张之曦
摘 要：基于电力线载波通信的电力设备控制系统主要依托于电力线载波通信技术，利用电力设备之间已有的电力线路将电力设备进行互联，避免了铺设大量通信线路带来的布线问题和使用无线通信技术存在接入设备数量有限和成本高的问题，，实现了对电力设备的远程智能控制。
关键词：电力线载波通信；电力设备；远程控制
中图分类号：TN913.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）20-0129-01
1 引言
本系统采用电力线载波通信技术，其节点之间采用原来的电力线进行通信。电力线载波通信其实也是一种总线通信技术，只是它是利用原有的电线作为通信介质，不像总线那样，需要专用的通信总线。该技术不仅满足较长的通信距离的需求，可以将远距离的电力设备互联，接入设备数量的容量较大，而且不需要单独铺设通信线路，减少施工难度和资源的浪费。
2 整体设计方案
2.1 设计思路
本设计系统解决的问题：主要依托电力线载波通信技術，实现对电力设备的控制。同时，借助树莓派和APP平台，实现对电力设备的近场控制和远程控制。
主要技术路线：（1）利用电力线载波通信技术，实现核心控制端与各电力设备终端的数据通信；（2）利用树莓派作为控制系统核心控制端，实现对电力设备的近场管理；（3）利用电力设备终端MCU，实时控制各终端电器的工作状态；（4）借助APP平台，实现远程控制。借助APP平台，将用户指令传递给服务器，再由服务器分发给各个电力设备的树莓派核心控制端，通过电力线载波通信，传递给硬件终端，实现远程控制。
2.2 系统工作原理及方案设计
本系统的整体方案设计如下：将树莓派作为电力设备的核心控制端，并运行电力设备管理UWP应用程序，可以采用LCD显示屏直接控制电力设备的工作状态。树莓派发出的操作指令经过电力线载波模块，在已有的电力线路上进行传输，在电力设备的末端由另一电力线载波通信模块进行接收，最后将指令传递至智能终端的MCU（51单片机），由MCU对指令进行解析，并且控制电力设备的工作状态。在远程控制方面，基于APP平台，运维人员将控制指令通过APP平台通过以太网传递至树莓派控制端，借助电力线载波通信技术，实现对电力设备的智能控制。
3 电力设备远程控制系统的搭建
3.1 基于OFDM载波调制技术的电力线载波通信模块工作原理
电力线载波在380/220V用户配电网上的应用，在90年代后期之前只限于采用调幅或调频制式的载波电话机，实现近距离的拨号通话，也有采用专用的芯片实现近距离数据传输的[1]。目前在自动集抄系统中采用的载波通信方式有扩频、窄带调频或调相。在各种方式中，由于采用OFDM调制具有突发模式的多信道传输、较高的传输速率、更有效的频谱利用率和较强的抗突发干扰噪声的能力，再加上前向纠错、交叉纠错、自动重发和信道编码等技术来保证信息传输的稳定可靠，因而成为电力线上网应用的主导通信方式[2]。
OFDM即正交频分复用技术，实际上OFDM是MCM（多载波调制）的一种。OFDM技术由MCM发展而来。OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一，它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案[3]。
具体通信过程为：先将发送端输入的串行数据经过串并变换器变成N路并行信号，然后将各路信号分别进行基带调制，通过快速傅立叶反变换，将基带信号调制到各个子载波上，在实际应用中，为了消除码间干扰，在OFDM信号中加入保护间隔，使得保护时间大于信道的多径时延，通常是将OFDM符号尾部长度为L的样品复制到本符号的前面，作为循环前缀用以间隔各符号。插入循环前缀以后，再将并行信号转为串行信号。经过数模转换器（D/A）把数字信号转变为模拟信号通过射频电路将信号发射出去，在通过信道以后，接收机通过一系列相反变换恢复出原始数据，从而实现高速数据传输。当然，为进一步提高实际系统抗干扰性能，通常还增加频域交织、时域交织、均衡、导频和信道编解码等功能模块。
在通信系统中，信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的，为了能够充分利用信道的带宽，就可以采用频分复用的方法。将OFDM应用于载波模块，使得载波模块在强干扰，强衰减，远距离要求的环境下，能够可靠，稳定的传送数据，同时还具有传输速率高，容量大的优点，有利于后期对电力设备远程控制系统功能的进一步改进。
3.2 基于电力线载波通信的电力设备远程控制系统硬件平台
由于本系统是由软硬件平台共同搭建。终端控制采用51单片机作为终端的控制核心，通过电力线载波通信模块与电力线实现耦合。同时零线和火线作为电源变压模块、终端控制装置和备用电源模块的供电电源。电源变压模块接入零火线，实现变压给MCU供电，让MCU执行数据处理与控制。通过继电保护模块控制电力设备的工作状态，进而实现各项基本功能。当电力设备处于接通状态，电能计量模块和中央控制模块开始工作，并将数据借助电力线载波技术，中央控制模块。若出现异常功率，APP控制平台将会收相应的警告信息，告知运维人员，并等待用户响应，进行下一步操作（是否远程断开电路）。
3.3 基于树莓派和Windows IoT平台的UWP应用程序的工作原理
树莓派：它是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4个USB接口和一个10/100 以太网接口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上。
为了使得树莓派能够兼容运行通过C#开发的应用程序，我们采用了Windows IoT物联网版本的操作系统。同时，利用Visual Studio Community2015开发出了一款基于UWP技术的电力设备控制程序。UWP是Windows 10中的Universal Windows Platform简称。即Windows通用应用平台，在Win 10 Mobile/Surface（Windows平板电脑）/PC/Xbox/HoloLens等平台上运行，UWP不同于传统pc上的exe应用也跟只适用于手机端的app有本质区别。它并不是为某一个终端而设计，而是可以在所有windows10设备上运行。利用Visual Studio开发出了电力设备核心控制中心设备中的物联网程序。该程序包含主页，设备控制页，检查更新页和语音控制页，在设备控制页用户可以直接在平板设备上进行控制，确定电力设备的工作与否。
为了方便使用和实现实时远程控制，还专门开发了配套的APP平台。借助该平台，运维人员能够随时了解电力设备的运行状态，并对其进行控制操作。
4 结语
本文设计的基于电力载波通信的电力设备远程控制系统，借助了电力线载波通信技术具有高度的可靠性和经济性，且于管理，分布基本一致。当电力设备出现故障时，可以迅速的确定故障位置，从而提高系统可靠性。另外不需要额外的通讯线路能更好的利用现有电力线路，进一步提高了电力设备的集成度，极大地解决了有线通信带来的布线难度。同时拥有近场控制和远程控制两种模式。近场控制，用户可以直接在树莓派，51单片机等智能总控端进行操作，控制电力设备的工作与否。远程控制，运维人员可实时了解电力设备的运行状态和进行远程控制。
参考文献
[1]杨天琦，方华.基于电力线载波模块的多电机远程监控通讯系统设计[J].工业控制计算机，2016，（12）：85-86.
[2]仲元昌，刘勇，李飞，等.电力线载波通信的远程控制系统[J].重庆大学学报，2010，（2）：47-50.
[3]王君红，刘宝，袁若权，等.基于电力载波通讯的远程控制系统设计及应用[J].化工自动化及仪表，2009，（1）：49-52.endprint
