基于HPLC的智能电能表通信模块状态监测技术研究

贺云隆，宋晓林，白宇峰，杨东华，邓宏昌，朱洋洋，何晓奎

(1.国网陕西省电力有限公司营销服务中心(计量中心)，西安 710100；
2.国网陕西省电力有限公司，西安 710048；

3.北京中宸微电子有限公司，北京 100080)

我国电能信息采集系统主要的通信技术有RS-485有线技术、低压电力载波、微功率无线、塑料光纤、无线双模等方式，而高速电力线载波通信技术[1](High Power Line Communication, HPLC)是现有集抄系统中应用最多的一种通信技术，其物理信道是与电力传输共用的电力线缆。该系统连接简便，抄表模块安装快速，支持互联互通[2]。但是在复杂的低压配电网台区，通信稳定性和实时性不易达标，经常会受到强电环境及线路本身的电磁谐波干扰，在不同台区、不同时段，受负荷变化影响，通信成功率差异较大，部分台区组网不稳定，导致高频曲线采集[3]成功率低、日冻结抄读成功率99%后难以提升等，且现场运维工作量大、成本高。

目前对基于HPLC通信技术相关设备通信可靠性和故障检测的研究越来越重视，文献[4-6]设计的装置能够根据采集终端和电能表记录的数据准确判断事件属性，但对不同厂家模块的信号未能做到一致性的诊断；
文献[7]设计针对单个设备进行检测的便携式低压电力线载波通信信道测试装置，不具有通用性，效率低；
文献[8-9]针对不同厂家的终端模块通信差异设计了检测方法和装置；
文献[10]虽然利用深度学习算法对仿真HPLC通信信号进行调制，提升了通信传输稳定性，但如果没有足够多的采集信号，则无法充分提取信号特征；
文献[11-12]设计了检测HPLC模块异常的装置，可以对不同厂家的模块进行监测；
文献[13]提出了基于交互时长的通信协议应用诊断，提高了曲线采集任务采集效率，但需要剔除通信不良或干扰严重时段的通信报文；
文献[14-15]利用终端设备故障信息来确定通信故障位置；
文献[16-17]构建了具有高速电力线载波和微功率无线通信能力的双模异构场域网，提高了连通率和传输效率，弥补了单一通信方式在复杂环境下的通信效果。

当低压台区数据通信出现问题后，各厂家才开始对HPLC通信单元进行监控，收集到一定量的调试信息后分析问题原因，而且在现场对模块进行监控极不方便，需要将电能表的模块频繁插拔，这一系列操作较为费时，存在的问题来不及监控便已经消失，甚至有些问题再监控时难以复现。因此，文中设计出基于HPLC技术的智能电能表通信模块状态监测装置，该装置安装于HPLC模块与智能电能表或集中器之间，通过载波可对不同厂家模块的运行报文信息进行实时监控和存储，并自动化解析，分析出故障原因，减少运维工作量，用户可及时查看解决问题，提高电力企业通信可靠性和采集成功率等运行指标，为数据分析工作提供充足的基础数据支撑，进而达到配电网状态估计[18-19]，线损精确定位分析[20]，用户用电异常[21]报警等服务。

1.1 监测单元硬件设计

文中所设计的监测单元符合HPLC互联互通通信标准，将通过国网电科院芯片级测试认证的HPLC载波通信芯片接入电力载波线路从而具备监测单元的监测功能。该系列监测单元分为CCO监测单元和STA监测单元，其硬件原理图如图1所示。主要由供电电源电路模块、载波监听电路模块、SD卡存储电路模块、MCU外围电路模块(包括外部晶振电路和LED指示灯电路)、接收滤波电路模块和强弱电载波耦合电路模块组成。图1中Meter强电接口为220 V电力线，同时作为载波通信的路径，Meter弱电接口为电能表提供的12 V电源，同时作为与HPLC模块信息交互的接口。

图1 硬件原理图

监测单元上电运行后，供电电源电路模块将电能表提供的12 V转换为稳定的3.3 V提供给监测单元系统中的载波监听电路模块、SD卡存储电路模块、MCU外围电路模块、接收滤波电路模块。当HPLC模块与电力线有信息交互或HPLC模块与电能表有信息交互时，监测单元载波监听电路模块开始工作，并将处理后的数据存储到SD卡存储电路模块中，完成监测单元基本的工作过程。接收滤波电路模块能够将来自电力线上除数据频段以外的噪声进行滤除，保证在噪声环境复杂的情况下，载波数据也能准确地发送到载波监听电路模块中，保证监测单元的性能稳定性。

1.1.1 供电电源设计

监测单元工作时会产生一定的功耗，如果其与原HPLC模块工作的总功耗超出了电能表的供电能力，会导致HPLC模块、监测单元甚至电能表都无法正常工作。按照设计原理搭建测试模型，测量监测单元的工作功耗，计算监测单元与HPLC模块一起工作时的动态功耗，功耗验证如表1所示。

表1 功耗验证

根据模块功耗，如果使用5 V电池供电，假定电池输出电源模块功率转换效率为90%，则需要电池输出电流67 mA，按照工作1天计算，电池容量需要1 608 mAh，当前普通的充电宝额定容量10 000 mAh，可以支持6天，无法满足持续10天工作要求。根据表1结果，监测单元整体工作功耗很小，集中器、电能表完全可以满足供电需求，因此选择采用电表弱电接口取电方式，使用DC-DC模块转换输出3.3 V作为系统工作电源，供电电源电路如图2所示。该方案从电能表取12 V电源，因此只要电能表电源正常，监测单元即可正常工作，可以满足系统长时间工作的需求。

图2 供电电源电路

将HPLC模块插在监测单元上与对比模块进行抗衰减、抗噪声测试，结果如表2所示。因为监测单元是从电能表弱电接口取电，强电接口只有输入阻抗会对接收性能产生影响，根据二端口传输线模型分压理论计算出理论衰减值在0.4 dB～1 dB之间，HPLC模块插在监测单元上的衰减值只要在3 dB以内，通信性能就不会受影响。从实验结果可知，对监测单元供电时，供电电源不会引入噪声等其它因素影响HPLC模块的通信性能。

表2 载波通信性能影响

1.1.2 载波监听设计

监听电力线上载波信号需要滤除工频电压信号，工频电压功率较大，采用无源滤波形式，设计使用LC方式耦合电力线载波信号，如图3所示，其中电容C滤除工频信号，采用安规电容用以提高安全性能；
使用变压器隔离电力线和系统之间电气连接，增强强弱电之间的电气隔离用以提高安全性能。

图3 载波耦合电路

为了提高载波接收性能，在LC耦合电路和载波接收机之间设计滤波器滤除载波频段外干扰信号。载波工作频段覆盖0.78 MHz～12 MHz范围，因此设计一款带通滤波器，采用低通+高通级联方式实现，借助filter solution软件设计原始电路，结合实际器件参数选型确定电路参数。考虑滤波器通带内幅频特性平坦度，采用Butterworth滤波器。

选择低通3阶Butterworth，截止频率为10 MHz，输入阻抗500 Ω，输出阻抗200 Ω，生成电路图和幅频响应曲线如图4所示。结合考虑工程实践效果和仿真参数，加上后级内部芯片数字滤波器，截止频率10 MHz不会影响设计。

选择高通3阶Butterworth，截止频率为500 kHz输入阻抗200 Ω，输出阻抗300 Ω，生成电路图和幅频响应曲线如图5所示。

无源滤波器性能受输入输出阻抗变化影响，输入端采用510 Ω串联阻抗匹配，输出并联510 Ω匹配接收机阻抗，防止外界强干扰损坏接收机，增加钳位设计保护接收机，接收滤波电路结构如图6所示。

1.2 监测单元软件设计

1.2.1 HPLC载波通信报文和串口通信报文监听及解析

HPLC载波监测单元具备串口监听和载波监听的能力，通过串口接入HPLC模块监听对应的HPLC模块与电能表或者集中器之间的串口交互报文，也可通过载波接口利用宽带OFDM载波调制方式专门监听其对应的HPLC模块与其它模块之间的载波通信报文。

图4 3阶低通Butterworth

图5 3阶高通Butterworth

图6 接收滤波电路

监测单元硬件上支持载波监听，通过自动扫描载波，获取当前载波工作频段，在有效频段内监控CCO载波交互的报文。监测单元直连集中器和CCO的交互串口，在集中器和CCO进行串口信息交互时，监测单元可以同时监听CCO串口的接收和发送，通过识别通信的波特率，获取后续监控的能力，解析交互内容或者集中器和CCO交互的时钟信息，维护自身RTC，增加监控报文的时标，支持对交互报文进行存储。对于电能表和STA模块，监测单元除了支持以上功能外，还支持自动识别波特率及通信地址，有精准信息，更方便进行报文分析。

对于接收到的载波报文，按照HPLC协议进行解析，先按照MPDU定界符类型区分为信标帧、SOF帧、选择确认帧和网间协调帧四种，再将SOF帧按照MSDU类型区分为网络管理消息报文和应用层报文。

1.2.2 HPLC网络同步时间获取及维护校正

CCO时钟同步流程图如图7所示。CCO组网完成后立即向集中器请求时钟，并通过HPLC模块广播校时报文对全网STA进行时钟校时。CCO还可固定周期向集中器请求时钟，校准自身时钟，CCO向集中器请求时钟默认周期为4小时。

STA接收到CCO的HPLC模块校时报文后，按照校时报文同步自身的实时时钟，然后读取电表时钟，计算电表时钟与自身实时时钟之间时间偏差T，并将这个偏差值保存在存储器中，掉电不丢失。STA重启后，检查时钟有效标志，读出时钟偏差T，读取电能表时钟，根据时间偏差计算出时钟初始时间，启动时钟。

图7 CCO时钟同步流程

STA时钟同步流程图如图8所示。

图8 STA时钟同步流程

与HPLC模块安装在一起的通信监测单元，只要能从串口或者载波线路接收到本网络的校时报文，就可以将自身的实时时钟与HPLC网络进行同步校正。利用报文时标可快速准确定位故障发生于某一天某一刻。

1.2.3 日志存储管理

日志存储功能将监听到的通信报文与实时时钟产生的时标一起，作为日志信息写入监测单元的SD卡中。写日志报文时，先将16进制报文帧格式转换为ASCII码，保存为可显示字符，取日志报文时直接按文本文件导入到电脑。

文中还设计了一个监测单元日志分析软件，其总体结构图如图9所示，它包含预解析模块、数据分析模块、流程分析模块和判别需求模块。预解析模块将日志文件中的信息进行第一次基础的协议解析，记录网络内信息交互记录，并进行归类划分和存储；
数据分析模块根据需要的网络信息将经过预解析的数据进行详细解析，取出网络信息并存储，记录网络属性(网络拓扑)、组网过程、白名单、芯片ID、模块ID；
流程分析模块根据不同的业务功能采用不同的业务流程判别方案进行流程的核对，可只判别STA或CCO自身的流程，也可将STA和CCO的流程对照进行判别，分析出抄表、深化应用类流程是否有异常；
判别需求模块提供操作UI，方便用户与系统交互。该软件能够对存储的日志文件按设备按网络逐级自动化分析判别，用户通过查询对应条目获取本地通信模块故障及原因。

图9 总体结构

流程分析模块中，通过分析HPLC组网流程，可以得到组网完成时间、网络层级数、代理节点数量、是否有相邻网络串扰等信息，可以发现网络层级偏高、某一层级节点数偏少存在瓶颈、存在档案异常等问题。通过分析网络维护流程，可以得到拓扑变更信息、STA节点离线上线信息、层级之间发现列表报文携带的上下行成功率统计信息等，根据这些信息可以判断出网络拓扑频繁变更、STA异常离线、不同厂家模块之间成功率统计异常等各种问题。通过分析从CCO到STA的上下行抄表业务流程，可以得到交互流程、抄表并发数据、广播帧数量、数据转发路径、重发次数等信息，根据这些信息可以判断CCO与集中器交互效率异常、数据转发路由错误、广播帧过多导致某些厂家模块处理阻塞、不同厂家模块MAC层ACK配合异常等问题。通过分析各种应用业务报文，可以得到应用业务交互流程信息，根据这些信息可以判断出不同厂家模块互通发生的诸如停复电误报漏报、相位识别错误、台区识别过零点偏差等各种问题及原因。若集中器上行通信链路存在问题，则需要分析远程通信模块内部的日志记录；
若下行通信链路存在问题，则本地通信模块的故障原因如表3所示。

表3 故障判断

3.1 台区测试

对某供电公司采集系统中两个数据采集异常台区使用CCO监测单元进行现场监控，CCO监测单元和CCO模块如图10所示，现场安装如图11所示，对两个台区不间断实时侦听监测22*24小时，并将整台区的报文打同步网络时间戳。

图10 CCO监测单元

图11 安装示意图

3.1.1 台区一

台区一为台架配电站，供电区域为农村居民用户，共有123块智能电能表，采用A厂家集中器，B厂家电能表和集中器HPLC通信单元，互联互通混合使用。该台区存在远程费控失败和日冻结抄读时间过长，经统计该台区平均日冻结采集时长为1小时7分钟，远超同规模台区的日冻结时长。

于8月19日对台区一CCO模块和集中器进行监测，利用自动化解析软件对日志文件分析，输出监测结果，如表4所示。

故障原因定位后，去现场进行核查解决。通过监测单元分析出费控指令从8月23日～8月27日没有从集中器发送到CCO上，与营销系统远程费控下发失败时间一致，故费控失败问题需要从集中器和主站的日志记录进行分析解决。针对档案混乱问题，由于台区曾经进行过拆分，确定是集中器档案与主站档案不一致，与监测单元分析结果一致。对集中器多余档案进行了清除，之后从采集系统后台数据统计，该台区日冻结抄表时间约1小时，按照该计算方法，如果删除多余档案，则该台区理论日冻结抄表时间约为12分钟。对操作之后日冻结抄表时间与操作之前进行对比如表5所示。

表4 故障分析

表5 日冻结抄读时间

由表5可看出实际抄表时间与理论计算相符合。由此证明，删除多余档案明显缩短了日冻结数据抄读时间。

HPLC的相关标准未规定集中器并发抄表的并发量。各个集中器厂家和本地通信单元厂家关于并发抄表最大并发帧数并不相同。所以在并发抄表中，集中器的并发量与CCO模块的并发量未能保持兼容，数据采集效率不能达到最高，导致集中器抄表时间会延长。

针对终端复位问题，修改升级集中器程序，使该集中器每日00点不再对CCO进行复位，修改后组网时间减少，台区的日冻结抄表时间和曲线数据抄表时间因此减少。

3.1.2 台区二

台区二为箱变配电站，供电区域为城市居民小区，共计654块智能电能表，采用A厂家集中器，C厂家电能表HPLC通信单元，B厂家集中器HPLC通信单元，互联互通混合使用。该台区存在日冻结抄读时间过长和曲线采集漏点，24点电压曲线抄读如图12所示。经统计该台区平均日冻结采集时长为3小时16分，远超同规模台区的日冻结时长。

图12 电压曲线

于8月20日对台区二CCO模块和集中器进行监测，判别出故障原因如表6所示。

故障原因定位后，去现场对台区二修改升级集中器程序，使该集中器每日00点不再对CCO进行复位，因此组网时间减少。将集中器并发数改成10条，与CCO并发数保持一致，台区曲线数据采集明细如图13所示，修改并发数后台区24点曲线数据采集完整率明显高于并发数不一致时曲线采集完整率，后期进行网络优化，曲线采集完整率会更高，达到100%。

表6 故障分析

图13 电压曲线

在两个异常台区测试监测单元，根据实时记录的报文信息，精准分析出当前影响数据采集成功率的网络故障原因。对异常问题解决之后，使得抄表时间最优化，24点曲线或96点曲线抄读可以达到采集性能要求。

3.2 并发抄表方式测试

两个台区都使用A厂家集中器，在进行报文分析时，发现A厂家集中器在并发抄表时，其并发量固定为5条，且该集中器对645协议电能表数据项进行抄读时，每帧只包含一个数据项。如两个台区对单相645协议电能表数据项进行抄读时，3个数据项分为3次抄回，此种方式未能充分利用HPLC通信网络的并发抄表性能。

因此，抽取供货量大的现场台区集中器与CCO模块进行报文监控，包括A厂家等5个厂家集中器和B厂家等CCO模块，针对集中器的并发量与CCO模块的并发量兼容性问题和并发帧中每帧包含最大数据项项数问题进行测试分析，以确定集中器的并发量与CCO模块的并发量达到最优抄表速率，测试结果如表7和表8所示。集中器对645协议电能表数据项进行抄读时每帧只包含1个数据项，这样的抄读方式会大大增加日冻结数据采集时间。随着每帧包含数据项个数的增加，日冻结数据采集时间在大大缩短。

表7 集中器并发量

表8 CCO并发量

3.3 装置对比分析

文献[12]介绍了一种HPLC现场运维模块，通过蓝牙通信将运维模块与现场作业终端连接，内嵌标准CCO模块和STA模块，根据待测故障模块类别选择对应标准模块进行模拟交互和报文监控与解析，通过内置处理器的分析将HPLC模块故障结果上报给现场作业终端。但是文献[12]设计的装置是在出现问题反馈后，人工去现场对相应模块进行通信故障排查，当有大量问题模块时，工作量将特别大，现场排查只是待测故障模块和运维模块的一对一交互监测，而且只能监听到该段时间的通信报文，属于延迟监听，不一定能够复现已出现的问题，使得问题原因无法查询到，而监测单元接入载波线路通信稳定，可以分布式部署，长期对每一个HPLC模块的原始通信报文进行监听，实时同步录制保存所有时刻运行信息，并可以对同一时间所有模块的交互情况进行监控，提供更多的分析信息，利用解析软件对监听的报文信息进行分析后，可定位故障原因及发生时刻。将文献[12]所设装置与监测单元进行对比，如表9所示。

表9 监测装置对比

文中设计了一种基于载波通信技术的全方位、高要求监控HPLC模块运行装置，分析了硬件结构设计、软件功能设计和故障诊断流程。现场试挂应用表明，该装置不受安装现场条件限制，结构简单、监控智能、实用性强，有利于供电企业及时解决本地通信质量问题，提高日冻结、96点曲线数据和远程费控等采集业务成功率，稳固HPLC深化应用类业务，有效提升用户用电服务体验。

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