基于窄带双模通信技术实现可靠的远程费控

吴骏

摘 要：福建电力在国网范围内率先采用基于窄带Z-OFDM载波和微功率无线双信道、双模混合路由网络通信技术，利用电力线和无线信道介质特性差异，相互补充、从而大大提高了用电信息采集系统本地信道通信可靠性，提高了难点现场的采集成功率、并有效地支撑了远程费控业务。

关键词：Z-OFDM；双模；混合路由；采集成功率；远程费控

1 引言

“全覆盖、全采集、全费控”是用电信息采集系统建设的目标，当前福建电力用采系统用户覆盖率99.9%，采集成功率98.5%，基本实现了全覆盖、全采集的目标，而“全费控”由于大多采用单一的电力线载波通信技术，尤其是大部分载波技术均采用一个工作频点工作的单载波通信技术，在工作频率上无自适应能力，容易受到各种电器设备工作时产生的谐波以及接入电网的深度阻抗衰落影响，导致部分电表不能被可靠抄收，这点尤其在城中村、城乡结合区域等电网结构复杂、用电电器类型复杂的恶劣电网环境下表现的更为凸出。而采用单一的微功率无线通信技术，其传输介质为空间电磁波，其信号传输容易受到地理环境、空气湿度以及天线类型和安装位置影响，因此在地下室、高楼、金属表箱等环境下以及阴雨天导致部分电表不能被可靠抄收。因此基于单一信道通信技术的通信可靠性较差，采集成功率無法达到100%、且无法较好支撑远程费控业务的应用。

2 窄带双模通信技术

2.1 窄带双模技术原理

“双模”顾名思义就是两种通信模式，这里特指电力线窄带载波与微功率无线两种通信技术。而双模方案就是利用这两种通信信道特性不同而形成一种互补机制的通信方案，从而使通信的时效性和可靠性得以有效的提升。

2.2 双模相对于单一信道通信技术优势

通过前面分析，无论电力线载波，还是微功率无线任何单一的通信技术都无法解决各自信道的自身缺陷。只有两者相融合才能发挥各自优点，做到取长补短，可以最大程度降低各自信道的自身缺陷所带来的影响，提高抄收的完整性、可靠性。

2.3 双模技术方案设计关键和难点

2.3.1 成本。双模通信技术方案成本不能明显高于单一通信技术成本，否则无法大规模推广实施。

2.3.2 工艺。双模通信单元不能使两个信道通信芯片简单的合在一起，否则功耗、生产故障率将大大增加导致无法大规模生产。

2.3.3 物理层通信速率匹配。两个信道物理层通信速率要匹配否则无法实现双信道混合路由，失去双模通信的意义。

2.3.4 通信信道通信鲁棒性。无论电力线载波还是无线，采用物理通信技术一定都要具有较好的通信鲁棒性，否则双模就会失衡、无法达到通信性能最佳。

2.3.5 双信道混合路由。双模、双信道通信技术的核心在于电力线、无线信道之间可以相互借力、相互中继，从而减少中继级数、提高通信链路的可靠性，而不是简单的“桥接”，通过工程的方式解决现场通信盲区问题。

3 “Z-OFDM载波+微功率无线”窄带双模通信技术解决方案

针对第2章节双模技术方案难点，我们选用“Z-OFDM载波+微功率无线”窄带双模通信技术，该双模技术采用双信道单芯片工艺，外围电路简单，从而确保了低功耗、低成本和大规模生产的可行性。

3.1 电力线和无线信道通信速率匹配

微功率无线物理层符合微功率无线通信技术规范物理层通信速率默认10kbps。电力线通信技术选用窄带高速OFDM调制，物理层通信速率默认10kbps。

3.2 通信鲁棒性

“Z-OFDM载波+微功率无线”窄带双模通信技术方案中电力线通信技术采用基于工频过零Z-OFDM窄带高速载波通信技术，微功率无线通信接收灵敏度可高达-110dbm以上。

Z-OFDM载波技术具体技术特点：

相对于传统的BPSK或BFSK单载波调制而言，OFDM调制可以几十个乃至上百个频点同时工作、进行信号传输，不仅频谱利用效率高、通信速度快（一般为单载波10倍以上的通信速率），而且对低压电力线特有的频率和阻抗频率选择性信道具有较高的自适应能力。

双模技术方案中所采用的电力线窄带Z-OFDM载波，是充分考虑到国内电力线环境的复杂性、恶劣性，再设计上采用了更加复杂、但通信更加鲁棒的相干调制、插入导频、信道估计和信道均衡技术。另外，在时域上采用工频过零时隙同步传输。

工作原理：将物理层一帧分成若干个块，每个数据块都在工频电压过零点3.3ms（60°）内传输。

工频过零时隙同步传输相对于连续传输的优势：可避免漏电保护器误跳闸：当漏电流超出漏电保护器门限电流并且持续时间超过40ms就会产生保护跳闸，连续传输的载波信号无疑传输时间满足了40ms的时间条件，因此会有导致部分家用漏电保护器误跳闸的风险，而工频过零时隙同步传输，载波信号传输持续时间仅为3ms左右，可以有效的规避该风险。

准确相位识别：单相载波在本相电压工频过零点3ms（相位60°）内进行发送和接收，可实现单相表准确的相位识别。

系统抄表效率高：过零传输可充分利用自身多信道（三相）优势，进行多信道同时采集不同电表（连续传输由于存在相间干扰问题不能实现三相同时传输），从而提高载波系统效率。因为三相不同电表的串口通信和CPU处理时间都是并行的，相对于连续传输这两部分节省了2/3时间。

抗干扰能力强：我国电器设备EMC相关标准执行力相对欧美发达国家弱，导致国内电器EMI超标严重，导致我国低压电网环境恶劣，采用工频过零时隙传输可以有效地躲避绝大部分电器工作时段，噪声小且阻抗高，有利于提高载波通信可靠性。

3.3 双信道、双模混合路由网络通信技术

相对于其他双模通信技术方案，仅作简单的“桥接”功能而言，“Z-OFDM载波+微功率无线”双模通信网络层设计定位于电力线载波和微功率无线两种信道通信技术真正地融合，使整个通信系统能够发挥双模通信的最大效益，实现双模真正意义上的“混合路由”。

3.4 技术方案特点总结

“Z-OFDM载波+微功率无线”窄带双模通信技术方案特点总结如下：

双信道、双模通信单芯片实现工艺、低功耗、低成本。双信道通信速率匹配。电力线载波Z-OFDM调制，微功率无线物理层采用GFSK调制以保证各自信道的通信鲁棒性。双信道、双模混合路由，大大提高网络通信效率和网络通信稳定性。

4 方案实施成效

4.1 试点前后采集成功率对比

试点选择了漳浦电力公司36个台区共7649户，其中34个是城市台区、2个为抄表环境较为复杂的农村台区。经采用双模通信技术后采集成功率从95%提升至99.5%。

4.2 费控功能测试

通过采用双模通信技术方案实施远程费控停电的55户当中执行成功52户，成功率从之前的平均88%提升至95%。满足电力公司远程费控应用需求。

5 结论

通过采用窄带双模通信技术方案有效地提升了现场设备的采集效率、采集成功率，更能对用电信息采集系统远程费控业务进行有效的支撑，且相对于原有窄带载波通信方案成本几乎不变。因此，采用窄带双模通信技术对于用电信息采集系统升级改造是一种较好的通信技术方案。

参考文献

[1]殷健，周克.双模通信在智能用电信息采集系统的应用研究[J].电气应用，2016（20）：18-22.

[2]于亮，马丞君.浅析低压窄带通讯模式下的微功率无线双模通信方式[J].科研，00037-00037.