一种低压电力线宽带载波通信网络故障诊断装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型的一种低压电力线宽带载波通信网络故障诊断装置，包括微处理器，还包括载波接收单元、载波发送单元、PLC信号耦合电路以及电力线宽带载波采集系统；所述微处理器与电力线宽带载波采集系统通过载波接收单元、发送单元和PLC信号耦合电路耦合连接。本实用新型不仅可以直观地显示影响载波通信的各种噪声——背景噪声、周期性噪声、突发性噪声，而且能够对宽带载波通信网络各层报文进行规约自动识别和解析，能够快速诊断出现场宽带载波通信网络的各种故障信息，并直观反映，以便及时采取相应处理措施，十分适合基于电力线载波通信网络的运行管理。
【专利说明】
一种低压电力线宽带载波通信网络故障诊断装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种载波通信网络故障诊断装置，尤其是一种用于现场的低压电 力线宽带载波通信网络故障诊断装置，属于载波通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 低压电力线宽带载波通信技术在电力用户用电信息采集系统中的应用正迅速推 广。但传统的低压电力线宽带载波通信网络现场故障诊断方法需要工程技术人员携带信号 取样器、频谱仪、隔离电源等仪器设备到现场进行测量分析。这些仪器设备价格昂贵、携带 不便。并且很多仪器的采样数据，需要专业的人员才能分析，缺乏智能化的分析手段。因此， 迄今为止，实际工程应用现场工程技术人员针对现场宽带载波通信网络的故障诊断，缺乏 实用化、便捷化的分析诊断工具。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的目的在于:针对上述现有技术存在的缺点，提出一种为构建快速诊 断并全面直观反映故障节点定位、原因、部位等故障信息系统奠定基础的低压电力线宽带 载波通信网络故障诊断装置。
[0004] 为了达到以上目的，本实用新型的一种低压电力线宽带载波通信网络故障诊断装 置，包括微处理器，其特征在于:还包括载波接收单元、载波发送单元、PLC信号耦合电路以 及电力线宽带载波采集系统;所述微处理器与电力线宽带载波采集系统通过载波接收单 元、发送单元和PLC信号耦合电路耦合连接；
[0005] 所述电力线宽带载波采集系统包括位于同一供电变压器电力线上的宽带载波集 中器、宽带载波采集器以及电能表。
[0006] 本实用新型进一步限定的技术方案为：
[0007] 进一步的，还包括实现操作人员与微处理器信息交互的人机交互单元。
[0008] 进一步的，所述载波接收、载波发送单元由宽带载波通信芯片和功率放大电路、输 入输出滤波器组成。
[0009] 进一步的，所述PLC信号耦合电路包括耦合电容(Cl)和耦合变压器(Tl);所述耦合 电容(Cl) 一端与低压电力线相连，另一端与耦合变压器(Tl)的初级相连;所述耦合变压器 (Tl)的次级具有第一绕组和第二绕组，所述第一绕组通过电容(C2、C3、C4、C5、C8、C9、C10、 C11)和电感(LI、L2、L3、L4)组成滤波电路，并经接收侧隔直电容(C12、C13)后连接到载波接 收单元;所述第二绕组经发送侧隔直电容连接到载波发送单元。
[0010] 进一步的，还包括用以实现包括各节点安装位置档案信息在内的节点参数和微处 理器接收及处理数据存储的存储电路。
[0011] 进一步的，还包括用于微处理器与管理计算机、宽带载波集中器、宽带载波采集器 以及电能表之间通信连接的通信电路。
[0012] 与现有技术相比，本实用新型具有如下显著优点：集成度高、体积小巧、加载相应 的软件后，即可实现快速诊断并全面直观反映故障节点定位、原因、部位等故障信息。相比 传统的电力线宽带载波通信网络工程运维工具和方法更易于携带、操作简单、智能化;可以 极大地降低人力成本，提高电力工程人员劳动生产率和工作效率。通过PLC信号耦合电路将 电力线上的100ΚΗz-ΙΟΟΜΗζ频率范围内的信号提取出来，进行频谱分析，可以很直观地观察 到影响宽带载波通信的背景噪声、周期性噪声、突发性噪声，利用低压电力线宽带载波通信 模型来进行故障诊断，从而有效地提高了现场电力线宽带载波通信网络的可维护性。
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型一个实施例的硬件构成框图。
[0014]图2是本实用新型PLC信号耦合电路原理图。
[0015] 图3是图1实施例应用于低压电力线宽带载波通信网络框图。
[0016] 图4是图3的网络拓扑图。
[0017]图5是图1实施例的快速诊断运行流程图。
[0018] 图6是图1实施例中的数据帧结构示意图。
[0019] 图7是图1实施例的网络协议栈层级结构示意图。
[0020] 图8是图1实施例的物理层数据接收解码过程示意图。
[0021 ]图9是图1实施例的物理层数据帧编码发送过程示意图。
【具体实施方式】 [0022] 实施例一
[0023]本实施例的低压电力线宽带载波通信网络故障诊断装置基本构成如图1所示，微 处理器作为核心器件，通过PLC信号耦合电路载波收发电路与电力线载波通信网络的耦合 连接，PLC信号耦合电路载波收发电路具有发送信号的功率放大和接收信号的滤波及整形 放大功能。载波收发电路由深圳海思半导体有限公司生产的Hi3911宽带载波通信芯片和功 率放大电路、输入输出滤波器组成
[0024] PLC信号耦合电路原理如图2所示:包括电容Cl和耦合变压器Tl，耦合电容Cl一端 与低压电力线相连，另一端与耦合变压器Tl初级端相连，电容Cl与耦合变压器Tl初级线圈 组成高通滤波器，可以滤除50Hz工频强电及低频干扰信号，通过耦合电路可以将宽带载波 信号耦合到电力线上又可以将其与强电信号隔离开。耦合变压器Tl的次级的第一个线圈通 过02-05、08-(：11、1^1-1^4组成滤波电路，用于接收信号滤波，再经过(：12、(：13隔直电容后连接 到载波接收单元;载波发送单元通过C6、C7隔直电容后，连接到耦合变压器Tl次级第二个线 圈。
[0025]电力线载波通信网络如图3所示，以低压电力线为通信媒介，由处于同一供电变压 器电力线上的宽带载波集中器、宽带载波采集器以及电能表组成，用以实现低压电力用户 用电信息汇聚、传输、交互的网络通信。如图4所示，各采集器分别作为路由节点或从节点； 集中器作为主节点，用以完成组网控制及网络维护管理。
[0026] 微处理器的通信接口通过含有1?232、1?485、1^8、1正1的通信电路实现与外部管 理计算机的通信连接以及与宽带载波集中器、宽带载波采集器和电能表的通信连接。
[0027]微处理器的存储接口接含有DDR、FLASH、TF卡的存储电路，可以实现包括各节点安 装位置档案信息在内的节点参数和微处理器接收及处理数据的存储。
[0028]微处理器的人机交互接口与包括IXD触摸屏、键盘、音频输出等在内的人机交互电 路连接，可以方便地实现操作人员与微处理器的交互。
[0029]微处理器运行过程参见图5，基本步骤为：
[0030]采集步骤一一采集电力线噪声信号，具体为接收PLC信号耦合电路提取的电力线 上预定频率范围内、经A/D转换的信号。
[0031] 判断步骤一一判断是否提取到有用信号，如是则启用数据帧步骤，如否则返回采 集步骤。
[0032] 数据帧步骤一一将从电力线检测到的有用信号按图6所示预定格式生成数据帧并 解码生成报文;具体为将电力线上的载波模拟信号还原为数据，送到物理层进行数据帧接 收处理，使接收到的信号生成由前导字段、帧控制字段和载荷数据字段组成的宽带载波通 信预定结构数据帧，所述前导字段为一周期性序列，所述帧控制字段为在前导字段后，用来 传输一些重要的控制信息，如:载荷数据长度、传输速率、服务等信息，所述载荷数据字段为 实际要传输的负载数据，为了使数据传输更可靠，把原始数据分批打包传输。数据帧解码参 见图8，通过时钟和帧同步选择最佳的FFT窗，使子载波保持正交，在OFDM符号流中找出帧的 开始位置，再经过傅里叶变换FFT后，对帧控制字段进行分集合并，将接收到的承载相同信 息的多个独立的频域子载波，使用信号集中合并技术改善接收信号，以降低信道衰落的影 响及信道解交织。在接收端先进行解交织，连续错误就会被打散，因此有利于信道解码模块 进行纠错，提高可靠性。对载荷数据字段进行解交织及去扰，分别进行Tubo译码，形成还原 为原始数据的宽带载波通信网络报文，通过物理层输送到数据链路层(参见图7)。
[0033]监测步骤一一监测并开启报文。
[0034]解析步骤一一根据规约分类解析报文，并按分类存储解析后的报文;具体为数据 链路层将还原为原始数据的宽带载波通信网络报文。在宽带载波通信网络中，每个入网的 节点（包括主节点、路由节点、从节点）都存在邻居节点，某个节点的邻居节点，即是与该节 点能够进行载波通信的节点。在组网过程中，每个节点可以根据接收的发现信标，感知自己 的邻居节点，并记录下来，形成一个发现列表。组网完成后，在网络自维护的过程中，每个节 点均将本节点的发现列表报文周期性的广播发布，通过侦听节点发现列表报文，就可以形 成宽带载波主节点、路由节点、载波从节点的动态网络拓扑关系。数据链路层分为网络管理 子层和媒体访问控制子层，网络管理子层主要实现宽带载波通信网络的组网、网络维护、路 由管理及应用层报文的汇聚和分发。在接收报文时，将媒体访问控制子层收到的报文，转发 给应用层;发送报文时，网络管理子层主要完成报文的分类，路由策略的确定，然后交由媒 体访问控制子层进行发送。总的来说，数据链路层为应用层提供了两个服务:数据传输和数 据管理。其中数据传输服务主要用来完成载波主节点和从节点之间的应用层数据的传输， 数据管理服务主要用来供应用层查询或者设置主节点本地的数据信息。网络管理子层能够 根据报文的VLAN标签和服务数据单元类型，对报文进行分类，分配相应的ID，并且设置相应 的报文有效期。
[0035] 拓扑步骤一一发现列表报文，形成相应的网络拓扑。
[0036]定位步骤--定位故障节点，定位步骤可以细分为以下分步：召测分步，召测主节 点内暂存的各节点历史信息记录，得到历史路径库;检测分步，触发主节点周期性检测各从 节点的活跃次数，得到包括离线从节点信息和上、下行通信成功率在内的数据，并通过离线 从节点信息判断到故障节点的路径;频谱分步，根据存储的节点安装位置档案信息，形成各 节点物理逻辑连接关系，并利用频谱分析获得各节点信号质量信息;判别分步，根据频谱分 析结果判断故障节点是否存在噪声干扰以及噪声的类型，得出故障节点进入离线状态的原 因；试验分步，通过通信电路向故障节点先后发送电能表穿透抄表和直接抄表命令，并根据 返回状况判定故障部位;输出分步，将故障节点定位及故障原因、部位信息输出显示。
[0037] 上述故障的诊断定位实际是通过电力线接收数据的解析，由数据链路层的网络管 理子层根据VLAN标签和服务数据单元类型，形成心跳检测报文、离线指示报文、通信成功率 上报报文等网络自维护信息，在宽带载波通信网络中，每个节点均周期性的发送发现列表 报文，用于路由节点判断节点是否活跃在线。路由节点将本地维护的发现列表中的节点活 跃信息，通过定周期的心跳检测报文，发送给主节点，主节点汇总全网的节点在线信息。当 宽带载波通信网络中，某个节点通信异常时，可通过本申请诊断装置触发主节点周期性的 检测从节点的活跃次数，如果在一个完整的心跳周期时间内，主节点发现该从节点的活跃 次数为〇，则可以判断该从节点离线。主节点如果接收到来自已经判定为未入网的从节点的 报文，主动指示该从节点离线，可以创建离线指示报文，将离线从节点的信息填充到报文 中，进行广播发送，通知网络中的所有站点该从节点离线。每个从节点可以通过解析从节点 的发现列表报文，获知对于自身的上下行通信成功率，形成通信成功率上报报文，通过本申 请装置开启主节点的通信成功率上报功能，并结合网络拓扑信息，即可初步定位通信成功 率低的关联节点。参考节点物理逻辑连接关系，通过节点指定路由通信，避开异常节点，即 可逐步缩小影响通信故障的节点范围，再利用频谱分析获得节点信号质量，最终即可形成 诊断结果。
[0038] 当有数据帧需要发送时（参见图9)，物理层接收来自数据链路层的媒体访问控制 子层的输入，采用两个分开的链路分别处理帧控制、载荷数据。数据中的帧控制字段和载荷 数据字段分别Turbo卷积编码、信道交织、分集拷贝和Turbo卷积编码、扰码、交织之后，一起 进入星座点映射对载荷数据字段进行解交织（本实施例采用基于FFT的OFDM物理层技术， OFDM调制技术通过将信道分割为若干并行正交子信道进行传输，提高信号的抗衰落能力、 提高频谱利用率，配合保护间隔能消除码间干扰），再经过IFFT变换为时域信号，并添加循 环前缀和前导以及进行加窗处理。为了使OFDM信号的带外衰减更快，采用对单个OFDM符号 加窗的办法。通过窗函数可以使信号的幅度在符号边界更平滑的过度到0,生成OFDM信号 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing正交步页分复用）。
[0039] OroM信号通过信号耦合电路模拟前端发送到电力线上，集中器主节点主动抄表、 路由主动抄表、并发抄表、校时业务等应用层报文均是通过数据链路层由第六步数据帧编 码后形成OFDM信号耦合到电力线上，通过发送应用层命令，可以根据采集器(从节点）回码， 判断从节点时钟、RS485端口是否正常。应用层报文发送时可以是广播地址或指定从节点地 址;如果是广播地址则所有从节点均收到，如果是指定从节点地址，则只有地址相同的从节 点才能接收到。
[0040] 本实施例的装置可以通过LCD显示出电力线噪声信号的时域与频域信号，通过对 电力线上噪声信号的采集与频谱分析，可以很直观地看到影响载波通信的背景噪声、周期 性噪声、突发性噪声，对幅值较大的异常噪声，在LCD上会以不同颜色显示，方便操作人员查 看。另外，通过本实施例装置内部数字带通滤波器，可以提取2MHz-12MHz频率范围内的电力 线宽带载波信号，可用于集中器、采集器电力线宽带载波信号发射功率谱密度的测量。
[0041] 并且本实施例的方案能够对宽带载波通信网络各层报文进行规约自动识别和解 析，对集中器主动抄表、路由主动抄表、并发抄表、校时业务、采集器主动注册、事件上报业 务等应用层报文在LCD上分类显示。通过集中器与采集器之间的报文交互过程的详细记录 和智能分析，可以很方便地进行现场宽带载波通信网络故障的诊断。本实用新型的方法通 过采用先进的高速采样、频谱分析、网络协议分析、人机交互等技术，能够快速分析现场电 力线信道噪声频谱、宽带载波信号频谱、宽带载波通信网络拓扑，并能够智能诊断现场宽带 载波节点的故障信息。
[0042] 本实施例的诊断装置在工程现场使用时，首先通过绝缘耦合夹连接到与集中器、 采集器及电能表同一供电变压器的电力线上，通过PLC信号耦合电路接入电力线载波通信 网络。本装置内微处理器通过开启载波链路报文监测，将识别到的电力线报文分类解析存 储，并通过读取主节点当前所管理的路由节点和从节点信息，形成网络拓扑图。假设由图4 组成的电力线宽带载波通信网络发生如下2个故障：
[0043] 1)节点D不能通信;2)节点C与电能表之间的RS485通信线开路，利用本实施例的诊 断装置进行故障定位将有如下过程完成：
[0044] (1)通过本申请诊断装置召测主节点内暂存的每个节点的历史信息记录，得到历 史路径库。
[0046] (2)本申请诊断装置触发主节点周期性的检测从节点的活跃次数，得到离线从节 点信息和上下行通信成功率等，通过离线从节点信息，判断到节点D离线。
[0047] (3)根据历史路径库，获知节点D曾经是节点F、G的路由节点。
[0048] (4)根据装置内存储的节点安装位置档案信息，装置内形成各节点物理逻辑连接 关系，假设节点B、C与节点D之间的距离超过载波点对点的最大通信距离，而节点D、E之间的 安装距离较近，则装置选择指定路由A->E->F->D和A->E->G->D通信，探测异常节点D是否能 够通过其它路径与主节点通信。如果按照指定路由主节点A仍然不能与节点D通信，则分别 监测主节点A和节点D、E、F、G的载波信号，利用频谱分析获得节点信号质量。
[0049] (5)通过频谱分析可以判断节点D是否存在噪声干扰以及噪声类型，最终得出节点 D进入离线状态的原因。
[0050] (6)通过本申请诊断装置的RS232接口向节点C发送电能表穿透抄表命令，因之前 假设故障（节点C与电能表之间的RS485线开路），所以节点C会返回穿透抄表失败;再通过 RS485接口直接向电能表发送抄表命令，如果电能表返回读表成功，说明节点C与电能表之 间的RS485通信线路异常；如果电能表返回抄表失败，说明电能表存在故障。通过本步骤可 以验证现场采集和计量设备的端口是否工作正常。
[0051] 上述（1)-(6)诊断过程在装置内部自动判断执行，通过上述自动诊断流程，最终定 位故障节点，同时在LCD上输出故障原因。
[0052]实践证明，采用本实施例后，通过构建低压电力线宽带载波通信网络模型来设计 故障诊断装置，从而有效地提高了现场低压电力线宽带载波通信网络的可维护性，可以进 一步保证智能电网建设的有序推进，实现电力用户用电信息采集系统建设"全覆盖、全采 集、全预付费"。
【主权项】
1. 一种低压电力线宽带载波通信网络故障诊断装置，包括微处理器，其特征在于:还包 括载波接收单元、载波发送单元、PLC信号耦合电路以及电力线宽带载波采集系统;所述微 处理器与电力线宽带载波采集系统通过载波接收单元、发送单元和PLC信号耦合电路耦合 连接； 所述电力线宽带载波采集系统包括位于同一供电变压器电力线上的宽带载波集中器、 宽带载波采集器以及电能表。2. 根据权利要求1所述的低压电力线宽带载波通信网络故障诊断装置，其特征在于:还 包括实现操作人员与微处理器信息交互的人机交互单元。3. 根据权利要求1所述的低压电力线宽带载波通信网络故障诊断装置，其特征在于:所 述载波接收、载波发送单元由宽带载波通信芯片和功率放大电路、输入输出滤波器组成。4. 根据权利要求1所述的低压电力线宽带载波通信网络故障诊断装置，其特征在于:所 述PLC信号親合电路包括親合电容(Cl)和親合变压器(Tl);所述親合电容(Cl)一端与低压 电力线相连，另一端与耦合变压器(Tl)的初级相连;所述耦合变压器(Tl)的次级具有第一 绕组和第二绕组，所述第一绕组通过电容（02、03丄4、05工8、09、(：10、(：11)和电感(1^1、1^、 L3、L4)组成滤波电路，并经接收侧隔直电容(C12、C13)后连接到载波接收单元;所述第二绕 组经发送侧隔直电容连接到载波发送单元。5. 根据权利要求1所述的低压电力线宽带载波通信网络故障诊断装置，其特征在于:还 包括用于微处理器与管理计算机、宽带载波集中器、宽带载波采集器以及电能表之间通信 连接的通信电路。6. 根据权利要求1所述的低压电力线宽带载波通信网络故障诊断装置，其特征在于:还 包括用以实现包括各节点安装位置档案信息在内的节点参数和微处理器接收及处理数据 存储的存储电路。
【文档编号】H04B3/54GK205490603SQ201620213609
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】李振国, 张建培, 张謇, 刘广存, 苏红根, 张宏瑞, 李若昕
【申请人】光科技股份有限公司, 光一科技股份有限公司