CN108023614B - 低压电力线载波通信装置以及用电信息采集系统和采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低压电力线载波通信装置以及含有该低压电力线载波通信装置的用电信息采集系统和采集方法，该低压电力线载波通信装置可实现电力线宽带载波信号的发送和接收。用电信息采集系统包括相互连接通信的集中器和低压电力线载波通信装置，与集中器连接通信的多个窄带载波采集终端，以及与低压电力线载波通信装置连接通信的多个宽带载波采集终端；各窄带载波采集终端的窄带载波采集器，通过电力线将从电能表获取的用电信息数据，传输至集中器；各宽带载波采集终端的宽带载波采集器，通过电力线将从电能表获取的用电信息数据，传输至低压电力线载波通信装置，进而传输至集中器。本发明能够有效提升电力线载波通信在用电信息采集应用中的效率。

Description

低压电力线载波通信装置以及用电信息采集系统和采集方法

技术领域

本发明涉及低压电力线载波通信技术领域，特别是一种可用于融合有窄带载波通信和宽带载波通信的低压电力线载波通信装置，以及含有这种装置的用电信息采集系统和采集方法。

背景技术

低压电力线载波通信是指，利用电力线作为媒体实现数据传输的一种通信技术。由于电力线是最普及、覆盖范围最为广阔的一种物理媒体，利用电力线来传输数据信息，可以有效降低运营成本、减少构建新的通信网络的支出，因此电力线通信技术正成为信息技术发展的热点。

电力线通信，按照其使用的频率，通常可分为电力线窄带载波通信和电力线宽带载波通信。随着我国智能电网的建设，采用低压电力线窄带载波通信技术的用电信息采集系统已经初具规模。但随着采集系统业务功能的不断深化，电力线窄带载波通讯固有的速率低、实时性差、无法实现全双工通信的弱点也逐渐暴露。如何提升电力用户用电信息采集成功率和采集效率是需要迫切解决的问题。

为解决电力线通信用电信息采集效率的问题，目前通常的做法是采用宽带载波通信技术进行抄表。这种方式需要通过硬件更新替换才能够实现。具体的，采用这种方式至少需要将原有的窄带载波通信装置替换为宽带载波芯片，并增加窄带通信电路，通过原有宽带载波芯片模拟窄带载波通信的调制和解调。对于用电现场已经安装窄带载波集中器和窄带载波采集器的情况下，在现场进行硬件设备的改造将相当繁琐。

或者，目前也有人提出采用硬件拓展电力线载波通信的通道带宽，以提高电力线载波通信系统对频谱的利用率。然而，该方式仍然需要对现有的电力线载波通信装置进行替换，对硬件安装升级的要求较高，无法与现有电力线载波通信网络进行融合，安装、使用成本较高，不利于推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种低压电力线载波通信装置以及含有该低压电力线载波通信装置的用电信息采集系统和采集方法，该低压电力线载波通信装置可实现宽带载波的发送和接收，以实现基于宽带载波的电力线信号传输；该用电信息采集系统能够实现窄带载波与宽带载波的低压电力线通信技术的融合，能够有效提升电力线载波通信在用电信息采集应用中的效率。

本发明采取的技术方案为：一种低压电力线载波通信装置，包括电源模块、处理器以及分别连接处理器的宽带载波通信模块、存储模块和外部设备接口模块；电源模块为装置提供工作电源；

宽带载波通信模块包括宽带载波发送电路、宽带载波接收电路和宽带载波耦合电路；宽带载波发送电路的输入端连接处理器，宽带载波接收电路的输出端连接处理器；宽带载波发送电路的输出端以及宽带载波接收电路的输入端分别通过宽带载波耦合电路连接低压电力线；

处理器通过外部设备接口模块连接外部设备。

本发明中宽带载波耦合电路负责宽带载波信号与低压电力线的耦合输出以及分离输入，宽带载波信号与低压电力线的耦合输出以及分离输入分别为现有电路技术。在用于电力信息采集时，低压电力线载波通信装置通过外部设备接口模块连接集中器等设备。处理器可采用现有微控制器芯片，其宽带载波信号的发送和接收为现有技术。

进一步的，低压电力线载波通信装置还包括复位电路和状态指示模块，状态指示模块包括分别对应网络通信状态、宽带载波通信状态和电源工作状态的指示灯，处理器根据网络接口模块、宽带载波通信模块和电源模块的工作状态控制相应指示灯的工作。复位电路用于处理器和装置各模块的复位，可方便系装置的调试检修，复位电路为现有技术，可采用MAX706。

优选的，所述外部设备接口模块包括以太网接口、RS232接口、USB接口和光纤接口中的一种或多种。各接口的具体实现为现有技术。

优选的，宽带载波通信模块中，宽带载波发送电路包括沿信号传输方向依次连接的差分功率放大电路、带通滤波电路和输出滤波电路。差分功率放大电路可实现宽带载波信号输出功率的放大，带通滤波器可减小信道对宽带载波的影响，滤除信道干扰，输出滤波电路用于输出信号滤波。

优选的，宽带载波通信模块中，宽带载波接收电路包括输入滤波器和电压反馈放大电路，输入滤波器接收宽带载波耦合电路输出的宽带载波信号，进行输入信号滤波后经电压反馈放大电路将宽带载波信号放大后传输至处理器。

优选的，宽带载波通信模块中，宽带载波耦合电路包括耦合电容和耦合变压器，耦合电容一端连接低压电力线，另一端连接耦合变压器的初级端，使得耦合电容与耦合变压器初级线圈组成高通滤波器。该组成的高通滤波器可以滤除50Hz工频强电及低频干扰信号，通过宽带载波耦合电路，既可以实现将宽带载波信号耦合到电力线上又可以将其与强电信号隔离开。

优选的，存储模块包括FLASH和SDRAM。FLASH存储容量2MB，SDRAM容量为64MB。

本发明还公开一种含有上述低压电力线载波通信装置的用电信息采集系统，包括相互连接通信的集中器和低压电力线载波通信装置，与集中器连接通信的多个窄带载波采集终端，以及与低压电力线载波通信装置连接通信的多个宽带载波采集终端；

各窄带载波采集终端包括窄带载波采集器和多个分别连接窄带载波采集器的电能表；窄带载波采集器与各电能表之间通过窄带载波信号传输数据；

各宽带载波采集终端包括宽带载波采集器和多个分别连接宽带载波采集器的电能表；宽带载波采集器与各电能表之间通过宽带载波信号传输数据；

各窄带载波采集终端的窄带载波采集器，通过电力线将从其所连接的电能表获取的用电信息数据，传输至集中器；

各宽带载波采集终端的宽带载波采集器，通过电力线将从其所连接的电能表获取的用电信息数据，传输至低压电力线载波通信装置；低压电力线载波通信装置将接收到的用电信息数据传输至集中器。

优选的，所述宽带/窄带载波采集器与电能表之间通过RS485连接通信。集中器与低压电力线载波通信装置之间通过以太网、RS232接口、USB接口或者光纤网络连接通信。

优选的，集中器包括中央处理器CPU和存储器，存储器中存储有对应供电台区内各电能表的测量点参数，所述测量点参数包括各电能表所属窄带载波采集器或宽带载波采集器的端口信息。

本发明还公开一种上述用电信息采集系统的采集方法，包括：

S1，集中器获取待采集的电能表所对应的所属采集器端口信息，从而判断待采集电能表所属采集器端口种类：若端口种类为宽带载波，则转至S2，若端口种类为窄带载波则转至S3；

S2，集中器向低压电力线载波通信装置发送用电信息采集命令帧，低压电力线载波通信装置根据接收到的用电信息采集命令帧，向电能表所属的宽带载波采集器发送用电信息采集命令；相应的宽带载波采集器将从相应电能表采集到的用电信息数据，回传至低压电力线载波通信装置；低压电力线载波通信装置将接收到的用电信息数据，传输至集中器；转至S4；

S3，集中器向待采集电能表所属的窄带载波采集器发送用电信息采集命令帧，相应的窄带载波采集器根据接收到的用电信息采集命令帧，将从相应电能表采集到的用电信息数据，回传至集中器；转至S4；

S4，集中器对接收到的用电信息数据进行校验和解析；

S5，集中器确定下一个待采集的电能表，转至步骤S1，重复S1至S5，直至所有电能表皆采集完毕，用电信息采集完毕。

有益效果

1）低压电力线载波通信装置可实现电力线宽带载波通信，从而利用宽带载波通信技术，满足用电信息采集时，用电信息采集密度大、实时性要求高的电能表采集的需求；

2）本发明低压电力线载波通信装置能够与现有电力线载波通信的采集器和集中器组网，并进行数据交互，形成融合窄带载波和宽带载波的用电信息采集系统。进而可根据供电台区各电能表不同的用电信息采集需求，灵活的选择窄带载波或宽带载波的方式进行通信，且两种通信方式相互独立、互不干扰，能够大幅度提升低压电力线网络中用电信息的传输效率；

3）本发明集成有以太网、RS232、USB、光纤等多种接口可极大地方便系统的扩展。因为在电力用电信息采集现场，可能已经安装了窄带载波通信设备和数据集中器（简称集中器），早期现场集中器有些仅具备以太网、RS232、USB、光纤中的一种空闲接口。本发明在不破坏已安装的设备的条件下，能够实现集中器与宽带载波通信装置之间的即插即用，方便宽带载波的融合。本发明用电信息系统无需对现有低压电力线载波通信网络进行大规模重建或改造，能够有效节约成本。

附图说明

图1为本发明低压电力线载波通信装置一种具体实施例的原理结构示意图；

图2为本发明用电信息采集系统的一种具体实施例网络拓扑示意图；

图3为本发明用电信息采集方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参考图1所示，本发明的低压电力线载波通信装置，包括电源模块、处理器以及分别连接处理器的宽带载波通信模块、存储模块和外部设备接口模块；电源模块为装置提供工作电源；

宽带载波通信模块包括宽带载波发送电路、宽带载波接收电路和宽带载波耦合电路；宽带载波发送电路的输入端连接处理器，宽带载波接收电路的输出端连接处理器；宽带载波发送电路的输出端以及宽带载波接收电路的输入端分别通过宽带载波耦合电路连接低压电力线；

处理器通过外部设备接口模块连接外部设备。

参考图1所示的实施例，宽带载波耦合电路负责宽带载波信号与低压电力线的耦合输出以及分离输入，宽带载波信号与低压电力线的耦合输出以及分离输入分别为现有电路技术。在用于电力信息采集时，低压电力线载波通信装置通过外部设备接口模块连接集中器等设备。处理器采用ARM9处理器，处理器CPU是整个装置的核心，其通过软件算法实现宽带载波信号的调制与解调，并利用程序实现电力线宽带载波通信网络协议栈，为现有技术。

进一步的，低压电力线载波通信装置还包括复位电路和状态指示模块，状态指示模块包括分别对应网络通信状态、宽带载波通信状态和电源工作状态的指示灯，处理器根据网络接口模块、宽带载波通信模块和电源模块的工作状态控制相应指示灯的工作。状态指示灯采用LED。

复位电路用于处理器和装置各模块的复位，可方便系装置的调试检修，复位电路为现有技术，可采用MAX706。

外部设备接口模块包括以太网接口、RS232接口、USB接口和光纤接口中的一种或多种。各接口的具体实现为现有技术。

所述以太网接口，由PHY芯片和隔离变压器电路组成，用于实现装置与外界通过以太网通信。

所述RS232接口，通过MAX232芯片构成RS232电路，用于实现装置与外界通过RS232接口通信。

所述USB接口，通过USB OTG电路，用于实现装置与外界通过USB接口通信。

所述光纤接口，使用HFBR-1414T型光纤发送器和HFBR-2412T型光纤接收器等元件构成光纤通信电路， 具备多模光纤ST型接口。

宽带载波通信模块中，宽带载波发送电路包括沿信号传输方向依次连接的差分功率放大电路、带通滤波电路和输出滤波电路。差分功率放大电路可实现宽带载波信号输出功率的放大，带通滤波器可减小信道对宽带载波的影响，滤除信道干扰，输出滤波电路用于输出信号滤波。

宽带载波通信模块中，宽带载波接收电路包括输入滤波器和电压反馈放大电路，输入滤波器接收宽带载波耦合电路输出的宽带载波信号，进行输入信号滤波后经电压反馈放大电路将宽带载波信号放大后传输至处理器。

宽带载波通信模块中，宽带载波耦合电路包括耦合电容和耦合变压器，耦合电容一端连接低压电力线，另一端连接耦合变压器的初级端，使得耦合电容与耦合变压器初级线圈组成高通滤波器。该组成的高通滤波器可以滤除50Hz工频强电及低频干扰信号，通过宽带载波耦合电路，既可以实现将宽带载波信号耦合到电力线上又可以将其与强电信号隔离开。

存储模块包括FLASH和SDRAM。FLASH存储容量2MB，SDRAM容量为64MB。

实施例2

本实施例为含有实施例1所述低压电力线载波通信装置的用电信息采集系统，如图2所示，系统包括相互连接通信的集中器和低压电力线载波通信装置，与集中器连接通信的多个窄带载波采集终端，以及与低压电力线载波通信装置连接通信的多个宽带载波采集终端；

各窄带载波采集终端包括窄带载波采集器和多个分别连接窄带载波采集器的电能表；窄带载波采集器与各电能表之间通过窄带载波信号传输数据；

各宽带载波采集终端包括宽带载波采集器和多个分别连接宽带载波采集器的电能表；宽带载波采集器与各电能表之间通过宽带载波信号传输数据；

各窄带载波采集终端的窄带载波采集器，通过电力线将从其所连接的电能表获取的用电信息数据，传输至集中器；

各宽带载波采集终端的宽带载波采集器，通过电力线将从其所连接的电能表获取的用电信息数据，传输至低压电力线载波通信装置；低压电力线载波通信装置将接收到的用电信息数据传输至集中器。

所述宽带/窄带载波采集器与电能表之间通过RS485连接通信。集中器与低压电力线载波通信装置之间通过以太网、RS232接口、USB接口或者光纤网络连接通信。

集中器包括中央处理器CPU和存储器，存储器中存储有对应供电台区内各电能表的测量点参数，所述测量点参数包括各电能表所属窄带载波采集器或宽带载波采集器的端口信息。

如图2所示的用电信息采集网络拓扑，系统包括集中器、采集器以及电能表，还包括如上所述的低压电力线载波通信装置；

电能表通过RS485总线与所述采集器连接，所述采集器通过低压电力线与所述集中器或所述低压电力线载波通信装置连接，所述集中器通过以太网、RS232总线、USB连接线或光纤中的一种与所述低压电力线载波通信装置连接并交互信息。

针对原有低压电力线窄带载波采集方案（如图2中左侧），本发明在该用电信息采集网络中增加了右侧虚线框内的宽带载波通信装置。具备窄带载波通信功能的集中器可以通过以太网口、RS232或光纤接口与增设的低压电力线载波通信装置（宽带载波）进行数据交互，这样集中器即可具备2个相互独立的电力线载波物理通信信道：窄带载波通道和宽带载波通道；2个通信信道相互独立，可以并行工作互不干扰。增设的低压电力线载波通信装置（宽带载波）作为整个宽带载波通信网络的主节点，管理下属所有宽带采集器（从节点），负责完成组网控制、网络通信、网络维护管理等功能。

用电信息采集网络中，采集器包括窄带载波采集器和宽带载波采集器，所述窄带载波采集器通过所述低压电力线与所述集中器连接，所述宽带载波采集器通过所述低压电力线与所述低压电力线载波通信装置连接。

用电信息采集网络中，所述集中器包括存储器，所述存储器存储有供电台区内全部电能表的测量点参数，所述测量点参数包括所述电能表所属采集器的端口种类信息。集中器根据电能表所属采集器的通信地址，即可找到对应的采集器参数，根据采集器端口信息是宽带还是窄带，即可自动通过相应信道，抄收采集器下电表数据。所述测量点参数具体包括：电能表的通信速率、通信协议类型、通信地址、通信密码、电能费率个数、所属采集器通信地址等。

用电信息采集网络中，还具体选择了宽带载波采集器作为所述用电信息采集网络中，用电信息采集密度大、实时性要求高的电能表所属的采集器。

实施例3

一种上述用电信息采集系统的采集方法，包括：

S1，集中器获取待采集的电能表所对应的所属采集器端口信息，从而判断待采集电能表所属采集器端口种类：若端口种类为宽带载波，则转至S2，若端口种类为窄带载波则转至S3；

S2，集中器向低压电力线载波通信装置发送用电信息采集命令帧，低压电力线载波通信装置根据接收到的用电信息采集命令帧，向电能表所属的宽带载波采集器发送用电信息采集命令；相应的宽带载波采集器将从相应电能表采集到的用电信息数据，回传至低压电力线载波通信装置；低压电力线载波通信装置将接收到的用电信息数据，传输至集中器；转至S4；

S3，集中器向待采集电能表所属的窄带载波采集器发送用电信息采集命令帧，相应的窄带载波采集器根据接收到的用电信息采集命令帧，将从相应电能表采集到的用电信息数据，回传至集中器；转至S4；

S4，集中器对接收到的用电信息数据进行校验和解析；

S5，集中器确定下一个待采集的电能表，转至步骤S1，重复S1至S5，直至所有电能表皆采集完毕，用电信息采集完毕。

参考图3所示，本实施例的方法具体包括步骤：

第一步，集中器查找待采集的电能表所对应的测量点参数，确定所述待采集的电能表所属采集器的端口种类；若端口种类为宽带载波，则跳转至第二步；否则，跳转至第三步；

第二步，由所述集中器将下行命令帧通过所述以太网、RS232总线、USB连接线或光纤中的一种发送至所述低压电力线载波通信装置，由所述低压电力线载波通信装置转发至所述待采集的电能表所属采集器，进行用电信息采集；根据采集到的所述用电信息生成报文，将所述报文回传至所述集中器，跳转至第四步；

第三步，由所述集中器将下行命令帧发送至所述待采集的电能表所属采集器，进行用电信息采集；根据采集到的所述用电信息生成报文，将所述报文回传至所述集中器，跳转至第四步；

第四步，所述集中器接收所述报文，在所述报文通过帧格式校验后，调用规约插件解析所述报文，跳转至第五步；

第五步，若所述集中器寻找到下一个待采集的电能表，则跳转至所述第一步；否则，结束用电信息采集。

本发明通过分析低压电力线窄带载波和宽带载波通信的技术特点，提供了一款针对低压电力线的使用宽带载波进行通信的装置。充分利用了宽带载波在稳定性、传输效率、组网能力等多方面的优势，在不改变现场已安装的窄带集中器和窄带采集器的情况下，可实现低压电力线窄带载波通信与宽带载波通信的融合。另外，通过实现在同一变压器供电台区的低压电力线窄带载波和宽带载波的混合并行通信方法，本发明可以全面优化提升电力用户用电信息采集系统性能指标，为电力公司对电力用户的远程费控、实时线损分析、双向互动等业务提供支撑。

本领域普通技术人员可以理解：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (9)

1.一种用电信息采集系统的用电信息采集方法，其特征是，用电信息采集系统包括相互连接通信的集中器和低压电力线载波通信装置，与集中器连接通信的多个窄带载波采集终端，以及与低压电力线载波通信装置连接通信的多个宽带载波采集终端；

各窄带载波采集终端包括窄带载波采集器和多个分别连接窄带载波采集器的电能表；窄带载波采集器与各电能表之间通过窄带载波信号传输数据；

各宽带载波采集终端包括宽带载波采集器和多个分别连接宽带载波采集器的电能表；宽带载波采集器与各电能表之间通过宽带载波信号传输数据；

各窄带载波采集终端的窄带载波采集器，通过电力线将从其所连接的电能表获取的用电信息数据，传输至集中器；

各宽带载波采集终端的宽带载波采集器，通过电力线将从其所连接的电能表获取的用电信息数据，传输至低压电力线载波通信装置；低压电力线载波通信装置将接收到的用电信息数据传输至集中器；

用电信息采集方法包括：

S1，集中器获取待采集的电能表所对应的所属采集器端口信息，从而判断待采集电能表所属采集器端口种类：若端口种类为宽带载波，则转至S2，若端口种类为窄带载波则转至S3；

S2，集中器向低压电力线载波通信装置发送用电信息采集命令帧，低压电力线载波通信装置根据接收到的用电信息采集命令帧，向电能表所属的宽带载波采集器发送用电信息采集命令；相应的宽带载波采集器将从相应电能表采集到的用电信息数据，回传至低压电力线载波通信装置；低压电力线载波通信装置将接收到的用电信息数据，传输至集中器；转至S4；

S3，集中器向待采集电能表所属的窄带载波采集器发送用电信息采集命令帧，相应的窄带载波采集器根据接收到的用电信息采集命令帧，将从相应电能表采集到的用电信息数据，回传至集中器；转至S4；

S4，集中器对接收到的用电信息数据进行校验和解析；

S5，集中器确定下一个待采集的电能表，转至步骤S1，重复S1至S5，直至所有电能表皆采集完毕，用电信息采集完毕。

2.根据权利要求1所述的用电信息采集方法，其特征是，所述低压电力线载波通信装置，包括电源模块、处理器以及分别连接处理器的宽带载波通信模块、存储模块和外部设备接口模块；电源模块为装置提供工作电源；

宽带载波通信模块包括宽带载波发送电路、宽带载波接收电路和宽带载波耦合电路；宽带载波发送电路的输入端连接处理器，宽带载波接收电路的输出端连接处理器；宽带载波发送电路的输出端以及宽带载波接收电路的输入端分别通过宽带载波耦合电路连接低压电力线；

处理器通过外部设备接口模块连接外部设备。

3.根据权利要求2所述的用电信息采集方法，其特征是，低压电力线载波通信装置还包括复位电路和状态指示模块，状态指示模块包括分别对应网络通信状态、宽带载波通信状态和电源工作状态的指示灯，处理器根据网络接口模块、宽带载波通信模块和电源模块的工作状态控制相应指示灯的工作。

4.根据权利要求2所述的用电信息采集方法，其特征是，低压电力线载波通信装置中，所述外部设备接口模块包括以太网接口、RS232接口、USB接口和光纤接口中的一种或多种。

5.根据权利要求2所述的用电信息采集方法，其特征是，低压电力线载波通信装置的宽带载波通信模块中，宽带载波发送电路包括沿信号传输方向依次连接的差分功率放大电路、带通滤波电路和输出滤波电路。

6.根据权利要求2所述的用电信息采集方法，其特征是，低压电力线载波通信装置的宽带载波通信模块中，宽带载波接收电路包括输入滤波器和电压反馈放大电路，输入滤波器接收宽带载波耦合电路输出的宽带载波信号，进行输入信号滤波后经电压反馈放大电路将宽带载波信号放大后传输至处理器。

7.根据权利要求2所述的用电信息采集方法，其特征是，低压电力线载波通信装置的宽带载波通信模块中，宽带载波耦合电路包括耦合电容和耦合变压器，耦合电容一端连接低压电力线，另一端连接耦合变压器的初级端，使得耦合电容与耦合变压器初级线圈组成高通滤波器。

8.根据权利要求1所述的用电信息采集方法，其特征是，用电信息采集系统中，所述宽带/窄带载波采集器与电能表之间通过RS485连接通信；

集中器与低压电力线载波通信装置之间通过以太网、RS232接口、USB接口或者光纤网络连接通信。

9.根据权利要求1所述的用电信息采集方法，其特征是，用电信息采集系统中，集中器包括中央处理器CPU和存储器，存储器中存储有对应供电台区内各电能表的测量点参数，所述测量点参数包括各电能表所属窄带载波采集器或宽带载波采集器的端口信息。

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