電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式傳輸模擬或數(shù)字信號的一種通信技術(shù)[1]。低壓電力線作為數(shù)據(jù)傳輸通道，具有實(shí)施方便、抗破壞力強(qiáng)、無需另外架設(shè)通信媒介等優(yōu)點(diǎn)，在自動抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛[2]。然而，電力線最初的設(shè)計(jì)是以傳輸電能為目的，存在各種可變的強(qiáng)電磁干擾，信號傳輸時(shí)容易發(fā)生畸變，在接收端信號的準(zhǔn)確接收和檢測變得困難，從而影響了抄表的范圍和準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，需要通過中繼技術(shù)來解決這些問題。本文采用具有智能中繼功能的青島東軟載波通信模塊[3]和抄控器，結(jié)合軟件上的動態(tài)路由算法，設(shè)計(jì)了一種基于動態(tài)中繼技術(shù)的電力載波抄表系統(tǒng)，有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有載波通信系統(tǒng)中存在的不足。
1 電力載波抄表系統(tǒng)組成
    電力載波抄表系統(tǒng)主要由傳輸信道、主站、集中器、載波電表組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    傳輸信道由兩部分組成：主站與集中器構(gòu)成上行通信，采用星型結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即一個(gè)主站管理多個(gè)集中器，通信信道以GPRS、CDMA、PSTN等為主，可靠性高；集中器與載波電表構(gòu)成下行通信，采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即一個(gè)集中器管理多個(gè)載波電表，各載波電表之間也可以相互傳輸數(shù)據(jù)，通信信道采用低壓電力線，傳輸方式為半雙工，具有實(shí)施方便、安全性好、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
    主站完成用戶電表數(shù)據(jù)的定時(shí)或即時(shí)抄收[4]，管理集中器的數(shù)據(jù)通信和操作，完成數(shù)據(jù)的集中處理，包括存儲、運(yùn)算等。面向供電局或物業(yè)管理部門可具有報(bào)表統(tǒng)計(jì)、電費(fèi)票據(jù)打印、用電曲線繪制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及重點(diǎn)用戶監(jiān)測、電能異常分析、自動故障報(bào)警等功能。
    集中器完成的工作是通過上行信道接受主站的抄收指令，通過下行信道向載波電表發(fā)送命令，設(shè)置載波電表的相關(guān)參數(shù)或抄讀其各項(xiàng)數(shù)據(jù)，再將抄到的數(shù)據(jù)傳回主站。
　　載波電表完成用戶用電數(shù)據(jù)的記錄工作，并在接受到抄收命令時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給集中器，同時(shí)各電表之間可以通過載波模塊相互轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，例如某個(gè)電表作為中繼時(shí)，可轉(zhuǎn)發(fā)集中器的抄收命令。
2  電力載波抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和解決方法
2.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)
    由于電力線信道環(huán)境的特殊性，信號傳輸時(shí)容易發(fā)生畸變，在接收端信號的準(zhǔn)確接收和檢測變得困難，使得電力載波抄表系統(tǒng)存在抄表范圍小、距離短、通信成功率低等問題。解決電力線上的信號干擾，同時(shí)合理地選擇中繼路徑，就能有效提高通信的可靠性，這也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。
2.2 解決方法
    本文采用基于青島東軟載波通信芯片PLCI36G-III-E的載波模塊進(jìn)行通信，能夠較好保證載波信號的準(zhǔn)確接收和檢測。PLCI36G-III-E是專門為電力線介質(zhì)作為通信信道而設(shè)計(jì)的載波通信芯片，采用擴(kuò)頻通信技術(shù)、BFSK調(diào)制以及高效率的前向糾錯(cuò)和節(jié)點(diǎn)幀中繼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，支持7級路由深度，其應(yīng)用協(xié)議完全兼容于DL/T645-1997規(guī)范和DL/T645-2007規(guī)范。同時(shí)，集中器不能直接抄收的用戶電表，可以通過位于集中器與該用戶模塊之間的某用戶模塊或?qū)Ｓ弥欣^器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以保證抄表的覆蓋率。
　基于上述條件，設(shè)計(jì)重點(diǎn)便在于如何合理地選擇中繼路徑，建立抄表的最優(yōu)路由, 從而提高抄表成功率。
3 動態(tài)中繼設(shè)計(jì)思路和路由算法描述
3.1 動態(tài)中繼設(shè)計(jì)思路
　早期的電力載波抄表工程范圍小、用戶少，多采用固定中繼方式，即人工設(shè)定某專用中繼器或用戶模塊通過特定的路徑進(jìn)行信號轉(zhuǎn)發(fā)。這種方式最大的缺點(diǎn)是不能隨信道環(huán)境變化和抄收情況進(jìn)行中繼設(shè)備和中繼路徑的自適應(yīng)性調(diào)整，而且一旦中繼設(shè)備故障，整個(gè)抄收過程將受到嚴(yán)重影響，越來越不能滿足抄表工程量增多的需要。
    本文基于具有智能中繼功能的載波模塊，設(shè)計(jì)了一種動態(tài)的中繼方法。將集中器和各載波模塊分別作為根節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，建立成一個(gè)樹狀的查詢結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)自動路由，如圖2所示。第一層的i個(gè)模塊節(jié)點(diǎn)和集中器直接通信，即直抄電表；第二層的j個(gè)模塊節(jié)點(diǎn)通過第一層的部分模塊節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和集中器間接通信，即需要通過一級中繼來抄收；第三層的模塊節(jié)點(diǎn)通過第一、二層的部分模塊節(jié)點(diǎn)和集中器間接通信，即需要通過二級中繼來抄收；后面的各層依此類推，最大中繼深度可達(dá)7級，實(shí)際應(yīng)用中最多3級中繼就能實(shí)現(xiàn)全部抄收。集中器對各載波電表的抄收過程相當(dāng)于樹的根節(jié)點(diǎn)對其子節(jié)點(diǎn)的遍歷輪詢。

3.2 路由算法描述
     路由算法是實(shí)現(xiàn)動態(tài)中繼的關(guān)鍵，包括路由表建立和路由表維護(hù)兩部分。
    （1）路由表建立
     第一次開始抄表工作時(shí)需根據(jù)抄表情況選擇中繼路徑，建立路由表。集中器接到主站抄收命令時(shí)，先對所有電表進(jìn)行直抄，記錄能成功抄到的電表地址，作為非直抄表的一級中繼；集中器再次發(fā)命令抄收剩余電表，依次通過每個(gè)無中繼表給各剩余電表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，記錄能成功抄到的電表地址和抄收時(shí)間，作為剩余電表的二級中繼，如果有幾個(gè)一級中繼表可以抄到同一塊表，則選擇抄收時(shí)間最短的路徑作為電表的最優(yōu)路由。以此為循環(huán)，利用排列組合方法窮舉測試，直到所有電表抄收成功，路由表建立完成。再次抄表時(shí)按已建立的路由表依次抄收無中繼電表，帶一級中繼的電表，帶二級中繼的電表等。以帶二級中繼電表的抄收為例，流程圖如圖3所示。

    (2)路由表維護(hù)
　 由于電力線信道環(huán)境的時(shí)變性，路由表中存儲的某些路徑很有可能變得無效，此時(shí)需要為部分電表尋找新的路徑來抄收，這就是路由表的維護(hù)。具體過程為：集中器收到主站抄收指令時(shí)，首先按建立的路由表進(jìn)行抄收，路徑已無效的電表數(shù)據(jù)將無法抄回；然后集中器按順序直抄所有未抄到的電表，如成功抄到則保存新路徑；如果還有未抄到的表，將所有抄到的無中繼電表作為剩余電表的一級中繼來抄收，如成功抄回則保存新的路徑；如果還有未抄到的表，則將所有抄到的帶一級中繼電表作為剩余電表的二級中繼來抄收，如成功抄回則保存新路徑。依此類推，直到所有電表抄收成功，完成路由表的更新。以帶二級中繼電表的抄收為例，流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案
4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
   PC機(jī)作為系統(tǒng)主站上位機(jī)，用青島東軟的多功能電表通信協(xié)議調(diào)試器軟件發(fā)送抄表指令，基于S3C2440的友善之臂實(shí)驗(yàn)板作為集中器， 基于PLCI36G-III-E的載波模塊和配套使用的抄控器完成載波信號的發(fā)送和接收，帶載波模塊的載波電表若干，在PC機(jī)超級終端顯示抄收情況，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.2 載波通信協(xié)議
　本文采用基于PLCI36G-III-E應(yīng)用的載波數(shù)據(jù)通信協(xié)議，包括基本幀和中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀兩種格式。
   (1)基本幀格式
　PLCI36G-III-E應(yīng)用通信協(xié)議的基本數(shù)據(jù)幀在保留所有DL/T645-1997/2007協(xié)議條款的基礎(chǔ)上，對控制碼C進(jìn)行了重新定義，以便使幀格式能夠支持對中繼轉(zhuǎn)發(fā)的控制，具體幀格式如表1所示。

   (2)中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀格式
　PLCI36G-Ⅲ-E采用一種確定性的中繼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，即通過指定中繼轉(zhuǎn)發(fā)路由表來實(shí)現(xiàn)幀中繼功能。中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀格式保持與基本幀格式一致的原則，其區(qū)別在于附加了中繼路由表字段，且控制字碼C中定義了中繼轉(zhuǎn)發(fā)級別，如圖6所示。

    對于中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀，根據(jù)中繼級別的不同，信息字段可包含0個(gè)或多個(gè)中繼轉(zhuǎn)發(fā)站的地址和一個(gè)目的地址。主站發(fā)出的中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀格式中的地址域字段是一級中繼轉(zhuǎn)發(fā)站地址，控制碼的中繼級別是本次幀中繼轉(zhuǎn)發(fā)的最大級別，中繼路由表的大小由中繼級別決定，其中至少有一個(gè)是目的站地址，且最大是7個(gè)站地址。對于一級中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀，中繼路由表僅有目的站地址一項(xiàng)。具體幀格式如表2所示。

4.3 集中器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
   集中器的應(yīng)用程序包括初始化程序、上行通信程序、下行通信程序、路由算法程序等，主程序流程圖如圖7所示。

4.4 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析
　系統(tǒng)的初期測試采用以下方法：(1)直抄測試：將各載波電表與抄控器接在同一插排，保證通信距離。多次統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，抄收成功率為100%。(2)一、二級中繼測試：先將一部分電表接于插排，待集中器直抄結(jié)束并開始嘗試進(jìn)行一級中繼抄收剩余電表時(shí)，再將一部分電表接上，待集中器一級中繼抄收結(jié)束并開始嘗試進(jìn)行二級中繼抄收剩余電表時(shí)，把剩下的電表接上。多次統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，抄收成功率也為100%。(3)綜合測試：將各載波電表與抄控器接于室內(nèi)多個(gè)插座處，進(jìn)行自動抄收。多次統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，抄收成功率達(dá)99.8%。
    本文針對電力線信道環(huán)境的特殊性，設(shè)計(jì)了一種基于動態(tài)中繼技術(shù)的電力載波抄表系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)可以根據(jù)信道環(huán)境的狀態(tài)變化，合理地選擇抄表路徑，通信效果良好，有效保證了抄表成功率。本文的設(shè)計(jì)方法也可應(yīng)用到水表、煤氣表的自動抄收系統(tǒng)中，為各自動抄表領(lǐng)域抄收成功率的提高和抄收范圍的擴(kuò)大提供了一種可行的解決方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 侯思祖, 楊麗, 郝建國.電力線載波自動抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究[J].電力科學(xué)與工程,2008,24(6):1-4.
[2] 趙宇明,郭靜波,王贊基,等.多導(dǎo)體電力電纜載波通信中的頻譜優(yōu)化方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(13):41-
47.
[3] 青島東軟電腦技術(shù)有限公司.PLCI36G-III-E電力線載波擴(kuò)頻通信芯片-通信協(xié)議指南.2010.
[4] 胡云.幾種電能表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的分析與比較[J].低壓電器,2009(8):27-30.