摘要：為解決電力線寬帶載波信號(hào)定量測(cè)試難的問(wèn)題，結(jié)合寬帶載波通信技術(shù)特點(diǎn)和智能電網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，提出了全套空中輻射信號(hào)屏蔽、電力線傳導(dǎo)信號(hào)隔離、路由中繼拓?fù)淇刂啤⒙窂綋p耗矢量校正和軟件逐點(diǎn)補(bǔ)償?shù)臏y(cè)試設(shè)計(jì)方案。 試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該設(shè)計(jì)方案信號(hào)屏蔽與隔離效果良好，可覆蓋抗衰減的最大范圍; 性能測(cè)試數(shù)據(jù)精確，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇烧{(diào)可控，與預(yù)期效果一致，具備很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 寬帶載波; 屏蔽; 隔離; 路徑損耗; 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

0引言

國(guó)內(nèi)用電信息采集網(wǎng)絡(luò)本地通信主要使用電力線載波通信技術(shù)，占比超過(guò) 90%，相關(guān)終端規(guī)模約3 億臺(tái)。 隨著用電信息采集業(yè)務(wù)功能的擴(kuò)展，對(duì)本地終端用電信息采集的速率要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的窄帶載波已不能滿足高速采集網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求。2017 年 6 月，國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低壓電力線寬帶載波技術(shù)規(guī)范》，詳細(xì)規(guī)定了寬帶載波通信標(biāo)準(zhǔn)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層協(xié)議以及相關(guān)檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范。 電力線寬帶載波通信作為下一代載波通信的新技術(shù)，仍缺少測(cè)量工具作為檢驗(yàn)和認(rèn)證載波通信設(shè)備的技術(shù)手段。 由于寬帶載波通信使用的頻帶、占用的帶寬、調(diào)制方式以及協(xié)議的變化，以往的窄帶載波測(cè)試系統(tǒng)已不適用于寬帶載波通信測(cè)試。 電力線寬帶的頻帶范圍為 2~30 MHz，國(guó)家電網(wǎng)公司行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中使用 2~12 MHz 頻段，默認(rèn)使用頻段1，即 2.441~5.615 MHz[1]，子載波數(shù)為 100~230。 以往的載波通信應(yīng)用和技術(shù)研究主要關(guān)注低頻段窄帶低速和低頻段窄帶高速領(lǐng)域，使用頻段在 500 kHz[2]以下，寬帶載波通信技術(shù)對(duì)電網(wǎng)環(huán)境的適應(yīng)能力缺乏嚴(yán)格的檢驗(yàn)技術(shù)支撐。 傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備未考慮空間輻射和電力線傳導(dǎo)的影響，不適用于對(duì)寬帶載波通信進(jìn)行定量分析和檢測(cè)認(rèn)證。

我國(guó)的中低壓配電網(wǎng)環(huán)境具有城市人口集中、農(nóng)村人口相對(duì)分散的特征，物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要為星型和樹型結(jié)構(gòu) [3]。 城市配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)存在單一臺(tái)區(qū)用戶數(shù)量大、環(huán)境復(fù)雜、分支多、衰減大等特點(diǎn)，低壓配電網(wǎng)連接著眾多的用電設(shè)備、家用電器和工商業(yè)設(shè)備，基本采用開關(guān)電源方式供電，傳導(dǎo)騷擾和輻射頻段集中在 30 MHz 頻率以下，與寬帶載波通信頻段重合。 大功率設(shè)備和變頻設(shè)備在啟動(dòng)和停止時(shí)產(chǎn)生大量的諧波和脈沖噪聲 [4]，嚴(yán)重污染寬帶載波通信信道。 低壓配電網(wǎng)供電采用架空線、地埋線、管道線等，線路阻抗不一致; 各用電時(shí)段由于接入負(fù)載的變化阻抗差異大，信號(hào)衰減變化隨機(jī)，信道質(zhì)量瞬變 [5]。

現(xiàn)實(shí)使用場(chǎng)景中的噪聲和阻抗變化隨機(jī)，使用真實(shí)配電網(wǎng)對(duì)寬帶載波技術(shù)進(jìn)行測(cè)試不具備可行性。由于國(guó)內(nèi)復(fù)雜多變的應(yīng)用環(huán)境，載波通信設(shè)備的入網(wǎng)許可測(cè)試顯得尤為重要。 目前載波通信測(cè)試主要使用工頻載波加電能表和集中器配套的測(cè)試方案，可測(cè)終端數(shù)量少，且通信路徑損耗不確定，無(wú)法準(zhǔn)確標(biāo)定。 另外由于通信串?dāng)_和輻射的存在，測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定，可重復(fù)性差。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試又由于諸多不確定因素的存在，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)載波通信設(shè)備的性能。

本文設(shè)計(jì)的寬帶載波通信檢測(cè)系統(tǒng)，采用工頻與載波通信信號(hào)分離的方式，可定量和定性分析寬帶載波通信信號(hào)的質(zhì)量、路由能力，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定、可靠、可重復(fù); 可滿足國(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、互操作性測(cè)試等的要求; 適用于實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證測(cè)試和通信組網(wǎng)性能標(biāo)量評(píng)價(jià)，可用于國(guó)家電網(wǎng)公司要求的入網(wǎng)許可測(cè)試和到貨抽檢測(cè)試 [6]。

1總體設(shè)計(jì)方案

寬帶載波測(cè)試系統(tǒng)由性能測(cè)試子系統(tǒng)、協(xié)議測(cè)試子系統(tǒng)、互操作測(cè)試子系統(tǒng) 3 個(gè)部分組成。 其中，性能測(cè)試子系統(tǒng)主要測(cè)試寬帶載波通信單元物理層發(fā)射機(jī)性能、接收機(jī)性能、抗頻偏性能、抗衰減性能、抗噪聲性能以及通信速率等，由主節(jié)點(diǎn)載波通信單元(Central Coordinator， CCO)、子節(jié)點(diǎn)載波通信單元(Station， STA)、信號(hào)分析儀、信號(hào)源、透明收發(fā)設(shè)備、開關(guān)矩陣組成。 協(xié)議測(cè)試子系統(tǒng)主要測(cè)試寬帶載波通信的數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層協(xié)議，由 CCO、 STA、透明收發(fā)設(shè)備構(gòu)成。 互操作性測(cè)試子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)測(cè)試通信組網(wǎng)、路由中繼、多網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)，由 CCO、信號(hào)矩陣、 STA、透明收發(fā)設(shè)備等組成。 寬帶載波互聯(lián)互通協(xié)議要求載波通信單元支持 15 級(jí)路由中繼，互操作性最小測(cè)試系統(tǒng)需要 15 個(gè)子節(jié)點(diǎn)載波屏蔽單元。

寬帶載波測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu) [7] 由開關(guān)矩陣、信號(hào)矩陣組成。 通過(guò)開關(guān)矩陣連接被測(cè) CCO/STA、信號(hào)分析儀、信號(hào)源、透明收發(fā)單元，組成性能測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)開關(guān)矩陣連接 CCO/STA、透明收發(fā)設(shè)備，組成協(xié)議測(cè)試系統(tǒng)。 通過(guò)主節(jié)點(diǎn)屏蔽單元連接開關(guān)矩陣、信號(hào)矩陣、子節(jié)點(diǎn)屏蔽單元，形成互操作系統(tǒng)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖 1 所示。

1)載波通信單元的發(fā)射機(jī)性能測(cè)試。 將載波通信單元(CCO/STA)放置在主節(jié)點(diǎn)屏蔽箱內(nèi)，設(shè)置信號(hào)分析儀觸發(fā)方式、起始頻率、分辨率帶寬 [8]; 上位機(jī)連接測(cè)試底板和透明收發(fā)單元，下發(fā)測(cè)試命令; 讀取信號(hào)分析儀占用帶寬、帶內(nèi)功率譜密度以及帶外功率譜密度。

2)載波通信單元接收機(jī)性能抗衰減測(cè)試。 將一對(duì) CCO 和 STA 分別放置在主節(jié)點(diǎn)屏蔽箱和子節(jié)點(diǎn)屏蔽箱內(nèi)，下發(fā)子節(jié)點(diǎn)表地址啟動(dòng)組網(wǎng); 連續(xù)抄讀表，統(tǒng)計(jì)成功率; 調(diào)節(jié)開關(guān)矩陣的 2 個(gè)衰減器的值，直至抄表成功率到達(dá)指定限值 90%，讀取 2 個(gè)衰減器的衰減值，通過(guò)軟件補(bǔ)償中間路徑插入損耗，得到CCO 和 STA 抗衰減值。

3)抗噪聲性能測(cè)試。 將 CCO 和 STA 分別放置在主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)屏蔽箱內(nèi)，設(shè)置噪聲類型分別為脈沖噪聲、窄帶噪聲以及加性高斯白噪聲，測(cè)試載波通信單元的抗噪聲性能。

4)協(xié)議測(cè)試。 將 CCO/STA 放置在主節(jié)點(diǎn)箱體內(nèi)，上位機(jī)連接透明收發(fā)單元，模擬 STA/CCO 遍歷各場(chǎng)景及類型數(shù)據(jù)幀，驗(yàn)證數(shù)據(jù)鏈路和應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀格式及內(nèi)容是否符合技術(shù)規(guī)范要求。

5)通信組網(wǎng)及路由變更試驗(yàn)。 將主節(jié)點(diǎn) CCO放置在主節(jié)點(diǎn)屏蔽箱體內(nèi)，透明收發(fā)單元設(shè)置為偵聽模式，將子節(jié)點(diǎn)單元放置在 1-15 號(hào)箱體內(nèi)，調(diào)節(jié)各級(jí)衰減值，讀取中繼路由表，驗(yàn)證中繼層級(jí)是否滿足15 級(jí); 啟動(dòng)組網(wǎng)命令，讀取組網(wǎng)標(biāo)志位，獲得組網(wǎng)完成時(shí)間和中繼路由表; 啟動(dòng)抄表，統(tǒng)計(jì)抄表時(shí)間和成功率。

6)多網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和通信抗串?dāng)_測(cè)試。分別將CCO 放置在不同箱體內(nèi)，模擬 CCO 之間強(qiáng)干擾、STA 之間強(qiáng)干擾、多網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)調(diào)共存機(jī)制; 啟動(dòng)載波偵聽單元，偵聽各網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙和信標(biāo)是否滿足協(xié)議規(guī)范要求，以及沖突避讓機(jī)制是否合理; 啟動(dòng)組網(wǎng)和抄表流程，統(tǒng)計(jì)組網(wǎng)成功率和時(shí)間，以及抄表成功率和時(shí)間。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1信號(hào)耦合采樣

載波信號(hào)使用電力線傳輸，不能直接接入精密儀器進(jìn)行測(cè)量 [9]，需要通過(guò)信號(hào)耦合取樣的方式將工頻信號(hào)和電力線載波信號(hào)分離。 本文設(shè)計(jì)的耦合采樣單元可將工頻信號(hào)和載波信號(hào)分離，通過(guò)耦合電壓濾波器的方式耦合取樣 2~30 MHz 載波信號(hào)，并將電力線阻抗轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn) 50 Ω 阻抗，解決載波信號(hào)依附于強(qiáng)電無(wú)法定值準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題。 電力線信號(hào)轉(zhuǎn)射頻信號(hào)電路如圖 2 所示。

2.2載波信號(hào)隔離與輻射屏蔽

載波信號(hào)使用 2~30 MHz 頻帶進(jìn)行傳輸，調(diào)制方式為 OFDM[4]，在距離較近的情況下載波輻射功率較大，在無(wú)屏蔽條件和隔離條件下互相串?dāng)_，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。 在載波節(jié)點(diǎn)自由組網(wǎng)條件下，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)變且不可控，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)載波通信路由及收發(fā)性能，需要純凈的電力線隔離和無(wú)線屏蔽環(huán)境，各節(jié)點(diǎn)之間完全隔離，互不干擾。 本文設(shè)計(jì)的隔離屏蔽裝置使用了低頻屏蔽箱和電力線濾波器，箱體內(nèi)既引入了 220 V 強(qiáng)電解決寬帶載波過(guò)零檢測(cè)的問(wèn)題，又可隔離外界電力線上的載波信號(hào)傳導(dǎo)串?dāng)_和空中輻射 [10] 信號(hào)。 屏蔽箱電力線隔離和輻射屏蔽結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

2.3開關(guān)矩陣

在性能測(cè)試中，需要接入信號(hào)分析儀來(lái)分析載波通信信號(hào)的占用帶寬和功率譜密度，在抗衰減性能測(cè)試中 [11] 需要主節(jié)點(diǎn) CCO 和子節(jié)點(diǎn) STA 之間增加衰減，在抗頻偏測(cè)試中透明收發(fā)單元的參考時(shí)鐘偏移需使用信號(hào)源提供的高精度時(shí)鐘。 同時(shí)，通信組網(wǎng)測(cè)試需要主節(jié)點(diǎn) CCO 接入信號(hào)矩陣和 15 級(jí)子節(jié)點(diǎn) STA 通信。 需要將各部分組合連接成一個(gè)通信鏈路，通過(guò)射頻控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)源在噪聲測(cè)試和頻偏測(cè)試中的切換 [12]。 由于接入的設(shè)備眾多，不可避免地需要引入分支器，分支器的損耗可以通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀準(zhǔn)確測(cè)出，通過(guò)耦合插損和分支器損耗補(bǔ)償可精確測(cè)試寬帶載波信號(hào)。 開關(guān)矩陣原理如圖 4 所示。

2.4信號(hào)匯集與控制

在載波通信過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)通信鏈路的可控，除需要純凈的環(huán)境外，還需要物理路徑控制設(shè)備——信號(hào)矩陣。 通過(guò)信號(hào)矩陣 [13] 可以實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的接入，同時(shí)鏈路上的衰減器可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)寬帶載波各層級(jí)的調(diào)控。 根據(jù)寬帶技術(shù)規(guī)范和物理層協(xié)議，通信路徑可調(diào)衰減在 110 dB 左右，各芯片廠商的性能略有差異。 3 分支功分器理論衰減損耗為 6 dB，15 層中繼分支衰減完全在有效范圍內(nèi)，最后一級(jí)在沒(méi)有調(diào)節(jié)衰減的情況下可以連接到 CCO 主節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)星型拓?fù)?[14]。 各衰減器調(diào)節(jié)范圍為 0~127 dB，在不考慮插入損耗的情況下，衰減器最大值可完全隔離載波通信信號(hào)。 調(diào)節(jié)信號(hào)矩陣衰減值，可實(shí)現(xiàn)各級(jí)衰減可調(diào)，實(shí)現(xiàn)樹型拓?fù)溥B接。 根據(jù)要求，可配置 3 個(gè)獨(dú)立的信號(hào)矩陣，實(shí)現(xiàn)真實(shí)電網(wǎng)三相電通信的仿真測(cè)試，可支持三相不平衡、臺(tái)區(qū)檔案識(shí)別、相位識(shí)別 [15] 等高級(jí)擴(kuò)展功能。 信號(hào)矩陣原理如圖 5所示。

2.5路徑損耗校正方法

由于開關(guān)矩陣中分支器和耦合采樣電路的存在，不可避免地會(huì)引入中間路徑損耗，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。 分支器損耗在 2~30 MHz 范圍內(nèi)基本一致，耦合采樣電路低頻損耗小，插入損耗則隨著頻率的增加而增大。 信號(hào)耦合電路和分支器使用無(wú)源器件，雙向信號(hào)矢量衰減曲線基本一致。 使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測(cè)試 CCO 電力線端到 STA 端和 STA端到 CCO 端 S21 和 S12 衰減曲線，保存測(cè)試數(shù)據(jù)為 .CSV 格式，導(dǎo)入到上位機(jī)中，在測(cè)試收發(fā)性能時(shí)以采樣曲線擬合的方式逐點(diǎn)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn) 2~30 MHz范圍內(nèi)的精確補(bǔ)償，誤差值小于 0.2 dB。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1耦合取樣電路

耦合取樣電路在寬帶載波通信范圍內(nèi)的衰減小于 1 dB，衰減曲線平滑，符合測(cè)試系統(tǒng)的要求。 測(cè)試系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的衰減值可通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試后導(dǎo)入，各頻點(diǎn)分段校正，可實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。 耦合器衰減曲線如圖 6 所示。