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实验室环境下的智能电表载波模块通讯测试

时间：2013-07-16

摘要：随着智能电网的建设，智能电表在国内居民用户大批量推广并已开始全面挂网运行，而作为智能电表最主要的通讯模块之一的低压电力线载波模块的通讯性能将直接影响使用效果。本文在实验室内模拟居民用户用电情况搭建了一个低压电力线载波测试环境，采集了6种居民用户常用的用电设备电力线噪声，并在此环境下对国内6种载波模块进行了通讯成功率测试，得到了载波信号在线路衰减和用电设备噪声干扰情况下的通讯数据。通过测试有助于深入了解低压电力线载波通信的特点以及为现场通信方案的选择实施与故障分析提供了参考依据。
关键词：智能电表；低压电力线；载波模块；噪声；通讯成功率

0. 前言
低压电力线载波通信是利用低压电力线路作为载波传输通道的通信方式，由于无需重新架设通信线路，因此它成为目前自动抄表系统中最具有竞争力的通信方式。但是，低压电力线的信道特性相当复杂,有着负载多变性、噪声干扰强、信道衰减大、信道延时等特点，而这些特性对智能电表的载波通讯成功率有较大影响本文模拟实际居民用电环境在实验室搭建了一个由2000m电缆和一些常用的用电设备组成的低压电力线测试环境，并分别测试了此环境下的低压电力线背景噪声、智能电表载波信号的电力线线路信号衰减、几种用电设备开启后产生的电力线噪声及对智能电表载波模块通讯成功率的影响。
1. 低压电力线信道特性
1.1线路衰减特性：
电力线载波信道衰减频率特性决定于电力线本身的结构尺寸、长度、线种、导线排列、有无换位和分支、大地导电率等因素，通常可用下面经验公式表示[1]：
b = KL + 0.4 n + ａCΙC
式中: L - 电力线的长度，km;
f - 信号的频率，kHz;
K - 系数，对35kV线路取12.2×10-3 ，110kV线路取8.7×10-3 ，220kV线路
取6.5×10-3 ，400kV~500kV线路取7.2×10-3 ；
n – 电力线路的端数，一般取 n=2；
ａC – 电缆每千米的衰减，dB/km；
ΙC – 两端高频电缆的总长度，km；
从上式可以看出，电力线的信号衰减是与信号频率和电缆的长度成正比的。
1.2线路噪声特性：
根据对载波信号的影响，可将低压电力线信道上的噪声分为背景噪声和脉冲噪声两大类[2-5]：
（1） 背景噪声：是指在发生、检查、测量、记录系统中与有用信号无关的一切干扰。背景噪声是典型离散高斯型的，它对载波通信系统影响较稳定。
（2） 脉冲噪声：具有瞬间、高能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信号传输的影响相当大，不仅会造成信号误码率高，使得接收装置无法对信号进行正确的接收；另外，它还有可能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系统的工作。
在以上两种噪声中，对载波通信系统产生主要影响的是脉冲噪声。由于我国对用电设备上网的电磁兼容性没有欧美国家控制得严格，因此我国电力网的衰减和干扰要比欧美严重得多，电力线的通信环境相比下也更加恶劣。
2. 实验室测试环境
2.1室内电缆：实验室内铺设2000m 电缆，在不同距离共设置39个测试节点；

图1 实验室现场环境图
Fig.1 Laboratory site environmental map
2.2测试设备：
（1） 工频电源：380V～，50Hz；
（2） 隔离变压器：宁波奥克斯高科技有限公司研发设计的干式电力变压器，其主要参数为：高压侧额定电压为400V，额定电流为14.43A，低压侧，相数为三相，电压为400V，短路阻抗为3.91%，额定容量为10kVA，额定频率为50Hz，绝缘系数温度为155℃，最高允许温升为100K；
（3） 100 ms/s总线供电型数字化仪（NI USB-5133）与后台软件联合使用，采集和保存电力线的噪声信号；
（4） 50Hz人工电源网络；
（5） 单相电子式载波电能表；
（6） 国内6款载波模块及配套抄控器；
（7） 用电设备：计算机、吸尘器、微波炉、消毒柜、空调、水泵；
2.3测试软件：
（1） National Instruments LABVIEW 8.5：与数字化仪联合使用完成对电力线噪声信号的采集保存生成文本数据。
（2） MATLAB 7.1：对保存的噪声文本数据深加工。
（3） 载波通信测试后台：通过PC机串口连接抄控器和表计载波模块进行通信（DL645-1997规约和DL645-2007规约可设），检测抄表成功率。
3 测试：
以实验设备和后台软件为基本工具，以实验环境中工频电源为对象，进行科学的系统的测试，对数据进行采集存储和深加工，评估实验环境状况。
3.1背景噪声测试：
下图为实验室环境下所测的低压电力线背景噪声。这是低压电力线任意时刻测量均存在的噪声，通过背景噪声的谱分析,发现背景噪声的平均功率较小，约为-50dBV,但频谱很宽,并且持续存在,有可能部分或全部覆盖信号频谱。因此,通信过程中的信噪比会变差,可能会导致误码率的增加。

图2 实验室电力线背景噪声图
Fig.2 Laboratory power line background noise graph
3.2载波信号线路衰减测试：
以2000m电力线为基准，在背景噪声环境下（不加用电设备）用载波抄控器（选择了B载波模块）在固定的位置发送载波抄表信号，采集各节点的信号频谱，获取不同传输距离的载波信号的强度信息数据，并将载波表放在不同距离节点处分别进行了100次通讯测试，具体测试结果如下：
表1 B载波模块测试数据
Tab.1 Carrier module test data
节点距离（m）
1
10
100
700
1000
2000
B载波模块信号幅值（dbv）
-28.8
-29.7
-36
-37.2
-39.7
-45.1
通讯成功率
100%
100%
100%
100%
100%
100%
从以上测试可以看出，在实验室背景噪声环境下B载波模块的载波信号随电力线的距离的增加虽然有一定程度的衰减，但在2000m 距离内对载波信号的抄收成功率没有造成影响。随后又对不同载波频率的载波信号进行了测试，发现对于1MHz以下的载波信号因路径传播带来的损耗是比较小的，基本上在20dbv以内。

图3 载波信号线路衰减图
Fig.3 Carrier signal attenuation circuit diagram
3.3用电设备噪声测试：
（1） 计算机：
计算机开启后在50kHz以下频段噪声明细增强，在20kHz~40kHz之间存在指数谱函数的色噪声。

图4 计算机噪声频谱图
Fig.4 Computer noise spectrum
（2） 吸尘器：
吸尘器开启后在80kHz以下频段存在大量高强度宽谱干扰，低频段最大干扰能量增加40dB左右，在30kHz 处干扰接近0dB 。80kHz以上频段的背景噪声能量上升了10dB左右，并且随着频率的增加而逐步衰减。

图5 吸尘器噪声频谱图
Fig.5 Vacuum cleaner noise spectrum
（3） 微波炉：
微波炉开启后在100kHz以下频段背景噪声明细增强，并存在大量窄带干扰信号，微波炉中档换高档时100kHz以下频段背景噪声提高了15dB左右。

图6 微波炉噪声频谱图
Fig.6 Microwave noise spectrum
（4） 消毒柜：
消毒柜开启后在全频段内噪声明显增强，200kHz以上频段平均上升了30dB左右，200kHz以下频段更为明显平均上升了40dB。

图7 消毒柜噪声频谱图
Fig.7 Disinfection cabinet noise spectrum
（5） 空调：
变频空调开启后在150kHz以下频谱范围内存在谐波分量，一次谐波分量可达-3dBV，由于变频空调的变频器输出频率较小，大于150kHz高阶谐波分量很快淹没在背景噪声中。

图8 空调噪声频谱图
Fig.8 Air-conditioning noise spectrum
（6） 水泵：
变频水泵开启后在100kHz以下频频谱范围内噪声提升了40dB，100kHz~500 kHz之间噪声提升了20dB以上。

图9 水泵噪声频谱图
Fig.9 Pump noise spectrum
3.4用电设备开启后载波通讯测试：
（1） 用电设备接入点: 2000m节点接入计算机、抄控器，600m节点接入美的微波炉，450m节点接入变频水泵，8m节点接入奥克斯变频空调，4m节点接入消毒柜，0m节点接入吸尘器，1m节点接入载波表
（2） 测试结果：在以上电器全部接入后对6种载波模块分别在电器开启前后进行了通讯成功率测试，并根据不同电器的分别开启找出了影响载波模块通讯成功率的敏感源（电器），从测试结果来看在此实验室环境下变频水泵、吸尘器和微波炉开启后对载波信号干扰较为明显。
表2 测试结果
Tab.2 test results
厂商
PC机软件
通讯次数
电器开启前
电器开启后
影响因素
A载波模块
645规约测试
100次
100%
0%
微波炉，吸尘器
B载波模块
645规约测试
100次
100%
46%
电源电压
C载波模块
645规约测试
100次
100%
0%
变频水泵、吸尘器
D载波模块
645规约测试
100次
100%
100%

E载波模块
645规约测试
100次
100%
0%
变频水泵
F载波模块
645规约测试
100次
100%
0%
变频水泵、吸尘器
4. 结论
根据上述测试，我们得出以下结论：
（1） 背景噪声的能量分布在-50dBV左右，频谱很宽。
（2） 1MHz以下的载波信号因路径传播带来的损耗较小。
（3） 用电设备的开启都会在电力线上造成一定的噪声，其中变频水泵、吸尘器和微波炉对此次实验中的几种载波模块影响较大。
此报告在实验室环境下测试了低压电力线载波信号在背景噪声下的路径衰减、几种用电设备在电力线上产生的噪声频谱和6种载波模块在用电设备开启后的通讯情况，以上的测试仅停留在定性分析上，缺乏定量分析，下一步我们拟定量分析研究常用居民用户用电设备对低压电力线载波通信的影响的原因和规律。

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