燕伯峰 劉宇鵬 黃 欣 董永樂 余 佳 李 軒

（1．內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2．內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

窄帶載波經(jīng)過多年的建設(shè)與運維，通信缺陷逐漸突顯，其組網(wǎng)性能、網(wǎng)絡(luò)拓撲適應(yīng)能力是寬帶載波通信運行的關(guān)鍵，對電網(wǎng)環(huán)境的適應(yīng)能力關(guān)系著整個電網(wǎng)系統(tǒng)能否正常運行。目前國內(nèi)已經(jīng)加快低壓電力線寬帶載波通信技術(shù)的研究和市場布局，并發(fā)布低壓電線寬帶載波HPLC的技術(shù)標準和檢測標準[1-2]。2020年3月，國家電網(wǎng)發(fā)布HPLC深化應(yīng)用功能升級改造要求，主要體現(xiàn)在通信性能檢測和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化功能。

由于HPLC通信缺乏嚴格的性能檢測設(shè)備，現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)較少考慮HPLC高頻特征帶來的空間輻射影響，輻射信號串擾影響設(shè)備的準確度量和檢測，不適用于對寬帶載波通信進行定量分析檢測。文獻[3-4]只是基于RS485 通信研究了用電信息采集系統(tǒng)的通信檢測方法。文獻[5] 研制了一種便攜式低壓電力線載波通信信道測試裝置，只對單個設(shè)備進行的檢測，效率不高。文獻[6]是對現(xiàn)場采集成功率提升措施研究。文獻[7]僅基于多節(jié)點的低壓寬帶電力線信道建模方法研究。文獻[8-10]研究載波的信道特性并進行模擬通信測試，以上研究僅針對電能表或采集終端進行檢測及仿真。基于此，該文從用電信息采集系統(tǒng)層面對現(xiàn)場干擾因素進行仿真試驗，采用真實表計和全模塊測試驗證研究，實現(xiàn)用電信息采集通信過程中的故障定位及復(fù)現(xiàn)。對HPLC模塊系統(tǒng)組網(wǎng)通信及抗干擾能力進行檢測，設(shè)計能夠針對不同廠家設(shè)備在仿真環(huán)境下對HPLC組網(wǎng)性能進行測試與分析。

1 組網(wǎng)檢測仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

寬帶載波通信組網(wǎng)檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示，整套系統(tǒng)主要由3個掛表測試裝置、測控平臺軟件、寬帶載波信道仿真箱、多功能控制模塊和頻譜儀等組成，建立采集終端、多級載波表的現(xiàn)場仿真環(huán)境。

圖1 寬帶載波組網(wǎng)通信檢測

3個測控裝置模擬安裝在較遠距離、不同位置以及不同載波計量設(shè)備的現(xiàn)場安裝環(huán)境，信道仿真箱是模擬低壓線路上寬帶載波信號隨著線路距離和環(huán)境變化造成信號衰減的設(shè)備。多功能控制模塊能夠模擬不同的信道負載，測試網(wǎng)絡(luò)的帶載能力。測控平臺軟件是該系統(tǒng)的核心部分，包括測試用例模塊、設(shè)備控制模塊、指令收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊、故障庫模塊、電能表模擬模塊和測試報告模塊等。通過對寬帶載波HPLC模塊系統(tǒng)組網(wǎng)通信及抗干擾能力進行檢測，實現(xiàn)模擬影響載波通信效果的距離衰減、阻抗變化、帶載能力、組網(wǎng)效率及路由性能等主要因素的HPLC組網(wǎng)通信測試系統(tǒng)。

1.1 測控裝置設(shè)計

組網(wǎng)測控裝置的設(shè)計兼容電網(wǎng)中各種采集計量設(shè)備，包括I型集中器、I型采集器、II型采集器、單相表和三相表。首先，通過隔離變壓器濾除市電低壓電力線上的各種高頻、電磁等干擾信號，保證一個穩(wěn)定的檢測環(huán)境。其次，設(shè)計三級衰減以達到中繼路由測試目的。最后，因為寬帶載波在測試過程中發(fā)現(xiàn)存在40 cm～50 cm的空間輻射距離，為降低輻射干擾，每個裝置相隔大于50 cm，所以采用分體式結(jié)構(gòu)，且每級載波信號均接入頻譜儀，實現(xiàn)實時信道信號的監(jiān)控。

具體設(shè)計思路是工控機通過串口服務(wù)器與集中器相連，工控機上測控平臺軟件控制電源、寬帶載波信道仿真箱以及載波帶載能力控制模塊的加載和參數(shù)設(shè)置，并通過Q/GDW376.1協(xié)議控制集中器抄表。在載波路由表建立及完成組網(wǎng)過程中，基于黑盒測試技術(shù)對組網(wǎng)中的模塊進行通信性能測試。組網(wǎng)成功后，測控平臺軟件通過集中器HPLC 模塊（CCO）發(fā)送數(shù)據(jù)幀給電表或采集器上HPLC模塊（PCO/STA），表上HPLC模塊從數(shù)據(jù)幀中解析出DL/T645或DL/T698數(shù)據(jù)幀給電表，電表再反方向返回數(shù)據(jù)給測試平臺，測試平臺是否收到應(yīng)答來判定本次通信是否成功，以此依據(jù)來測試通信成功率，完成通信可靠性自動化測試的目的。

1.2 寬帶載波信道仿真箱的設(shè)計與實現(xiàn)

此外在信號的傳輸過程中，會在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點上發(fā)生反射、折射，還會產(chǎn)生多徑效應(yīng)，對傳輸信號具有較高的頻率選擇性衰落，在長距離寬帶載波現(xiàn)場組網(wǎng)抄表過程中，信號會存在一定的衰減[13]。該文為了模擬低壓電力線所處的水、氣、溫度、閃電等環(huán)境因素，采用寬帶載波信道實況仿真箱，如圖2所示，模擬現(xiàn)場低壓電力線在外場環(huán)境下可能遇到的情況。

屏蔽箱作為模擬電力線傳輸?shù)目臻g環(huán)境的設(shè)施，箱體有模擬線路衰減的衰減器和模擬自然環(huán)境的觸發(fā)接口，模擬自然環(huán)境，具體是通過水閥噴頭接入口、氣閥噴頭接入口、模擬的閃電雷擊放電接入端口以及箱體溫度控制調(diào)節(jié)口分別作用于箱體內(nèi)，測試單一環(huán)境變量改變或多個因素同時作用后，箱體內(nèi)通信線路通信的穩(wěn)定性。

箱體內(nèi)可調(diào)強電衰減器的控制信號線采用絕緣絞線引出。通過上位機控制強電衰減器步進式調(diào)節(jié)信號衰減量，用頻譜儀觀察從耦合器分離出來的寬帶載波信號，研究不同衰減量條件下與鏈路數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、可靠性、完整性之間的關(guān)系，進而可以分析不同廠家載波模塊的性能。

1.3 多功能控制模塊設(shè)計與實現(xiàn)

由于低壓電力線上的用電設(shè)備等無規(guī)則上下電的影響，使信道上的負載實時變化，因此該文設(shè)計了多功能控制模塊，負責(zé)切換系統(tǒng)內(nèi)不同的負載，模擬低壓線路上用電設(shè)備的變化。

為了模擬信道上的容抗和感抗，該模塊設(shè)計采用多個容性負載和阻性負載相結(jié)合的方式，通過多路繼電器控制通道接入負載電路。4個繼電器控制電路連接多功能控制板MCU，多功能版經(jīng)過通信信道RS232受控于測控平臺軟件。啟動測試后系統(tǒng)按照測試用例的自動順序選擇不同負載組合，經(jīng)集中器下發(fā)數(shù)據(jù)幀至多功能控制板，MCU解析出有效命令轉(zhuǎn)化為控制信號，使對應(yīng)的繼電器動作， 將載波通信影響試驗負載切入，此時負載網(wǎng)絡(luò)的兩端即模擬了一種電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性。之后集中器接收測控平臺軟件的指令開始讀取網(wǎng)絡(luò)另一端的載波電能表數(shù)據(jù)，根據(jù)抄表成功率驗證指標，得出該種負載測試結(jié)果并記錄，繼而自動執(zhí)行切換下一種負載的測試，直到多種負載網(wǎng)絡(luò)測試完畢，完成該項負載影響性能的自動化測試流程。

1.4 測控平臺軟件設(shè)計

測控平臺軟件的設(shè)計主要是依據(jù)低壓集抄網(wǎng)絡(luò)的功能要求，充分考慮測試和現(xiàn)場調(diào)試業(yè)務(wù)的未來發(fā)展需要，實現(xiàn)智能寬帶載波電表與計量終端組網(wǎng)通信檢測及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目的。圖3為該寬帶載波測試平臺軟件設(shè)計架構(gòu)圖。

圖2 寬帶載波信道仿真箱

測控平臺軟件的架構(gòu)主要分基礎(chǔ)設(shè)施層、公共數(shù)據(jù)庫操作、規(guī)約操作、通信控制、設(shè)備控制、測試流程和UI層。測試流程控制包括HPLC通信性能驗證、組網(wǎng)性能驗證、高頻數(shù)據(jù)采集性能、HPLC路由修復(fù)能力以及通信抗干擾性能等。設(shè)備控制包括裝置控制、信道仿真箱控制和多功能控制模塊控制。規(guī)約協(xié)議部分包括了多種設(shè)備間最新傳輸協(xié)議解析與封裝功能。

1.4.1 軟件測試流程設(shè)計

軟件測試首先分析測試需求，明確組網(wǎng)測試的對象、功能和目的，設(shè)計切實可行的測試需求點。接著編寫測試用例，通過分析測試需求，設(shè)計出滿足測試需求點的測試用例，并編寫測試用例文檔。然后編寫測試腳本步驟，根據(jù)制定統(tǒng)一規(guī)范的標準化腳本規(guī)則，將測試用例文檔編寫成自動化測試軟件可執(zhí)行的步驟方案。最后執(zhí)行自動化測試，運行自動化測試軟件，執(zhí)行腳本步驟方案，輸出測試結(jié)果，記錄測試問題。

1.4.2 測試結(jié)果分析方法

通過統(tǒng)計測試方案中被驗證的測試項數(shù)、有效缺陷測試用例數(shù)以及執(zhí)行次數(shù)等數(shù)據(jù)來計算測試用例覆蓋率、測試用例有效率。

測試用例覆蓋率 = 被驗證到項目數(shù)/總的項目數(shù)量測試用例有效率=有效缺陷數(shù)/系統(tǒng)測試用例數(shù)

圖3 測試平臺軟件架構(gòu)圖

對測試方案中被驗證的測試項數(shù)、有效缺陷測試用例數(shù)均可以查看數(shù)據(jù)明細，可以用Excel導(dǎo)出測試結(jié)果。

2 系統(tǒng)實驗測試

筆者根據(jù)低壓電力線寬帶載波（HPLC）組網(wǎng)通信測試系統(tǒng)的設(shè)計框架及軟硬件關(guān)鍵部件的設(shè)計，對測試系統(tǒng)進行測試與驗證。

測試軟件平臺根據(jù)寬帶載波組網(wǎng)檢測系統(tǒng)功能要求預(yù)置各種自動化測試用例，根據(jù)測試用例對各功能模塊、輔助測試設(shè)備、計量設(shè)備進行控制和數(shù)據(jù)通信，逐步完成測試用例的測試流程，并記錄測試數(shù)據(jù)和結(jié)果，形成測試報告。

2.1 寬帶載波信道仿真箱衰減驗證

寬帶載波信道仿真箱是檢測系統(tǒng)的核心部分，對其衰減準確性進行驗證。測試模型為標準數(shù)據(jù)信號經(jīng)過信道仿真箱衰減不同的衰減值后，使用頻譜儀測試衰減后的標準數(shù)據(jù)信號衰減程度是否和信道仿真箱理論衰減值一致。設(shè)置仿真箱的理論衰減值分別為0 dBm、20 dBm、40 dBm、60 dBm，頻譜儀測試結(jié)果如圖4所示。

圖4各個頻點的數(shù)據(jù)見表1。

測試使用標準信號是寬帶載波模塊的頻段范圍0.7 MHz～3 MHz，從頻譜儀測試圖可分析到頻帶外信號底噪較大，頻帶內(nèi)在0 dB、20 dB和40 dB時，實測的衰減度和理論相吻合，由于60 db因頻譜儀本身底噪較大，本地噪聲掩蓋了信號，因此不做討論。通過測試說明信道仿真箱的理論設(shè)計值與實測一致，可以用來模擬組網(wǎng)信道對計量設(shè)備的檢測。

2.2 通信組網(wǎng)性能驗證

寬帶載波網(wǎng)絡(luò)是自動組網(wǎng)、動態(tài)路由、實時更新的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[14-15]，是基于信道質(zhì)量、信號強度、路徑最短等因素構(gòu)成的復(fù)雜算法網(wǎng)絡(luò)，該文通過組網(wǎng)性能驗證算法流程如圖5所示，監(jiān)測每個設(shè)備狀態(tài)信息、統(tǒng)計分析節(jié)點入網(wǎng)時間、高頻數(shù)據(jù)通信成功率、中繼節(jié)點移除修復(fù)能力、游離節(jié)點入網(wǎng)測試和數(shù)據(jù)采集準確性等方法，驗證組網(wǎng)的效率、穩(wěn)定性、可修復(fù)性和準確性。并可通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析網(wǎng)絡(luò)運行水平，調(diào)整HPLC性能參數(shù)，對通信網(wǎng)絡(luò)進行持續(xù)優(yōu)化。

2.2.1 設(shè)備入網(wǎng)效率驗證

圖4 寬帶載波衰減測試比對

表1 不同頻點不同衰減值測試數(shù)據(jù)

系統(tǒng)共3個裝置，每個裝置掛表96臺，共計288臺載波表，載波表上HPLC具有唯一的ID，在集中器搜表流程中，HPLC電表從節(jié)點發(fā)送關(guān)聯(lián)請求將該ID信息和表計信息一起上報給集中器上的載波模塊CCO，CCO核對表計檔案并對請求入網(wǎng)的站點進行管理認證，白名單內(nèi)的發(fā)送關(guān)聯(lián)確認報文允許表計節(jié)點入網(wǎng)，不在白名單內(nèi)則拒絕其入網(wǎng)。集中器存儲搜表結(jié)果上報測控平臺軟件模擬主站，模擬主站記錄設(shè)備入網(wǎng)信息，按時間梯度的方式對測試實驗結(jié)果進行圖形化展示，表計入網(wǎng)時間統(tǒng)計如圖6 所示，288臺載波表在60 min內(nèi)入網(wǎng)情況符合某模塊廠家的測試結(jié)果，因此測試系統(tǒng)入網(wǎng)測試方式可行。以此測試數(shù)據(jù)評價載波廠家模塊的組網(wǎng)效率。假設(shè)檢測樣本總數(shù)N，規(guī)定時間t內(nèi)的入網(wǎng)個數(shù)n（t）占比樣本總數(shù)N的比值來衡量組網(wǎng)效率，μ（t）為入網(wǎng)效率，算法如下：

結(jié)合平臺軟件通過時間梯度的方式來統(tǒng)計入網(wǎng)數(shù)量，如在規(guī)定的時間t秒，梯度周期Δt秒下，多個Δtk，（k=0，1，2，……m）內(nèi)入網(wǎng)平均效率，根據(jù)公式（1）和圖6柱狀圖，對每個梯度周期Δt內(nèi)的上線節(jié)點求和，再取平均值得：

μ(t)為入網(wǎng)平均效率，數(shù)值越大，效率越高，入網(wǎng)速度越快，組網(wǎng)性能越好。實際模型中，當時，須根據(jù)樣本數(shù)量選擇合適的時間t：

τ為一塊表的平均入網(wǎng)時間。

圖5 組網(wǎng)性能驗證算法流程圖

實際應(yīng)用中在無中繼點抄1塊表約1.8 s，按平均中繼路由7級計算1塊表的時間為12.6 s，根據(jù)公式（3）計算288件下發(fā)繼電器控制命令使站點STA表T斷電，檢測K表重新上線時間，如圖7所示，查看站點STA表K上一級路由為站點STA表M，證明HPLC網(wǎng)絡(luò)具備實時更新的能力，移除中繼節(jié)點后自動修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，以此驗證寬帶載波組網(wǎng)的中繼功能和路由更新性能。

3 結(jié)語

該文依據(jù)電網(wǎng)公司對寬帶載波HPLC深化應(yīng)用功能升級改造、完成精益化管理的需求，設(shè)計多功能組網(wǎng)通信測試系統(tǒng)，通過采用真實的各種采集終端和載波電表，模擬現(xiàn)場復(fù)雜的用電采集系統(tǒng)環(huán)境，利用寬帶載波信號仿真箱模擬長距離電力線的衰減情況，利用載波帶載能力控制模塊模擬現(xiàn)場不同客戶的負載情況，充分發(fā)揮智能化測控平臺軟件功能。監(jiān)測在不同載波環(huán)境下，通過對通信成功率、組網(wǎng)效率、通信可靠性等電網(wǎng)公司計量中心要求的寬帶載波測試功能，進行綜合分析，判斷相應(yīng)制造廠商通信模塊及采集設(shè)備性能的優(yōu)劣，從而選擇穩(wěn)定、抗干擾能力強以及組網(wǎng)效率高的用電信息采集設(shè)備，確保入網(wǎng)采集設(shè)備的品質(zhì)，減少入網(wǎng)后的維護工作，提高電力建設(shè)效益。塊表的時間t=288×12.6=3628.8 s，因此案例中取時間60 min，以梯度5 min來計算。

圖6 表計入網(wǎng)時間統(tǒng)計

2.2.2 路由修復(fù)能力驗證

路由修復(fù)能力是寬帶載波組網(wǎng)性能的重要指標，測控軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實時圖形化展示，反映網(wǎng)絡(luò)拓撲信息、節(jié)點廠商信息、標注鄰域主節(jié)點信息和通信性能指標。如圖8界面可設(shè)置信道仿真箱衰減值，并以不同顏色區(qū)分表計配置，顯示在線和離線狀態(tài)。通過測試數(shù)據(jù)分析不同廠家HPLC模塊的組網(wǎng)性能。

HPLC組網(wǎng)路由性能測試如圖7所示，圖中標識說明為：

CCO：載波協(xié)調(diào)器，集中器或終端上配置的路由HPLC模塊；

PCO：路由站點，采集器上配置的HPLC模塊。

STA： 無路由功能站點，電表上配置的HPLC模塊。

A～N：字母A到N即為分布在不同位置的HPLC設(shè)備。

在衰減模式下，測控軟件讀出站點STA表K上一級路由站點PCO表T，確定T為非中央?yún)f(xié)調(diào)器CCO終端A，測控軟

圖7 寬帶載波組網(wǎng)修復(fù)拓撲圖

圖8 通信組網(wǎng)軟件截圖