寬帶PLC網絡設計在智能電網通信中的應用
電力線通信PLC(PowerLineCommunication)是指利用電力線提供通信業(yè)務的技術、設備和應用服務,是傳輸數據和話音信號的一種通信方式,它省去了額外布線的麻煩,與用電設備的天然結合,具有覆蓋范圍廣、連接方便
電力線通信PLC(PowerLineCommunication)是指利用電力線提供通信業(yè)務的技術、設備和應用服務,是傳輸數據和話音信號的一種通信方式,它省去了額外布線的麻煩,與用電設備的天然結合,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,被認為是提供“最后一公里”解決方案最具競爭力的技術之一。所以國內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,是將各個終端電器的信息調制到低壓電力線上,載波頻率一般在幾百kHz左右。一個區(qū)域的電表數據通過窄帶PLC網絡匯聚到集中器,再由集中器通過網關接入其他網絡。可見,基于窄帶PLC實現的窄帶電力線抄表系統(tǒng)速率低,只適合簡單的抄表數據單向傳送,而無法支持其他業(yè)務,擴展性差。此外,它還是專用網,需要集中器和專門鋪設電纜,部署復雜且費用昂貴。這都與目前提倡的三網融合的先進理念相違背。
電力線與用電設備天然結合的特性,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設備工作在高頻波段(幾MHz~幾十MHz),使用OFDM、QAM等現代調制方式,物理層速率可達200Mb/s(Homeplug1.1),大大降低了元件和設備成本。同時,由于室內網PLC鏈路的距離都較近(幾十米以內),正好發(fā)揮了PLC的長處并避免了其缺點,可保證數據傳輸的可靠性。
2設計方案
本文設計了基于家庭寬帶PLC網絡的遠程電力抄表方案,該方案的兩個基本思想是:(1)室內使用的寬帶PLC組網盡量減小單個PLC總線的長度;(2)盡快匯入Internet。方案的核心是家庭寬帶PLC網絡的組件,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網絡,PLC網絡使用TCP/IP協(xié)議,各個支路通過PLC家庭網關匯聚,匯聚之后通過ADSL接入Internet。將從PLC終端模塊到PLC家庭網關再到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家庭網關兩個設備。其中,終端PLC模塊應包含網絡層次體系結構的所有層次,完成PLC的調制解調、上層數據處理以及對用電器的監(jiān)視采集和控制;PLC家庭網關包含兩部分功能:分電盤各個支路提供數據交換以及實現PLC網絡傳輸層協(xié)議到Internet的TCP/IP層協(xié)議轉換。使用Freescale公司的ColdFire系列單片機實現了終端PLC模塊的設計,使用路由器模擬了家庭網關,初步證明了該方案的可用性。
2.1終端PLC模塊的設計路線
在Freescale公司的MCF52233單片機上完成了終端PLC模塊的設計,硬件設計如圖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,根據智能電表提供的協(xié)議與之通信,傳送抄表數據和控制命令。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,通過單片機內部的以太網模塊PLCModem相連,經PLC調制后接入PLC網絡。
在下行鏈路中(遠程計算機-電表),遠程計算機通過以太網接入PLC網絡,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計實質就是嵌入式Internet服務器的設計,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,網絡層和傳輸層為空,鏈路層使用RS485/232協(xié)議,應用層遵循DLT645-1997/2007標準即可;PLC網絡的通信部分使用標準的IEEE802.3鏈路層協(xié)議和TCP/IP協(xié)議即可。
2.2PLC家庭網關的設計路線
PLC家庭網關包括兩部分的功能:分電盤各個支路的匯聚組網以及將PLC網絡接入Internet。
從圖3中可以看出,在PLC網絡中采用了以太網和TCP/IP協(xié)議,這樣,家庭網關實質上就是一個具有PLC子網(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(鏈路層),家庭網關將各個子網放在共同的一個局域網內(網絡層),網關出口即路由器的WAN口。
從這里可以看出,整個家庭寬帶PLC網絡及其所接入的Internet都是全IP網絡,這給擴展各種應用奠定了非常好的基礎。本方案為每個PLC終端模塊配置了內部IP地址并設置了不同的端口號。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絡直接訪問家庭PLC網絡中的各個設備。相反,從PLC網絡內部訪問外部網絡中的主機,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,為智能電網的控制功能奠定了基礎。相關部門可以制定一個標準,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。
2.3ADSL接口設計路線
從中國目前家庭上網的現狀來看,普通家庭PLC網絡向Internet的匯聚,首選的方案是采用非對稱數字用戶環(huán)線ADSL(AsymmetricalDigitalSubscriberLoop)。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,只能實現從PLC網關到Internet的上行鏈路,而無法通過Internet直接訪問PLC網關。
為解決上述問題,在Internet中設置一“智能電網服務器”,其IP地址固定,所有家庭的PLC網關一連接到ADSL就向該服務器發(fā)送信息,該服務器記錄PLC網關的臨時IP地址。所有來自Internet的信息首先發(fā)送給PLC服務器,再由其轉發(fā)到家庭PLC網關,從而實現下行鏈路。
3應用
在智能電網中,實時掌握社區(qū)、廠區(qū)的用電情況是節(jié)能的基礎,數據傳輸是智能電網中的一個核心技術。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室內網加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,電力抄表的相關技術是智能家庭技術的基礎,電力線通信網絡是家用電器上網的天然選擇,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,物聯網技術的迅猛發(fā)展為寬帶PLC技術在智能家庭中的應用奠定了堅實的基礎。利用先進的云計算和云存儲技術實現對智能用電器靈活、實時的遠程訪問和控制。
在系統(tǒng)研究電力通信網需求的基礎上,針對目前窄帶PLC通信網絡應用的不足,提出了將寬帶PLC通信應用于遠程抄表系統(tǒng)。使用寬帶PLC通信組建家庭電力通信網,將電表或其他電氣設備接入其中,PLC網絡通過家庭網關匯入Internet。提出了一種以Internet作為電力通信主干網絡,以家庭寬帶PLC作為連接網絡的新型電力通信系統(tǒng)結構。
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,是將各個終端電器的信息調制到低壓電力線上,載波頻率一般在幾百kHz左右。一個區(qū)域的電表數據通過窄帶PLC網絡匯聚到集中器,再由集中器通過網關接入其他網絡。可見,基于窄帶PLC實現的窄帶電力線抄表系統(tǒng)速率低,只適合簡單的抄表數據單向傳送,而無法支持其他業(yè)務,擴展性差。此外,它還是專用網,需要集中器和專門鋪設電纜,部署復雜且費用昂貴。這都與目前提倡的三網融合的先進理念相違背。
電力線與用電設備天然結合的特性,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設備工作在高頻波段(幾MHz~幾十MHz),使用OFDM、QAM等現代調制方式,物理層速率可達200Mb/s(Homeplug1.1),大大降低了元件和設備成本。同時,由于室內網PLC鏈路的距離都較近(幾十米以內),正好發(fā)揮了PLC的長處并避免了其缺點,可保證數據傳輸的可靠性。
2設計方案
本文設計了基于家庭寬帶PLC網絡的遠程電力抄表方案,該方案的兩個基本思想是:(1)室內使用的寬帶PLC組網盡量減小單個PLC總線的長度;(2)盡快匯入Internet。方案的核心是家庭寬帶PLC網絡的組件,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網絡,PLC網絡使用TCP/IP協(xié)議,各個支路通過PLC家庭網關匯聚,匯聚之后通過ADSL接入Internet。將從PLC終端模塊到PLC家庭網關再到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家庭網關兩個設備。其中,終端PLC模塊應包含網絡層次體系結構的所有層次,完成PLC的調制解調、上層數據處理以及對用電器的監(jiān)視采集和控制;PLC家庭網關包含兩部分功能:分電盤各個支路提供數據交換以及實現PLC網絡傳輸層協(xié)議到Internet的TCP/IP層協(xié)議轉換。使用Freescale公司的ColdFire系列單片機實現了終端PLC模塊的設計,使用路由器模擬了家庭網關,初步證明了該方案的可用性。
2.1終端PLC模塊的設計路線
在Freescale公司的MCF52233單片機上完成了終端PLC模塊的設計,硬件設計如圖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,根據智能電表提供的協(xié)議與之通信,傳送抄表數據和控制命令。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,通過單片機內部的以太網模塊PLCModem相連,經PLC調制后接入PLC網絡。
在下行鏈路中(遠程計算機-電表),遠程計算機通過以太網接入PLC網絡,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計實質就是嵌入式Internet服務器的設計,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,網絡層和傳輸層為空,鏈路層使用RS485/232協(xié)議,應用層遵循DLT645-1997/2007標準即可;PLC網絡的通信部分使用標準的IEEE802.3鏈路層協(xié)議和TCP/IP協(xié)議即可。
2.2PLC家庭網關的設計路線
PLC家庭網關包括兩部分的功能:分電盤各個支路的匯聚組網以及將PLC網絡接入Internet。
從圖3中可以看出,在PLC網絡中采用了以太網和TCP/IP協(xié)議,這樣,家庭網關實質上就是一個具有PLC子網(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(鏈路層),家庭網關將各個子網放在共同的一個局域網內(網絡層),網關出口即路由器的WAN口。
從這里可以看出,整個家庭寬帶PLC網絡及其所接入的Internet都是全IP網絡,這給擴展各種應用奠定了非常好的基礎。本方案為每個PLC終端模塊配置了內部IP地址并設置了不同的端口號。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絡直接訪問家庭PLC網絡中的各個設備。相反,從PLC網絡內部訪問外部網絡中的主機,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,為智能電網的控制功能奠定了基礎。相關部門可以制定一個標準,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。
2.3ADSL接口設計路線
從中國目前家庭上網的現狀來看,普通家庭PLC網絡向Internet的匯聚,首選的方案是采用非對稱數字用戶環(huán)線ADSL(AsymmetricalDigitalSubscriberLoop)。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,只能實現從PLC網關到Internet的上行鏈路,而無法通過Internet直接訪問PLC網關。
為解決上述問題,在Internet中設置一“智能電網服務器”,其IP地址固定,所有家庭的PLC網關一連接到ADSL就向該服務器發(fā)送信息,該服務器記錄PLC網關的臨時IP地址。所有來自Internet的信息首先發(fā)送給PLC服務器,再由其轉發(fā)到家庭PLC網關,從而實現下行鏈路。
3應用
在智能電網中,實時掌握社區(qū)、廠區(qū)的用電情況是節(jié)能的基礎,數據傳輸是智能電網中的一個核心技術。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室內網加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,電力抄表的相關技術是智能家庭技術的基礎,電力線通信網絡是家用電器上網的天然選擇,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,物聯網技術的迅猛發(fā)展為寬帶PLC技術在智能家庭中的應用奠定了堅實的基礎。利用先進的云計算和云存儲技術實現對智能用電器靈活、實時的遠程訪問和控制。
在系統(tǒng)研究電力通信網需求的基礎上,針對目前窄帶PLC通信網絡應用的不足,提出了將寬帶PLC通信應用于遠程抄表系統(tǒng)。使用寬帶PLC通信組建家庭電力通信網,將電表或其他電氣設備接入其中,PLC網絡通過家庭網關匯入Internet。提出了一種以Internet作為電力通信主干網絡,以家庭寬帶PLC作為連接網絡的新型電力通信系統(tǒng)結構。

責任編輯:和碩涵
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