一種低壓電力線載波通信測試設(shè)備的研制及相關(guān)問題探討

1、 在低壓電力用戶用電信息采集系統(tǒng)中，主要采用電力線載波和短距離(微功率)無線通信方式，并以低壓電力線窄帶載波通信方式為主。然而受低壓配電網(wǎng)信道環(huán)境中傳輸衰減、噪聲干擾和阻抗變化等因素的影響，電力線載波通信的可靠性難以得到保證，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。也就是說，電力線載波通信設(shè)備的通信性能將直接影響到用電信息采集系統(tǒng)的整體性能。目前，載波通信技術(shù)有多種實(shí)現(xiàn)方案，載波信號(hào)調(diào)制方式、中心頻點(diǎn)、路由協(xié)議和信號(hào)禍合方式等各不相同。盡管每種技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)越性，但也有其不利因素。就國內(nèi)產(chǎn)品而言，已進(jìn)入多元化時(shí)代，主要應(yīng)用的就有鼎信、東軟、曉程、力合微、瑞斯康、盛吉高科和彌亞微等廠家。各廠家的載波通信模塊

2、的性能均有所差異，廠家提供的抄表產(chǎn)品性能指標(biāo)通常都符合標(biāo)準(zhǔn)。但由于測試裝備有限，測試手段有一定局限性，無法對(duì)載波通信產(chǎn)品的通信功能進(jìn)行合理驗(yàn)證，致使產(chǎn)品性能的檢驗(yàn)與應(yīng)用需求脫節(jié)，所以有必要進(jìn)行相關(guān)的測試和評(píng)估，為選用合適的載波設(shè)備提供技術(shù)支持和依據(jù)。鑒于以上原因，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)正在從測試方法、測試設(shè)備、測試平臺(tái)以及評(píng)價(jià)機(jī)制等方面對(duì)載波設(shè)備的通信性能測試進(jìn)行積極地研究和探索。本文介紹了一種信道參數(shù)可控的載波通信測試設(shè)備，并就進(jìn)一步的性能測試應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行一些探討。一、一種載波通信性能測試設(shè)備的研制1、總體研制思路電力線載波通信性能測試設(shè)備的研制，主要考慮3個(gè)方面的因素作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則。一是

3、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬低壓配電網(wǎng)電力線傳輸信道特點(diǎn)；二是參考電力行業(yè)以及國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的測試項(xiàng)目；三是以測試主機(jī)為交互中心，以傳輸信道參數(shù)可程控調(diào)節(jié)為手段，建立自動(dòng)化的載波通信性能測試裝置。近年來，針對(duì)電能采集標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的政策法規(guī)相繼出臺(tái)，并在測試項(xiàng)目和可操作性方面不斷完善。諸如DL/T698-2010電能信息采集與管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、Q/GDW1373-2013電力用戶用電信息采集系統(tǒng)功能規(guī)范、Q/GDW1374-2013電力用戶用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范和Q/GDW1379-2013電力用戶用電信息采集系統(tǒng)檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范等。對(duì)這些規(guī)范的理解及大量的測試研究成為設(shè)備研制的基礎(chǔ)。2、設(shè)備組成測試設(shè)備的構(gòu)建以模

4、擬低壓電力線傳輸環(huán)境為主要任務(wù)，其架構(gòu)如圖1所示。主要組成部分包括：三相凈化穩(wěn)壓電源、程控相位選擇模塊、載波隔離器、測試主機(jī)系統(tǒng)、程控衰減網(wǎng)絡(luò)、程控負(fù)載選擇網(wǎng)絡(luò)、噪聲發(fā)生器和信號(hào)測量部分。信道模擬裝置包括程控衰減網(wǎng)絡(luò)、程控噪聲源和程控阻抗模擬器，以模擬載波信號(hào)傳輸環(huán)境。而信號(hào)測量模塊包括頻譜分析儀和數(shù)字示波器，人工電源網(wǎng)絡(luò)提供載波電平測試阻抗參考環(huán)境，保證測試結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。圖1低壓電力線載波通信性能測試設(shè)備組成結(jié)構(gòu)3、測試流程簡述三相交流凈化穩(wěn)壓電源、高性能隔離器和人工電源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)整體測試環(huán)境與市電網(wǎng)絡(luò)的有效隔離；測試主機(jī)充當(dāng)載波系統(tǒng)主站的功能；測試主機(jī)通過以太網(wǎng)/USB/串口(

5、RS232或RS485)總線連接配測設(shè)備(例如抄控器、集中器或載波通信模塊)和被測設(shè)備(例如單相、三相智能電表或各種載波通信模塊)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測試環(huán)境的控制，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)互通。系統(tǒng)能夠按照預(yù)先設(shè)計(jì)的測試流程，在通信信道中加入可控噪聲，改變信道衰減與接入阻抗。在測試主機(jī)的控制之下，配測設(shè)備按照家電國網(wǎng)公司通信協(xié)議，通過圖1所示的電力線傳輸路徑，經(jīng)由可變衰減器(可選模擬線纜)與被測設(shè)備進(jìn)行載波通信；被測設(shè)備接收控制、抄表等命令，回傳狀態(tài)、電能值等系列數(shù)據(jù)，從而形成基于低壓載波通信體制的傳輸通道。通過測試各種條件下采集終端、載波電能表的通信效果，測量載波模塊的各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)，并據(jù)此分析、診斷和評(píng)估載

6、波模塊的通信性能。對(duì)照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測試項(xiàng)目的要求，例如載波信號(hào)頻率測試、最大輸出電平和頻帶外干擾電平測量、通信傳輸成功率測試以及規(guī)約符合性測試等，在所研制的測試設(shè)備上都可以順利進(jìn)行。但是，其中的噪聲注入缺乏定量描述，而關(guān)于衰減量的插入又難以準(zhǔn)確把握，基于一定信噪比容限下信道誤碼率的測試和接收靈敏度測試尚不規(guī)范。下面僅就電力線載波通信抗噪聲性能和靈敏度測試問題做一些淺顯探討。二、抗噪聲性能測試在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，不加噪聲測試信道誤碼率或者通信傳輸成功率基本上沒有明顯意義。低壓電力線對(duì)于載波抄表具有高衰減、強(qiáng)干擾和阻抗結(jié)構(gòu)可變等動(dòng)態(tài)時(shí)變特征，現(xiàn)場信道環(huán)境惡劣。目前還缺乏權(quán)威機(jī)構(gòu)針對(duì)低壓電力線的特征進(jìn)行全

7、面有效的測試和分析，甚至家用電器對(duì)載波抄表的影響還沒有正式的測試數(shù)據(jù)。因此，測試設(shè)備注入噪聲的方式、類型和電平等因素在測試測量中尤顯突出。1、干擾源的注入策略圖2為低壓電力線載波通信抗噪聲性能測試原理框圖。低壓電力線噪聲由多類復(fù)雜噪聲共同組成，包括背景噪聲、隨機(jī)脈沖噪聲和周期脈沖噪聲。為了逼近現(xiàn)場噪聲場景，在電力線載波傳輸鏈路上疊加不同的干擾源，同時(shí)調(diào)節(jié)干擾強(qiáng)度。據(jù)此試驗(yàn)信道環(huán)境測試信道信噪比和通信成功率，所疊加的干擾源可分為以下4種。圖2低壓電力線載波通信抗噪聲性能測試原理框圖（1）背景噪聲。指在發(fā)生、檢查、測量和記錄系統(tǒng)中與有用信號(hào)無關(guān)的一切干擾。背景噪聲是典型離散高斯型的，共對(duì)載波通信系

8、統(tǒng)影響較穩(wěn)定。（2）脈沖噪聲。具有瞬間、高能和覆蓋頻率范圍廣的特點(diǎn)，因而對(duì)于載波信號(hào)傳輸?shù)挠绊懴喈?dāng)大，不僅會(huì)造成信號(hào)誤碼率高；還有可能使接收設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生自干擾，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。以上兩種噪聲可以由噪聲/任意函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。（3）白噪聲加脈沖噪聲。電力線路中這兩類噪聲通常并存。（4）現(xiàn)場環(huán)境噪聲。由噪聲模擬器產(chǎn)生，通過在不同場合(城市、農(nóng)村和山區(qū))、不同時(shí)間段(白天、晚上)和不同天氣(晴天、陰雨天)等場景下，對(duì)低壓電力線現(xiàn)場背景噪聲的采集和錄制，將錄制的背景噪聲進(jìn)行分析和歸類，形成一個(gè)現(xiàn)場背景噪聲的噪聲庫，再從噪聲庫中選取相應(yīng)的噪聲，通過D/A轉(zhuǎn)換、噪聲放大還原電力線現(xiàn)場信道環(huán)境，疊加到測

9、試鏈路中。噪聲模擬器屬于測試測量數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以自己研制，也可以采用專業(yè)公司提供的測試采集解決方案。例如，美國國家儀器(NI)公司的數(shù)字化儀，結(jié)合NILabview采集控制、存儲(chǔ)分析軟件和Matlab分析軟件，能夠完成對(duì)電力線噪聲信號(hào)的采集、保存和數(shù)據(jù)深加工。2、抗噪聲性能試驗(yàn)流程試驗(yàn)項(xiàng)目為一定信噪比條件下的通信成功率測試，噪聲環(huán)境有4種，即白噪聲、同頻噪聲、脈沖噪聲和場景模擬噪聲。以RMS方式對(duì)噪聲和信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行測量，測量帶寬超過信號(hào)傳輸帶寬，由信號(hào)分析儀完成，通信成功率由測試主機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)，衰減量和噪聲疊加均由主機(jī)程控?；玖鞒倘缦?。（1）初始狀態(tài)下，選擇衰減器處于1020dB衰減

10、量。（2）調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器發(fā)射功率和衰減量，設(shè)定初始噪聲功率（如-5dBm、-10dBm或者其他值）。（3）改變噪聲類型，如白噪聲、同頻噪聲、脈沖噪聲、白噪聲+脈沖噪聲和現(xiàn)場場景噪聲。（4）逐漸增大噪聲功率，在每組信噪比條件下進(jìn)行100次載波通信測試，記錄通信成功率，直到通信成功率低于95%(或者其他標(biāo)準(zhǔn)值，如99%)，記錄此時(shí)的噪聲功率為載波通信模塊的抗噪聲性能指標(biāo)。測試評(píng)估。針對(duì)不同的噪聲類型和噪聲功率，會(huì)形成一定的信噪比條件，通信成功率也會(huì)隨之變化，據(jù)此可以判斷其抗噪性能。例如對(duì)于脈沖噪聲條件，如果在-10dBm時(shí)達(dá)不到通過成功率，則認(rèn)為試驗(yàn)不通過；而對(duì)于白噪聲，達(dá)不到-5dBm的條件時(shí)，

11、則判斷為試驗(yàn)不通過。信噪比條件判斷臨界值需要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。三、靈敏度測試及抗衰減性能測試在用電信息采集系統(tǒng)相關(guān)系列規(guī)范中，專網(wǎng)無線、公網(wǎng)無線都提到了接收靈敏度指標(biāo)，但對(duì)電力線載波信道僅有傳輸誤碼率性能要求，而沒有靈敏度方面的性能要求。因而，有業(yè)內(nèi)人士提出需要增加適當(dāng)?shù)耐ㄐ拍芰χ笜?biāo)和環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)來針對(duì)低壓電力線的惡劣環(huán)境和時(shí)變特性，通信能力應(yīng)該有接收靈敏度和抗干擾性指標(biāo)，還要有系統(tǒng)性的考核指標(biāo)，特別是系統(tǒng)抄收時(shí)間、中繼路由及自適應(yīng)性。針對(duì)靈敏度性能測試，也有不少測試從業(yè)人員進(jìn)行了深入的研究，并提出了一些測試方案和優(yōu)秀算法。如圖3所示，基于本文的測試設(shè)備，從原理上講滿足靈敏度測試的技術(shù)要求，但是在實(shí)

12、際操作中需要澄清并解決一個(gè)問題，即載波隔離，即載波衰減問題。如果不能在測試環(huán)境中很好地解決這個(gè)問題，所謂的靈敏度性能測試和抗衰減性能測試就很難量化其技術(shù)指標(biāo)。圖3靈敏度和抗衰減性能測試回路1、測試方法及存在的問題分析基于圖3的抗衰減性能和靈敏度測試原理如下。衰減性能測試參考方法。在電力線載波信道上介入衰減量可調(diào)的電力線衰減器。衰減量從5060dB開始逐步增加，在每一組衰減值條件下進(jìn)行100次載波通信測試，記錄通信成功率。直至通信成功率低于95%，記錄此時(shí)的衰減值作為載波通信模塊抗衰減性能。靈敏度參考測試方法。逐漸調(diào)節(jié)程控電力線衰減器的衰減幅度，直到“被測載波通信設(shè)備”剛好能夠成功接收到“配測載

13、波設(shè)備”發(fā)送的載波信號(hào)為止，抄收30次成功率高于90%，此時(shí)記錄程控衰減器的衰減量為k，用頻譜儀測量“配測載波設(shè)備”的信號(hào)功率為X，則“被測載波通信設(shè)備”的接收靈敏度C=X-k（dBuv）。從以上測試原理及方法不難看出，抗衰減性能測試和靈敏度測試都基于兩個(gè)前提條件，一是在工頻強(qiáng)電線路上完全隔離了載波信號(hào)，至少達(dá)到斷開衰減通道的情況下無法成功通信；二是調(diào)節(jié)衰減器能夠真正的實(shí)現(xiàn)對(duì)載波信號(hào)由通到斷的漸進(jìn)過程。由此可見，建立一條工頻強(qiáng)電信號(hào)的獨(dú)立通道，是實(shí)現(xiàn)靈敏度和抗衰減特性測試的必要條件，圖4為其原理結(jié)構(gòu)。圖4改進(jìn)的靈敏度和抗衰減性能測試結(jié)構(gòu)2、關(guān)于載波隔離器的實(shí)現(xiàn)載波耦合器的設(shè)計(jì)已經(jīng)是成熟技術(shù)，而

14、載波隔離器的實(shí)現(xiàn)也有很多種方式，大多采用基于電力衰減器的隔離方式?？梢杂啥嗉?jí)LC衰減電路通過程控繼電器構(gòu)成，圖5為典型的二級(jí)LC衰減結(jié)構(gòu)。許多載波通信模塊供應(yīng)商都提供與其產(chǎn)品相對(duì)應(yīng)的成品衰減器。圖5標(biāo)準(zhǔn)LC衰減級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)從理論上講，多級(jí)LC衰減級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，將能夠使通信不成功，但在實(shí)際測試中，幾乎不可能。發(fā)現(xiàn)隨著串聯(lián)級(jí)數(shù)的增加(試驗(yàn)達(dá)到7級(jí)，每級(jí)標(biāo)稱衰減59dB)，開始抄表不成功，多次抄表之后，慢慢由部分抄通到全部抄通。當(dāng)然，有效實(shí)現(xiàn)載波隔離形成獨(dú)立交流市電通道的方式有很多種，有文獻(xiàn)資料設(shè)計(jì)了AC-DC-AC轉(zhuǎn)換器加鎖相環(huán)的方法。從目前試驗(yàn)的情況看，很大原因不是衰減器的問題，而是載波模塊的通信方式問

15、題。因?yàn)榇蟛糠謴S家的通信模塊，其載波發(fā)射功率超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的電平，帶外干擾也超標(biāo)；而且其調(diào)制方式、速率也會(huì)根據(jù)線路環(huán)境作出調(diào)整。也就是說，載波通信模塊的功率、速率，甚至調(diào)制方式都有自適應(yīng)能力。3、關(guān)于程控衰減網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建程控衰減網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方式，在測試設(shè)備中試驗(yàn)了以下兩種。（1）采用多級(jí)LC衰減電路?；诔炭乩^電器構(gòu)成，原理上與前述隔離器相同。如果采用這種結(jié)構(gòu)，可以去掉載波耦合器。（2）采用微波同軸程控衰減器構(gòu)造。經(jīng)過載波耦合器隔離交流強(qiáng)電之后，只有載頻小信號(hào)(100kHz以上的頻率，標(biāo)準(zhǔn)要求最大為15dBm)，因此采用常規(guī)成熟的微波同軸衰減器是沒有問題的。另外，經(jīng)典的T型和型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)也能用以衰減電力線載波信號(hào)，結(jié)合程控繼電器達(dá)到程控衰減的目的。經(jīng)過試