摘要： 为解决电力线宽带载波信号定量测试难的问题，结合宽带载波通信技术特点和智能电网实际应用场景，提出了全套空中辐射信号屏蔽、电力线传导信号隔离、路由中继拓扑控制、路径损耗矢量校正和软件逐点补偿的测试设计方案。 试验结果表明，采用该设计方案信号屏蔽与隔离效果良好，可覆盖抗衰减的最大范围; 性能测试数据精确，网络拓扑可调可控，与预期效果一致，具备很强的实用性和推广价值。
关键词： 宽带载波; 屏蔽; 隔离; 路径损耗; 网络拓扑
0引言
国内用电信息采集网络本地通信主要使用电力线载波通信技术，占比超过 90%，相关终端规模约3 亿台。 随着用电信息采集业务功能的扩展，对本地终端用电信息采集的速率要求越来越高，传统的窄带载波已不能满足高速采集网络建设的需求。2017 年 6 月，国家电网公司发布了企业标准《低压电力线宽带载波技术规范》，详细规定了宽带载波通信标准的物理层、数据链路层、应用层协议以及相关检验技术规范。 电力线宽带载波通信作为下一代载波通信的新技术，仍缺少测量工具作为检验和认证载波通信设备的技术手段。 由于宽带载波通信使用的频带、占用的带宽、调制方式以及协议的变化，以往的窄带载波测试系统已不适用于宽带载波通信测试。 电力线宽带的频带范围为 2~30 MHz，国家电网公司行业标准中使用 2~12 MHz 频段，默认使用频段1，即 2.441~5.615 MHz[1]，子载波数为 100~230。 以往的载波通信应用和技术研究主要关注低频段窄带低速和低频段窄带高速领域，使用频段在 500 kHz[2]以下，宽带载波通信技术对电网环境的适应能力缺乏严格的检验技术支撑。 传统的检测设备未考虑空间辐射和电力线传导的影响，不适用于对宽带载波通信进行定量分析和检测认证。
我国的中低压配电网环境具有城市人口集中、农村人口相对分散的特征，物理拓扑结构主要为星型和树型结构 [3]。 城市配电网结构存在单一台区用户数量大、环境复杂、分支多、衰减大等特点，低压配电网连接着众多的用电设备、家用电器和工商业设备，基本采用开关电源方式供电，传导骚扰和辐射频段集中在 30 MHz 频率以下，与宽带载波通信频段重合。 大功率设备和变频设备在启动和停止时产生大量的谐波和脉冲噪声 [4]，严重污染宽带载波通信信道。 低压配电网供电采用架空线、地埋线、管道线等，线路阻抗不一致; 各用电时段由于接入负载的变化阻抗差异大，信号衰减变化随机，信道质量瞬变 [5]。
现实使用场景中的噪声和阻抗变化随机，使用真实配电网对宽带载波技术进行测试不具备可行性。由于国内复杂多变的应用环境，载波通信设备的入网许可测试显得尤为重要。 目前载波通信测试主要使用工频载波加电能表和集中器配套的测试方案，可测终端数量少，且通信路径损耗不确定，无法准确标定。 另外由于通信串扰和辐射的存在，测试结果不稳定，可重复性差。 现场测试又由于诸多不确定因素的存在，导致无法准确定量评价载波通信设备的性能。
本文设计的宽带载波通信检测系统，采用工频与载波通信信号分离的方式，可定量和定性分析宽带载波通信信号的质量、路由能力，测试结果稳定、可靠、可重复; 可满足国家电网企业标准对性能测试、协议一致性测试、互操作性测试等的要求; 适用于实验室认证测试和通信组网性能标量评价，可用于国家电网公司要求的入网许可测试和到货抽检测试 [6]。
1总体设计方案
宽带载波测试系统由性能测试子系统、协议测试子系统、互操作测试子系统 3 个部分组成。 其中，性能测试子系统主要测试宽带载波通信单元物理层发射机性能、接收机性能、抗频偏性能、抗衰减性能、抗噪声性能以及通信速率等，由主节点载波通信单元(Central Coordinator， CCO)、子节点载波通信单元(Station， STA)、信号分析仪、信号源、透明收发设备、开关矩阵组成。 协议测试子系统主要测试宽带载波通信的数据链路层、应用层协议，由 CCO、 STA、透明收发设备构成。 互操作性测试子系统主要负责测试通信组网、路由中继、多网络协调，由 CCO、信号矩阵、 STA、透明收发设备等组成。 宽带载波互联互通协议要求载波通信单元支持 15 级路由中继，互操作性最小测试系统需要 15 个子节点载波屏蔽单元。
宽带载波测试系统结构 [7] 由开关矩阵、信号矩阵组成。 通过开关矩阵连接被测 CCO/STA、信号分析仪、信号源、透明收发单元，组成性能测试系统。通过开关矩阵连接 CCO/STA、透明收发设备，组成协议测试系统。 通过主节点屏蔽单元连接开关矩阵、信号矩阵、子节点屏蔽单元，形成互操作系统。 系统设计方案如图 1 所示。
1)载波通信单元的发射机性能测试。 将载波通信单元(CCO/STA)放置在主节点屏蔽箱内，设置信号分析仪触发方式、起始频率、分辨率带宽 [8]; 上位机连接测试底板和透明收发单元，下发测试命令; 读取信号分析仪占用带宽、带内功率谱密度以及带外功率谱密度。
2)载波通信单元接收机性能抗衰减测试。 将一对 CCO 和 STA 分别放置在主节点屏蔽箱和子节点屏蔽箱内，下发子节点表地址启动组网; 连续抄读表，统计成功率; 调节开关矩阵的 2 个衰减器的值，直至抄表成功率到达指定限值 90%，读取 2 个衰减器的衰减值，通过软件补偿中间路径插入损耗，得到CCO 和 STA 抗衰减值。
3)抗噪声性能测试。 将 CCO 和 STA 分别放置在主节点和子节点屏蔽箱内，设置噪声类型分别为脉冲噪声、窄带噪声以及加性高斯白噪声，测试载波通信单元的抗噪声性能。
4)协议测试。 将 CCO/STA 放置在主节点箱体内，上位机连接透明收发单元，模拟 STA/CCO 遍历各场景及类型数据帧，验证数据链路和应用层数据帧格式及内容是否符合技术规范要求。
5)通信组网及路由变更试验。 将主节点 CCO放置在主节点屏蔽箱体内，透明收发单元设置为侦听模式，将子节点单元放置在 1-15 号箱体内，调节各级衰减值，读取中继路由表，验证中继层级是否满足15 级; 启动组网命令，读取组网标志位，获得组网完成时间和中继路由表; 启动抄表，统计抄表时间和成功率。
6)多网络协调和通信抗串扰测试。分别将CCO 放置在不同箱体内，模拟 CCO 之间强干扰、STA 之间强干扰、多网络之间的协调共存机制; 启动载波侦听单元，侦听各网络时隙和信标是否满足协议规范要求，以及冲突避让机制是否合理; 启动组网和抄表流程，统计组网成功率和时间，以及抄表成功率和时间。
2关键技术
2.1信号耦合采样
载波信号使用电力线传输，不能直接接入精密仪器进行测量 [9]，需要通过信号耦合取样的方式将工频信号和电力线载波信号分离。 本文设计的耦合采样单元可将工频信号和载波信号分离，通过耦合电压滤波器的方式耦合取样 2~30 MHz 载波信号，并将电力线阻抗转换成标准 50 Ω 阻抗，解决载波信号依附于强电无法定值准确测量的问题。 电力线信号转射频信号电路如图 2 所示。
2.2载波信号隔离与辐射屏蔽
载波信号使用 2~30 MHz 频带进行传输，调制方式为 OFDM[4]，在距离较近的情况下载波辐射功率较大，在无屏蔽条件和隔离条件下互相串扰，无法准确测量。 在载波节点自由组网条件下，网络拓扑时变且不可控，为准确评价载波通信路由及收发性能，需要纯净的电力线隔离和无线屏蔽环境，各节点之间完全隔离，互不干扰。 本文设计的隔离屏蔽装置使用了低频屏蔽箱和电力线滤波器，箱体内既引入了 220 V 强电解决宽带载波过零检测的问题，又可隔离外界电力线上的载波信号传导串扰和空中辐射 [10] 信号。 屏蔽箱电力线隔离和辐射屏蔽结构如图 3 所示。
2.3开关矩阵
在性能测试中，需要接入信号分析仪来分析载波通信信号的占用带宽和功率谱密度，在抗衰减性能测试中 [11] 需要主节点 CCO 和子节点 STA 之间增加衰减，在抗频偏测试中透明收发单元的参考时钟偏移需使用信号源提供的高精度时钟。 同时，通信组网测试需要主节点 CCO 接入信号矩阵和 15 级子节点 STA 通信。 需要将各部分组合连接成一个通信链路，通过射频控制开关实现信号源在噪声测试和频偏测试中的切换 [12]。 由于接入的设备众多，不可避免地需要引入分支器，分支器的损耗可以通过矢量网络分析仪准确测出，通过耦合插损和分支器损耗补偿可精确测试宽带载波信号。 开关矩阵原理如图 4 所示。
2.4信号汇集与控制
在载波通信过程中，要实现通信链路的可控，除需要纯净的环境外，还需要物理路径控制设备——信号矩阵。 通过信号矩阵 [13] 可以实现各节点的接入，同时链路上的衰减器可调，从而实现宽带载波各层级的调控。 根据宽带技术规范和物理层协议，通信路径可调衰减在 110 dB 左右，各芯片厂商的性能略有差异。 3 分支功分器理论衰减损耗为 6 dB，15 层中继分支衰减完全在有效范围内，最后一级在没有调节衰减的情况下可以连接到 CCO 主节点，实现星型拓扑 [14]。 各衰减器调节范围为 0~127 dB，在不考虑插入损耗的情况下，衰减器最大值可完全隔离载波通信信号。 调节信号矩阵衰减值，可实现各级衰减可调，实现树型拓扑连接。 根据要求，可配置 3 个独立的信号矩阵，实现真实电网三相电通信的仿真测试，可支持三相不平衡、台区档案识别、相位识别 [15] 等高级扩展功能。 信号矩阵原理如图 5所示。
2.5路径损耗校正方法
由于开关矩阵中分支器和耦合采样电路的存在，不可避免地会引入中间路径损耗，导致测量结果出现偏差。 分支器损耗在 2~30 MHz 范围内基本一致，耦合采样电路低频损耗小，插入损耗则随着频率的增加而增大。 信号耦合电路和分支器使用无源器件，双向信号矢量衰减曲线基本一致。 使用矢量网络分析仪分别测试 CCO 电力线端到 STA 端和 STA端到 CCO 端 S21 和 S12 衰减曲线，保存测试数据为 .CSV 格式，导入到上位机中，在测试收发性能时以采样曲线拟合的方式逐点补偿，实现 2~30 MHz范围内的精确补偿，误差值小于 0.2 dB。
3试验结果与分析
3.1耦合取样电路
耦合取样电路在宽带载波通信范围内的衰减小于 1 dB，衰减曲线平滑，符合测试系统的要求。 测试系统中各节点的衰减值可通过矢量网络分析仪测试后导入，各频点分段校正，可实现精确测量。 耦合器衰减曲线如图 6 所示。
3.2隔离屏蔽
宽带载波测试要求各屏蔽箱之间电力线隔离，避免各模拟台区节点的干扰。 屏蔽箱方案设计和使用的电源滤波器隔离度在宽带载波频率范围内可达70 dB。 所有箱体共用同一电源，利用宽带载波设备实测两个屏蔽箱之间电力线完全不能通信，可达到电力线完全隔离的要求。 滤波后载波传导信号大幅衰减，接近底噪，滤波效果良好。 电力线载波传导信号曲线如图 7 所示。
宽带载波信号由于频率为 2~12 MHz，因此空间辐射不能忽略，特别是宽带载波设备相隔太近时，在没有物理连接的情况下可以通过空间辐射相互通信，所以在测试系统中需要完全隔离不同屏蔽箱体间的空间辐射信号。 本方案采用的低频屏蔽箱箱体屏蔽效能可达 70 dB，能够完全屏蔽各屏蔽箱之间的空间辐射，隔离不同载波通信单元之间的通信干扰，提供纯净的传导和辐射测试环境，可模拟完全隔离的台区和无限远的开阔场地，通过隔离和屏蔽实现通信路径的可调可控，确保测试数据精确、一致性好、可重复。 电力线载波信号空间辐射信号曲线如图 9 所示。
电力线载波信号屏蔽后空间辐射信号曲线如图10 所示。
3.3开关矩阵
将本文方案应用于实际宽带载波测试系统中，真实 CCO 通过开关矩阵连接子节点的路径损耗如图 11 所示，在宽带载波实际使用的频率范围内的损耗值在 12.0~12.2 dB 之间，波动范围小于 0.2 dB，符合实际使用需求和设计预期。 通过软件逐点补偿的方式可以达到精确测量的目的，实现系统的高精度测试和测量。
3.4信号矩阵
信号矩阵用于互操作性测试中的路由中继测试和通信组网测试，调节信号矩阵衰减器衰减值，通过透明收发单元和查询主节点可得到实际通信单元的路由拓扑图。 实际测试时应用某公司的宽带载波通信单元验证结果如下： 通过软件查询路由信息表，绘制各节点路径关系图，在所有衰减器值调为 0 的情况下可得到所有子节点在同一层级的星型拓扑图，与方案设计预期完全一致。 宽带载波通信单元星型拓扑如图 12 所示
根据性能测试中得到的衰减值设置各级链路上的衰减器，查询 CCO 主节点路由表绘制拓扑图，可得到理想的 15 级路由拓扑图，与设计方案预期完全一致。 宽带载波通信单元线形路由拓扑如图 13所示。
在间隔节点设置 90 dB 衰减，形成树形拓扑，修改临近节点的衰减值可设置成为多网络拓扑，满足树型网络拓扑结构和多网络协调测试拓扑环境。 宽带载波通信单元树型拓扑如图 14 所示。
4结语
本文详细介绍了宽带载波通信测试系统的硬件设计方法和关键技术，对设计难点进行分析和研究，并通过实际应用测试验证了方案的可行性，满足宽带载波检测技术的规范要求。 目前该系统已在多个网省电力公司电科院得到了实际应用，具有良好的应用和推广价值。
作者：
王学良 1，李蕊 2，羡慧竹 2，刘庆扬 1，付美明 1
(1. 深圳市国电科技通信有限公司， 广东 深圳 518031; 2. 国网北京电力公司 电力科学研究院， 北京 100162)
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