开通电力线路中的信息高速通道

　　随着能源互联网建设的不断推进，长期受制于传输速度和稳定性等痛点问题的电力线载波通信技术迎来发展良机。中国电科院等通过开展高速电力线载波关键技术与应用研究，形成了高速电力线载波（HPLC）技术体系，为电力线载波技术的深化应用铺平了道路。

　　电力线载波通信是利用电线来传送和接收信号的通信技术。尽管电力线载波通信技术具有无需布线、成本低廉等优点，但电力线信道中存在高强度的噪声、干扰、多径和衰落，通信性能一直受到调制方式及信道的制约，因此难以支撑基于高速、稳定传输的深化应用业务。

　　在新型电力系统建设中，物联网通信领域需要支撑的业务种类日益丰富，例如用电信息采集、有序充电、反窃电分析、智能楼宇等，对于数据采集通信和深化应用提出了更高的要求，必须建立高速可靠的本地通信网络。新型电力系统各类业务点多面广，高接地埋，电磁环境复杂，而电力线网络分布广泛，有电即可控，理所当然成为用电信息采集系统主要的本地物联通信技术。

　　在国家电网公司科技项目的支持下，中国电力科学研究院有限公司联合国网北京市电力公司、北京智芯微电子科技有限公司针对传统电力线载波的通信痛点问题，突破了时频分集拷贝、时序优化、多网络协调等关键技术，形成了高速电力线载波（HPLC）技术体系。项目团队提出基于正交频分复用的高速电力线载波通信方法，解决了电力线信道中存在高强度的噪声、干扰、多径和衰落问题；研发了工业级高速电力线载波芯片，极大提升了电力物联网通信传输效率；设计了高速电力线载波测试体系及测试系统，为高速载波芯片产品提供了检测手段；提出了户变关系识别方法，解决了现场大量户变关系错误、人工排查效率低下、准确计算线损困难的问题。

　　项目代表性成果为HPLC通信技术体系规范、HPLC通信单元以及HPLC互联互通测试系统，应用领域为售电市场与营销，最为广泛的应用场景是用电信息采集本地通信系统，相关技术产品已经覆盖北京市80%以上的电力用户、全国50%以上的电力用户。

　　创新高速电力线载波通信方法，实现2.2亿智能电表的高速稳定通信

　　项目团队提出了基于正交频分复用的高速电力线载波通信方法，涵盖高速电力线载波物理层、数据链路层、应用层等互联互通技术，实现了2.2亿智能电表的高速、稳定通信，通信频度由每日1次提升至96次。研发了完整的高速电力线载波技术体系，首次在能源计量领域实现了电力线载波技术的统一。发布的低压电力线高速载波通信系列标准打破了电力线载波市场个别产品垄断的局面。

　　在分集拷贝处理环节，项目团队开创了分集拷贝在时域和频域双重处理方式，频域数据拷贝在不同子载波上，时域数据拷贝在不同的正交频分复用符号上。通过时频分集，提升了电力线载波通信系统的分集增益，有效抵抗了信道中的高强度脉冲和窄带干扰，结合正交频分复用的调制方式，通过各子载波的联合编码，特别适用于多径和衰落信道中的高速数据传输，满足用电信息采集系统本地物联通信需求。此外，提供了一种同时进行交织与时频分集拷贝的电力线信号处理方法，并详细设计了物理层载波映射表索引，规定了物理层的编码速率、拷贝次数、物理块大小，全面覆盖了面向不同的数据长度、不同调制方式、不同拷贝次数的时频分集拷贝方法。基于正交频分复用的时频分集拷贝方法有效克服了电力线信道的恶劣环境，突破了窄带载波通信可靠性与稳定性的瓶颈。

　　在物理层协议中，设计了两个分开的链路分别处理帧控制数据和载荷数据，保证了物理层信号的完整性。通过Turbo编码、信道交织、分集拷贝、时频分集等方式降低了帧控制和载荷的误码率，提升了系统的鲁棒性。而星座点映射时加入相位旋转因子，降低了OFDM符号的峰均比，提升了HPLC通信系统的功放效率。链路层协议基于TDMA+CSMA接入方案，实现低时延、高随机接入，并利用ARQ技术对抗突发噪声，采用树形拓扑组建网络，利用tree-route进行路径选择，设计基于接收率的高适应性路径选择算法，保证任何环境下的网络稳定性，对高层高实时、高带宽的业务需求提供强有力支撑。

　　研发工业级高速电力线载波芯片，克服强噪声、大衰减等现场问题

　　项目团队提出一种抑制窄带、脉冲和组合噪声等多类型干扰的基带信号处理方法，依托HPLC通信协议以及关键技术，研发了工业级高速电力线载波芯片，克服了强噪声、大衰减等现场问题，与窄带载波相比，通信速率由50kbps提升至1.2Mbps。与传统基带信号处理方法相比，抗噪声性能提升10dB（10倍）以上，抗衰减性能提升7dB（5倍）以上。

　　设计了基于帧间隔的空闲信道噪声检测算法和基于可编程图样掩码的互相关帧同步算法。选取帧间隔期间采用积分方法直接对噪声进行测量，测量精度高，延迟小。基于可编程图样掩码选取的短相关序列，设计了短序列与长序列相结合、压缩二进制指数运算方法的快速互相关帧同步算法，保证系统通信可靠性的前提下将相关长度缩小50%以上，有效提高了检测准确率，提高了同步速度。

　　针对脉冲干扰，设计了一种基于有效实时数据峰均比统计值的自适应脉冲干扰检测和抑制算法，利用该算法可准确检测脉冲干扰，设置限幅或置零标志快速抑制脉冲干扰，提升系统的抗干扰性能。设计了基于有效实时数据信道分析的实时窄带干扰检测和自适应动态抑制装置，提升了接收机的窄带干扰消除性能，降低了干扰抑制的复杂度，提高了应用灵活性。

　　设计高速电力线载波测试体系及测试系统，为高速载波芯片产品提供检测手段

　　一套面向HPLC芯片的多维度测试系统是确保产品安全、稳定与可靠运行的重要基础，而自动化流水线是实现是HPLC模块检测高效作业的前提。项目团队设计了涵盖通信性能、协议一致性以及互操作性的高速电力线载波测试体系，研发了集成192项测试用例，路由深度上限15级的载波通信芯片互联互通测试系统，实现了27个省公司高速载波产品全方位测试的标准化、自动化、智能化。同时建立了高速载波通信单元检定流水线，年均检定量由1万只提升至33万只。在HPLC芯片方面，从HPLC芯片的通信性能、协议一致性以及互操作性多个维度着手，设计了完备的HPLC互联互通测试系统。在HPLC模块方面，开发了通信模块自动化检定系统，大幅提升了通信模块的检测效率。

　　HPLC互联互通测试系统由性能测试、协议一致性测试及互操作性测试三大部分构成，实现了HPLC产品的性能、交互协议和复杂环境适应能力的测试，全面检验了HPLC产品的互联互通性能。系统采用独立于被测对象的标准报文生成和物理层监听设备，运用强电隔离衰减装置，充分体现了测试的公正性，更加贴近HPLC产品的实际信道环境。检测对象为本地通信单元芯片（集中器I型/HPLC）、通信单元芯片（单相/HPLC）、通信单元芯片（三相/HPLC）。

　　项目开发的通信模块自动化检定系统综合运用了工业计算机控制、传感器采集反馈、图像识别、标准仪器与虚拟仪器的信号分析等领域的技术，实现了通信模块自动物流（仓储和检定线）、接驳、物理特性检查（外观与通信模块针长测试）、电气特性检测（动态与静态功耗测量和弱电接口测试）、综合性能测试、扩展功能测试等各个环节的自动作业，运用先进的物流输送线，通过工业计算机控制，将智能仓储与通信模块自动化检定线区域进行无缝集成或采用人工辅助，仓储系统、检定单元及自动化检定流水线系统间采用模块化设计，既相互独立，又相互兼容。主要实现国网公司电力用户用电信息采集系统中的通信模块等计量设备从新购入库、待检出库、上料检测、下料装箱、箱表入库以及配送出库等全过程生产作业的智能化、自动化。

　　提出户变关系识别方法，解决台区识别难题

　　台区识别是高速电力线载波的重要深化应用功能，本质是根据数据对台区归属概率分布进行估算。项目团队提出了基于网络时间同步采集工频电压、工频频率、工频周期特征的户变关系识别方法，解决了现场大量户变关系错误、人工排查效率低下、准确计算线损困难的问题，台区识别效率从1天200个，提升至1天9万个，实现了243.7万个台区、2.27亿用户的户变关系自动识别。该项目研究使用电表通信单元采集到信噪比、网络时间基准等数据，进行特征对比以得到对电表台区归属的台区识别方法。

　　项目团队研发了一种根据通信信噪比（SNR）强弱进行户变关系识别的方法，SNR大小表征节点之间的信噪比强弱，用户节点统计和各可通节点之间的信噪比，进行取均值处理，同时为了消除单个SNR值抖动对统计结果的影响，将SNR划分不同等级，等级越高表示网络质量越好，同台区相互间通信的SNR也更大，以此准确判断台区户变关系。

　　网络时间基准（即NTB）识别的原理主要是同台区的电表特别是邻近的电表相比不同台区的电表，或者电表与所属路由相比电表与其他台区路由，过零时刻等各种属性会更为相似。通过分析功能需求，硬件方面需要使用三相过零电路，通过三相过零电路分别采集节点过零时间间隔，利用采集回来的数据可路由进行多维度比对，分析出数据异常节点，本台区同相位节点的过零变化与路由是同趋势变化的理论进行台区识别算法设计，实现台区归属判定。

　　在实际台区中，受负荷波动、线路衰减、噪声等因素的影响，SNR和NTB单一数据可能受到干扰，影响识别实效性和准确性。项目结合了SNR与NTB的多重特征得到准确的台区划分结果，提高了判断准确率，有力支撑了台区线损准确计算。

　　国内外和高速电力线载波通信技术同维度的技术主要以窄带载波为主，以HPLC技术体系为基础的低压电力线高速载波通信系列标准则实现了对高速载波芯片及通信单元设计、生产、检测、验收等各环节的引导和规范。与传统窄带载波相比，HPLC点对点通信速率达到1Mbps以上，窄带载波只有0.5-50kbps；在采集实时性方面，窄带载波只能实现日冻结采集，而HPLC可以实现96点采集；在信道组网方面，HPLC支持自动中继，自动路由组网，免维护无需人工干预，支持15级以上中继，相较窄带载波最大7级的路由层级，HPLC可覆盖半径2000米以上的超大台区；在互联互通方面，窄带载波不同厂商间的产品未能实现互联互通，而HPLC技术经过不断的演进优化，不同厂商产品已在全国各省现场实现了互联互通混合安装。

　　项目研究成果促进了高速载波技术路线的统一，规范了通信芯片的制造标准，推动高速载波通信产业链的健康发展。同时，具有互联互通特征的HPLC技术，大幅提升了智能感知通信技术的标准化水平，为后续支撑能源互联网多场景多维度的下一代智能感知通信技术的互联互通化探索了道路，在提升用户体验、加速设备国产化进程等方面意义重大。（任毅）