宽带PLC网络设计在智能电网通信中的应用

摘  要： 分析电力线载波通信(PLC)在电力通信中的应用及发展现状，重点介绍了智能电网的通信需求，并以远程抄表为切入点，针对传统窄带PLC抄表系统存在的问题，提出将宽带PLC家庭网络作为抄表终端网络的构想。为适应智能电网的通信需求，设计了基于家庭宽带PLC网络和Internet的远程电力抄表方案，并在实验网络中得以实现。
关键词： 宽带电力线通信网；智能电网；远程抄表
   　电力线通信PLC(Power Line Communication)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、元件成本低廉等显着特点，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200 Mb/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PLC Modem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。