低壓電力線高速載波通信

HPLC互聯(lián)互通測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)《低壓電力線高速載波通信互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范》研制開(kāi)發(fā)，該測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)對(duì)象為本地通信單元芯片（集中器I型/HPLC）、通信單元芯片（單相/HPLC）、通信單元芯片（三相/HPLC），檢測(cè)項(xiàng)目包括：性能測(cè)試、協(xié)議一致性測(cè)試、互操作測(cè)試，近200條測(cè)試用例。測(cè)試系統(tǒng)主要考察被測(cè)設(shè)備的性能指標(biāo)、協(xié)議一致性指標(biāo)、混裝通信是否滿足技術(shù)規(guī)范要求。

其中性能測(cè)試主要考察被測(cè)模塊的性能指標(biāo)是否滿足技術(shù)規(guī)范要求，主要包括帶寬和功率譜密度（PSD）測(cè)試、抗衰減、抗窄帶、抗頻偏、抗脈沖、抗白噪測(cè)試以及通信速率測(cè)試等；協(xié)議一致性測(cè)試主要考察被測(cè)模塊在載波通信過(guò)程中所發(fā)的數(shù)據(jù)幀格式是否符合技術(shù)規(guī)范要求以及被測(cè)模塊能否正確處理標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀；互操作測(cè)試主要考察被測(cè)模塊與標(biāo)準(zhǔn)模塊之間能否混裝通信，軟件平臺(tái)通過(guò)控制程控衰減器（強(qiáng)電）和噪聲源可實(shí)現(xiàn)星形、線形、樹(shù)形以及多網(wǎng)絡(luò)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的切換，可實(shí)現(xiàn)最大網(wǎng)絡(luò)層級(jí)15級(jí)，主要包括全網(wǎng)組網(wǎng)、全網(wǎng)抄表、新增站點(diǎn)入網(wǎng)、站點(diǎn)離線、代理變更、廣播校時(shí)、搜表功能、事件主動(dòng)上報(bào)、實(shí)時(shí)費(fèi)控以及多網(wǎng)絡(luò)綜合測(cè)試中的相位識(shí)別測(cè)試 。

該測(cè)試系統(tǒng)由中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司計(jì)量研究所研制，采用工頻與載波通信信號(hào)分離的方式，解決了外部環(huán)境的干擾問(wèn)題，可以定量和定性地分析高速載波通信設(shè)備的信號(hào)質(zhì)量、組網(wǎng)性能，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定、可靠、可復(fù)現(xiàn)，滿足國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)性能測(cè)試、協(xié)議一致性測(cè)試、互操作性等要求，具備很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值，適用于對(duì)低壓電力線高速載波通信相關(guān)產(chǎn)品的定量分析和檢測(cè)認(rèn)證。

基于HPLC技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高頻數(shù)據(jù)采集、停電主動(dòng)上報(bào)、時(shí)鐘精準(zhǔn)管理、相位拓?fù)渥R(shí)別、臺(tái)區(qū)自動(dòng)識(shí)別、ID統(tǒng)一標(biāo)識(shí)管理、檔案自動(dòng)同步、通信性能監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等功能。

1.高頻數(shù)據(jù)采集

利用HPLC高速率特點(diǎn)，可以有效提升電能表自動(dòng)抄表成功率；并可實(shí)現(xiàn)電能表電壓、電流數(shù)據(jù)的高頻采集，可以開(kāi)展供電線路老化趨勢(shì)分析，監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓質(zhì)量和負(fù)荷波動(dòng)情況。

2.停電主動(dòng)上報(bào)

通過(guò)低時(shí)延，保障停電/復(fù)電事件的上報(bào)和遠(yuǎn)程遙控指令下發(fā)的及時(shí)性，在HPLC子節(jié)點(diǎn)通信模塊中（如電表STA，II型采集器）配置超級(jí)電容，可實(shí)現(xiàn)停/復(fù)電后的事件主動(dòng)上報(bào)，由被動(dòng)搶修變?yōu)橹鲃?dòng)搶修，提高供電可靠性，提升客戶服務(wù)保障能力。

3.時(shí)鐘精準(zhǔn)管理

依托HPLC低時(shí)延通信和靈活的廣播校時(shí)機(jī)制，可以保證電表與集中器之間的時(shí)鐘同步及精準(zhǔn)管理，為分時(shí)電價(jià)、階梯電價(jià)政策的實(shí)施提供技術(shù)保障。

4.相位拓?fù)渥R(shí)別

若供電線路三相負(fù)荷不平衡，輕則降低線路和配電變壓器的供電效率，重則會(huì)因重負(fù)荷相超載過(guò)多，會(huì)造成某相導(dǎo)線燒斷、開(kāi)關(guān)燒壞甚至配電變壓器單相燒毀等嚴(yán)重后果。通過(guò)HPLC技術(shù)的相位識(shí)別功能，可以判斷出A、B、C三相相位及線路拓?fù)潢P(guān)系，有助于提升配網(wǎng)三相不平衡及線損分相治理水平，對(duì)提高供電可靠性具有重要意義。

5.臺(tái)區(qū)自動(dòng)識(shí)別

準(zhǔn)確建立臺(tái)區(qū)戶變關(guān)系是確保臺(tái)區(qū)線損計(jì)算準(zhǔn)確的關(guān)鍵所在，采用臺(tái)區(qū)識(shí)別技術(shù)，可以識(shí)別不同HPLC網(wǎng)絡(luò)的工作臺(tái)區(qū)，進(jìn)而提高戶變關(guān)系判斷的準(zhǔn)確性，有利于臺(tái)區(qū)線損的管理，提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

6.ID統(tǒng)一標(biāo)識(shí)管理

依托全球統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)ID標(biāo)識(shí)管理系統(tǒng)，為HPLC芯片建立統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備身份標(biāo)簽，在芯片出廠、檢驗(yàn)、運(yùn)行等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全壽命周期管理，并通過(guò)身份鑒權(quán)機(jī)制，可以避免非法設(shè)備的接入，保障了網(wǎng)絡(luò)的安全。

7.檔案自動(dòng)同步

利用HPLC高速率的特點(diǎn)，以及臺(tái)區(qū)自動(dòng)識(shí)別的功能，通過(guò)基于面向?qū)ο笸ㄐ艆f(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)電能表檔案信息、設(shè)備參數(shù)自上而下、自下而上的雙向同步，確保了設(shè)備檔案信息的準(zhǔn)確。

8.通信性能監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

每個(gè)HPLC節(jié)點(diǎn)都具有信號(hào)強(qiáng)度、相鄰節(jié)點(diǎn)信息、網(wǎng)絡(luò)路徑信息等參數(shù)，在主站可以監(jiān)測(cè)每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)信息，可以對(duì)不同的芯片廠商、模塊廠商設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。并可通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行水平，調(diào)整HPLC性能參數(shù)，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。

為引導(dǎo)我國(guó)電力線通信產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，迫切需要結(jié)合我國(guó)的電力線信道特點(diǎn)和技術(shù)積累開(kāi)展電力線通信標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，從底層到上層制定一系列配套標(biāo)準(zhǔn)，把擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)吸納進(jìn)來(lái)。

1.現(xiàn)有寬帶載波標(biāo)準(zhǔn)不能滿足應(yīng)用需求

現(xiàn)有寬帶載波標(biāo)準(zhǔn)存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:

(1)現(xiàn)有國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的制定大多著眼于要應(yīng)用于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，如家庭智能組網(wǎng)、電力線上網(wǎng)，因此標(biāo)準(zhǔn)制定得非常復(fù)雜，更多追求傳輸速率的優(yōu)越。

(2)國(guó)外的電力線頻段規(guī)劃清晰，電氣產(chǎn)品非常規(guī)范，因此電力環(huán)境相對(duì)干凈，和國(guó)內(nèi)電力線環(huán)境差異非常大。

(3)國(guó)外產(chǎn)品的成本非常高，給產(chǎn)業(yè)化的推廣帶來(lái)了制約。

(4)國(guó)外產(chǎn)品的通信距離不佳，無(wú)法滿足應(yīng)用的需求。

(5)現(xiàn)有國(guó)外寬帶載波通信標(biāo)準(zhǔn)都是面向短距離且簡(jiǎn)單的應(yīng)用，如互聯(lián)網(wǎng)接人、電動(dòng)汽車充電控制等，缺失遠(yuǎn)距離、面向上百個(gè)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用(如電力用電信息采集、路燈控制、能耗監(jiān)測(cè)等)寬帶載波通信標(biāo)準(zhǔn)。

因此，亟須基于國(guó)內(nèi)電力線環(huán)境的特性，立足本國(guó)國(guó)情，并緊緊圍繞電力線通信發(fā)展需求，制定具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速電力線通信標(biāo)準(zhǔn)。

2.自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

電力線通信作為一種基礎(chǔ)性的核心通信技術(shù),涉及信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全。因此，以標(biāo)準(zhǔn)制定為契機(jī)，使我國(guó)的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)積極參與到高速載波通信技術(shù)的研發(fā)中，集中社會(huì)資源提升我國(guó)寬帶電力線通信產(chǎn)業(yè)的技術(shù)含量，開(kāi)發(fā)出我國(guó)自主的電力線通信核心技術(shù)，并遵循以下原則。

(1)要盡量保證國(guó)內(nèi)企業(yè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，掌握關(guān)鍵技術(shù)。

(2)對(duì)相關(guān)國(guó)際電力線載波通信技術(shù)進(jìn)行專利分析,根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化布局。

(3)對(duì)核心與關(guān)鍵技術(shù)，要保證我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并且積極推動(dòng)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)就這些技術(shù)進(jìn)行研發(fā)和專利申請(qǐng)。

(4)使用擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)，才能夠在標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施過(guò)程中避免受制于人。

(5)在技術(shù)開(kāi)發(fā)完成后，加強(qiáng)技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，同時(shí)將自有技術(shù)納人國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，形成擁有自己掌握核心技術(shù)與知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速電力線通信標(biāo)準(zhǔn)。

1.正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)

OFDM調(diào)制是一種正交多載波調(diào)制方式，基本思想是把輸入信息轉(zhuǎn)換成多路并行信號(hào)，利用快速傅里葉變換，將信號(hào)調(diào)制到相互完全正交的載波上，行程OFDM信號(hào)。雖然這些信號(hào)的頻譜相互重疊，但是子載波之間是相互正交的，即在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，任何兩個(gè)子載波相關(guān)性等于零。這樣，即使各載波上的信號(hào)頻譜存在重疊，也能保證在接收端不失真地恢復(fù)各子載波信息。

2.編碼技術(shù)

Turbo編碼技術(shù)采用卷積碼和隨機(jī)交織器的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)編碼,同時(shí)又采用軟輸入軟輸出迭代譯碼來(lái)逼近最大似然譯碼。Turbo碼的一個(gè)重要特點(diǎn)是譯碼采用了迭代譯碼方法,而且在編碼器中均采用了交織器,交織器的引用有效的實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)譯碼的思想,通過(guò)級(jí)聯(lián)方式有效的實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)碼,所以Turbo碼達(dá)到了靠近香農(nóng)理論極限的性能。

3.自適應(yīng)技術(shù)

鏈路級(jí)自適應(yīng)技術(shù)可根據(jù)電力線信道的變化自適應(yīng)的改變調(diào)制方式、編碼方式、發(fā)送功率和信號(hào)帶寬等參數(shù),以便最大限度的發(fā)送信息,從而有效提高頻譜效率。自適應(yīng)調(diào)制就是根據(jù)電力線信道狀況調(diào)整各個(gè)子載波的調(diào)制方式,當(dāng)信道條件好時(shí),采用高階的調(diào)制方式,當(dāng)信道條件差時(shí),采用低階的調(diào)制方式。與傳統(tǒng)的單載波相比,多載波OFDM系統(tǒng)使用鏈路級(jí)自適應(yīng)技術(shù)會(huì)具有更高的靈活性,并能夠獲得更好的系統(tǒng)性能。同時(shí)，低壓電力線高速載波通信還支持傳輸頻段的自適應(yīng)，可支持多個(gè)通信頻段。

4.物理層架構(gòu)

在發(fā)射端，物理層接收來(lái)自數(shù)據(jù)鏈路層的輸入，采用兩個(gè)分開(kāi)的鏈路分別處理幀控制數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)。幀控制數(shù)據(jù)通過(guò)Turbo編碼后，進(jìn)行信道交織和幀控制分集拷貝；載荷數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加擾、Turbo編碼以及信道交織和載荷分集拷貝后，和幀控制數(shù)據(jù)一起進(jìn)行星座點(diǎn)映射，映射后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)IFFT處理后添加循環(huán)前綴形成OFDM符號(hào)，加入前導(dǎo)符號(hào)進(jìn)行加窗處理后，形成PPDU信號(hào)送入模擬前端最終發(fā)送到電力線信道中。在接收端，從模擬前端接收到數(shù)據(jù)協(xié)同采用AGC和時(shí)間同步分別對(duì)幀控制和載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)幀控制和載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換后，進(jìn)入解調(diào)、譯碼模塊，最終恢復(fù)出幀控制信息的原始數(shù)據(jù)與載荷的原始數(shù)據(jù)。

5.分集拷貝技術(shù)

通過(guò)將相同的數(shù)據(jù)拷貝到不同的載波和不同的OFDM符號(hào)上，可以提高系統(tǒng)對(duì)抗電力線信道以及干擾的能力?？紤]到幀控制頭和載荷的不同特點(diǎn)，幀控制頭采用相對(duì)固定的分集拷貝方式，而載荷采用較為靈活的分集拷貝方式。分集拷貝模式表示這一幀的載荷中的編碼碼率、調(diào)制方式、分集拷貝次數(shù)、物理塊數(shù)、物理塊類型。分集拷貝模式編號(hào)在幀控制幀中攜帶，接收機(jī)解出幀控制后就可以得到解載荷所需信息。

6.陷波技術(shù)

設(shè)計(jì)TONEMASK機(jī)制，并采用時(shí)域加窗方式降低OFDM系統(tǒng)的帶外輻射功率，使信號(hào)達(dá)到帶外頻譜要求。

低壓電力線高速載波通信技術(shù)最典型的通信場(chǎng)景就是在低壓用電網(wǎng)絡(luò)中的電能量采集業(yè)務(wù)，低壓配網(wǎng)信息采集及故障檢修業(yè)務(wù)。從上世紀(jì)90年代，電表集抄業(yè)務(wù)的開(kāi)展推動(dòng)了低壓電力線窄帶載波技術(shù)的發(fā)展，但隨著業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，電采業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量和實(shí)時(shí)性的需求顯著提升，窄帶載波支撐能力出現(xiàn)瓶頸，低壓電力線高速載波通信技術(shù)就是應(yīng)對(duì)不斷提高的電采和配網(wǎng)采集需求，針對(duì)低壓臺(tái)區(qū)“最后一公里”電力線信道特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)的載波通信技術(shù)。

隨著新型能源、分布式能源、電動(dòng)汽車的應(yīng)用，高速載波在這些領(lǐng)域也有應(yīng)用的探索，例如通過(guò)電力線載波進(jìn)行城市路燈控制、進(jìn)行大型燈光系統(tǒng)的控制調(diào)度，在光伏電站中對(duì)每個(gè)逆變單元進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量，在電動(dòng)汽車充電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)充電設(shè)施與電動(dòng)汽車之間的信息交互。

電力線通信技術(shù)（Power Line Communication）出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 20 年代初期。它是利用 已有的低壓配電網(wǎng)作為傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種手段。應(yīng)用電力線通信方式發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送器先將數(shù)據(jù)調(diào)制到一個(gè)高頻載波上，再經(jīng)過(guò)功率放大后通過(guò)耦合電 路耦合到電力線上。信號(hào)頻帶峰峰值電壓一般不超過(guò) 10V，因此不會(huì)對(duì)電力線路造成不良 影響。

電力線載波通信與一般架空線載波通信的不同點(diǎn)是：在同一電網(wǎng)內(nèi)可用的頻譜范圍自8kHz～500kHz，只能開(kāi)通有限的通道,如每個(gè)單向通道需占用標(biāo)準(zhǔn)頻帶4kHz,則該頻帶不能重復(fù)使用，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重的串音干擾。故一般電力線載波設(shè)備均采用單路單邊帶體制，每條通道雙向占用2×4kHz帶寬,總共61條電路。如果需要開(kāi)更多電路，則必須采取加裝電網(wǎng)高頻分割濾波器的隔離措施。

電力線通信技術(shù)（Power Line Communication）出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 20 年代初期。它是利用 已有的低壓配電網(wǎng)作為傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種手段。應(yīng)用電力線通信方式發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送器先將數(shù)據(jù)調(diào)制到一個(gè)高頻載波上，再經(jīng)過(guò)功率放大后通過(guò)耦合電 路耦合到電力線上。信號(hào)頻帶峰峰值電壓一般不超過(guò) 10V，因此不會(huì)對(duì)電力線路造成不良 影響。

電力線載波通信與一般架空線載波通信的不同點(diǎn)是：在同一電網(wǎng)內(nèi)可用的頻譜范圍自8kHz～500kHz，只能開(kāi)通有限的通道,如每個(gè)單向通道需占用標(biāo)準(zhǔn)頻帶4kHz,則該頻帶不能重復(fù)使用，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重的串音干擾。故一般電力線載波設(shè)備均采用單路單邊帶體制，每條通道雙向占用2×4kHz帶寬,總共61條電路。如果需要開(kāi)更多電路，則必須采取加裝電網(wǎng)高頻分割濾波器的隔離措施。