基于HomePlugAV的低压电网抄表数据采集方法与流程

本发明涉及一种低压电网抄表数据采集方法，特别涉及一种基于HomePlug AV的低压电网抄表数据采集方法，属于电力监控领域。

背景技术：

电力线宽带BPL(Broadband over power l ines)是一种允许互联网数据在电力线上进行传输的技术。人们经常把BPL称为电力线通信PLC。宽带电力线通信(Broadband over Power Line)，简称BPL，是指带宽限定在2-30MHz之间、通信速率通常在1Mbps以上的电力线载波通信。电力线通信技术利用现有坚固可靠的电力线作为信息传输的媒介，通过载波方式传输模拟或数字信号。可直接利用电力线，无须重新布线，组网简单快捷、成本较低廉，应用范围广，同时保障信息安全。

宽带PLC产品是使用的HomePlug AV规范上扩展的私有协议，工作于1.8-28MHz，HomePlug AV下层基于802.11b以太网协议，使用CSMA冲突检测。HomePlug AV是欧美广泛使用的电力载波线局域网技术，主要用于家庭多媒体局域网，HomePlug V2.0速率最高可达到1Gb/s，当前推出的宽带载波方案速率为10Mbps，实际速率在2-3Mbps左右。宽带PLC通信方案具有先天的技术和应用优势，具体描述如下：⑴抗衰减能力强，与窄带电力线通信技术相比较，宽带PLC具有较强的抗衰减能力，窄带抗衰减一般为60～75dB，宽带PLC可以达到95dB；⑵通信速率高，一般窄带电力线通信速率为1k～4kbps左右，宽带PLC可以达到200Mbps的PHY通信速率，应用层通信速率最高可以达到10Mbps，现场运行速率也至少为2～3Mbps左右，从而，可以承载更多、更复杂的电力线数据应用；⑶自动组网，中继级数高，一般窄带电力线通信中继级数为7级，且易受电力线瞬变阻抗、噪声等环境影响，点对点交互数据不足等原因，点对点通信不稳定。宽带PLC依靠点对点间较强的通信能力，从而可以做到最多16级动态中继，而且中继通信可以实时修复和维护，保证可靠数据通信。

技术实现要素：

本发明基于HomePlug AV的低压电网抄表数据采集方法公开了新的方案，采用网口和宽带PLC使得集中器端模块的上行(与集中器的网口通讯)和下行(与表端模块的PLC通讯)都拓宽了，使得并行抄表成为了可能，解决了窄带载波通信方法长期存在的抄表周期长、抄表成功率不高的难题。

本发明基于HomePlug AV的低压电网抄表数据采集方法包括以下过程：系统上电，载波节点电表向集中器的宽带PLC芯片发送请求赋予终端设备标识的信号A，宽带PLC芯片收到信号A后向载波节点电表发送终端设备标识信息，载波节点电表收到终端设备标识信息后向宽带PLC芯片发送请求获取加密秘钥的信号B，宽带PLC芯片收到信号B后向载波节点电表发送成员秘钥信息，载波节点电表收到成员秘钥信息后成功注册上线，形成包括宽带PLC芯片和载波节点电表的HomePlug AV局域网，集中器通过HomePlug AV局域网下行与多个载波节点电表进行并行抄表采集数据，集中器通过GPRS或CDMA或以太网上行向主站进行并发抄表传送数据。

进一步，本方案的载波节点电表上电后在注册上线的过程中向宽带PLC芯片发送载波节点电表地址信息，宽带PLC芯片将收到的载波节点电表地址信息上报传送给集中器，集中器将收到的载波节点电表地址信息与来自主站的电表资产文档进行对比来排查电表的异常状况。

进一步，本方案的HomePlug AV局域网根据载波节点电表上电注册时的电力网络环境将载波节点电表直接与宽带PLC芯片通信连接，或将载波节点电表经过中继节点电表间接与宽带PLC芯片通信连接。

进一步，本方案的HomePlug AV局域网根据实时电力网络环境将直接与宽带PLC芯片通信连接的载波节点电表改变成经过中继节点电表间接与宽带PLC芯片通信连接，或将经过中继节点电表间接与宽带PLC芯片通信连接的载波节点电表改变成直接与宽带PLC芯片通信连接，或将经过中继节点电表间接与宽带PLC芯片通信连接的载波节点电表改变成经过其它中继节点电表间接与宽带PLC芯片通信连接。

进一步，本方案的载波节点电表上电后在注册上线的过程中获取成员秘钥信息的过程采用128bi t的AES算法加密，载波节点电表注册上线后的所有数据通信信息都通过成员秘钥加密。

进一步，本方案在集中器上外接PC设备，通过外接PC设备对指定电表进行数据读取操作。

进一步，本方案的集中器经防火墙通过GPRS或CDMA上行向主站进行并发抄表传送数据。

本发明基于HomePlug AV的低压电网抄表数据采集方法采用网口和宽带PLC使得集中器端模块的上行和下行都拓宽了，使得并行抄表成为了可能，极大地提高了抄表速度。

附图说明

图1是本方案电网抄表方法宽带PLC组网原理示意图。

图2是载波节点与CCo通信连接的原理示意图。

图3是本方案电网抄表方法具体组网原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

为便于说明方案，下表说明一些本方案的术语和定义。

HomePlugAV采用一点到多点的双向树形网络，“一点”指的是CCo，“多点”指的是多个STA，CCo与多个STA能进行双向并发的载波通讯。一般情况下，STA可以与CCo直接进行通讯，而在一些特殊情况下，比如电力线噪声环境恶劣或节点距离过远等情况下，STA无法与CCo直接建立通讯，这些STA被称为HSTA。它需要PSTA的中继功能来间接地与CCo通讯。此外，STA与STA之间默认不允许建立通讯，除非两个STA之间是中继和被中继的关系。每个注册上线的STA由CCo分配一个唯一的ID号，TEI。在CCo维护的AVLN中，TEI能唯一标示该STA。当然，使用MAC地址也可以标识STA，只是在HomePlugAV中只使用TEI标识源STA和目的STA。所以任何报文在转发到电力网前都需要根据源MAC地址和目的MAC地址设置相应的源TEI和目的TEI。本方案的AVLN中存在的若干的PSTA和HSTA，1个HSTA有可能通过1个或者多个PSTA的中继才能跟CCo进行通讯。如图2所示，HSTA需要2个PSTA的中继功能才能与CCo交互，其中，PSTA-2本身也是一个HSTA，它需要PSTA-1的中继功能才能与CCo交互。

如图1所示，宽带PLC组网架构模型。宽带PLC通信技术借鉴了当前窄带PLC智能电表抄表的各种方案，具有相似的树形通讯架构，同时又基于Homeplug AV技术，具有高带宽、注册上线、自动组网、自动中继、电表地址自动上报、安全性等特点。其具体功能可参见下表。

HomePlugAV协议中的MME格式报文兼容以太网MAC帧格式报文，即指定以太网帧格式中的类型为0x88e1时，该以太网帧被认为是MME报文，这样，该MME报文既可以在以太网上传输，又可以在符合HomePlugAV标准的PLC上传输，使得不同网络介质下的通讯变得很简单。此外，将符合645协议的报文作为MME报文的私有扩展(即将645协议作为私有MME类型的载荷)，实现了645报文在集中器模块、QCA6411(集中器模块里的CCo芯片)、QCA7000(表端模块里的芯片)、电表之间的透明传输。当指定MAC_Type为0x88e1时，该帧就被认为是HomePlugAV协议中的MME报文。后面的MAC_Payload就会按MME报文格式进行解析。

HomePlugAV标准定义了MME报文，用于维护AVLN网络以及CCo和STA之间的管理通讯，它兼容以太网MAC帧格式，使得MME报文可以再以太网环境下传输。HomePlugAV标准定义了一套标准的MME，所有厂商必须使用相同的MME格式以及处理方法。此外，为了便于扩展，允许创建厂商特有的MME私有报文。为了能让645协议报文在集中器和电表之间顺利传输，本方案定义了私有的MME类型，用于承载645协议报文，645作为私有MME的载荷进行传输。

本方案最大的优势就是速度优势。网口和宽带PLC使得集中器端模块在其上行(与集中器的网口通讯)和下行(与表端模块的PLC通讯)都“拓宽”了，使得并行抄表成为了可能，能极大地提高抄表速度。传统的串口窄带PLC的通讯方式是这样的：集中器通过串口发送单条抄表报文给集中器模块(这里略去集中器模块的路由过程不表述)，集中器模块向下行发送到PLC上去抄表，等待电表回应，有电表回应的话就等待电表的读数，读到后就去抄下一块表；如没有读到就等超时。由于串口和窄带PLC的特性，每次只能抄读一块表。而宽带PLC，支持的频带拓宽，其上有多个信道可以并行传输，使得集中器模块的下行(与表端模块PLC通讯)的并行抄表成为可能。而网口通讯，由网络层协议和速度，可同时有多个抄表帧同时传输，使得集中器模块的上行(与集中器的网口通讯)的并发抄表成为可能。软硬件相互配合，共同控制着并行抄表。极大地提高了抄表的速度，具有着传统窄带通讯所不可比拟的速度优势。

本方案采用瑞斯康公司的基于宽带PLC通信技术的产品，包括集中器、集中器端通信模块和II型采集器，用于测试宽带PLC通信技术在国内电网环境下的实际运行情况。自动采集测试系统内每块电表的日、月冻结表码数据，并通过上行通道传输到主站系统。通信通道方面，集中器上行通道采用GPRS或以太网，下行通道使用宽带PLC。表计和集中器之间的规约采用DL/T 645，集中器与主站系统之间采用Q/GDW376.1。

如图3所示，设计的系统主要由主站系统、集中器、电表组成，集中器和电表的通信靠集中器端通信模块和电表端的通信模块完成，插有载波通信模块的电表在图上标示为“载波电表”。主站系统完成对集中器数据的采集、浏览、分析和统计等功能，及对用户表计、集中器等设备的管理和维护。集中器上行通道选用GPRS或CDMA等无线方式或以太网有线方式，集中器上行规约采用国电Q/GDW376.1。集中器下行通信采用宽带PLC通信方式，下行规约采用DL/T 645协议，电表侧采用宽带PLC通信方式，支持DL/T 645通信协议。

系统由集中器、单相电能表、II型采集器组成。其中，单相电能表是采集电力信息的设备。根据系统总体方案，单相电能表要提供电压、电流、功率、功率因数等电网参数，要同时具有RS485和载波两种通信方式，并且要求载波模块可热插拔更换。本方案采用插入载波通信模块的载波通信方式。集中器的主要功能包括数据采集和存储、参数设置和查询、事件记录、数据传输以及终端的维护功能。集中器靠集中器端模块和表端模块与电表通讯。集中器可通过GPRS或CDMA或以太网将从电表处取得的数据传输到主站系统。模块有集中器端模块和II型采集器块。集中器端模块插在集中器下行模块的位置，用于集中器与载波表的直接通信。II型采集器上行与集中器进行载波通信，下行与电能表进行485通信。

宽带PLC通信技术的通信网络是由集中器模块来完成的。在集中器模块上电后，模块内的3个CCo各自建立并维护一个AVLN。STA注册过程中先发一个请求TEI的帧，获取了TEI后，STA就能被CCo识别，并且可以通过CSMA机制使用信道来发送数据。STA在收到了CCo确认获取TEI的帧后，向CCo发送获取加密秘钥(NEK)的帧，如果CCo允许其注册上线，会将NEK的秘钥发送给STA。成功注册上线的CCo在模块上会有上线指示灯指示。退出过程分为STA主动退出和CCo要求其退出的被动退出两种方式。STA主动退出由STA发送请求退出MME报文给CCo。这种情况可能是STA断电或者需要主动离开AVLN。被动方式是由CCo发给STA要求其退出的指示。

本方案还公开了宽带PLC通信现场测试内容。宽带载波不同于以往的窄带载波，其分布于相对的高频频段，会受到易影响高频信号的因素的影响。就现场的因素而言，线路对通信信号的衰减不大，理论上载波通信能到到300米有效范围，主要影响通信信号的是开关和接线处。所以，施工时主要原则是尽量减少集中器到通信节点间的开关个数。

本方案有在线指示灯，可方便的用于现场的排查。表端模块的在线指示灯常亮(目前版本是右边的灯即TXD常亮绿灯)表示该STA与CCo的通信没有问题。新安装的台区，要保证节点都能上线，抄表就能抄的回来。如果出现在线指示灯不亮或不稳定上线的情况，可参考以下内容排查：

⑴集中器带有三相电压检测功能，检测集中器的三相电源是否正常，是否存在接头松动未连接好以及电线断等情况。

⑵可以使用无名单功能的集中器模块观察模块是否能上线，然后使用带有名单功能的集中器模块，观察是否存在档案错误，如存在档案错误，修改档案观察模块是否可以上线。

⑶考虑是否是电表或模块本身问题，替换新的观察。

⑷观察线路是否过长，或经过的开关及能衰减信号的设备过多。考虑在适当的地方加中继尝试。

每个台区的集中器分别安装在变压器旁边的表箱内。下表是WFET-610S采集器的主要技术指标。

采集器提供一路RS485抄表接口，采用主从轮询方式，抄读各电表电能量，一台采集器最大抄表容量为32只，采集器相当于虚拟下挂的所有RS485电能表，对于系统命令，采集器采用命令透传方式处理。支持低压电力线载波。采集器在安装后，在确保连接正确的前提下，不需做任何设置操作，就能正常工作。可通过载波通道对采集器软件现场升级。下表是其具体功能。

上述方案中涉及的电器、电路、模块以及电子元器件除特别说明之外，根据其实现的具体功能可以选择本领域通用的设计和方案，也可以根据实际需要选择其他设计和方案。

本方案的基于HomePlug AV的低压电网抄表数据采集方法采用网口和宽带PLC使得集中器端模块在其上行(与集中器的网口通讯)和下行(与表端模块的PLC通讯)都“拓宽”了，使得并行抄表成为了可能，能极大地提高抄表速度，解决了窄带载波通信系统长期存在的抄表周期长、抄表成功率不高的难题。本方案通过建立现场测试系统，研究由低压电网引起窄带载波通信失败的要素，从电网拓扑结构、电网影响量测试和家用电器特征量等方面提出技术对策，提高现场抗干扰能力，提高采集成功率，有效反馈现场问题，并且能够降低线损。基于以上特点，本方案相比现有的窄带载波通信方法具有突出的实质性特点和显著的进步。

本方案的基于HomePlug AV的低压电网抄表数据采集方法并不限于具体实施方式中公开的内容，实施例中出现的技术方案可以单独存在，也可以相互包含，本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。