力合微多载波抄表系统

新一代多载波抄表系统Version 2.0目录一、前言 (3)二、低压电力线载波自动抄表介绍及现状分析 (4)1. 低压电力线载波抄表技术现状及发展趋势 (4)2. 电力线载波信道特点及调制技术 (5)3. 分布式路由自组网技术 (5)4. 其它自动抄表技术 (6)5. 自动抄表系统的互联互通 (6)6. 现有载波技术分类及比较 (6)三、清华力合正交多载波自动抄表系统 (10)1. 正交多载波技术 (10)2. 其它抗干扰技术 (10)3. LME2200C载波芯片主要特点 (11)4. 基于LME2200C的载波自动抄表系统 (11)5. 载波网络路由技术 (13)6. 载波电能表模块化设计 (15)7. 对应用层协议的支持 (16)一、前言随着电力公司对用供电管理的标准逐步提高，原有的人工抄表已经不能满足管理的要求，尤其对于线损的管理，线损的盈余是供电公司利润的重要来源，由于人工抄表实时性差、人为误差等诸多因素导致线损无法正确计算，因此自动抄表技术和系统(简称AMR）开始逐步被电力公司所采用。

自动抄表从传输媒介以及采用的传输技术上来说，可分为无线自动抄表、485双绞线自动抄表、电话线自动抄表、光纤自动抄表、电力线载波自动抄表等。

无论是485双绞线、电话线、还是光纤自动抄表都需要额外铺设通信线路。

即使在有的地方通信线路已经具备，如电话线和光纤，仍需要额外支付租用费用，而且通信线路后期的维护工作量较大。

而无线自动抄表在城市里由于建筑物较密集，特别对于处于地下的部分用电用户（如：地下商场、车库、地铁等），由于信号受到屏蔽或阻挡，导致无线方式无法通讯，所以“盲区”较多，因此得不到较大范围的应用。

同时，无线电频率的使用及管理也是一个问题。

相对于其它传输媒介，电力线路通向千家万户，本身已与电表相连，而且是属于电力公司的固有现成资源，无须租借，无须重新铺设，因而利用电力线及载波技术进行自动抄表成为电力公司自然的选择。

然而，由于电力供电线路上干扰大，噪声大，对信号的衰减大，负载阻抗小，而且随时间、季节以及地点不断变化，因而对利用电力线进行可靠的数据传输提出了很大的挑战。

而这些问题的解决必须依靠先进的通信技术、调制技术、编码技术以及网络技术。

由于采用了先进的技术，电话线MODEM的可靠数据速率从原来的每秒几千比特提高到了目前的数兆比特；由于采用了更先进的技术，移动电话网进入了3G时代，支持移动多媒体通信；由于采用了先进的技术，原来传送一路电视的8MHz带宽今天可以传送近十路数字电视，而且可以使用微型天线在高速移动下可靠接收，多亏新一代多载波调制技术。

低压电力线载波通信由于市场发展及研发投入上的种种原因，导致目前的系统大都还在采用传统的简单技术（如：FSK或BPSK），虽在某种程度上解决了自动抄表的一些问题，但在实际应用中也呈现出了种种局限性。

载波自动抄表系统性能的进一步提高以及问题的根本解决需要采用新一代更为先进的调制技术及网络技术，并同时利用现代半导体及集成电路芯片技术使技术复杂度大幅度提高的情况下成本仍能满足市场的要求。

本文件介绍基于清华力合新一代正交多载波调制技术以及专用芯片的电力线载波自动抄表系统。

二、低压电力线载波自动抄表介绍及现状分析1. 低压电力线载波抄表技术现状及发展趋势目前所说的自动抄表对象主要是指～220v/380v低压电力用户，并且目前的绝大部分载波抄表技术仅能够在低压台区内通讯，所以电力线自动抄表也称为低压电力线载波自动抄表。

在一个台区内，集中器及电表终端组成一个局部网络，各台区集中器再通过广域数据网（一般是利用现有电信网络）将数据上传。

低压电力线载波自动抄表在国内已经有二十几年的发展历史了，在相互依赖的两个技术层面不断改进。

一是通过改进物理层传输技术改善点对点通信能力及可靠性，例如从简单的ASK到抗干扰性能更好的FSK、PSK及扩频技术，再到目前的新一代正交多载波技术；二是通过网络技术上的进步改善整个系统的通信能力及可靠性，例如从简单的点对多点（带中继或不带中继）的轮询方式，到分布式路由自组网技术。

从目前国内外的发展趋势看，在恶劣信道环境下取得巨大成功的多载波技术（特别是加上自适应技术）与分布式路由自组网技术相结合正在成为低压电力线自动抄表的主要潮流。

下面简要介绍一下目前的电力线载波自动抄表中的点对点通信技术及网络技术的特点。

点对点通信是电力线载波自动抄表系统的基础。

一直以来，载波自动抄表行业人士一直致力于如何将点对点通讯能力提高，以提高自动抄表的实时性及可靠性。

在调制方式上，先后采用过FSK和BPSK调制方式，从单一频率的窄带通信到扩频通信，再回到窄带通信，从国外芯片再回归到国内芯片，反反复复做了无数个实验，虽然在一定的条件下取得了一定的效果，但在很多情况下也显现了种种局限性而无法达到希望的性能，这就是载波自动抄表从上个世纪80年代末期到本世纪初十几年的时间都没有得到市场的普遍认可而没有获得大范围应用的主要原因。

为了追求点对点通讯能力，有的不惜加大发射功率，给电网造成了二次污染；也有的以降低通讯速率为代价换取点对点的通讯能力的提高。

另一方面，由于点对点通信能力不能满足集中器到电表终端直接通信的要求，中继的概念应运而生，即由集中器传向目的电表终端的信息（或反向信息）通过中间多个中继点进行“接力”最终到达目的点。

目前系统中使用的这种中继方式存在一系列局限。

首先，从集中器到网络中的电表终端存在“无数”个路径，这些路径必须由集中器维护并动态更新。

由于寻找中继路径完全是由集中器以“点名方式”进行，其工作量随着中继深度的增加以几何方式增长，寻找以及更新路径效率低下，同时也限制了最大中继级数；第二，由于中继器本身并没有路径择优和自我主动转发的意识，路径及中继命令完全由集中器在下发的信息中指定，也就是说路径上所有中继点的标识都必须包含在下发信息中。

由于按国家标准电表标识由6个字节数据组成，因此对于N级中继则需要占用6*N个字节。

由于载波本身是一个低速通信网，N太大将是通信效率变得极低，同时增加通信的不可靠性。

因此，目前的系统大都把最大中继级数限制在3级，但这在很多情况下显然不够。

尽管存在以上问题，中继方式抄表在一定程度上解决了在点对点通信能力一定的情况下实现大范围抄表的问题，基本可以满足70%左右中国电网环境中的基本抄表业务，是电力线自动抄表技术的一大进步。

进一步的性能改善则需要引入新一代技术，包括更先进的物理层传输技术及网络层技术。

2. 电力线载波信道特点及调制技术电力线载波通信的基本原理是将数据信息调制到一定频率的高频载波并耦合至电力线上传输发送。

利用电力线路作为介质传输到接收端后，经耦合电路提取高频载波信号，放大并滤去带外干扰和噪声，最后经解调电路还原成数字信息。

由于低压配电网结构复杂，用户负载千变万化，存在电力线传输信道噪声大、干扰大、阻抗随负载变化大、信号衰减大等问题，且随时间、季节、地点的不同而不同，造成网络传输特性复杂多变，难以用准确的数学模型加以表征。

简单的调幅技术显然不适合在这种信道环境中使用，调频和调相相对于调幅而言具有较强的抗干扰能力较强，因而被普遍使用。

同时，为了提高接收端信噪比及接收灵敏度，目前国内市场上使用的主要是窄带调频（FSK）及调相（PSK）技术。

窄带技术虽然有利于改善带内信噪比，但对于带内（同频）干扰却无能为力。

同时，由于采用窄带调制，是数据速率无法提高，给网络层及应用层功能及性能带来种种限制。

电力线信道同时可以描述为一个时变不均衡频率响应信道。

噪声及干扰随机出现在不同的频率上，信号的衰减也随着频率的增加而增加，因而多载波调制技术就显现出了特别的优势。

尽管有各种各样的实现方式，多载波技术的基本原理是将信息符号在多个子载波上同时发送，每一个子载波相当于一个窄带传输，因而既提高了数据传输速率，又对随机的窄带干扰不敏感。

特别是，多载波系统允许使用频域自适应技术，在子载波数量、调制及编码方式上可根据信道的变化动态调整，从而彻底解决电力线信道的时变问题。

与传统的简单调制技术相比，多载波技术在技术上及实现上较为复杂，但今天先进的半导体及超大规模集成电路芯片设计技术已使得这些不成为问题，因而已成为目前解决恶劣信道环境下信号传输的主流技术。

3. 分布式路由自组网技术电力线载波抄表系统的性能不仅取决于物理层传输技术，组网方式及网络层协议也起着十分重要的作用，两者相互依赖，相辅相成。

传统的系统以集中器为绝对中心，与表端的通信采用带中继的“点名”或“轮询”方式，在实际应用中有着种种局限，如组网时间长、中继路径表动态更新慢、中继级数有限、不支持表端自动上报、等等。

新一代系统采用分布式路由自组网技术则在很大程度上解决了这些问题。

分布式路由网络的构建基本冲突检测算法，因而可以通过广播方式，快速、有效地组网。

简单来说，网络路由方式抄表就是为集中器及下属终端划分了一个域，这个域有若干个子网组成、子网有若干个节点组成，由此构成了以集中器为中心的网络拓扑结构，由于网络路由中每个路由节点都在参与计算工作，组网效率大大提高了，所以转发的级数也不再受三级所限。

同时，最佳传输路径由路由节点决定及动态更新，更好地保证传输可靠性。

因此，网络路由方式抄表由于其本身技术的优越性、必将代替现有的其它抄表方式，成为自动抄表的主流。

4. 其它自动抄表技术在目前的低压自动抄表方式中，除载波抄表外还有485总线、短距离无线、有线电视抄表等方式，但这些抄表方式由于其自身的种种弊端（例如，安装、维护、成本、技术稳定性等）仍然处在小范围试用和探索阶段。

在国网公司系统实现低压采集的530万户中，有73％约400万户采用载波抄表。

黑龙江、河北、山西、吉林、湖南、江西等省公司到目前都分别安装运行载波表几十万户以上，积累了许多经验，载波抄表技术的应用已经进入实用化阶段。

5. 自动抄表系统的互联互通由于载波抄表底层技术的特殊性，目前各厂家的载波技术及芯片相互不兼容，载波电能表在载波网络层及物理传输层还没有统一的技术规范及标准，因而不同厂家生产的载波电能表目前无法实现通用。

实际上，载波自动抄表系统由两个网络体系组成：一个是以台区为单位的局部网络，一个是将各台区连接起来的跨台区广域网络。

需要特别指出的是，由于电表是一个固定终端，不象手机终端那样移动和漫游，因此电表本身没有必要与不同台区的集中器进行直接的通信连接。

跨台区广域网络一般采用成熟的电信网络，如GPRS及互联网（需要指出的是，这一网络技术本身也在不断发展，如正在换代的3G无线网），因此载波自动抄表系统的关键在于实现一个台区内的电表与集中器间的可靠通信，台区内的电表和集中器之间为实现互联互通必须采用相同的通信技术和格式。

这在实际中也不是问题，因为一个台区的系统通常是由一家公司提供和维护。