智能電網電力線寬帶載波通信測試系統關鍵技術研究

智能電網電力線寬帶載波通信測試系統關鍵技術研究

我國的中低壓配電網環境具有城市人口集中、農村人口相對分散的特征，物理拓撲結構主要為星型和樹型結構 [3]。 城市配電網結構存在單一臺區用戶數量大、環境復雜、分支多、衰減大等特點，低壓配電網連接著眾多的用電設備、家用電器和工商業設備，基本采用開關電源方式供電，傳導騷擾和輻射頻段集中在 30 MHz 頻率以下，與寬帶載波通信頻段重合。 大功率設備和變頻設備在啟動和停止時產生大量的諧波和脈沖噪聲 [4]，嚴重污染寬帶載波通信信道。 低壓配電網供電采用架空線、地埋線、管道線等，線路阻抗不一致; 各用電時段由于接入負載的變化阻抗差異大，信號衰減變化隨機，信道質量瞬變 [5]。

現實使用場景中的噪聲和阻抗變化隨機，使用真實配電網對寬帶載波技術進行測試不具備可行性。由于國內復雜多變的應用環境，載波通信設備的入網許可測試顯得尤為重要。 目前載波通信測試主要使用工頻載波加電能表和集中器配套的測試方案，可測終端數量少，且通信路徑損耗不確定，無法準確標定。 另外由于通信串擾和輻射的存在，測試結果不穩定，可重復性差。 現場測試又由于諸多不確定因素的存在，導致無法準確定量評價載波通信設備的性能。

本文設計的寬帶載波通信檢測系統，采用工頻與載波通信信號分離的方式，可定量和定性分析寬帶載波通信信號的質量、路由能力，測試結果穩定、可靠、可重復; 可滿足國家電網企業標準對性能測試、協議一致性測試、互操作性測試等的要求; 適用于實驗室認證測試和通信組網性能標量評價，可用于國家電網公司要求的入網許可測試和到貨抽檢測試 [6]。

1總體設計方案

寬帶載波測試系統由性能測試子系統、協議測試子系統、互操作測試子系統 3 個部分組成。 其中，性能測試子系統主要測試寬帶載波通信單元物理層發射機性能、接收機性能、抗頻偏性能、抗衰減性能、抗噪聲性能以及通信速率等，由主節點載波通信單元(Central Coordinator， CCO)、子節點載波通信單元(Station， STA)、信號分析儀、信號源、透明收發設備、開關矩陣組成。 協議測試子系統主要測試寬帶載波通信的數據鏈路層、應用層協議，由 CCO、 STA、透明收發設備構成。 互操作性測試子系統主要負責測試通信組網、路由中繼、多網絡協調，由 CCO、信號矩陣、 STA、透明收發設備等組成。 寬帶載波互聯互通協議要求載波通信單元支持 15 級路由中繼，互操作性最小測試系統需要 15 個子節點載波屏蔽單元。

寬帶載波測試系統結構 [7] 由開關矩陣、信號矩陣組成。 通過開關矩陣連接被測 CCO/STA、信號分析儀、信號源、透明收發單元，組成性能測試系統。通過開關矩陣連接 CCO/STA、透明收發設備，組成協議測試系統。 通過主節點屏蔽單元連接開關矩陣、信號矩陣、子節點屏蔽單元，形成互操作系統。 系統設計方案如圖 1 所示。

 

 

1)載波通信單元的發射機性能測試。 將載波通信單元(CCO/STA)放置在主節點屏蔽箱內，設置信號分析儀觸發方式、起始頻率、分辨率帶寬 [8]; 上位機連接測試底板和透明收發單元，下發測試命令; 讀取信號分析儀占用帶寬、帶內功率譜密度以及帶外功率譜密度。

2)載波通信單元接收機性能抗衰減測試。 將一對 CCO 和 STA 分別放置在主節點屏蔽箱和子節點屏蔽箱內，下發子節點表地址啟動組網; 連續抄讀表，統計成功率; 調節開關矩陣的 2 個衰減器的值，直至抄表成功率到達指定限值 90%，讀取 2 個衰減器的衰減值，通過軟件補償中間路徑插入損耗，得到CCO 和 STA 抗衰減值。

3)抗噪聲性能測試。 將 CCO 和 STA 分別放置在主節點和子節點屏蔽箱內，設置噪聲類型分別為脈沖噪聲、窄帶噪聲以及加性高斯白噪聲，測試載波通信單元的抗噪聲性能。

4)協議測試。 將 CCO/STA 放置在主節點箱體內，上位機連接透明收發單元，模擬 STA/CCO 遍歷各場景及類型數據幀，驗證數據鏈路和應用層數據幀格式及內容是否符合技術規范要求。

5)通信組網及路由變更試驗。 將主節點 CCO放置在主節點屏蔽箱體內，透明收發單元設置為偵聽模式，將子節點單元放置在 1-15 號箱體內，調節各級衰減值，讀取中繼路由表，驗證中繼層級是否滿足15 級; 啟動組網命令，讀取組網標志位，獲得組網完成時間和中繼路由表; 啟動抄表，統計抄表時間和成功率。

6)多網絡協調和通信抗串擾測試。分別將CCO 放置在不同箱體內，模擬 CCO 之間強干擾、STA 之間強干擾、多網絡之間的協調共存機制; 啟動載波偵聽單元，偵聽各網絡時隙和信標是否滿足協議規范要求，以及沖突避讓機制是否合理; 啟動組網和抄表流程，統計組網成功率和時間，以及抄表成功率和時間。

2關鍵技術

2.1信號耦合采樣

載波信號使用電力線傳輸，不能直接接入精密儀器進行測量 [9]，需要通過信號耦合取樣的方式將工頻信號和電力線載波信號分離。 本文設計的耦合采樣單元可將工頻信號和載波信號分離，通過耦合電壓濾波器的方式耦合取樣 2~30 MHz 載波信號，并將電力線阻抗轉換成標準 50 Ω 阻抗，解決載波信號依附于強電無法定值準確測量的問題。 電力線信號轉射頻信號電路如圖 2 所示。

 

 

2.2載波信號隔離與輻射屏蔽

載波信號使用 2~30 MHz 頻帶進行傳輸，調制方式為 OFDM[4]，在距離較近的情況下載波輻射功率較大，在無屏蔽條件和隔離條件下互相串擾，無法準確測量。 在載波節點自由組網條件下，網絡拓撲時變且不可控，為準確評價載波通信路由及收發性能，需要純凈的電力線隔離和無線屏蔽環境，各節點之間完全隔離，互不干擾。 本文設計的隔離屏蔽裝置使用了低頻屏蔽箱和電力線濾波器，箱體內既引入了 220 V 強電解決寬帶載波過零檢測的問題，又可隔離外界電力線上的載波信號傳導串擾和空中輻射 [10] 信號。 屏蔽箱電力線隔離和輻射屏蔽結構如圖 3 所示。

 

 

2.3開關矩陣

在性能測試中，需要接入信號分析儀來分析載波通信信號的占用帶寬和功率譜密度，在抗衰減性能測試中 [11] 需要主節點 CCO 和子節點 STA 之間增加衰減，在抗頻偏測試中透明收發單元的參考時鐘偏移需使用信號源提供的高精度時鐘。 同時，通信組網測試需要主節點 CCO 接入信號矩陣和 15 級子節點 STA 通信。 需要將各部分組合連接成一個通信鏈路，通過射頻控制開關實現信號源在噪聲測試和頻偏測試中的切換 [12]。 由于接入的設備眾多，不可避免地需要引入分支器，分支器的損耗可以通過矢量網絡分析儀準確測出，通過耦合插損和分支器損耗補償可精確測試寬帶載波信號。 開關矩陣原理如圖 4 所示。

 

 

2.4信號匯集與控制

在載波通信過程中，要實現通信鏈路的可控，除需要純凈的環境外，還需要物理路徑控制設備——信號矩陣。 通過信號矩陣 [13] 可以實現各節點的接入，同時鏈路上的衰減器可調，從而實現寬帶載波各層級的調控。 根據寬帶技術規范和物理層協議，通信路徑可調衰減在 110 dB 左右，各芯片廠商的性能略有差異。 3 分支功分器理論衰減損耗為 6 dB，15 層中繼分支衰減完全在有效范圍內，最后一級在沒有調節衰減的情況下可以連接到 CCO 主節點，實現星型拓撲 [14]。 各衰減器調節范圍為 0~127 dB，在不考慮插入損耗的情況下，衰減器最大值可完全隔離載波通信信號。 調節信號矩陣衰減值，可實現各級衰減可調，實現樹型拓撲連接。 根據要求，可配置 3 個獨立的信號矩陣，實現真實電網三相電通信的仿真測試，可支持三相不平衡、臺區檔案識別、相位識別 [15] 等高級擴展功能。 信號矩陣原理如圖 5所示。

2.5路徑損耗校正方法

由于開關矩陣中分支器和耦合采樣電路的存在，不可避免地會引入中間路徑損耗，導致測量結果出現偏差。 分支器損耗在 2~30 MHz 范圍內基本一致，耦合采樣電路低頻損耗小，插入損耗則隨著頻率的增加而增大。 信號耦合電路和分支器使用無源器件，雙向信號矢量衰減曲線基本一致。 使用矢量網絡分析儀分別測試 CCO 電力線端到 STA 端和 STA端到 CCO 端 S21 和 S12 衰減曲線，保存測試數據為 .CSV 格式，導入到上位機中，在測試收發性能時以采樣曲線擬合的方式逐點補償，實現 2~30 MHz范圍內的精確補償，誤差值小于 0.2 dB。

 

 

3試驗結果與分析

3.1耦合取樣電路

耦合取樣電路在寬帶載波通信范圍內的衰減小于 1 dB，衰減曲線平滑，符合測試系統的要求。 測試系統中各節點的衰減值可通過矢量網絡分析儀測試后導入，各頻點分段校正，可實現精確測量。 耦合器衰減曲線如圖 6 所示。

 

 

3.2隔離屏蔽

寬帶載波測試要求各屏蔽箱之間電力線隔離，避免各模擬臺區節點的干擾。 屏蔽箱方案設計和使用的電源濾波器隔離度在寬帶載波頻率范圍內可達70 dB。 所有箱體共用同一電源，利用寬帶載波設備實測兩個屏蔽箱之間電力線完全不能通信，可達到電力線完全隔離的要求。 濾波后載波傳導信號大幅衰減，接近底噪，濾波效果良好。 電力線載波傳導信號曲線如圖 7 所示。

 

 

 

寬帶載波信號由于頻率為 2~12 MHz，因此空間輻射不能忽略，特別是寬帶載波設備相隔太近時，在沒有物理連接的情況下可以通過空間輻射相互通信，所以在測試系統中需要完全隔離不同屏蔽箱體間的空間輻射信號。 本方案采用的低頻屏蔽箱箱體屏蔽效能可達 70 dB，能夠完全屏蔽各屏蔽箱之間的空間輻射，隔離不同載波通信單元之間的通信干擾，提供純凈的傳導和輻射測試環境，可模擬完全隔離的臺區和無限遠的開闊場地，通過隔離和屏蔽實現通信路徑的可調可控，確保測試數據精確、一致性好、可重復。 電力線載波信號空間輻射信號曲線如圖 9 所示。

 

 

電力線載波信號屏蔽后空間輻射信號曲線如圖10 所示。

 

 

3.3開關矩陣

將本文方案應用于實際寬帶載波測試系統中，真實 CCO 通過開關矩陣連接子節點的路徑損耗如圖 11 所示，在寬帶載波實際使用的頻率范圍內的損耗值在 12.0~12.2 dB 之間，波動范圍小于 0.2 dB，符合實際使用需求和設計預期。 通過軟件逐點補償的方式可以達到精確測量的目的，實現系統的高精度測試和測量。

 

 

3.4信號矩陣

信號矩陣用于互操作性測試中的路由中繼測試和通信組網測試，調節信號矩陣衰減器衰減值，通過透明收發單元和查詢主節點可得到實際通信單元的路由拓撲圖。 實際測試時應用某公司的寬帶載波通信單元驗證結果如下： 通過軟件查詢路由信息表，繪制各節點路徑關系圖，在所有衰減器值調為 0 的情況下可得到所有子節點在同一層級的星型拓撲圖，與方案設計預期完全一致。 寬帶載波通信單元星型拓撲如圖 12 所示

 

 

根據性能測試中得到的衰減值設置各級鏈路上的衰減器，查詢 CCO 主節點路由表繪制拓撲圖，可得到理想的 15 級路由拓撲圖，與設計方案預期完全一致。 寬帶載波通信單元線形路由拓撲如圖 13所示。

 

 

在間隔節點設置 90 dB 衰減，形成樹形拓撲，修改臨近節點的衰減值可設置成為多網絡拓撲，滿足樹型網絡拓撲結構和多網絡協調測試拓撲環境。 寬帶載波通信單元樹型拓撲如圖 14 所示。

 

 

4結語

本文詳細介紹了寬帶載波通信測試系統的硬件設計方法和關鍵技術，對設計難點進行分析和研究，并通過實際應用測試驗證了方案的可行性，滿足寬帶載波檢測技術的規范要求。 目前該系統已在多個網省電力公司電科院得到了實際應用，具有良好的應用和推廣價值。