CN107633667A - 基于分布式路由的电力线载波通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力载波技术领域，公开了一种基于分布式路由的电力线载波通信方法及系统，以改善抄表的整体性能。本发明方法包括：在集中器部署第一窄带载波处理单元；在各楼栋分布式部署混合路由模块，各混合路由模块包括以串口连接的第二窄带载波处理单元和宽带载波处理单元；以地埋线建立各第二窄带载波处理单元与第一窄带载波处理单元之间的窄带通信链路，并以宽带载波通信方式建立各宽带载波处理单元与相对应楼栋所有电表之间的宽带通信链路；通过各窄带通信链路与相应宽带通信链路之间的数据转发进行台区抄表及其他载波通信处理。

Description

基于分布式路由的电力线载波通信方法及系统

技术领域

本发明涉及电力载波技术领域，尤其涉及一种基于分布式路由的电力线载波通信方法及系统。

背景技术

为满足电网公司低压集抄系统采集数据量日益增加，采集实时性不断提高，宽带载波通信技术以速率高、响应快、实时性高以及网络发达稳定等优点，已在电力线载波通信领域中获得了大量使用。由于宽带载波通信频率高(2～30MHz)，信号在电力线上衰减快，抗容性负载能力差；而且，在面对电力线地埋线时，通信距离较短。在某些环境比较差的配电台区，特别是长地埋线的情况下，通信成功率非常低，难以满足实际需求。

宽带载波抄表应用至今一直采用路由集中式采集系统，其拓扑结构如图1所示，图中☆表示集中器，○表示用户电表；台区各电表模块直接或经中继后连至集中器，集中器路由需要管理处理台区所有电表模块往来数据，同时维护整个网络稳定，全网压力集于集中器路由一点，一旦路由处理不及时可能导致整网崩溃；而且集中器至各用户电表之间路径最长且复杂多变，信号衰减厉害，网络稳定性必然不会太高。集中式路由的特点是在集中器部署集中式路由，所有节点都由集中路由管控，包括节点的入网和退网等。广大科研人员花大力气解决的都是从集中器路由模块至入户电表模块地埋距离信号衰减问题。这段距离问题多，难度大，解决成本高，且收效很少。此外，由于集中器的安放通常是固定不能移动的，因此也无法通过移动或增加集中器来解决宽带网络不好的问题。

发明内容

本发明目的在于公开一种基于分布式路由的电力线载波通信方法及系统，以改善抄表的整体性能。

为实现上述目的，本发明公开了一种基于分布式路由的电力线载波通信方法，包括：

在集中器部署第一窄带载波处理单元；

在各楼栋分布式部署混合路由模块，各所述混合路由模块包括以串口连接的第二窄带载波处理单元和宽带载波处理单元；

以地埋线建立各所述第二窄带载波处理单元与所述第一窄带载波处理单元之间的窄带通信链路，并以宽带载波通信方式建立各所述宽带载波处理单元与相对应楼栋所有电表之间的宽带通信链路；

通过各所述窄带通信链路与相应宽带通信链路之间的数据转发进行台区抄表及其他载波通信处理。

与上述方法相对应的，本发明还公开一种基于分布式路由的电力线载波通信系统，包括：

在集中器部署第一窄带载波处理单元；

在各楼栋分布式部署混合路由模块，各所述混合路由模块包括以串口连接的第二窄带载波处理单元和宽带载波处理单元；

以地埋线建立各所述第二窄带载波处理单元与所述第一窄带载波处理单元之间的窄带通信链路，并以宽带载波通信方式建立各所述宽带载波处理单元与相对应楼栋所有电表之间的宽带通信链路；进而实现通过各所述窄带通信链路与相应宽带通信链路之间的数据转发进行台区抄表及其他载波通信处理。

本发明具有以下有益效果：

采用分布式结构将全网拆分成若干独立子网；集中器与分布路由采用窄带载波通信，克服长地埋线衰减问题；分布路由子网采用宽带载波管理运行各自子网。使得：针对电力电网载波传输通道特点与数据传输速率需求，充分发挥宽带与窄带载波各自优势，将原集中路由拆分至各楼栋，相对原路由集中式有以下提高：

A、网络稳定性、可靠性提高

路由集中式网络，一旦主节点故障，整个网络瘫痪，路由重启之后需要全网重新组网；而分布式路由主节点故障，各分布路由子网仍然正常运行，主节点恢复后很快恢复网络。

路由集中式网络抄表时一旦某一从节点故障，常常引起全网等待，抄表时间不断增加；而分布式网络，该节点仅影响所在子网的下属节点，对全局影响小。

B、抄表速率提高

路由集中式网络不是全窄带载波就是全宽带载波；窄带载波带宽小，网络速率慢，抄表慢；宽带载波带宽大，网络速率快，但信号衰减大，重抄、补抄多，综合抄表速率也不高。本系统抄表充分发挥宽带、窄带载波的特点，各分布路由子网采用宽带载波传输，各子网信号品质相对好，节点数较少，抄通率与抄表速率更有保障。而且，本系统“分布路由-用户表子网”采用并行抄表，抄表速度比窄带抄表或一般的宽带抄表要快很多。

C、适应性提高

路由集中式全窄带载波网络不适合高速大数据传输场合，路由集中式全宽带载波网络不适合衰减大长地埋线场合。本设计结合二者各自优点，充分发挥各自特长，适应性得到极大的增强。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有的集中式路由的拓扑结构示意图；

图2是本发明实施例分布式路由的拓扑结构示意图；

图3是本发明实施例分布式路由的电力线载波通信系统的架构图；

图4是本发明实施例窄带载波处理单元的一种结构框图；

图5是本发明实施例宽带载波处理单元的一种结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例首先公开一种基于分布式路由的电力线载波通信系统，该系统采用分布式结构将全网拆分成若干独立子网，与图1相对应的拓扑结构变为图2所示，图中☆表示集中器，○表示用户电表，□表示混合路由。

本实施例中，基于分布式路由的电力线载波通信系统包括：

在集中器部署第一窄带载波处理单元；

在各楼栋分布式部署混合路由模块，各混合路由模块包括以串口连接的第二窄带载波处理单元和宽带载波处理单元；

以地埋线建立各第二窄带载波处理单元与第一窄带载波处理单元之间的窄带通信链路，并以宽带载波通信方式建立各宽带载波处理单元与相对应楼栋所有电表之间的宽带通信链路；进而实现通过各窄带通信链路与相应宽带通信链路之间的数据转发进行台区抄表及其他载波通信处理。

可选地，第一窄带载波处理单元和第二窄带载波处理单元采用同型号的窄带载波处理芯片(如下述的8051单片机)，且窄带载波处理芯片连接有用于耦合到电力线的调制解调用外围电路。同理，上述宽带载波处理单元包括宽带载波处理芯片(如下述的ARM处理器)及其连接的用于耦合到电力线的调制解调用外围电路。优选地，上述第一窄带载波处理单元和第二窄带载波处理单元及宽带载波处理单元都采用OFDM多载波进行调制解调处理。

图3是本实施例分布式路由通信系统一种具体实例，其中，上述第一和第二窄带载波处理单元采用RISE3802来实现，宽带载波处理单元采用RISE3902来实现。图4为RISE3802的具体结构示意图，图5是RISE3902的具体结构示意图。

参照图3、图4及图5，对比RISE3802与RISE3902内部功能框图，很明显RISE3902在速度上有了质的提高。其中，处理性能方面，RISE3902采用ARM9处理器处理速度提高了100倍；RISE3902资源更丰富，运行内存提高到80倍；RISE3902淘汰了I2C这类低速接口；物理层方面，RISE3802采用G3协议，中心频率361kHz,频宽±27kHz，36个子载波，传输速率较慢，该频段抗地埋线衰减能力强；RISE3902采用Homeplug GreenPHY协议，载波工作频段设置2-18MHz内,可根据需求配置417-663个子载波，传输速率较快，该频段抗地埋线衰减能力弱。其中，RISE3902与RISE3801封装尺寸相当，且内部集成内核电源，集成度更高，简化外围电路，有效降低设计成本。

基于上述选型，集中器的RISE3802实现的主要功能有：管理维护“集中器-混合路由”网络；向混合路由转发集中器下发指令并接收用户表的抄读数据。混合路由采用RISE3802、RISE3902实现，主要功能有：RISE3802接收集中器下发指令转发给RISE3902；RISE3902根据接收指令抄读用户表；RISE3902将抄读数据转发给RISE3802；RISE3802将RISE3902抄读数据转发至集中器；以及RISE3902管理维护“混合路由-用户表”的子网网络。

基于图3的系统架构，RISE3902下属各用户表主动注册入网；且各RISE3902并行抄读下属各用户表数据。

通常，低压集中抄表网络不同于一般通信网络，其是一个物理形态各异，传输信道连续性差，深受现场实际电网分布环境影响的通信网络。

电力线是载波通信传输介质，电网形态决定通信网络形态。电网服务于用户供电，各传输路径会根据电流量选择不同电力电缆，采用架空、桥架或地埋等走线方式，并且为实现电网管控，传输路径上还会分布各种电力开关与计量补偿设备。因此，电网传输主干与楼栋子网传输特性完全不同。

传输主干电流大，一般采用铠装电缆地埋或桥架方式，该段传输线分布电容大，高频衰减大不利于宽带传输。为控制电网配电，传输主干分布大量大型空气开关，传输介质不连续，高频信号开关界面损耗大，不利于宽带传输。为保证电网品质传输主干一般分布电容补偿柜，吸收载波高频部分不利于宽带传输。

楼栋子网负责主干分支分发至各用户，传输电流相对较小，一般采用无铠电缆或普通电线，通过电力井或明线入户，高频衰减较小适合宽带传输。楼栋环境充斥家电、手机与无线等各种用户信号，噪声大频谱宽，相对窄带通信，宽带载波影响要小很多。

藉此，载波通信网络贯穿整个供电网络始末，无论窄带载波还是宽带载波均存在各种优缺点，单纯使用宽带或者窄带并非解决全网通信的最合理手段。

本实施例的上述选型，其根据电网物理通道特征，主干采用瑞斯康OFDM窄带载波处理单元RISE3802，其中心频率500kHz，既满足主干抗衰减要求，又保证一定的传输速率(相对普通窄带高30-40倍)。楼栋网络采用宽带载波处理单元RISE3902开发，其工作频段采用2-18MHz，网络反应速度快，抄表速率高、可靠性高。

另一方面，传输速率慢是窄带载波通信最大的缺点，无法建立复杂完善的路由网络，无法并行抄表，只能采用轮询等待方式，200-300户台区一轮抄表往往需要花费1-2小时。因此，要提高采集速率，必须建立一个高速可靠稳定的路由网络。受物理传输通道限制，直接采用宽带载波技术更新换代并不能适应所有应用场合，并非真正合理解决手段。

窄带载波在点对点通信或维护规模小简单网络时具有较高效率，而宽带载波在维护规模大复杂网络时具有压倒优势。分析电网网络特点时，我们已经知道主干线路节点少，但不适合宽带通信；楼栋网络节点多网络复杂，但适合宽带通信。对于宽带载波抄表网络对于速度需求主要来自其自身，抄表数据属于极小负载，完全支持并行操作，因此，楼栋采用宽带网络主干采用原窄带速率传输就能成倍提高全网采集速率。

本实施例的上述选型，主干采用窄带载波处理单元RISE3802，通信速率达166.4kbps，传输速率较普通窄带有大幅提升，是主干窄带传输的较优解决方案。

再一方面，本实施例通信系统设计从低压集中抄表网络各部分数据流量出发，充分考虑各部分功能与速率需求，根据各部分特点将整个网络分解为若干子网，分为集中器-混合路由、混合路由-用户表两种路由类型。

集中器-混合路由网络，其网络节点少，网络自身数据流量小，但传输通道变化多、干扰、衰减大，适合采用OFDM窄带载波处理单元RISE3802构建网络传输数据。

混合路由-用户表网络，其从节点多，网络自身数据流量大，传输通道相对高频衰减小，适合采用OFDM宽带载波处理单元RISE3902构建网络传输数据。而且，各子网之间可采用并行抄表方式，各子网根据集中器指令按照本地档案抄表，再由集中器-混合路由网络统一调度，收集上报至集中器。

本实施例的路由网络，各子网各自独立，“混合路由-用户表”子网环境相对稳定，基于宽带载波传输速率高、可靠性高；其中任意一个子网出现故障也不会导致全网崩溃。窄带载波网络组网非常简单，功能如同一个多机串口网络；而一般宽带载波网络均采用白名单组网模式，集中器下发档案至路由模块，路由模块允许名单上模块入网。本实施例可采用分布式路由管理模式，各电表主动入子网，节点名单汇总至相应子网的混合路由模块，然后再根据集中器下发档案，将名单外模块退网或托管。

综上所述，本实施例系统采用分布式结构将全网拆分成若干独立子网；集中器与分布路由采用窄带载波通信，克服长地埋线衰减问题；分布路由子网采用宽带载波管理运行各自子网。使得：针对电力电网载波传输通道特点与数据传输速率需求，充分发挥宽带与窄带载波各自优势，将原集中路由拆分至各楼栋，相对原路由集中式有以下提高：

A、网络稳定性、可靠性提高

路由集中式网络，一旦主节点故障，整个网络瘫痪，路由重启之后需要全网重新组网；而分布式路由主节点故障，各分布路由子网仍然正常运行，主节点恢复后很快恢复网络。

路由集中式网络抄表时一旦某一从节点故障，常常引起全网等待，抄表时间不断增加；而分布式网络，该节点仅影响所在子网的下属节点，对全局影响小。

B、抄表速率提高

路由集中式网络不是全窄带载波就是全宽带载波；窄带载波带宽小，网络速率慢，抄表慢；宽带载波带宽大，网络速率快，但信号衰减大，重抄、补抄多，综合抄表速率也不高。本系统抄表充分发挥宽带、窄带载波的特点，各分布路由子网采用宽带载波传输，各子网信号品质相对好，节点数较少，抄通率与抄表速率更有保障。而且，本系统“分布路由-用户表子网”采用并行抄表，抄表速度比窄带抄表或一般的宽带抄表要快很多。

C、适应性提高

路由集中式全窄带载波网络不适合高速大数据传输场合，路由集中式全宽带载波网络不适合衰减大长地埋线场合。本设计结合二者各自优点，充分发挥各自特长，适应性得到极大的增强。

【实验验证】

为验证本系统实际效果，选择了某长地埋线台区进行了试点，先前此窄带台区抄通率99.5％,全部召测时间约45分钟；宽带载波信号衰减极大，抄通率不足40％。本发明系统在该台区试点抄表情况见表1。

通过表中数据不难发现，本系统在该台区试点稳定，每日召测数据均为100％，且每日台区电表数据全部抄回时间约25分，相对窄带载波系统在召测时间上有较大提升，而相对原有宽带载波系统已经发生了质的变化，完全克服该台区因地埋线长无法使用的问题。

表1：

实施例2

与上述方法实施例相对应的，本实施例公开一种基于分布式路由的电力线载波通信方法，包括：

在集中器部署第一窄带载波处理单元；

在各楼栋分布式部署混合路由模块，各混合路由模块包括以串口连接的第二窄带载波处理单元和宽带载波处理单元；

以地埋线建立各第二窄带载波处理单元与第一窄带载波处理单元之间的窄带通信链路，并以宽带载波通信方式建立各宽带载波处理单元与相对应楼栋所有电表之间的宽带通信链路；

通过各窄带通信链路与相应宽带通信链路之间的数据转发进行台区抄表及其他载波通信处理。

同理，第一窄带载波处理单元和第二窄带载波处理单元可采用同型号的窄带载波处理芯片，且窄带载波处理芯片连接有用于耦合到电力线的调制解调用外围电路；宽带载波处理单元也包括宽带载波处理芯片及其连接的用于耦合到电力线的调制解调用外围电路。优选地，第一、第二窄带载波处理单元及宽带载波处理单元皆采用OFDM多载波进行调制解调处理。

综上，本实施例方法采用分布式结构将全网拆分成若干独立子网；集中器与分布路由采用窄带载波通信，克服长地埋线衰减问题；分布路由子网采用宽带载波管理运行各自子网。使得：针对电力电网载波传输通道特点与数据传输速率需求，充分发挥宽带与窄带载波各自优势，将原集中路由拆分至各楼栋，相对原路由集中式有以下提高：

A、网络稳定性、可靠性提高

路由集中式网络，一旦主节点故障，整个网络瘫痪，路由重启之后需要全网重新组网；而分布式路由主节点故障，各分布路由子网仍然正常运行，主节点恢复后很快恢复网络。

路由集中式网络抄表时一旦某一从节点故障，常常引起全网等待，抄表时间不断增加；而分布式网络，该节点仅影响所在子网的下属节点，对全局影响小。

B、抄表速率提高

路由集中式网络不是全窄带载波就是全宽带载波；窄带载波带宽小，网络速率慢，抄表慢；宽带载波带宽大，网络速率快，但信号衰减大，重抄、补抄多，综合抄表速率也不高。本系统抄表充分发挥宽带、窄带载波的特点，各分布路由子网采用宽带载波传输，各子网信号品质相对好，节点数较少，抄通率与抄表速率更有保障。而且，本系统“分布路由-用户表子网”采用并行抄表，抄表速度比窄带抄表或一般的宽带抄表要快很多。

C、适应性提高

路由集中式全窄带载波网络不适合高速大数据传输场合，路由集中式全宽带载波网络不适合衰减大长地埋线场合。本设计结合二者各自优点，充分发挥各自特长，适应性得到极大的增强。

值得说明的是，现有的在抄表系统中，公开有子网与子网之间，相应子节点基于双模方式进行通讯的相关技术，其通常由一个数字基带处理器在窄带通信或宽带通信方式中进行切换，例如，当一个子网的节点1与另一子网的节点2通过宽带无法通信时，切换到窄带方式进行通信；这种通信切换模式类似与手机的双模切换模式，如CN105049084A公开的“电力线载波通信组网方法、装置和系统”。其中，本发明不存在子网之间的互通问题，因此，类似CN105049084A公开的载带和宽带复用的用于解决子网之间互通的相关技术对本发明不具有任何技术启示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于分布式路由的电力线载波通信方法，其特征在于，包括：

在集中器部署第一窄带载波处理单元；

在各楼栋分布式部署混合路由模块，各所述混合路由模块包括以串口连接的第二窄带载波处理单元和宽带载波处理单元；

以地埋线建立各所述第二窄带载波处理单元与所述第一窄带载波处理单元之间的窄带通信链路，并以宽带载波通信方式建立各所述宽带载波处理单元与相对应楼栋所有电表之间的宽带通信链路；

通过各所述窄带通信链路与相应宽带通信链路之间的数据转发进行台区抄表及其他载波通信处理。

2.根据权利要求1所述的基于分布式路由的电力线载波通信方法，其特征在于，所述第一窄带载波处理单元和所述第二窄带载波处理单元采用同型号的窄带载波处理芯片，且所述窄带载波处理芯片连接有用于耦合到电力线的调制解调用外围电路。

3.根据权利要求2所述的基于分布式路由的电力线载波通信方法，其特征在于，第一窄带载波处理单元和所述第二窄带载波处理单元采用OFDM多载波进行调制解调处理。

4.根据权利要求1所述的基于分布式路由的电力线载波通信方法，其特征在于，所述宽带载波处理单元包括宽带载波处理芯片及其连接的用于耦合到电力线的调制解调用外围电路。

5.根据权利要求4所述的基于分布式路由的电力线载波通信方法，其特征在于，所述宽带载波处理单元采用OFDM多载波进行调制解调处理。

6.一种基于分布式路由的电力线载波通信系统，其特征在于，包括：

在集中器部署第一窄带载波处理单元；

在各楼栋分布式部署混合路由模块，各所述混合路由模块包括以串口连接的第二窄带载波处理单元和宽带载波处理单元；

以地埋线建立各所述第二窄带载波处理单元与所述第一窄带载波处理单元之间的窄带通信链路，并以宽带载波通信方式建立各所述宽带载波处理单元与相对应楼栋所有电表之间的宽带通信链路；进而实现通过各所述窄带通信链路与相应宽带通信链路之间的数据转发进行台区抄表及其他载波通信处理。

7.根据权利要求6所述的基于分布式路由的电力线载波通信系统，其特征在于，所述第一窄带载波处理单元和所述第二窄带载波处理单元采用同型号的窄带载波处理芯片，且所述窄带载波处理芯片连接有用于耦合到电力线的调制解调用外围电路。

8.根据权利要求7所述的基于分布式路由的电力线载波通信系统，其特征在于，所述第一窄带载波处理单元和所述第二窄带载波处理单元采用OFDM多载波进行调制解调处理。

9.根据权利要求6所述的基于分布式路由的电力线载波通信系统，其特征在于，所述宽带载波处理单元包括宽带载波处理芯片及其连接的用于耦合到电力线的调制解调用外围电路。

10.根据权利要求9所述的基于分布式路由的电力线载波通信系统，其特征在于，所述宽带载波处理单元采用OFDM多载波进行调制解调处理。