基于电力线载波与无线通信技术的通信系统设计
杨宏武 王敏 温浩康 胡军
摘要：为解决电力线通信因受阻抗随机、信号衰弱和噪声干扰而通信距离和可靠性受到一定影响的弊端，文章提出了一种集低压电力线通信与无线传输相结合的通信系统，将无线通信技术融入距离受限的电力通信系统，发挥各自的通信优势，使信号在通信过程中更好地传输。
关键词：电力线载波；无线通信；检测系统
随着电力供网的发展，电力线覆盖面积越来越宽广，如何充分利用现有供电网络资源，在电力线上实现可靠的信息传输，正逐步引起人们广泛关注和研究。
电力线载波通信是以电力线网络作为传输信道的一种通信方式，而低压电力线通信以其网络覆盖范围广、接入便利等特点，成为新技术，具有广阔的应用前景。但与其他通信技术相比，电力线通信也具有噪声干扰大、频率选择性衰弱等缺点。为了解决这些问题，该系统利用现有的电力传输网络与无线通信技术对用电设备中电量参数进行采集、监测、配套的上位机软件将实时对系统采集到的数据进行实时分析、存储，使通信信号覆盖面更广、传输成本更低，对相关信号、数据的监测性、可靠性更高。
1 总体设计方案
由于单一的电力线载波信号具有不可避免的衰减大、干扰强的缺点，因此我们采用电力线载波与无线通信组合网络的设计。整体上看，我们主要设计电力线载波模块与无线模块的通信接口以及无线模块与上位机的通信接口，对远程在线监控系统及其通信的组成原理和结构进行研究，以及研究和设计适用于线型链路结构下数据传输的通信协议，并对该通信协议的结构和设计进行优化，使其能够满足系统通信的设计要求。
目前建立无线及电力线混合通信网络更多的是在现有的通信产品中选取适用的设备，搭建混合通信网络主要考虑及解决的问题如下。
（1）融合点通信技术的接口。融合点涉及数据的交互，必须有统一的接口。目前主要的形式是以太网口、串行接口，对于特殊应用可考虑总线接口等方式。
（2）无线网通信稳定性问题。无线网通信虽然能够解决建筑物复杂结构布线难的问题，但其自身稳定性也是一个需要考虑的重要因素。特别是在电力系统设备中，信号的稳定性关系到安全问题。
（3）多种通信模式组网，信号的相互干扰问题。
2 系统原理
系统原理如图1所示。
组网监测系统主要由电量计算模块、无线发射模块、电力线载波模块这三大模块组成。与用电设备连接的电量计算模块通过AD转换，将模拟信号变成数字信号，然后电量计算模块把信息处理、储存之后，通过信号线将信号传递给无线发射模块，同时，电量计算模块也将信息传递给电力线载波模块。
在本厂区，无线发射模块通过无线发射芯片的驱动，将电学量信号发射覆盖本厂区，这时可以到固定终端上位机定时查看相关用电设备电学量状态，也可以通过MCU处理，在手持可移动LCD显示屏幕上实时获取相关电量信息。在远程厂区中，通过电力线模块，将电量信息及时整合到220公路电线中，通过电力线载波技术将电量信息传递给远程厂区的电力线载波机，这时通过DA转换，将数字信号转换为模拟信号，然后把信息传递给远程厂区的固终端，这时远程厂区也可以对用电设备各种用电信息进行实时监测、并储存。另外，系统基本监测功能完成后，可以在此基础上加入存储器模块用来记录设备异常数据，也可以加入警报提示模块对系统突发状况设置报警功能。
3 技术关键
根据配用电现场环境选择适当的技术组网，结合无线及电力线载波通信完成由用电终端到通信集中器的再到配电主站的完整的通信道路，并对混合通信无缝连接提出可行方案。
3.1 技术对比
电力线载波技术及无线通信技术均无需铺设新的传输介质，带宽及传输速率均可满足一定配电网业务要求，在标准的通信接口下可实现相互组网或结合光纤等通信方式组网，技术对比如表1所示。
3.2 通信组网方案
电力线载波技术与无线技术既可以单独组网，又可以混合组网。电力线载波可承载带宽在2-20M的业务，可作为多个终端站点业务上传的通道同时借助电力线载波较长的数据传输能力，可将无线集中器收集的数据由电力线载波上传。电力线载波主载波机即可直接与通信主站相连，也可通过其他通信手段到达通信主站。如电力线载波主载波机上行链路连接到宽带无线网络或光纤网路。
低压电力载波通信方式不能实现跨变压器通信，因此只能用于同一变压器内的数据通信，而要实现电力设备远程监控功能，则需在数据采集器和上位机管理中心之间选择另外的通信方式。由于ZigBee技术传输距离较短，而考虑到WIFI技术无线电波覆盖范围广，最新半径可达900英尺左右，约合300米，另外蓝牙的电波半径约合50英尺左右，约合15米，因此蓝牙技术与ZigBee技术传播距离远远不及WIFI。另外，WIFI具备高速传播的优势，可达37.5Mbit/s，远远高于TDLTE230MHz以及ZigBee。故而在这里我们使用建设方便且传播范围更广的高速WIFI无线网络来实现数据的远传。另外，光纤与电力线载波相比较，电力线载波技术既可作为终端数据接入设备，也可作为无线的汇聚设备，完成终端或无线设备的功能，可弥补光纤无法铺设及无线通信因建筑等因素导致的信息盲点。
4 硬件设计
以单片机为控制核心，其监测系统包括：电学量采集模块、电力线通信控制模块、低压电设备专用无线通信模块、上位机数据实时监测模块。通过电学量采集模块对电网中用电设备进行电学量采集，并把采集到的数据通过电力线传送到电力线通信模块，此模块再通过电力线将数据通过无线通信模块发送到上位机，上位机可以实时监测电网中用电设备状况，同时上位机软件可以通过监测系统向用电设备发送操作指令。
