摘  要： 分析電力線載波通信(PLC)在電力通信中的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀,，重點介紹了智能電網(wǎng)的通信需求，并以遠程抄表為切入點,，針對傳統(tǒng)窄帶PLC抄表系統(tǒng)存在的問題,，提出將寬帶PLC家庭網(wǎng)絡(luò)作為抄表終端網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想。為適應(yīng)智能電網(wǎng)的通信需求,，設(shè)計了基于家庭寬帶PLC網(wǎng)絡(luò)和Internet的遠程電力抄表方案,，并在實驗網(wǎng)絡(luò)中得以實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞： 寬帶電力線通信網(wǎng),；智能電網(wǎng),；遠程抄表

　電力線通信PLC(Power Line Communication)是指利用電力線提供通信業(yè)務(wù)的技術(shù)、設(shè)備和應(yīng)用服務(wù),，是傳輸數(shù)據(jù)和話音信號的一種通信方式,，它省去了額外布線的麻煩,，與用電設(shè)備的天然結(jié)合，具有覆蓋范圍廣,、連接方便,、節(jié)省無線頻帶、低頻傳輸,、元件成本低廉等顯著特點,，被認(rèn)為是提供“最后一公里”解決方案最具競爭力的技術(shù)之一。所以國內(nèi)外許多公司和研究單位都在對PLC進行研究和開發(fā),。
1 傳統(tǒng)的電力線遠程抄表及其存在的問題
　目前較成熟的遠程抄表大多采用窄帶PLC技術(shù),，是將各個終端電器的信息調(diào)制到低壓電力線上，載波頻率一般在幾百kHz左右,。一個區(qū)域的電表數(shù)據(jù)通過窄帶PLC網(wǎng)絡(luò)匯聚到集中器,，再由集中器通過網(wǎng)關(guān)接入其他網(wǎng)絡(luò),?？梢姡谡瓗LC實現(xiàn)的窄帶電力線抄表系統(tǒng)速率低,，只適合簡單的抄表數(shù)據(jù)單向傳送,，而無法支持其他業(yè)務(wù)，擴展性差,。此外,，它還是專用網(wǎng)，需要集中器和專門鋪設(shè)電纜,，部署復(fù)雜且費用昂貴,。這都與目前提倡的三網(wǎng)融合的先進理念相違背。
　電力線與用電設(shè)備天然結(jié)合的特性,，使PLC 加Internet成為最優(yōu)秀的解決方案,。與無線通信工作在微波波段相比，寬帶PLC設(shè)備工作在高頻波段(幾MHz~幾十MHz),，使用OFDM,、QAM等現(xiàn)代調(diào)制方式，物理層速率可達200 Mb/s(Homeplug1.1),，大大降低了元件和設(shè)備成本,。同時，由于室內(nèi)網(wǎng)PLC鏈路的距離都較近(幾十米以內(nèi)),，正好發(fā)揮了PLC的長處并避免了其缺點,，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br /> 2 設(shè)計方案
　本文設(shè)計了基于家庭寬帶PLC網(wǎng)絡(luò)的遠程電力抄表方案，該方案的兩個基本思想是：(1)室內(nèi)使用的寬帶PLC組網(wǎng)盡量減小單個PLC總線的長度,；(2)盡快匯入Internet,。方案的核心是家庭寬帶PLC網(wǎng)絡(luò)的組件,，如圖1所示。

　其中,，分電盤下的每條支路運行一條總線型的PLC網(wǎng)絡(luò),，PLC網(wǎng)絡(luò)使用TCP/IP協(xié)議，各個支路通過PLC家庭網(wǎng)關(guān)匯聚,，匯聚之后通過ADSL接入Internet,。將從PLC終端模塊到PLC家庭網(wǎng)關(guān)再到Internet的鏈路稱為上行鏈路，反之稱為下行鏈路,。
 這里主要包括終端PLC模塊和PLC家庭網(wǎng)關(guān)兩個設(shè)備,。其中，終端PLC模塊應(yīng)包含網(wǎng)絡(luò)層次體系結(jié)構(gòu)的所有層次,，完成PLC的調(diào)制解調(diào),、上層數(shù)據(jù)處理以及對用電器的監(jiān)視采集和控制；PLC家庭網(wǎng)關(guān)包含兩部分功能：分電盤各個支路提供數(shù)據(jù)交換以及實現(xiàn)PLC網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議到Internet的TCP/IP層協(xié)議轉(zhuǎn)換,。使用Freescale公司的ColdFire系列單片機實現(xiàn)了終端PLC模塊的設(shè)計,，使用路由器模擬了家庭網(wǎng)關(guān)，初步證明了該方案的可用性,。
2.1 終端PLC模塊的設(shè)計路線
　在Freescale公司的MCF52233單片機上完成了終端PLC模塊的設(shè)計,，硬件設(shè)計如圖2所示。

　在上行鏈路中(電表-遠程計算機),，終端模塊與智能電表通過RS485電纜連接,，根據(jù)智能電表提供的協(xié)議與之通信，傳送抄表數(shù)據(jù)和控制命令,。信息進入單片機的核心處理單元進行協(xié)議解析和處理,，按照TCP/IP協(xié)議組裝包，通過單片機內(nèi)部的以太網(wǎng)模塊PLC Modem相連,，經(jīng)PLC調(diào)制后接入PLC網(wǎng)絡(luò),。
在下行鏈路中(遠程計算機-電表)，遠程計算機通過以太網(wǎng)接入PLC網(wǎng)絡(luò),，控制信息由TCP包攜帶,，進入終端模塊，解析出控制命令,，再根據(jù)智能電表的串口通信協(xié)議組裝成控制命令幀,，通過RS485傳輸至智能電表完成控制。
　終端模塊軟件部分的設(shè)計實質(zhì)就是嵌入式Internet服務(wù)器的設(shè)計,，如圖3所示,。

　整個PLC終端模塊包括兩部分：與電表的通信模塊為點對點通信，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層為空,，鏈路層使用RS485/232協(xié)議,，應(yīng)用層遵循DLT645-1997/2007標(biāo)準(zhǔn)即可,；PLC網(wǎng)絡(luò)的通信部分使用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3鏈路層協(xié)議和TCP/IP協(xié)議即可。
2.2 PLC家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計路線
　PLC家庭網(wǎng)關(guān)包括兩部分的功能：分電盤各個支路的匯聚組網(wǎng)以及將PLC網(wǎng)絡(luò)接入Internet,。
從圖3中可以看出,，在PLC網(wǎng)絡(luò)中采用了以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議，這樣,，家庭網(wǎng)關(guān)實質(zhì)上就是一個具有PLC子網(wǎng)(總線)交換功能的路由器,。分電盤下每個PLC支路是一個總線型子網(wǎng)(鏈路層)，家庭網(wǎng)關(guān)將各個子網(wǎng)放在共同的一個局域網(wǎng)內(nèi)(網(wǎng)絡(luò)層),，網(wǎng)關(guān)出口即路由器的WAN口,。
　從這里可以看出，整個家庭寬帶PLC網(wǎng)絡(luò)及其所接入的Internet都是全IP網(wǎng)絡(luò),，這給擴展各種應(yīng)用奠定了非常好的基礎(chǔ),。本方案為每個PLC終端模塊配置了內(nèi)部IP地址并設(shè)置了不同的端口號。在路由器上使用NAT和端口映射,，將每個PLC終端的IP和端口映射到路由器上,。這樣就可以從外部網(wǎng)絡(luò)直接訪問家庭PLC網(wǎng)絡(luò)中的各個設(shè)備。相反,，從PLC網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部訪問外部網(wǎng)絡(luò)中的主機,，則直接通過IP地址即可,，既節(jié)省了IP地址又實現(xiàn)了雙向通信,，彌補了窄帶PLC抄表中以單向傳輸為主(電表－>集中器)的缺點，為智能電網(wǎng)的控制功能奠定了基礎(chǔ),。相關(guān)部門可以制定一個標(biāo)準(zhǔn),，將端口號中的一部分注冊為電力抄表使用，這樣,，在目前無法實現(xiàn)每家一個IPv4地址的條件下,，可以讓多個家庭公用一個IP地址。
2.3 ADSL接口設(shè)計路線
　從中國目前家庭上網(wǎng)的現(xiàn)狀來看,，普通家庭PLC網(wǎng)絡(luò)向Internet的匯聚,，首選的方案是采用非對稱數(shù)字用戶環(huán)線ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Loop)。ADSL是通過電話線路連接到電話局再接入Internet的,，因此,，家庭ADSL端的IP是在撥號時臨時分配的，無法保證有一個固定的端口,，也就是說,，只能實現(xiàn)從PLC網(wǎng)關(guān)到Internet的上行鏈路，而無法通過Internet直接訪問PLC網(wǎng)關(guān),。
為解決上述問題,，在Internet中設(shè)置一“智能電網(wǎng)服務(wù)器”,，其IP地址固定，所有家庭的PLC網(wǎng)關(guān)一連接到ADSL就向該服務(wù)器發(fā)送信息,，該服務(wù)器記錄PLC網(wǎng)關(guān)的臨時IP地址,。所有來自Internet的信息首先發(fā)送給PLC服務(wù)器，再由其轉(zhuǎn)發(fā)到家庭PLC網(wǎng)關(guān),，從而實現(xiàn)下行鏈路,。
3 應(yīng)用
　在智能電網(wǎng)中，實時掌握社區(qū),、廠區(qū)的用電情況是節(jié)能的基礎(chǔ),，數(shù)據(jù)傳輸是智能電網(wǎng)中的一個核心技術(shù)。目前尚無適合于社區(qū),、廠區(qū)等用電場所的電力通信系統(tǒng)解決方案,，PLC室內(nèi)網(wǎng)加Internet能夠提供一種優(yōu)秀的解決方案，可以全面感知各個用戶的用電狀態(tài)并進行監(jiān)控,。此外,，電力抄表的相關(guān)技術(shù)是智能家庭技術(shù)的基礎(chǔ)，電力線通信網(wǎng)絡(luò)是家用電器上網(wǎng)的天然選擇,，既省去了布線的麻煩,，節(jié)省了無線帶寬，又安全可靠,，能完成雙向通信,，便于控制。同時,，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展為寬帶PLC技術(shù)在智能家庭中的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ),。利用先進的云計算和云存儲技術(shù)實現(xiàn)對智能用電器靈活、實時的遠程訪問和控制,。
　在系統(tǒng)研究電力通信網(wǎng)需求的基礎(chǔ)上,，針對目前窄帶PLC通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不足，提出了將寬帶PLC通信應(yīng)用于遠程抄表系統(tǒng),。使用寬帶PLC通信組建家庭電力通信網(wǎng),，將電表或其他電氣設(shè)備接入其中，PLC網(wǎng)絡(luò)通過家庭網(wǎng)關(guān)匯入Internet,。提出了一種以Internet作為電力通信主干網(wǎng)絡(luò),，以家庭寬帶PLC作為連接網(wǎng)絡(luò)的新型電力通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
參考文獻
[1] SCAGLIA S. The embedded Internet TCP/IP Basics,， imple-
mentation and applications [M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2008.
[2] 王宜懷，陳建明，蔣銀珍.基于32位ColdFire構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2009.
[3] 殷小貢,，劉滌塵.電力系統(tǒng)通信工程[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2001.
[4] BEHROUZ A. Forouzan data communications and networking[M]. McGrw-Hill,， 2007.