宽带PLC网络设计在智能电网通信中的应用

2014-01-02 15:47:37 电力信息化　点击量：评论 (0)

　　电力线通信PLC(PowerLineCommunication)是指利用电力线提供通信业务的技术、设备和应用服务，是传输数据和话音信号的一种通信方式，它省去了额外布线的麻烦，与用电设备的天然结合，具有覆盖范围广、连接方便

　　电力线通信PLC(PowerLineCommunication)是指利用电力线提供通信业务的技术、设备和应用服务，是传输数据和话音信号的一种通信方式，它省去了额外布线的麻烦，与用电设备的天然结合，具有覆盖范围广、连接方便、节省无线频带、低频传输、元件成本低廉等显著特点，被认为是提供“最后一公里”解决方案最具竞争力的技术之一。所以国内外许多公司和研究单位都在对PLC进行研究和开发。

　　1传统的电力线远程抄表及其存在的问题

　　目前较成熟的远程抄表大多采用窄带PLC技术，是将各个终端电器的信息调制到低压电力线上，载波频率一般在几百kHz左右。一个区域的电表数据通过窄带PLC网络汇聚到集中器，再由集中器通过网关接入其他网络。可见，基于窄带PLC实现的窄带电力线抄表系统速率低，只适合简单的抄表数据单向传送，而无法支持其他业务，扩展性差。此外，它还是专用网，需要集中器和专门铺设电缆，部署复杂且费用昂贵。这都与目前提倡的三网融合的先进理念相违背。

　　电力线与用电设备天然结合的特性，使PLC加Internet成为最优秀的解决方案。与无线通信工作在微波波段相比，宽带PLC设备工作在高频波段(几MHz~几十MHz)，使用OFDM、QAM等现代调制方式，物理层速率可达200Mb/s(Homeplug1.1)，大大降低了元件和设备成本。同时，由于室内网PLC链路的距离都较近(几十米以内)，正好发挥了PLC的长处并避免了其缺点，可保证数据传输的可靠性。

　　2设计方案

　　本文设计了基于家庭宽带PLC网络的远程电力抄表方案，该方案的两个基本思想是：(1)室内使用的宽带PLC组网尽量减小单个PLC总线的长度；(2)尽快汇入Internet。方案的核心是家庭宽带PLC网络的组件，如图1所示。

　　其中，分电盘下的每条支路运行一条总线型的PLC网络，PLC网络使用TCP/IP协议，各个支路通过PLC家庭网关汇聚，汇聚之后通过ADSL接入Internet。将从PLC终端模块到PLC家庭网关再到Internet的链路称为上行链路，反之称为下行链路。

　　这里主要包括终端PLC模块和PLC家庭网关两个设备。其中，终端PLC模块应包含网络层次体系结构的所有层次，完成PLC的调制解调、上层数据处理以及对用电器的监视采集和控制；PLC家庭网关包含两部分功能：分电盘各个支路提供数据交换以及实现PLC网络传输层协议到Internet的TCP/IP层协议转换。使用Freescale公司的ColdFire系列单片机实现了终端PLC模块的设计，使用路由器模拟了家庭网关，初步证明了该方案的可用性。

　　2.1终端PLC模块的设计路线

　　在Freescale公司的MCF52233单片机上完成了终端PLC模块的设计，硬件设计如图2所示。

　　在上行链路中(电表-远程计算机)，终端模块与智能电表通过RS485电缆连接，根据智能电表提供的协议与之通信，传送抄表数据和控制命令。信息进入单片机的核心处理单元进行协议解析和处理，按照TCP/IP协议组装包，通过单片机内部的以太网模块PLCModem相连，经PLC调制后接入PLC网络。

　　在下行链路中(远程计算机-电表)，远程计算机通过以太网接入PLC网络，控制信息由TCP包携带，进入终端模块，解析出控制命令，再根据智能电表的串口通信协议组装成控制命令帧，通过RS485传输至智能电表完成控制。

　　终端模块软件部分的设计实质就是嵌入式Internet服务器的设计，如图3所示。

　　整个PLC终端模块包括两部分：与电表的通信模块为点对点通信，网络层和传输层为空，链路层使用RS485/232协议，应用层遵循DLT645-1997/2007标准即可；PLC网络的通信部分使用标准的IEEE802.3链路层协议和TCP/IP协议即可。

　　2.2PLC家庭网关的设计路线

　　PLC家庭网关包括两部分的功能：分电盘各个支路的汇聚组网以及将PLC网络接入Internet。

　　从图3中可以看出，在PLC网络中采用了以太网和TCP/IP协议，这样，家庭网关实质上就是一个具有PLC子网(总线)交换功能的路由器。分电盘下每个PLC支路是一个总线型子网(链路层)，家庭网关将各个子网放在共同的一个局域网内(网络层)，网关出口即路由器的WAN口。

　　从这里可以看出，整个家庭宽带PLC网络及其所接入的Internet都是全IP网络，这给扩展各种应用奠定了非常好的基础。本方案为每个PLC终端模块配置了内部IP地址并设置了不同的端口号。在路由器上使用NAT和端口映射，将每个PLC终端的IP和端口映射到路由器上。这样就可以从外部网络直接访问家庭PLC网络中的各个设备。相反，从PLC网络内部访问外部网络中的主机，则直接通过IP地址即可，既节省了IP地址又实现了双向通信，弥补了窄带PLC抄表中以单向传输为主(电表－>集中器)的缺点，为智能电网的控制功能奠定了基础。相关部门可以制定一个标准，将端口号中的一部分注册为电力抄表使用，这样，在目前无法实现每家一个IPv4地址的条件下，可以让多个家庭公用一个IP地址。

　　2.3ADSL接口设计路线

　　从中国目前家庭上网的现状来看，普通家庭PLC网络向Internet的汇聚，首选的方案是采用非对称数字用户环线ADSL(AsymmetricalDigitalSubscriberLoop)。ADSL是通过电话线路连接到电话局再接入Internet的，因此，家庭ADSL端的IP是在拨号时临时分配的，无法保证有一个固定的端口，也就是说，只能实现从PLC网关到Internet的上行链路，而无法通过Internet直接访问PLC网关。

　　为解决上述问题，在Internet中设置一“智能电网服务器”，其IP地址固定，所有家庭的PLC网关一连接到ADSL就向该服务器发送信息，该服务器记录PLC网关的临时IP地址。所有来自Internet的信息首先发送给PLC服务器，再由其转发到家庭PLC网关，从而实现下行链路。

　　3应用

　　在智能电网中，实时掌握社区、厂区的用电情况是节能的基础，数据传输是智能电网中的一个核心技术。目前尚无适合于社区、厂区等用电场所的电力通信系统解决方案，PLC室内网加Internet能够提供一种优秀的解决方案，可以全面感知各个用户的用电状态并进行监控。此外，电力抄表的相关技术是智能家庭技术的基础，电力线通信网络是家用电器上网的天然选择，既省去了布线的麻烦，节省了无线带宽，又安全可靠，能完成双向通信，便于控制。同时，物联网技术的迅猛发展为宽带PLC技术在智能家庭中的应用奠定了坚实的基础。利用先进的云计算和云存储技术实现对智能用电器灵活、实时的远程访问和控制。

　　在系统研究电力通信网需求的基础上，针对目前窄带PLC通信网络应用的不足，提出了将宽带PLC通信应用于远程抄表系统。使用宽带PLC通信组建家庭电力通信网，将电表或其他电气设备接入其中，PLC网络通过家庭网关汇入Internet。提出了一种以Internet作为电力通信主干网络，以家庭宽带PLC作为连接网络的新型电力通信系统结构。