CN110995314A - 一种低压宽带电力线载波通信综合测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压宽带电力线载波通信综合测试系统，其特征在于：包括上位机、净化电源装置、屏蔽装置、低压电力线信道模拟装置、信号检测装置、主通信单元以及从通信单元。本发明解决了实验室内无法准确全面模拟现场中低压电力线载波通信信道环境的问题，不能全面测试低压宽带电力线载波通信设备通信能力的缺陷。

Description

一种低压宽带电力线载波通信综合测试系统

技术领域

本发明涉及电力线载波通信技术领域，特别是一种低压宽带电力线载波通信综合测试系统。

背景技术

电力线载波通信作为电力系统特有的一种通信方式，在电力系统的调度通信，智能抄表领域得到广泛应用。电力线载波通信按照其使用的频段，将其分为电力线窄带载波通信和电力线宽带载波通信。目前低压电力线窄带载波通信技术广泛应用于用电信息采集系统，但随着信息采集业务功能的逐渐扩大，对信息采集速率也提出了更高的要求。由于电力线窄带载波通信具有传输速率低、抗干扰能力差的缺点，已不再适应当前用电信息采集系统的要求，为解决窄带载波通信传输效率低的问题，宽带载波通信技术被提出并逐渐应用于用电信息采集系统。

低压宽带电力线载波通信通过OFDM调制方式将信号调制到低压输电线路上进行信号传输。由于电力线上具有高频信号衰减特性、多径传输特性、阻抗多变特性、噪声干扰特性，导致信道质量较差且具有时变性，载波通信传输的距离变化较大，网络拓扑结构具有不确定性，抄表成功率也具有不稳定性。因现场中的电力线信道环境由多个因素共同造成，实验室内没有实验条件模拟真实电力线信道环境，导致低压宽带电力线载波通信在实际应用中出现的问题不能在实验室内进行模拟分析，对低压宽带电力线载波通信集抄系统的建设带来了问题，影响宽带电力线载波通信技术的进一步推广和应用。因此亟需建立一套低压宽带电力线载波通信综合测试系统，对宽带电力线载波通信产品的通信性能以及路由功能进行测试。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低压宽带电力线载波通信综合测试系统。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种低压宽带电力线载波通信综合测试系统，包括上位机、净化电源装置、屏蔽装置、低压电力线信道模拟装置、信号检测装置、主通信单元以及从通信单元，

所述的上位机，用于模拟实际用电信息采集系统中的主站，通过以太网与所述主通信单元即集中器连接并完成相关参数配置后，利用采集终端抄表软件，向采集终端发送采集载波电能表数据的指令，完成主站向采集终端的指令下发；

所述净化电源装置，由隔离变压器和EMI滤波器构成，用于隔离采集终端和电能表供电电源的谐波干扰以及噪声干扰使其为纯净电源；

所述的屏蔽装置，由镀锌的屏蔽铁盒和屏蔽线构成，用于隔离在多个宽带载波模块距离较近下产生的载波辐射干扰；

所述的低压电力线信道模拟装置，用于对净化后的低压电力线信道进行信号衰减、噪声干扰、阻抗多变特征的低压电力线信道环境模拟；

所述的信号检测装置，由频谱分析仪构成，用于检测分析电力线信道环境中的高频载波信号；

所述的主通信单元由集中器的载波模块构成，用于接收上位机和从通信单元发出的报文，并将接收到的上位机发出的报文发送至从通信单元、将接收到的从通信单元发出的报文发送至上位机；

所述的从通信单元由电能表的宽带载波模块构成，通过电力线与主通信单元和从通信单元进行连接，用于向主通信单元发送报文，或作为中继模块向从通信单元发送报文。

而且，所述的低压电力线信道模拟装置包括信号衰减单元、噪声注入单元以及阻抗变化单元，

所述的信号衰减单元，由可调信号衰减器构成，用于将电力线上的高频载波信号进行衰减，在实验室模拟实际环境中因导线传输距离造成的信号衰减；

所述的噪声注入单元，由信号发生器及信号耦合电路构成，用于将信号发生器产生的可调模拟噪声信号通过耦合电路直接耦合到电力线上，从而在电力线上加了可控的噪声模拟信号；

所述的阻抗变化单元，由阻抗模拟器构成，用于模拟实际环境中电力线上负载的变化。

而且，还包括两个机柜，其中一个机柜内设置有屏蔽装置，其中另一个机柜内设置有上位机、净化电源装置、低压电力线信道模拟装置、信号检测装置、主通信单元以及从通信单元。

本发明的优点和积极效果是：

本低压宽带电力线载波通信综合测试系统，解决了实验室内无法准确全面模拟现场中低压电力线载波通信信道环境的问题，不能全面测试低压宽带电力线载波通信设备通信能力的缺陷。通过本套系统能够在实验室内模拟真实环境中采集终端到载波电能表之间因信号衰减、噪声干扰、阻抗变化造成的复杂电力线通信环境，通过不断改变信道中的环境，测试宽带载波模块的路由组网功能，以及对通信成功率的影响，进而实现对宽带电力线载波的通信性能测试以及路由组网功能的测试。

附图说明

图1是本发明机柜的示意图；

图2为本发明的原理图；

图3为本发明净化电源装置的原理图；

图4为本发明屏蔽装置原理图；

图5为本发明通信节点网络拓扑图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述：

一种低压宽带电力线载波通信综合测试系统，其创新之处在于：通过对电力线信道多种特征指标进行模拟，实现实验室内对低压宽带电力线载波通信设备进行综合测试，本发明的低压宽带电力线载波通信综合测试系统机柜模拟图如图1所示，其中1号机柜内包含有1个采集终端、4个电能表、5个屏蔽箱，2号机柜内包含有上位机、信号发生器、信号分析仪、净化电源装置。本发明为了节省空间设计了两个一体化机柜，将整套测试系统安装在机柜内，该套测试系统解决了实验室内无法准确全面模拟现场中低压电力线载波通信信道环境的问题，不能全面测试低压宽带电力线载波通信设备通信能力的缺陷。

低压宽带电力线载波通信综合测试系统框图如图2所示。图中上位机用于模拟用电信息采集系统中的主站，主要负责控制采集终端对台区内电能表的轮抄功能，并对各类用电信息数据、通信节点的网络拓扑结构以及各电能表通信成功率进行统计分析。在上位机中完成与采集终端上行通信中的以太网IP地址配置以及采集终端的地址信息和通信方式的配置后，上位机和采集终端建立了上行连接关系。上位机通过国网采集终端抄表软件完成抄表轮询次数和报文等待时间等相关参数的配置后，将抄表报文通过以太网传给采集终端，完成主站向采集终端的指令下发并等待采集终端返回的响应报文进行分析和存储。

采集终端即集中器包括了中央处理器CPU和存储器，存储器中不仅要存放主站的IP地址还要存放该台区内各电能表的测量点参数，所述测量点参数包括所有电能表的通信速率、各个电能表的物理通信地址、电能费率个数以及通信协议类型。存储器还应存放通信组网算法以及各个通信节点的路由表信息，采集终端收到来自主站的抄表报文后，按照通信协议进行解析后根据存储的各个节点路由表路径对各个电能表进行报文下发。

由于电网中的电源通常具有未知谐波以及噪声的存在，影响对低压宽带电力线载波通信测试的结果，净化电源装置为采集终端和电能表提供了无噪声和谐波干扰的纯净电源，其净化装置如图3所示。首先将电网电压经过隔离变压器，由于高频信号经过变压器后会产生铁芯的磁滞损耗和涡流损耗，信号能量大部分转变为热能消耗掉，被大幅度抑制。将隔离变压器输出的信号经过EMI滤波器再次滤除干扰信号，保留50HZ工频信号为采集终端供电。

为了全面模拟真实环境中的电力线信道环境，本发明加入了可控的噪声注入、信号衰减以及阻抗变化等环节，真实反映现场中具有时变性的电力线信道。其中现场中载波信号的衰减是由于几百米连接的导线所致，因实验室内接几百米的导线制造信号衰减并不现实，因此在电力线中加入可调信号衰减器，衰减器以5db的步长进行调节，能够在实验室内模拟每百米导线造成的电力线内高频信号的衰减。在每两个宽带电力线载波模块之间加入可调衰减器，实现四级衰减网络。因现场中的电力线包含有各类噪声其中包括有白噪声、有色背景噪声、窄带噪声、同步和异步周期性脉冲噪声及随机脉冲噪声。通过将各类噪声信号波形存储在信号发生器内，便可通过信号发生器和耦合电路输出频率以及幅值可调的各类噪声信号，并注入到系统的电力线中复现现场中的各类电力线噪声。阻抗模拟器可以设定不同类型的等效阻抗，用这些阻抗模拟器在测试系统内模拟现场中的各类负载对电力线信道的影响。

信号分析仪用于检测上述中电力线信道上各类噪声以及载波信号衰减的情况，用于分析不同的信道环境对宽带电力线载波通信综合测试的影响。低压宽带电力线载波通信综合测试过程中，在不同的信号衰减、噪声干扰、负载阻抗下测试采集终端与电能表的抗噪声干扰能力、阻抗适应能力以及在不同信道环境下通信节点的网络拓扑结构的动态变化情况。

屏蔽装置由表面镀锌的铁盒屏蔽箱以及屏蔽线构成，由于该套测试系统的宽带载波模块全部安装在1号机柜上导致各级通信单元空间距离过小，若不采取屏蔽措施会因各个宽带载波模块距离过近，造成载波辐射功率较大，形成相互串扰，影响宽带电力线载波通信的测试，因此采用屏蔽箱和屏蔽线隔离多个宽带载波模块距离较近下产生的载波辐射干扰。屏蔽箱结构如图4所示，可以看出电能表放置在屏蔽盒内，射频口为噪声注入口，通过耦合电路注入到屏蔽盒内的火线和零线上，使电力线信道上的噪声被人为所控制。

本发明的一种低压宽带电力线载波通信综合测试系统，具有如下特点：

在实验室内能够全面模拟现场环境中的电力线信道环境，通过上位机模拟主站系统实现对多块电能表的轮抄功能。该测试系统可以通过信号发生器产生幅值可调的各类噪声信号，并通过耦合电路将噪声信号耦合到电力线上模拟现场中因电力用户各种电器设备的接入产生的各类噪声信号。通过调节衰减器的衰减值模拟现场中两个载波模块之间因不同长度的导线造成的载波信号衰减。通过阻抗模拟器模拟现场中不同负载对电力线信道的影响。通过采用屏蔽箱结构消除各个通信单元的载波辐射干扰并经过信号衰减、噪声注入、负载变化等环节后，上位机记录各电能表的抄表、成功率和各个从通信单元与主通信单元的网络逻辑拓扑结构。通过信道模拟装置改变电力线信道所处的环境，记录不同状态对网络拓扑结构以及抄表成功率的影响。

测试低压宽带电力线载波通信成功率的方法为：

1.首先将各级衰减器的衰减值设为0db，信号发生器不产生任何噪声信号，阻抗模拟器为一固定值，此时电力线信道较为纯净，载波信号传输距离较远，因此集中器和各个电能表的宽带载波模块通信距离达到最大，通过国网采集终端抄表软件对4块电能表进行20次用电信息采集，并统计抄表成功率，结果抄表成功率都达到100％，其中通信节点网络拓扑图如图5(a)所示，由图可以看出各个电能表通信节点STA均能直接与集中器通信节点CCO相连接，形成一级网络拓扑结构。电能表宽带载波模块均收到来自集中器的下行抄表报文，各级电能表根据相应通信协议对报文进行解析后，将各自用电信息数据按照原路径返回给集中器，集中器收到来自电能表的报文后传给上位机进行数据采集与分析处理；

2.图5(b)将2号电能表与3号电能表之间的衰减器调到30db后，令信号发生器发出特定幅值的混有有色背景噪声和脉冲噪声的噪声信号，并注入到电力线内，同时阻抗模拟器保持某一恒定值，分别对4块电能表进行20次用电信息采集，并统计抄表成功率，分别为100％、100％、95％、100％。3号电能表抄表失败一次原因在于2号电能表与3号电能表之间的载波信号经过衰减器后有30db的衰减，模拟了现场中长距离导线造成的衰减，并且由于信号发生器通过耦合电路向电力线中注入了可调的噪声信号，模拟现场中的噪声干扰，由于高频载波信号在电力线中受到干扰，传输距离会大大缩短，从图中可以看出3号电能表未能与集中器直接相连，3号电能表与4号电能表选择2号电能表作为中继进行通信；

3.衰减器以5db的步长逐渐在各个电能表之间进行衰减，信号发生器根据实验要求发出不同种类不同幅值的噪声信号注入到电力线中，上位机发出抄表指令，集中器收到指令后对4块电能表采用轮训方式进行抄表，图5(c)、5(d)、5(e)、5(f)分别为按照表1中的衰减值进行衰减时的网络拓扑图。从图中可以看出宽带载波模块能够根据不同信道环境下动态改变自身的网络结构，建立可靠的通信路由；

表1各级之间衰减值

按照表1所示的衰减值进行衰减时，各个电能表的抄表成功率如表2所示。

表2各表抄表成功率

4.继续加大各电能表之间的信号衰减值和电力线内的信号噪声以及动态改变阻抗模拟器的阻抗值，其网络拓扑图如图5(g)、5(h)、5(i)所示，从图中可以看出随着电力线信道质量越来越差，有部分通信节点已经退出网络，导致不能抄读该类电能表的用电数据，并且从上位机中对在网节点回复的报文解析发现数据包存在一定的误码率，通过分析发现载波信号衰减和噪声干扰对宽带电力线载波通信影响较大，但宽带载波模块能根据信道质量动态改变自身的网络拓扑结构提高了载波通信能力和抄表成功率。

本发明提供了一种低压宽带电力线载波通信综合测试系统，系统通过信号衰减、噪声注入、阻抗变化等环节对电力线信道多种特征指标进行模拟，实现实验室内对低压宽带电力线载波通信设备的抗信号衰减能力、抗噪声干扰能力、阻抗适应能力的测试以及在不同电力线信道环境下采用宽带电力线载波通信方式台区内电能表的抄表成功率和通信节点的网络拓扑结构的变化情况。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低压宽带电力线载波通信综合测试系统，其特征在于：包括上位机、净化电源装置、屏蔽装置、低压电力线信道模拟装置、信号检测装置、主通信单元以及从通信单元，

所述的上位机，用于模拟实际用电信息采集系统中的主站，通过以太网与所述主通信单元即集中器连接并完成相关参数配置后，利用采集终端抄表软件，向采集终端发送采集载波电能表数据的指令，完成主站向采集终端的指令下发；

所述净化电源装置，由隔离变压器和EMI滤波器构成，用于隔离采集终端和电能表供电电源的谐波干扰以及噪声干扰使其为纯净电源；

所述的屏蔽装置，由镀锌的屏蔽铁盒和屏蔽线构成，用于隔离在多个宽带载波模块距离较近下产生的载波辐射干扰；

所述的低压电力线信道模拟装置，用于对净化后的低压电力线信道进行信号衰减、噪声干扰、阻抗多变特征的低压电力线信道环境模拟；

所述的信号检测装置，由频谱分析仪构成，用于检测分析电力线信道环境中的高频载波信号；

所述的主通信单元由集中器的载波模块构成，用于接收上位机和从通信单元发出的报文，并将接收到的上位机发出的报文发送至从通信单元、将接收到的从通信单元发出的报文发送至上位机；

所述的从通信单元由电能表的宽带载波模块构成，通过电力线与主通信单元和从通信单元进行连接，用于向主通信单元发送报文，或作为中继模块向从通信单元发送报文。

2.根据权利要求1所述的一种低压宽带电力线载波通信综合测试系统，其特征在于：所述的低压电力线信道模拟装置包括信号衰减单元、噪声注入单元以及阻抗变化单元，

所述的信号衰减单元，由可调信号衰减器构成，用于将电力线上的高频载波信号进行衰减，在实验室模拟实际环境中因导线传输距离造成的信号衰减；

所述的噪声注入单元，由信号发生器及信号耦合电路构成，用于将信号发生器产生的可调模拟噪声信号通过耦合电路直接耦合到电力线上，从而在电力线上加了可控的噪声模拟信号；

所述的阻抗变化单元，由阻抗模拟器构成，用于模拟实际环境中电力线上负载的变化。

3.根据权利要求1所述的一种低压宽带电力线载波通信综合测试系统，其特征在于：还包括两个机柜，其中一个机柜内设置有屏蔽装置，其中另一个机柜内设置有上位机、净化电源装置、低压电力线信道模拟装置、信号检测装置、主通信单元以及从通信单元。

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