素，造成通信环境差、可靠性低等较为严重的问题，因此，如何改善低压集抄载波通信运行环境、提高数据传输的可靠性，成为国内外专家、学者研究的热点问题。目前，载波通信技术有多种实现方案，载波信号调制方式、中心频点、路由协议及信号耦合方式各不相同。尽管每种技术都有其独特的优越性，但也有其不利因素。针对不同的通信技术方案，本文深入研究了可用于智能电网建设的低压集抄载波通信性能测试方法，提出了基于固定通信次数的灵敏度范围夹挤算法，研制了载波通信信道参数可控的载波通信测试装置，开发了用于该测试系统的自动测试软件。该装置可以根据测试方案模拟采集终端到载波电能表的通信信道，在改变通信信道参数的基础上，对不同中心频率的技术方案的通信性能进行分析，为选取最佳的通信技术方案、加快推进用电信息采集系统和坚强智能电网建设提供技术支撑[1] 同时丰富集抄运维的手段。
2载波模块测试系统的组成结构及工作原理
2.1 组成结构
载波通信测试系统硬件由测试台体和主机组成，测试台体与计算机主机之间用以太网连接，通过操作主机对测试台体进行控制，改变信道参数并采集载波电能表的数据信息。测试台体由净化电源、程控衰减器、固有衰减网络、阻抗网络、信号发生器、频谱仪、示波器、工控机、表台组成。
2.2 工作原理
测试台体的主要功能是提供从采集终端到载波电能表的双向可控可测的电力线载波通信信道，测试采集终端和载波电能表在不同参数信道中的通信能力以及对信道的影响。在任意一次测试中，需要采集终端与载波电能表进行若干次通信，每次成功的通信都是下行、上行两次信息传输，主要包括采集终端发送、载波电能表接收、载波电能表发送、采集终端接收四部分[2]。测试时，在主机中开启采集系统主站，通过GPRS、以太网或串口连接采集终端，向采集终端发送采集载波电能表数据的指令。采集终端收到指令后，以载波方式向载波电能表发送抄表报文，经过噪声注入、信道衰减、阻抗变化后到达载波电能表。载波电能表接收报文后，将对应的信息组帧后返回给采集终端，同样经过噪声注入、信道衰减、阻抗变化的过程。如果采集终端能够正常接收到返回报文，发送至采集系统主站并且解析无误，则判定此次通信成功。通过改变信道参数并对当前信道参数下的通信成功率进行分析，可以判断得出当前采集终端与载波电能表所组成通信系统的临界指标。为避免载波信号由发送端通过衰减网络及阻抗网络之外的信道到达接收端，本系统开发了由净化电源、交直流转换及锁相环组成的电力线载波通信环境，从净化电源引出两条线路，分别通过AC-DC-AC转换后再接入采集终端和载波电能表，达到隔离外界载波信号的目的。在两条线路间加以锁相环，以避免相位差造成电压差。考虑到锁相环失效时的保护，加入固有衰减网络以防电压差造成程控衰减器的损坏。频谱仪和示波器可以选择接入位置，对采集终端和载波电能表的信号进行测量。
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载波通信测试软件是在主机上开发的一套自动测试系统，可通过GPRS、以太网、RS-232、RS-485等通信方式对测试台体进行远程控制，能够分别与采集终端、抄控器和载波电能表进行通信，其连接方式如图2所示。测试软件通过以太网向测试台体下发控制命令，读取频谱仪和示波器的测量结果，通过GPRS、以太网或RS-232与采集终端通信，通过RS-232或RS-485方式与抄控器通信，通过RS-485方式与载波电能表通信，直接采集表内数据[3]。
3算法描述
以单相电能表载波模块的接收灵敏度测试为例。此项测试的目的是通过控制程控衰减器不断改变通信信道中的信号电平值，得到载波电能表正常通信情况下的接收灵敏度。作为接收灵敏度测试的基础，首先要测试载波通信时的带内频谱，得到带内最大电平值。之后调整程控衰减器，与固有衰减网络组合得到通信信道中的信号衰减值，进而得到衰减后的信号电平值。
在能维持正常通信的条件下不断增加信号衰减，通信成功率达到临界值时通信信道中的信号电平值即为载波电能表的接收灵敏度。由于不同载波通信技术的通信频率及调制方式各不相同，通信成功率须在主站侧按照通信协议以一次完整的下行及上行通信为基本单位进行计算，这也导致了短期测试中通信成功率计算值和程控衰减器衰减调整值的离散化。在某一稳定的通信信道环境中，精确测量通信成功率需要以较多的通信次数为基础，而信号衰减值的连续调整又会使需要测试的稳定通信信道环境过于密集，所以在兼顾效率的接收灵敏度二者都以通信成功率为判定基础。通信成功率到达临界值时有必要提高精确度，所以引入一定的冗余度。短期测试中有必要采用基于固定通信次数的灵敏度范围夹挤算法。
测试过程共分为接收灵敏度上下限定位和接收灵敏度范围夹挤两部分，其中上下限定位是范围夹挤的基础，并且在一次通信成功率判定周期中，以95%的成功率作为通信成功的判定标准，首先进行20次通信。若此时通信成功率处于临界值95%，则追加10次通信，之后再按照95%的成功率进行判定。在上下限定位步骤中，首先按照经验值将测量值设为带内最大电平的0.03%进行通信，如果通信成功则将此测量值暂设为上限，取上限的5%进行下一次测试；反之如果通信失败，则将此测量值暂设为下限，取下限的20倍进行下一次测试。上限和下限均得到之后，其间的范围则作为接收灵敏度上下限范围。在范围夹挤步骤中，每次将测量值设为范围的中点进行通信，如果通信成功则将此值设为新的上限；反之如果通信失败则将此值设为新的下限。当新的范围小于所需接收灵敏度分辨率时停止夹挤，以此范围的上限作为当前单相电能表载波模块的接收灵敏度。
4 结束语
低压电力线载波通信主要应用于用电信息采集系统中集中器与采集器或集中器与载波电能表之间的数据通信，实现对用户电能表的数据采集和控制。本文研制的测试系统针对低压电力线载波通信环境的特点，设计了模拟采集终端到载波电能表的通信信道，开发了用于该测试系统的自动测试软件，可以在改变通信信道参数的基础上分析不同的通信技术方案，测试结果表明系统设计能够准确测量数据采集终端及智能电能表的工作参数，可以为选取最佳的通信技术方案、加快推进用电信息采集系统和坚强智能电网建设提供技术支撑。
参考文献:
[1]戚佳金, 陈雪萍, 刘晓胜. 低压电力线载波通信技术研究进展[J]. 电网技术, 2017, 34(5): 1161-1172.
[2]黄文焕, 戚佳金, 黄南天, 等. 低压电力线载波通信传输线参数测试与分析[J]. 电力自动化设备, 2018, 28(4): 141-144.
[3]丹梅.自动抄表系统帧中继技术及其实现[J].仪表技术,2012,(1): 115-117.
论文作者:刘念,陶忠升,李兆西,普林华,黄静
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/17
标签：载波论文; 通信论文; 测试论文; 终端论文; 信道论文; 电能表论文; 灵敏度论文; 《电力设备》2018年第26期论文;