用电信息采集系统中电力线载波通信分析

用电信息采集系统中电力线载波通信分析

储神记

（国网怀宁县供电公司安徽安庆246121）

摘要：随着电力线载波技术的发展，电力线在用电信息采集系统中作为下行通信信道得到了广泛推广。电力线是一类特殊的通信媒介，有着特殊的通信环境特点，载波信号也具有特殊的衰减特性，本文就电力线载波通信环境特点和载波信号衰减做了分析，总结提高电力线载波可靠性的路径。

关键词：用电信息采集；电力线载波；信号衰减特性；可靠性

前言

用电信息采集系统实现了电能表计的电能量数据、负荷类数据和事件类数据的全采集，建立了庞大数据库，为营销、生产提供各类基础信息。在用电信息采集系统中，本地通信通道有微功率无线、RS485线和低压电力线等[1]。由于低压电力线载波通信方式具有不用布线、覆盖范围广、连接方便、功能灵活、安装便捷、扩展容易、运维方便等显著特点在用电信息采集系统中得到广泛推广。

1、低压电力线载波

电力载波通讯（PowerlineCommunication，即PLC）指利用现有电力线作为通信的媒介，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输，其基本原理框图如图1。

2、电力线载波通信环境特点

尽管低压电力线载波有诸多的优点，但还未达到令人满意的通讯水平，其原因是由电力线载波特殊的传输环境。

2.1信号阻隔

电力变压器的短路阻抗对高频载波信号呈现隔断特性，所以电力载波信号通常只能在一个配电变压器区域范围内传递。

不同相之间的信号传输需要借助于三相负载或变压器，因此信号在不同相间传输有很大损失，能达到10dB-30dB，当通讯距离较远时，不同相之间无法通信。

2.2线路噪声复杂

线路的噪声能够干扰到载波信号使其无法传递下去。线路的噪声来源于三个方面：一是电力线本身具有的脉冲噪声，正弦波在每个周期内会出现两次峰值，就会带来两次脉冲干扰。二是用电设备带来的噪声，电力线上各类设备的投切、出力变化都会带来冲击性能量。三是外界环境带来的噪声，电力线路多为架空线路，直击雷过电流、感性雷过电压时常出现，线路如天线接收着周围环境的电磁波。

2.3线路负荷阻抗具有时变性

低压配电台区为居民和一般工商业用户提供电能，其用电负荷随着时间变化，用电设备的投切具有随意性，因此线路负荷阻抗具有时变性和波动性。当台区负荷分配不合理，供电半径过长，存在大量容性负载和大量T接分支线时，会加剧载波通道的阻抗变化，甚至中断通信。现场实测表明，在波动幅度达到1/2左右时，对载波通道衰减将产生严重的影响[2]。

负荷重，线路阻抗小；负荷轻，线路阻抗大，这使得载波装置不能采用匹配阻抗输出。

3、电力载波信号的衰减特性

信号传输都存在着损耗，而损耗将直接影响目标节点接受到的信号强度，电力线上的衰减信号有如下特点：

(1)与载波频率相关：高频衰减远大于低频衰减。

(2)与时间相关：由于用电设备投切的随机性，使得载波信号衰减具有时变性。

(3)与位置相关：由于电力线拓扑复杂，传输介质多种多样，当阻抗不匹配时会出现信号反射，出现驻波或振铃。每个节点有不同的分布负载，使得衰减与位置的关系最为复杂。

4、提高电力载波通信的可靠性

就电力线载波通信环境特点和电力载波信号的衰减特性，我们可以从以下几个方面入手来提高用电信息采集系统载波通信的可靠性与稳定性。

4.1合理布点

从载波通信的国内外运行的情况来看，国内的可靠性低于国外，其原因之一是国内配变变压器供电半径过长，信号衰损较大。配变的合理布点，能够降低载波信号的衰损。

4.2提高物理输出能力

香农定理指出在高斯白噪音条件下，通信速率的极限传输速率信道传输容量表示为：式中C为信号传输速率，B为信号带宽，S为信号平均功率，N为噪声功率。可见增大载波信号的带宽、增大载波信号的发射功率，能够增大传输速率，但这受实际生产限制。

4.3采用自动中继技术

电力线上高衰减、高噪声、时变性大的特点使得系统中节点之间的通信距离大大的缩短，因此在低压电力线载波技术中引入中继来增加了节点之间抗衰减的能力。随着产品智能化程度提高，自动中继成为可能。流程可如下：

第一步：根据上位机下发的中继链路关系进行抄表。

第二步：如果有电表没抄到，则依据自动寻找中继链路的执行过程进行中继链路搜索抄表。

第三步：如果自动中继抄表成功，则将中继链路关系取代原有下发的中继链路关系。

第四步：如果使用下发中继的链路关系抄表不成功，则将本表中继链路清空。

第五步：如果中继链路超长（建议3级中继以上），则将本表中继链路清空。

4.4动态灵活组网

在低压采集系统中，采取中继的技术后发现大部分下行链路可能是2级深度，但上行链路可能是4级深度，可见如果人为的固定了子网的路由节点，实行静态组网势必给通讯造成巨大障碍。

借助可预测p-保持CSMA（载波侦听多路访问）技术和采用洪遍算法，能够实现不依赖网络拓扑结构的分布式组网方式。不需要借助历史数据，不固定子网范围，而是根据通讯时的电网状态随机应变，实现动态灵活组网。

4.5优化采集策略

集中器引入自学习机制，优化采集时间。利用集中器的交采或通过RS485采集到的主表负荷电流对台区的负荷情况进行监听，负荷较轻时，可以增加采集频度，负荷重时，少采或不采，提高采集成功率，并减轻集中器工作负担。

集中器抄读数据按测量点号进行，合理设置在一轮抄表中某一测量点抄表失败次数，建议不超过3。

在一轮抄表中，一个测量点需要抄读多项数据，若第一个数据抄读失败，则放弃剩余项数据的抄读，抄读下一个测量点。

集中器抄读某一测量点数据宜先抄读日数据，再抄读月数据；先抄冻结数据，再抄实时数据。

5、结束语

电力线载波信号传输环境决定着载波信号在电力线上损耗特性，合理布点，突破物理层设计，优化通信层是提高载波通信可靠性的途径，本文对此做了概述，在生产中起到参考作用。

参考文献

[1]姜海.用电信息采集系统远程通讯方案[J].电力系统通信.2010.10.

[2]戚佳金，陈雪萍，刘晓胜.低压电力线载波通信技术研究发展[A].电网技术,2010.5.

[3]金凌英.电力线载波通信系统中信号干扰和扩频技术的研究.硕士学位论文,2008.10.