CN106297258A - 基于HomePlug AV的低压电网抄表系统 - Google Patents

基于HomePlug AV的低压电网抄表系统 Download PDF

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Beijing Risecomm Communication Technology Co Ltd
State Grid Shanghai Municipal Electric Power Co
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Abstract

本发明涉及一种基于HomePlug AV的低压电网抄表系统,包括主站、现场终端设备群,现场终端设备群包括若干现场终端设备甲、现场终端设备乙,现场终端设备甲包括集中器甲、电表装置群甲,集中器甲包括头端模块甲,头端模块甲包括switch芯片甲、若干宽带PLC芯片甲,现场终端设备乙包括集中器乙、电表装置群乙,集中器乙包括头端模块乙,头端模块乙包括switch芯片乙、若干宽带PLC芯片乙。本发明采用网口和宽带PLC使得集中器端模块的上行和下行都拓宽了,使得并行抄表成为了可能,极大地提高了抄表速度。

Description

基于HomePIugAV的低压电网抄表系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种低压电网抄表系统,特别涉及一种基于HomePlugAV的低压电网 抄表系统,属于电力监控领域。
背景技术
[0002]电力线宽带BPL(Broadband over power lines)是一种允许互联网数据在电力线 上进行传输的技术。人们经常把BPL称为电力线通信PLC。宽带电力线通信(Broadband over Power Line),简称BPL,是指带宽限定在2-30MHz之间、通信速率通常在IMbps以上的电力线 载波通信。电力线通信技术利用现有坚固可靠的电力线作为信息传输的媒介,通过载波方 式传输模拟或数字信号。可直接利用电力线,无须重新布线,组网简单快捷、成本较低廉,应 用范围广,同时保障信息安全。
[0003] 宽带PLC产品是使用的HomePlug AV规范上扩展的私有协议,工作于1.8-28MHZ, HomePlug AV下层基于802. Ilb以太网协议,使用CSM冲突检测。HomePlug AV是欧美广泛使 用的电力载波线局域网技术,主要用于家庭多媒体局域网,HomePlug V2.0速率最高可达到 lGb/s,当前推出的宽带载波方案速率为IOMbps,实际速率在2-3Mbps左右。宽带PLC通信方 案具有先天的技术和应用优势,具体描述如下:⑴抗衰减能力强,与窄带电力线通信技术相 比较,宽带PLC具有较强的抗衰减能力,窄带抗衰减一般为60~75dB,宽带PLC可以达到 95dB;⑵通信速率高,一般窄带电力线通信速率为Ik~4kbps左右,宽带PLC可以达到 200Mbps的PHY通信速率,应用层通信速率最高可以达到IOMbps,现场运行速率也至少为2~ 3Mbps左右,从而,可以承载更多、更复杂的电力线数据应用;⑶自动组网,中继级数高,一般 窄带电力线通信中继级数为7级,且易受电力线瞬变阻抗、噪声等环境影响,点对点交互数 据不足等原因,点对点通信不稳定。宽带PLC依靠点对点间较强的通信能力,从而可以做到 最多16级动态中继,而且中继通信可以实时修复和维护,保证可靠数据通信。
发明内容
[0004]本发明基于HomePlugAV的低压电网抄表系统公开了新的方案,采用网口和宽带 PLC使得集中器端模块的上行(与集中器的网口通讯)和下行(与表端模块的PLC通讯)都拓 宽了,使得并行抄表成为了可能,解决了窄带载波通信系统长期存在的抄表周期长、抄表成 功率不高的难题。
[0005]本发明基于HomePlugAV的低压电网抄表系统包括主站、现场终端设备群,主站与 现场终端设备群通信连接,现场终端设备群包括若干现场终端设备甲、现场终端设备乙,现 场终端设备甲包括集中器甲、电表装置群甲,集中器甲包括头端模块甲,头端模块甲包括 switch芯片甲、若干宽带PLC芯片甲,switch芯片甲与上述若干宽带PLC芯片甲通信连接,宽 带PLC芯片甲与电表装置群甲的电表装置通信连接形成HomePlugAV局域网甲,现场终端设 备乙包括集中器乙、电表装置群乙,集中器乙包括头端模块乙,头端模块乙包括switch芯片 乙、若干宽带PLC芯片乙,switch芯片乙与上述若干宽带PLC芯片乙通信连接,宽带PLC芯片 乙与电表装置群乙的电表装置通信连接形成HomePlug AV局域网乙。
[0006]进一步,本方案的电表装置群甲包括考核总表、若干本地费控智能电表甲、若干远 程费控智能电表甲,考核总表通过RS-485网络与宽带PLC芯片甲通信连接,本地费控智能电 表甲、远程费控智能电表甲通过载波网络与宽带PLC芯片甲通信连接。
[0007]进一步,本方案的若干本地费控智能电表甲还包括本地中继节点电表甲、本地隐 藏节点电表甲,上述若干远程费控智能电表甲还包括远程中继节点电表甲、远程隐藏节点 电表甲,本地隐藏节点电表甲通过本地中继节点电表甲与宽带PLC芯片甲通信连接,远程隐 藏节点电表甲通过远程中继节点电表甲或/和本地中继节点电表甲与宽带PLC芯片甲通信 连接。
[0008]进一步,本方案的电表装置群乙包括若干电表装置乙,电表装置乙通过载波网络 与宽带PLC芯片乙通信连接,电表装置乙包括采集器、电表组,采集器通过RS-485网络与电 表组通信连接,电表组包括若干远程费控智能电表乙、若干单/三相电子式485电能表。
[0009] 进一步,本方案的若干远程费控智能电表乙还包括远程中继节点电表乙、远程隐 藏节点电表乙,上述若干单/三相电子式485电能表还包括中继节点电能表、隐藏节点电能 表,远程隐藏节点电表乙通过远程中继节点电表乙或/和中继节点电能表与宽带PLC芯片乙 通信连接,隐藏节点电能表通过中继节点电能表或/和远程中继节点电表乙与宽带PLC芯片 乙通信连接。
[0010]进一步,本方案的采集器包括封闭式壳体,封闭式壳体内设有表模块、数据传输模 块、终端维护模块、显示面板模块,表模块包括宽带PLC芯片丙,数据传输模块包括上行通信 接口、电表通信接口,上行通信接口包括高通宽带载波接口,电表通信接口包括RS-485接 口,终端维护模块包括本地维护接口、自检自恢复模块、终端初始化模块,本地维护接口包 括RS-485接口、调制红外接口,显示面板模块包括运行指示灯、状态指示灯。
[0011]进一步,本方案的头端模块甲包括1个5 口 switch芯片、3个高通宽带PLC芯片 QCA6411,头端模块乙包括1个5 口 switch芯片、3个高通宽带PLC芯片QCA6411,表模块包括1 个高通宽带PLC芯片QCA7000。
[0012]进一步,本方案的主站包括服务器、通信接口机甲、通信接口机乙,服务器通过信 息内网分别与通信接口机甲、通信接口机乙通信连接,通信接口机甲通过光纤专网与集中 器甲通信连接,通信接口机乙通过无线公网与集中器乙通信连接。
[0013]进一步,本方案的通信接口机乙还设有防火墙模块,通信接口机乙通过防火墙模 块经GPRS/CDMA网络与集中器乙通信连接。
[0014]进一步,本方案的基于HomePlug AV的低压电网抄表系统还包括外接PC设备,外接 PC设备与switch芯片甲和/或switch芯片乙通信连接。
[0015]本发明基于HomePlug AV的低压电网抄表系统采用网口和宽带PLC使得集中器端 模块的上行和下行都拓宽了,使得并行抄表成为了可能,极大地提高了抄表速度。
附图说明
[0016]图1是本方案电网抄表系统宽带PLC组网原理示意图。
[0017]图2是载波节点与CCo通信连接的原理示意图。
[0018]图3是本方案电网抄表系统具体组网原理示意图。
具体实施方式
[0019] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0020] 为便于说明方案,下表说明一些本方案的术语和定义。
[0021]
Figure CN106297258AD00061
[0022] HomePlugAV采用一点到多点的双向树形网络,"一点"指的是CCo,"多点"指的是多 个STA,CCo与多个STA能进行双向并发的载波通讯。一般情况下,STA可以与CCo直接进行通 讯,而在一些特殊情况下,比如电力线噪声环境恶劣或节点距离过远等情况下,STA无法与 CCo直接建立通讯,这些STA被称为HSTA。它需要PSTA的中继功能来间接地与CCo通讯。此外, STA与STA之间默认不允许建立通讯,除非两个STA之间是中继和被中继的关系。每个注册上 线的STA由CCo分配一个唯一的ID号,TEI。在CCo维护的AVLN中,TEI能唯一标示该STA。当然, 使用MAC地址也可以标识STA,只是在HomePlugAV中只使用TEI标识源STA和目的STA。所以任 何报文在转发到电力网前都需要根据源MAC地址和目的MAC地址设置相应的源TEI和目的 TEI。本方案的AVLN中存在的若干的PSTA和HSTA,1个HSTA有可能通过1个或者多个PSTA的中 继才能跟CCo进行通讯。如图2所示,HSTA需要2个PSTA的中继功能才能与CCo交互,其中, PSTA-2本身也是一个HSTA,它需要PSTA-I的中继功能才能与CCo交互。
[0023]如图1所示,宽带PLC组网架构模型。宽带PLC通信技术借鉴了当前窄带PLC智能电 表抄表的各种方案,具有相似的树形通讯架构,同时又基于Homeplug AV技术,具有高带宽、 注册上线、自动组网、自动中继、电表地址自动上报、安全性等特点。其具体功能可参见下 表。
[0024]
Figure CN106297258AD00071
[0025]
Figure CN106297258AD00081
[0026]HomePlugAV协议中的MME格式报文兼容以太网MAC帧格式报文,即指定以太网帧格 式中的类型为0x88el时,该以太网帧被认为是MME报文,这样,该MME报文既可以在以太网上 传输,又可以在符合HomePlugAV标准的PLC上传输,使得不同网络介质下的通讯变得很简 单。此外,将符合645协议的报文作为MME报文的私有扩展(即将645协议作为私有MME类型的 载荷),实现了 645报文在集中器模块、QCA6411(集中器模块里的CCo芯片)、QCA7000(表端模 块里的芯片)、电表之间的透明传输。当指定MAC_Type为0x88el时,该帧就被认为是 HomePlugAV协议中的MME报文。后面的MAC_Payload就会按MME报文格式进行解析。
[0027]HomePlugA V标准定义了MME报文,用于维护AVLN网络以及CCo和STA之间的管理通 讯,它兼容以太网MAC帧格式,使得MME报文可以再以太网环境下传输。HomePlugAV标准定义 了一套标准的MME,所有厂商必须使用相同的MME格式以及处理方法。此外,为了便于扩展, 允许创建厂商特有的MME私有报文。为了能让645协议报文在集中器和电表之间顺利传输, 本方案定义了私有的MME类型,用于承载645协议报文,645作为私有MME的载荷进行传输。
[0028]本方案最大的优势就是速度优势。网口和宽带PLC使得集中器端模块在其上行(与 集中器的网口通讯)和下行(与表端模块的PLC通讯)都"拓宽"了,使得并行抄表成为了可 能,能极大地提高抄表速度。传统的串口窄带PLC的通讯方式是这样的:集中器通过串口发 送单条抄表报文给集中器模块(这里略去集中器模块的路由过程不表述),集中器模块向下 行发送到PLC上去抄表,等待电表回应,有电表回应的话就等待电表的读数,读到后就去抄 下一块表;如没有读到就等超时。由于串口和窄带PLC的特性,每次只能抄读一块表。而宽带 PLC,支持的频带拓宽,其上有多个信道可以并行传输,使得集中器模块的下行(与表端模块 PLC通讯)的并行抄表成为可能。而网口通讯,由网络层协议和速度,可同时有多个抄表帧同 时传输,使得集中器模块的上行(与集中器的网口通讯)的并发抄表成为可能。软硬件相互 配合,共同控制着并行抄表。极大地提高了抄表的速度,具有着传统窄带通讯所不可比拟的 速度优势。
[0029]本方案采用瑞斯康公司的基于宽带PLC通信技术的产品,包括集中器、集中器端通 信模块和II型采集器,用于测试宽带PLC通信技术在国内电网环境下的实际运行情况。自动 采集测试系统内每块电表的日、月冻结表码数据,并通过上行通道传输到主站系统。通信通 道方面,集中器上行通道采用GPRS或以太网,下行通道使用宽带PLC。表计和集中器之间的 规约采用DL/T 645,集中器与主站系统之间采用Q/GDW376.1。
[0030]如图3所示,设计的系统主要由主站系统、集中器、电表组成,集中器和电表的通信 靠集中器端通信模块和电表端的通信模块完成,插有载波通信模块的电表在图上标示为 "载波电表"。主站系统完成对集中器数据的采集、浏览、分析和统计等功能,及对用户表计、 集中器等设备的管理和维护。集中器上行通道选用GPRS或CDMA等无线方式或以太网有线方 式,集中器上行规约采用国电Q/⑶W376.1。集中器下行通信采用宽带PLC通信方式,下行规 约采用DL/T 645协议,电表侧采用宽带PLC通信方式,支持DL/T 645通信协议。
[0031]系统由集中器、单相电能表、II型采集器组成。其中,单相电能表是采集电力信息 的设备。根据系统总体方案,单相电能表要提供电压、电流、功率、功率因数等电网参数,要 同时具有RS485和载波两种通信方式,并且要求载波模块可热插拔更换。本方案采用插入载 波通信模块的载波通信方式。集中器的主要功能包括数据采集和存储、参数设置和查询、事 件记录、数据传输以及终端的维护功能。集中器靠集中器端模块和表端模块与电表通讯。集 中器可通过GPRS或CDMA或以太网将从电表处取得的数据传输到主站系统。模块有集中器端 模块和II型采集器块。集中器端模块插在集中器下行模块的位置,用于集中器与载波表的 直接通信。II型采集器上行与集中器进行载波通信,下行与电能表进行485通信。
[0032]宽带PLC通信技术的通信网络是由集中器模块来完成的。在集中器模块上电后,模 块内的3个CCo各自建立并维护一个AVLN。STA注册过程中先发一个请求TEI的帧,获取了TEI 后,STA就能被CCo识别,并且可以通过CSMA机制使用信道来发送数据。STA在收到了 CCo确认 获取TEI的帧后,向CCo发送获取加密秘钥(NEK)的帧,如果CCo允许其注册上线,会将NEK的 秘钥发送给STA。成功注册上线的CCo在模块上会有上线指示灯指示。退出过程分为STA主动 退出和CCo要求其退出的被动退出两种方式。STA主动退出由STA发送请求退出MME报文给 CCo。这种情况可能是STA断电或者需要主动离开AVLN。被动方式是由CCo发给STA要求其退 出的指示。
[0033]本方案还公开了宽带PLC通信现场测试内容。宽带载波不同于以往的窄带载波,其 分布于相对的高频频段,会受到易影响高频信号的因素的影响。就现场的因素而言,线路对 通信信号的衰减不大,理论上载波通信能到到300米有效范围,主要影响通信信号的是开关 和接线处。所以,施工时主要原则是尽量减少集中器到通信节点间的开关个数。
[0034]本方案有在线指示灯,可方便的用于现场的排查。表端模块的在线指示灯常亮(目 前版本是右边的灯即TXD常亮绿灯)表示该STA与CCo的通信没有问题。新安装的台区,要保 证节点都能上线,抄表就能抄的回来。如果出现在线指示灯不亮或不稳定上线的情况,可参 考以下内容排查:
[0035]⑴集中器带有三相电压检测功能,检测集中器的三相电源是否正常,是否存在接 头松动未连接好以及电线断等情况。
[0036]⑵可以使用无名单功能的集中器模块观察模块是否能上线,然后使用带有名单功 能的集中器模块,观察是否存在档案错误,如存在档案错误,修改档案观察模块是否可以上 线。
[0037]⑶考虑是否是电表或模块本身问题,替换新的观察。
[0038]⑷观察线路是否过长,或经过的开关及能衰减信号的设备过多。考虑在适当的地 方加中继尝试。
[0039]每个台区的集中器分别安装在变压器旁边的表箱内。下表是WFET-610S采集器的 主要技术指标。
[0040]
Figure CN106297258AD00101
[0041]采集器提供一路RS485抄表接口,采用主从轮询方式,抄读各电表电能量,一台采 集器最大抄表容量为32只,采集器相当于虚拟下挂的所有RS485电能表,对于系统命令,采 集器采用命令透传方式处理。支持低压电力线载波。采集器在安装后,在确保连接正确的前 提下,不需做任何设置操作,就能正常工作。可通过载波通道对采集器软件现场升级。下表 是其具体功能。
[0042]
Figure CN106297258AD00111
[0043]上述方案中涉及的电器、电路、模块以及电子元器件除特别说明之外,根据其实现 的具体功能可以选择本领域通用的设计和方案,也可以根据实际需要选择其他设计和方 案。
[0044]本方案的基于HomePlug AV的低压电网抄表系统采用网口和宽带PLC使得集中器 端模块在其上行(与集中器的网□通讯)和下行(与表端模块的PLC通讯)都"拓宽"了,使得 并行抄表成为了可能,能极大地提高抄表速度,解决了窄带载波通信系统长期存在的抄表 周期长、抄表成功率不高的难题。本方案通过建立现场测试系统,研究由低压电网引起窄带 载波通信失败的要素,从电网拓扑结构、电网影响量测试和家用电器特征量等方面提出技 术对策,提高现场抗干扰能力,提高采集成功率,有效反馈现场问题,并且能够降低线损。基 于以上特点,本方案相比现有的窄带载波通信系统具有突出的实质性特点和显著的进步。 [0045]本方案的基于HomePlug AV的低压电网抄表系统并不限于具体实施方式中公开的 内容,实施例中出现的技术方案可以单独存在,也可以相互包含,本领域技术人员根据本方 案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。

Claims (10)

1. 基于HomePlug AV的低压电网抄表系统,其特征是包括主站、现场终端设备群,所述 主站与所述现场终端设备群通信连接,所述现场终端设备群包括若干现场终端设备甲、现 场终端设备乙,所述现场终端设备甲包括集中器甲、电表装置群甲,所述集中器甲包括头端 模块甲,所述头端模块甲包括switch芯片甲、若干宽带PLC芯片甲,所述switch芯片甲与所 述若干宽带PLC芯片甲通信连接,所述宽带PLC芯片甲与所述电表装置群甲的电表装置通信 连接形成HomePlug AV局域网甲,所述现场终端设备乙包括集中器乙、电表装置群乙,所述 集中器乙包括头端模块乙,所述头端模块乙包括switch芯片乙、若干宽带PLC芯片乙,所述 switch芯片乙与所述若干宽带PLC芯片乙通信连接,所述宽带PLC芯片乙与所述电表装置群 乙的电表装置通信连接形成HomePlug AV局域网乙。
2. 根据权利要求1所述的基于HomePlug AV的低压电网抄表系统,其特征在于,所述电 表装置群甲包括考核总表、若干本地费控智能电表甲、若干远程费控智能电表甲,所述考核 总表通过RS-485网络与宽带PLC芯片甲通信连接,所述本地费控智能电表甲、远程费控智能 电表甲通过载波网络与宽带PLC芯片甲通信连接。
3. 根据权利要求2所述的基于HomePlug AV的低压电网抄表系统,其特征在于,所述若 干本地费控智能电表甲还包括本地中继节点电表甲、本地隐藏节点电表甲,所述若干远程 费控智能电表甲还包括远程中继节点电表甲、远程隐藏节点电表甲,所述本地隐藏节点电 表甲通过所述本地中继节点电表甲与宽带PLC芯片甲通信连接,所述远程隐藏节点电表甲 通过所述远程中继节点电表甲或/和所述本地中继节点电表甲与宽带PLC芯片甲通信连接。
4. 根据权利要求1或2所述的基于HomePlug AV的低压电网抄表系统,其特征在于,所述 电表装置群乙包括若干电表装置乙,所述电表装置乙通过载波网络与宽带PLC芯片乙通信 连接,所述电表装置乙包括采集器、电表组,所述采集器通过RS-485网络与所述电表组通信 连接,所述电表组包括若干远程费控智能电表乙、若干单/三相电子式485电能表。
5. 根据权利要求4所述的基于HomePlug AV的低压电网抄表系统,其特征在于,所述若 干远程费控智能电表乙还包括远程中继节点电表乙、远程隐藏节点电表乙,所述若干单/三 相电子式485电能表还包括中继节点电能表、隐藏节点电能表,所述远程隐藏节点电表乙通 过所述远程中继节点电表乙或/和所述中继节点电能表与宽带PLC芯片乙通信连接,所述隐 藏节点电能表通过所述中继节点电能表或/和所述远程中继节点电表乙与宽带PLC芯片乙 通信连接。
6. 根据权利要求5所述的基于HomePlug AV的低压电网抄表系统,其特征在于,所述采 集器包括封闭式壳体,所述封闭式壳体内设有表模块、数据传输模块、终端维护模块、显示 面板模块,所述表模块包括宽带PLC芯片丙,所述数据传输模块包括上行通信接口、电表通 信接口,所述上行通信接口包括高通宽带载波接口,所述电表通信接口包括RS-485接口,所 述终端维护模块包括本地维护接口、自检自恢复模块、终端初始化模块,所述本地维护接口 包括RS-485接口、调制红外接口,所述显示面板模块包括运行指示灯、状态指示灯。
7. 根据权利要求6所述的基于HomePlug AV的低压电网抄表系统,其特征在于,所述头 端模块甲包括1个5 口 swi tch芯片、3个高通宽带PLC芯片QCA6411,所述头端模块乙包括1个 5 口 swi tch芯片、3个高通宽带PLC芯片QCA6411,所述表模块包括1个高通宽带PLC芯片 QCA7000。
8. 根据权利要求1所述的基于HomePlug AV的低压电网抄表系统,其特征在于,所述主 站包括服务器、通信接口机甲、通信接口机乙,所述服务器通过信息内网分别与所述通信接 口机甲、通信接口机乙通信连接,所述通信接口机甲通过光纤专网与所述集中器甲通信连 接,所述通信接口机乙通过无线公网与所述集中器乙通信连接。
9. 根据权利要求8所述的基于HomePlug AV的低压电网抄表系统,其特征在于,所述通 信接口机乙还设有防火墙模块,所述通信接口机乙通过所述防火墙模块经GPRS/CDMA网络 与所述集中器乙通信连接。
10. 根据权利要求1所述的基于HomePlug AV的低压电网抄表系统,其特征在于,所述基 于HomePlug AV的低压电网抄表系统还包括外接PC设备,所述外接PC设备与所述switch芯 片甲和/或switch芯片乙通信连接。
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