付義豪，楊雷，谷戰(zhàn)壘，王軍

（1.國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京，211106；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心，河南鄭州，450052；3.河南許繼儀表有限公司，河南許昌，461000）

0 引言

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，低壓側(cè)的用電數(shù)據(jù)采集項(xiàng)、采集頻次不斷提高，對(duì)低壓電力線寬帶載波通信技術(shù)提出了更高的要求。在電力系統(tǒng)應(yīng)用中，電力線是最普及、覆蓋面最為廣的一種物理介質(zhì)，利用電力線傳輸用電數(shù)據(jù)信息，具有極大的便捷性，與傳統(tǒng)的RS-485通信相比，無(wú)需重新走線，即可將所有與電力線相連接的電力設(shè)備組成一個(gè)廣域通信網(wǎng)絡(luò)[1-2]。這種通信方式實(shí)施簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，可以有效降低電力企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本、減少構(gòu)建新的通信網(wǎng)絡(luò)的成本支出，已成為堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)、能源監(jiān)管、智慧用能、新能源發(fā)電、電動(dòng)車(chē)充電管理等應(yīng)用的主要通信方式[2-3]。

目前，受限于窄帶電力線通信單元帶寬和速率的影響，用電信息采集系統(tǒng)僅對(duì)電能量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，嚴(yán)重制約用電數(shù)據(jù)深化應(yīng)用的開(kāi)展。低壓電力線寬帶載波通信技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾年的研究與應(yīng)用，用電信息采集系統(tǒng)已基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋、全采集。根據(jù)電力企業(yè)對(duì)用電數(shù)據(jù)全量高頻采集、臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別、停電事件上報(bào)、時(shí)鐘精準(zhǔn)校核等深化應(yīng)用的要求，部分省電力企業(yè)開(kāi)展了低壓電力線寬帶載波通信單元的試點(diǎn)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了全量數(shù)據(jù)高頻采集、臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別、時(shí)鐘精準(zhǔn)校核等功能，在用戶側(cè)電能數(shù)據(jù)深化應(yīng)用方面取得了良好的效果。因此，低壓電力線寬帶載波通信單元的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)廣泛，有力推動(dòng)了用電信息數(shù)據(jù)深化應(yīng)用的有效開(kāi)展[3-4]。

但是，各省電力企業(yè)在低壓電力線寬帶載波通信單元檢測(cè)方面缺少相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備，只能手動(dòng)搭建測(cè)試環(huán)境，檢測(cè)傳統(tǒng)的功能項(xiàng)目，檢測(cè)效率和檢測(cè)質(zhì)量不高。特別是對(duì)不同設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)提供的低壓電力線寬帶載波通信單元開(kāi)展適應(yīng)性檢查、供貨前樣品比對(duì)、供貨前全性能試驗(yàn)、到貨后樣品比對(duì)、到貨后抽樣驗(yàn)收試驗(yàn)、到貨后全檢驗(yàn)收試驗(yàn)、故障診斷等質(zhì)量監(jiān)督工作造成很大的困擾。另外，對(duì)低壓電力線寬帶載波通信單元的性能、一致性、深化應(yīng)用功能和互聯(lián)互通方面的檢測(cè)方法，基本處于空白狀態(tài)，嚴(yán)重制約低壓電力線寬帶載波通信單元的推廣和應(yīng)用[4-5]。

鑒于上述原因，本文在詳細(xì)分析了當(dāng)前各省電力企業(yè)對(duì)低壓電力線寬帶載波通信單元檢測(cè)能力及存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了一種低壓電力線寬帶載波通信單元快速檢測(cè)系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)方案

基于低壓電力線寬帶載波通信單元檢測(cè)系統(tǒng)主要由上位機(jī)檢測(cè)單元、虛擬集中器、虛擬電能表等部分組成（見(jiàn)圖1）。以上位機(jī)檢測(cè)單元為核心，搭建低壓電力線寬帶載波通信單元模擬檢測(cè)系統(tǒng)，每臺(tái)虛擬集中器及下掛虛擬電能表組成一個(gè)虛擬低壓臺(tái)區(qū)，開(kāi)展低壓電力線寬帶載波通信單元檢測(cè)業(yè)務(wù)。同時(shí)，能夠模擬現(xiàn)有的用電信息采集主站的所有數(shù)據(jù)采集及控制功能[6-7]。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

上位機(jī)檢測(cè)單元通過(guò)以太網(wǎng)或者4G通信的方式與虛擬集中器通信，虛擬集中器與虛擬電能表之間通過(guò)低壓電力線寬帶載波通信。上位機(jī)檢測(cè)單元下發(fā)性能及功能檢測(cè)任務(wù)，包括高頻數(shù)據(jù)采集、停電事件上報(bào)、時(shí)鐘精準(zhǔn)管理、臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別、檔案自動(dòng)同步、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通檢測(cè)等項(xiàng)目。通過(guò)虛擬集中器執(zhí)行，將檢測(cè)任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給電能表，由虛擬集中器和虛擬電能表共同完成所有檢測(cè)項(xiàng)目，載波偵聽(tīng)模塊實(shí)時(shí)偵聽(tīng)通信狀態(tài)并上報(bào)給檢測(cè)系統(tǒng)[8-12]。

1.1 上位機(jī)檢測(cè)單元

上位機(jī)檢測(cè)單元包括檢測(cè)軟件系統(tǒng)、載波偵聽(tīng)模塊、程控衰減模塊、射頻衰減模塊等組成。通過(guò)上位機(jī)檢測(cè)軟件系統(tǒng)選擇本次檢測(cè)項(xiàng)目的通信協(xié)議，包括Q/GDW 376.1、DL/T 698.45等通信協(xié)議。同時(shí)，可以通過(guò)系統(tǒng)頁(yè)面選擇通信接口方式、設(shè)置通信接口參數(shù)、選擇檢測(cè)項(xiàng)目、選擇檢測(cè)項(xiàng)目及檢測(cè)任務(wù)下發(fā)等功能。

上位機(jī)檢測(cè)單元通過(guò)載波偵聽(tīng)模塊和虛擬集中器采集的數(shù)據(jù)，分析并記錄不同型號(hào)的低壓電力線寬帶載波通信單元運(yùn)行狀態(tài)，以檢測(cè)日志的形式存儲(chǔ)低壓電力線寬帶載波通信單元的功能及性能檢測(cè)結(jié)果。

1.1.1 載波偵聽(tīng)模塊

載波偵聽(tīng)模塊以FPGA核心板為主體，外圍電路包括電源模塊、過(guò)零檢測(cè)電路、載波耦合電路、高速數(shù)據(jù)采集單元等組成。載波偵聽(tīng)模塊包括載波透明接入單元和載波信道偵聽(tīng)單元，透明接入單元與信道偵聽(tīng)單元硬件完全一樣，軟件總體一致，細(xì)節(jié)進(jìn)行分支區(qū)分。透明接入單元的主要作用是將檢測(cè)軟件系統(tǒng)組織的數(shù)據(jù)發(fā)送到載波通信介質(zhì)，并根據(jù)需求自動(dòng)回復(fù)SACK與NACK線路信號(hào)。信道偵聽(tīng)單元的主要作用是將載波通信介質(zhì)里的所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給檢測(cè)軟件系統(tǒng)，供其進(jìn)行分析判斷。載波偵聽(tīng)模塊通過(guò)以太網(wǎng)TCP協(xié)議與檢測(cè)軟件系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，載波偵聽(tīng)模塊作為T(mén)CP Server，檢測(cè)軟件系統(tǒng)作為T(mén)CP Client。

圖2 載波偵聽(tīng)模塊原理圖

1.1.2 程控衰減模塊

程控衰減模塊分為三個(gè)部分，包括控制單元、強(qiáng)電隔離單元和弱電衰減單元。強(qiáng)電隔離單元和弱電衰減單元通過(guò)PCB板走線連在一起。程控衰減模塊采用強(qiáng)弱電分離，強(qiáng)電設(shè)置隔離分區(qū)，弱電進(jìn)行通信，并進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度控制。強(qiáng)電隔離單元總隔離度大于70 dB，可調(diào)節(jié)精度為2dB，分為6段控制，調(diào)節(jié)幅度為2 dB至20 dB之間（見(jiàn)圖3）；強(qiáng)電額定電流為：2A；弱電衰減單元工作頻段為500kHz至12MHz；程控衰減模塊通過(guò)RS-485或者RS-232與上位機(jī)檢測(cè)單元通信。

圖3 程控衰減模塊原理圖

1.1.3 射頻衰減模塊

射頻衰減模塊是通過(guò)電力線與載波偵聽(tīng)模塊、待測(cè)低壓電力線寬帶載波模塊連接，具有信號(hào)源和頻譜儀的功能，同時(shí)具有調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和待測(cè)模塊之間衰減值得作用。射頻衰減模塊具有以下通路：信號(hào)源可以通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)1為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備提供時(shí)鐘信號(hào)。信號(hào)源可以通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)1、功分器2、射頻開(kāi)關(guān)2、射頻開(kāi)關(guān)4為待測(cè)模塊注入干擾噪聲。頻譜分析儀可以通過(guò)功分器1、功分器2、射頻開(kāi)關(guān)2、射頻開(kāi)關(guān)4測(cè)試待測(cè)模塊工作頻段和PSD。示波器可以通過(guò)功分器1、功分器2、射頻開(kāi)關(guān)2、射頻開(kāi)關(guān)4測(cè)試待測(cè)模塊時(shí)域信號(hào)，此通道為備用通道。載波偵聽(tīng)模塊通過(guò)三通1、程控衰減器和三通2連接到待測(cè)模塊，此通過(guò)為衰減值可調(diào)通道（見(jiàn)圖4）。

圖4 射頻衰減模塊框圖

1.2 虛擬集中器

虛擬集中器按照集中器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)，具有數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)顯示、按鍵、載波通信、以太網(wǎng)通信等功能。處理上位機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)下發(fā)的低壓電力線寬帶載波通信單元檢測(cè)任務(wù)，對(duì)電能表寬帶載波模塊上上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)鐘校時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)虛擬電能表上報(bào)的數(shù)據(jù)、停電事件，主動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)給檢測(cè)系統(tǒng)。協(xié)助處理低壓電力線寬帶載波通信單元的深化應(yīng)用功能，包括高頻數(shù)據(jù)采集、精準(zhǔn)校時(shí)、停電事件上報(bào)、臺(tái)區(qū)物理拓?fù)?、相位識(shí)別等功能。

1.3 虛擬電能表

虛擬電能裝置按照電力企業(yè)電能表設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)，具有計(jì)量、通信、顯示、異常事件上報(bào)等功能。外圍預(yù)留低壓電力線寬帶載波通信、RS-485通信、紅外通信等接口，滿足插拔不同型號(hào)規(guī)格的寬帶載波通信模塊測(cè)試需求。能夠執(zhí)行虛擬集中器下發(fā)的數(shù)據(jù)采集、時(shí)鐘校驗(yàn)、臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別等任務(wù)[4]。

2 檢測(cè)功能

通過(guò)檢查系統(tǒng)初始化操作，選擇檢測(cè)項(xiàng)目，下發(fā)檢測(cè)任務(wù)，由上位機(jī)檢測(cè)單元配置檢測(cè)參數(shù)，自動(dòng)檢測(cè)低壓電力線寬帶載波通信單元的高頻數(shù)據(jù)采集、停電事件上報(bào)、時(shí)鐘精準(zhǔn)校時(shí)、臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別、互聯(lián)互通檢測(cè)等項(xiàng)目，詳細(xì)檢測(cè)流程（見(jiàn)圖5）。

圖5 寬帶載波通信單元檢測(cè)流程圖

2.1 高頻數(shù)據(jù)采集性能檢測(cè)

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)項(xiàng)，高頻數(shù)據(jù)采集頻次不同，主要包括如下幾種方案。檢測(cè)系統(tǒng)每天采集24至96個(gè)實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)；用于檢測(cè)低壓電力線寬帶載波通信單元數(shù)據(jù)采集性能，采集的點(diǎn)數(shù)按照規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，采集間隔為15分鐘至1小時(shí)，將1小時(shí)間分割為整數(shù)個(gè)采集間隔點(diǎn)，采集間隔點(diǎn)起始從0分開(kāi)始。另外，對(duì)虛擬電能表負(fù)荷曲線、小時(shí)凍結(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。檢測(cè)系統(tǒng)每天采集前一天的負(fù)荷曲線、小時(shí)凍結(jié)數(shù)據(jù)；檢測(cè)過(guò)程在保證24點(diǎn)的小時(shí)凍結(jié)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展96點(diǎn)的15分鐘負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，加入射頻干擾信號(hào)、程控衰減信號(hào)，通過(guò)多輪次的數(shù)據(jù)采集，分析采集成功率、采集數(shù)據(jù)的完整性，以此判斷寬帶載波模塊的通信性能[5]。

為了最大限度地檢測(cè)寬帶載波通信單元的通信性能，對(duì)于電壓、電流、功率、負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)的采集頻率，本文采用最大采集頻率96個(gè)點(diǎn)/天。檢驗(yàn)高頻數(shù)據(jù)采集性能的指標(biāo)用β表示，β指數(shù)據(jù)采集的成功率，判斷標(biāo)準(zhǔn)，詳見(jiàn)公式1和公式2。

其中，Q為成功采集到數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，Ui為成功采集到電壓數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，Ii為成功采集到電流數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，Li為成功采集到負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，Pi為成功采集到功率數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

在檢測(cè)的過(guò)程中加入射頻衰減信號(hào)和程控衰減信號(hào)。在不同干擾信號(hào)的影響下，若β≥98%，判斷該種型號(hào)的寬帶載波通信單元的高頻數(shù)據(jù)采集性能滿足指標(biāo)要求。

2.2 停電事件上報(bào)功能檢測(cè)

停電事件主動(dòng)上報(bào)是寬帶載波通信單元主要功能之一，為低壓臺(tái)區(qū)精益化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。寬帶載波通信單元通過(guò)低時(shí)延模式，快速上報(bào)自身所在設(shè)備的停復(fù)電狀態(tài)，確保停電、復(fù)電事件的上報(bào)和遠(yuǎn)程遙控指令下發(fā)的實(shí)時(shí)性。在寬帶載波通信單元子節(jié)點(diǎn)中配置超級(jí)電容器件，可實(shí)現(xiàn)停復(fù)電后的事件主動(dòng)上報(bào)，由被動(dòng)搶修變?yōu)橹鲃?dòng)搶修，提高低壓臺(tái)區(qū)的供電可靠性，提升客 戶服務(wù)保障能力。通過(guò)控制虛擬電能表通斷電操作，判斷寬帶載波通信單元上報(bào)停電事件的準(zhǔn)確性[5-6]。本項(xiàng)檢測(cè)要求寬帶載波通信單元3分鐘內(nèi)完成停電事件上報(bào)。超過(guò)3分鐘未上報(bào)，則認(rèn)為該種型號(hào)的寬帶載波通信單元不符合要求，判斷標(biāo)準(zhǔn)按照公式3計(jì)算。

其中，公式3中Td為時(shí)間差值，Tb為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘值，Tm為停電事件上報(bào)時(shí)鐘值。停電事件上報(bào)后，要求Td≤3min，超過(guò)3min則判斷停電事件上報(bào)不合格。

2.3 時(shí)鐘精準(zhǔn)校時(shí)檢測(cè)

時(shí)鐘精準(zhǔn)校時(shí)檢測(cè)，判斷寬帶載波通信單元的時(shí)鐘校時(shí)的準(zhǔn)確性。通過(guò)周期廣播對(duì)時(shí)模式，檢查系統(tǒng)每天在虛擬臺(tái)區(qū)內(nèi)進(jìn)行一次電能表時(shí)鐘廣播校時(shí)操作，將各個(gè)電能表的時(shí)鐘同步到虛擬集中器自身時(shí)鐘，通過(guò) 寬帶載波通信單元發(fā)送廣播校時(shí)指令，進(jìn)行 全部從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步。驗(yàn)證特定電能表點(diǎn)抄單播校時(shí)業(yè)務(wù)，針對(duì)某些時(shí)鐘超差電能表，其時(shí)鐘誤差超過(guò)廣播校時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，無(wú)法通過(guò)廣播校時(shí)進(jìn)行校核時(shí)，采用人工實(shí)時(shí)點(diǎn)抄的方式，由檢測(cè)系統(tǒng)直接進(jìn)行子節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的校時(shí)，校時(shí)后的結(jié)果判斷，按照如下公式4計(jì)算。

其中，γ為時(shí)鐘誤差，T0為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，Ti為每個(gè)虛擬電能表的時(shí)鐘源。若γ＜99.98%，則判斷合格；否則，判斷不合格。

2.4 臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別功能檢測(cè)

臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別是寬帶載波通信單元的深化應(yīng)用功能之一，能夠判斷低壓臺(tái)區(qū)的戶變關(guān)系是否異常。檢測(cè)系統(tǒng)下發(fā)臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別指令，電能表側(cè)寬帶載波通信單元與集中器側(cè)寬帶載波通信單元相互配合，由虛擬集中器生成整個(gè)臺(tái)區(qū)的物理拓?fù)鋱D。另外，依據(jù)臺(tái)區(qū)物理拓?fù)鋱D，能夠判斷整個(gè)低壓臺(tái)區(qū)的數(shù)據(jù)采集成功率及臺(tái)區(qū)線損的合格率。能夠自動(dòng)篩選設(shè)備檔案管理混亂臺(tái)區(qū)，形成完整的臺(tái)區(qū)設(shè)備檔案關(guān)系，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)檔案完整率100%，詳細(xì)流程（見(jiàn)下圖6）。

圖6 臺(tái)區(qū)拓?fù)渥R(shí)別檢測(cè)流程圖

2.5 數(shù)據(jù)互聯(lián)互通項(xiàng)目檢測(cè)

檢測(cè)不同廠家的寬帶載波通信單元互聯(lián)互通業(yè)務(wù)，是寬帶載波通信單元的核心功能之一。通過(guò)更換不同型號(hào)的虛擬集中器寬帶載波通信單元、虛擬電能表寬帶載波通信單元、同類(lèi)型載波模塊混裝等模式，判斷整個(gè)虛擬臺(tái)區(qū)能否正常通信。寬帶載波通信單元互聯(lián)互通指標(biāo)判斷如下公式5所示。

其中，N為采集次數(shù)，Qt為虛擬電能表當(dāng)前電量采集次數(shù)，Pi為當(dāng)前功率采集次數(shù)，c設(shè)置為100，間隔時(shí)間為15分鐘。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)下發(fā)抄讀當(dāng)前電量指令，判斷不同載波模塊之間的數(shù)據(jù)抄讀成功率。

若δ＞99%，則認(rèn)為互聯(lián)互通正常，否則，判斷互聯(lián)互通異常。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

該系統(tǒng)能夠快速檢測(cè)不同型號(hào)的寬帶載波單元通信性能、互聯(lián)互通性能、高頻數(shù)據(jù)采集性能等功能，判斷不同廠家提供的寬帶載波通信單元是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的指標(biāo)要求，大大提高了各省電力公司對(duì)寬帶載波通信單元的檢測(cè)能力，保證產(chǎn)品質(zhì)量，詳細(xì)檢測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種低壓電力線寬帶載波通信單元快速檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠快速檢測(cè)不同型號(hào)的低壓電力線寬帶載波通信單元的通信性能、采集性能、互聯(lián)互通一致性等功能，解決各省電力公司缺少低壓電力線寬帶載波通信單元檢測(cè)裝置的問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案能快速檢測(cè)不同型號(hào)的低壓電力線寬帶載波通信單元，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，實(shí)現(xiàn)了低壓電力線寬帶載波通信單元檢測(cè)的公平公正。