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[1]。低壓電力線作為數(shù)據(jù)傳輸通道，具有實施方便、抗破壞力強、無需另外架設通信媒介等優(yōu)點，在自動抄表系統(tǒng)中的應用越來越廣泛[2]。然而，電力線最初的設計是以傳輸電能為目的，存在各種可變的強電磁干擾，信號傳輸時容易發(fā)生畸變，在接收端信號的準確接收和檢測變得困難，從而影響了抄表的范圍和準確性。在實際應用中，需要通過中繼技術來解決這些問題。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，結合軟件上的動態(tài)路由算法，設計了一種基于動態(tài)中繼技術的電力載波抄表系統(tǒng)，有效彌補了現(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，其結構如圖1所示。

    傳輸信道由兩部分組成：主站與集中器構成上行通信，采用星型結構進行數(shù)據(jù)采集，即一個主站管理多個集中器，通信信道以GPRS、CDMA、PSTN等為主，可靠性高；集中器與載波電表構成下行通信，采用網(wǎng)狀結構進行數(shù)據(jù)采集，即一個集中器管理多個載波電表，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，具有實施方便、安全性好、便于維護等優(yōu)點。
    主站完成用戶電表數(shù)據(jù)的定時或即時抄收[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、運算等。面向供電局或物業(yè)管理部門可具有報表統(tǒng)計、電費票據(jù)打印、用電曲線繪制、實時數(shù)據(jù)及重點用戶監(jiān)測、電能異常分析、自動故障報警等功能。
    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，設置載波電表的相關參數(shù)或抄讀其各項數(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將數(shù)據(jù)傳輸給集中器，同時各電表之間可以通過載波模塊相互轉發(fā)數(shù)據(jù)，例如某個電表作為中繼時，可轉發(fā)集中器的抄收命令。
2  電力載波抄表系統(tǒng)的設計難點和解決方法
2.1 設計難點
    由于電力線信道環(huán)境的特殊性，信號傳輸時容易發(fā)生畸變，在接收端信號的準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，這也是設計的難點所在。
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的載波模塊進行通信，能夠較好保證載波信號的準確接收和檢測。PLCI36G-III-E是專門為電力線介質作為通信信道而設計的載波通信芯片，采用擴頻通信技術、BFSK調(diào)制以及高效率的前向糾錯和節(jié)點幀中繼轉發(fā)機制，支持7級路由深度，其應用協(xié)議完全兼容于DL/T645-1997規(guī)范和DL/T645-2007規(guī)范。同時，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專用中繼器進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，以保證抄表的覆蓋率。
　基于上述條件，設計重點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)中繼設計思路和路由算法描述
3.1 動態(tài)中繼設計思路
　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，即人工設定某專用中繼器或用戶模塊通過特定的路徑進行信號轉發(fā)。這種方式最大的缺點是不能隨信道環(huán)境變化和抄收情況進行中繼設備和中繼路徑的自適應性調(diào)整，而且一旦中繼設備故障，整個抄收過程將受到嚴重影響，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，設計了一種動態(tài)的中繼方法。將集中器和各載波模塊分別作為根節(jié)點和子節(jié)點，建立成一個樹狀的查詢結構來實現(xiàn)自動路由，如圖2所示。第一層的i個模塊節(jié)點和集中器直接通信，即直抄電表；第二層的j個模塊節(jié)點通過第一層的部分模塊節(jié)點轉發(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)點通過第一、二層的部分模塊節(jié)點和集中器間接通信，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7級，實際應用中最多3級中繼就能實現(xiàn)全部抄收。集中器對各載波電表的抄收過程相當于樹的根節(jié)點對其子節(jié)點的遍歷輪詢。

3.2 路由算法描述
     路由算法是實現(xiàn)動態(tài)中繼的關鍵，包括路由表建立和路由表維護兩部分。
    （1）路由表建立
     第一次開始抄表工作時需根據(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，先對所有電表進行直抄，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，依次通過每個無中繼表給各剩余電表轉發(fā)數(shù)據(jù)，記錄能成功抄到的電表地址和抄收時間，作為剩余電表的二級中繼，如果有幾個一級中繼表可以抄到同一塊表，則選擇抄收時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
　 由于電力線信道環(huán)境的時變性，路由表中存儲的某些路徑很有可能變得無效，此時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。具體過程為：集中器收到主站抄收指令時，首先按建立的路由表進行抄收，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)總體設計的實驗方案
4.1 系統(tǒng)結構
   PC機作為系統(tǒng)主站上位機，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的友善之臂實驗板作為集中器， 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機超級終端顯示抄收情況，結構如圖5所示。

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

   (2)中繼轉發(fā)幀格式
　PLCI36G-Ⅲ-E采用一種確定性的中繼轉發(fā)機制，即通過指定中繼轉發(fā)路由表來實現(xiàn)幀中繼功能。中繼轉發(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中定義了中繼轉發(fā)級別，如圖6所示。

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

4.3 集中器應用程序設計
   集中器的應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 實驗方法及結果分析
　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)計結果表明，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，待集中器直抄結束并開始嘗試進行一級中繼抄收剩余電表時，再將一部分電表接上，待集中器一級中繼抄收結束并開始嘗試進行二級中繼抄收剩余電表時，把剩下的電表接上。多次統(tǒng)計結果表明，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)多個插座處，進行自動抄收。多次統(tǒng)計結果表明，抄收成功率達99.8%。
    本文針對電力線信道環(huán)境的特殊性，設計了一種基于動態(tài)中繼技術的電力載波抄表系統(tǒng)。實驗數(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。本文的設計方法也可應用到水表、煤氣表的自動抄收系統(tǒng)中，為各自動抄表領域抄收成功率的提高和抄收范圍的擴大提供了一種可行的解決方案。
參考文獻
[1] 侯思祖, 楊麗, 郝建國.電力線載波自動抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡結構的研究[J].電力科學與工程,2008,24(6):1-4.
[2] 趙宇明,郭靜波,王贊基,等.多導體電力電纜載波通信中的頻譜優(yōu)化方法[J].中國電機工程學報,2007,27(13):41-
47.
[3] 青島東軟電腦技術有限公司.PLCI36G-III-E電力線載波擴頻通信芯片-通信協(xié)議指南.2010.
[4] 胡云.幾種電能表遠程抄表系統(tǒng)的分析與比較[J].低壓電器,2009(8):27-30.