中压配电网电力线载波通信系统及主载波机、从载波机

摘要

本发明公开了一种中压配电网电力线载波通信系统，包含中压配电网全数字电力线载波通信站端的主载波机及远端的从载波机，主载波机能按一定时间间隔启动刷新建立网络路径信息，在主载波机和从载波机之间建立动态网络路径，主载波机、从载波机根据动态网络路径信息，重建通信路由路径，并结合通信路由信息和待发数据生成载波通信数据帧，发送到电力线上。本发明还公开了一种主载波机及一种从载波机。本发明，每个从载波机都可以充当中继的功能，可以在同一个主载波机网络中启用多条备用信道，可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及中压配电网载波通信技术，特别涉及一种中压配电网电力 线载波通信系统及主载波机、从载波机。

背景技术

配电网自动化系统是一种集成化自动化系统，它能够在线监控、协调、 管理配电网各环节设备与整个配电网优化运行，提高供电可靠性、改善电 能质量和提高运行管理效率，它以10kV干线馈线自动化为主，覆盖了400V 低压配电台区自动化，并延伸到用户智能电表系统。

完整的配电网自动化系统包含了四个主要环节：供电网络、远动系统、 通信系统、主站网络。

配电网自动化通信系统，是配电网自动化的神经系统。配电网运行数 据的采集、运行状态的改变、及配电网的优化等信息均通过通信系统进行 数据传输。

配电网通信方式主要有无线、光纤、载波等。现有的配电网自动化通 信系统，主干通信网（变电站环网）采用光纤通信，在支线（配电自动化 终端通信）通信系统中可靠性要求较高的地方，优先选择电力载波通信方 式。

典型的中压配电网电力线载波通信系统如图1所示。主载波机A在变 电站，从变电站架设一条电力线路，此电力线路上分布了多个配电柜A1， A2，A3，A4，A5，……，每个配电柜内安装了从载波机。由于中压配电载 波信号传输距离有限（通常架空约20KM，电缆载波约5KM），实际配电自 动化项目配电网载波通信系统中站端的主载波机到远端从载波机通信距离 往往会超过以上距离，因此需要由其它从载波机进行中继，另外在手拉手 线路中，当主载波机同从载波机之间的通信链路，以及两从载波机之间的 通信链路出现问题时，需要通过其它从载波机进行中继。

现有的中压配电网电力线载波通信系统，对于数据的传输采用广播传 输和全透明传输，各载波机的收、发频率不能相同，否则容易导致远程测 控终端多次接收到数据帧，由此现有的中压配电网电力线载波通信系统需 要占用较多频率资源；并且由于现有的中压配电网电力线载波通信系统采 用静态网络拓扑维护，当供电线路分支负荷进行转供调整，或中继通信设 备出现故障的情况下，系统不能自动恢复，从而使网络的可靠性降低。

现有的中压配电网电力线载波通信系统，为了进行规约转换，需要在 主载波机同主站系统之间设置独立的通信规约管理机实现通信规约（如 IEC104－IEC101规约）进行转换，增加了系统成本和响应时间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，可以在同一个主载波机网络中构建多条 备用路由，增强了中压配电网电力线载波通信系统的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种中压配电网电力线载波通信 系统，包括主载波机、从载波机；

所述主载波机，包括主载波机数据帧生成模块、信噪测试模块、主载 波机载波信道管理模块、主载波机设备信息数据模块、主载波机网络路径 信息模块；

所述主载波机设备信息数据模块，用于存储该主载波机的所有从载波 机，以及各从载波机下属远程测控终端的设备信息；所述设备信息包括上 级、同级及下级节点信息；

所述主载波机网络路径信息模块，用于存储主载波机的所有从载波机 的网络路径信息；

所述主载波机载波信道管理模块，按一定时间间隔启动建立网络路径 信息，建立网络路径信息初始化时以主载波机作为主站，作为主站的主载 波机的主载波机载波信道管理模块，按设定的时间间隔广播发送测试帧， 并在经过设定时间后轮询向下级载波机发送召测数据命令；然后根据下级 载波机回送测试帧的信噪比，在所述主载波机网络路径信息模块中更新网 络路径信息，并依序向其下级载波机发送建立自身相关网络路径信息命令； 所述主载波机载波信道管理模块根据从载波机上传的从载波机网络路径信 息，在所述主载波机网络路径信息模块中更新网络路径信息；

所述主载波机数据帧生成模块，用于从中压配电电力线上接收载波通 信数据帧或发送载波通信数据帧到中压配电电力线；

所述信噪测试模块，用于保存接收到的主站载波机测试帧的信噪比， 并在接收到主站载波机召测数据命令时，把保存的所述主站载波机测试帧 的信噪比回送给主站载波机；

所述从载波机，包括从载波机载波数据帧生成模块、信噪测试模块、 从载波机载波信道管理模块、从载波机设备信息数据模块、从载波机网络 路径信息模块；

所述从载波机设备信息数据模块，用于存储上级载波机、下级载波机、 同级载波机、下属远程测控终端的设备信息；所述设备信息包括上级、同 级及下级节点信息；

所述从载波机网络路径信息模块，用于存储该从载波机到其上级载波 机、下级载波机、同级载波机间的网络路径信息；

所述从载波机载波信道管理模块，当接收到上级载波机的建立自身相 关网络路径信息命令时使本载波机作为主站，作为主站的从载波机的从载 波机载波信道管理模块，按设定的时间间隔广播发送测试帧，并在经过设 定时间后轮询向所述上级载波机、下级载波机、同级载波机发送召测数据 命令；然后根据所述上级载波机、下级载波机、同级载波机回送的测试帧 的信噪比，在所述从载波机网络路径信息模块中更新本载波机的网络路径 信息，并将更新后的本载波机的网络路径信息，上传给主载波机，并依序 向其下级载波机发送建立自身相关网络路径信息命令；

所述从载波机载波数据帧生成模块，用于从中压配电电力线上接收载 波通信数据帧或发送载波通信数据帧到中压配电电力线；所述从载波机载 波数据帧生成模块从中压配电电力线上接收到载波通信数据帧之后，根据 接收到的载波通信数据帧中的路由路径信息，对载波通信数据帧做出丢弃、 中继转发或接收解析处理。

所述主载波机还可以包括以太网接口，所述主载波机载波数据帧生成 模块包括主载波机路由生成单元；

所述主载波机路由生成单元，根据以太网接口收到的数据帧中的目标 远程测控终端信息，以及主载波机设备信息数据模块中的设备信息，解析 出目标远程测控终端所属的从载波机信息，并根据主载波机当前的网络路 径信息，重建路由路径，生成载波通信数据帧发送到中压配电电力线上。

所述主载波机，还可以包括通信规约转换模块、以太网接口、串口、 控制面板；

所述通信规约转换模块，用于进行主站系统软件规约到异种远程测控 终端的通信规约转换。

所述以太网接口，用于接入以太网；

所述设备信息通过以太网接口、串口或控制面板写入主载波机。

所述从载波机，还包括以太网接口、串口、控制面板；

所述以太网接口，用于接入以太网；

所述设备信息通过以太网接口、串口或控制面板写入从载波机。

所述从载波机载波数据帧生成模块可以包括从载波机路由生成单元；

如果接收到的载波通信数据帧中的路由路径的目标载波机不是本载波 机，所述从载波机路由生成单元根据收到的载波通信数据帧中的路由路径 方向，重建路由路径，生成载波通信数据帧发送到中压配电电力线进行中 继转发；如果路由路径的方向是上传，就重建以通信链路正常的上级载波 机为下一节点的路由路径，如果无通信链路正常的上级载波机，就重建以 通信链路正常的同级载波机为下一节点的路由路径；如果路由路径的方向 是下传，就重建以通信链路正常的下级载波机为下一节点的路由路径，如 果无通信链路正常的下级载波机，就重建以通信链路正常的同级载波机为 下一节点的路由路径；

如果接收到的载波通信数据帧中的链路信息的目标载波机是本载波 机，所述从载波机载波数据帧生成模块解析接收到的载波通信数据帧，提 取接收到的载波通信数据帧中的有效载荷，下发到本载波机下属的相应远 程测控终端；

如果接收到的载波通信数据帧同从载波机无关，所述从载波机载波数 据帧生成模块将该接收到的载波通信数据帧丢弃，不做处理。

为解决上述技术问题解决，本发明还提供了一种中压配电电力线载波 通信主载波机，主载波机包括主载波机数据帧生成模块、信噪测试模块、 主载波机载波信道管理模块、主载波机设备信息数据模块、主载波机网络 路径信息模块；

所述主载波机设备信息数据模块，用于存储该主载波机的所有从载波 机，以及各从载波机下属远程测控终端的设备信息；所述设备信息包括上 级、同级及下级节点信息；

所述主载波机网络路径信息模块，用于存储主载波机的所有从载波机 的网络路径信息；

所述主载波机载波信道管理模块，按一定时间间隔启动建立网络路径 信息，建立网络路径信息初始化时以主载波机作为主站，作为主站的主载 波机的主载波机载波信道管理模块，按设定的时间间隔，广播发送测试帧， 并在经过设定时间后轮询向下级载波机发送召测数据命令；然后根据下级 载波机回送测试帧的信噪比，在所述主载波机网络路径信息模块中更新网 络路径信息，并依序向其下级载波机发送建立自身相关网络路径信息命令； 所述主载波机载波信道管理模块根据从载波机上传的从载波机网络路径信 息，在所述主载波机网络路径信息模块中更新网络路径信息；

所述主载波机数据帧生成模块，用于从中压配电电力线上接收载波通 信数据帧或发送载波通信数据帧到中压配电电力线；

所述信噪测试模块，用于保存接收到的主站载波机测试帧的信噪比， 并在接收到主站载波机召测数据命令时，把保存的所述主站载波机测试帧 的信噪比回送给主站载波机。

所述主载波机还可以包括以太网接口，所述主载波机载波数据帧生成 模块包括主载波机路由生成单元；

所述主载波机路由生成单元，根据以太网接口收到的数据帧中的目标 远程测控终端信息，以及主载波机设备信息数据模块中的设备信息，解析 出目标远程测控终端所属的从载波机信息，并根据主载波机当前的网络路 径信息，重建路由路径，生成载波通信数据帧发送到中压配电电力线上。

所述主载波机还可以包括通信规约转换模块、以太网接口、串口、控 制面板；

所述通信规约转换模块，用于进行主站系统软件规约到异种远程测控 终端的通信规约转换。

所述以太网接口，用于接入以太网；

所述设备信息通过以太网接口、串口或控制面板写入主载波机。

为解决上述技术问题解决，本发明还提供了一种中压配电电力线载波 通信从载波机，从载波机包括从载波机载波数据帧生成模块、信噪测试模 块、从载波机载波信道管理模块、从载波机设备信息数据模块、从载波机 网络路径信息模块；

所述从载波机设备信息数据模块，用于存储上级载波机、下级载波机、 同级载波机、下属远程测控终端的设备信息；所述设备信息包括上级、同 级及下级节点信息；

所述从载波机网络路径信息模块，用于存储该从载波机到其上级载波 机、下级载波机、同级载波机间的网络路径信息；

所述从载波机载波信道管理模块，当接收到上级载波机的建立自身相 关网络路径信息命令时使本载波机作为主站，作为主站的从载波机的从载 波机载波信道管理模块，按设定的时间间隔，广播发送测试帧，并在经过 设定时间后轮询向所述上级载波机、下级载波机、同级载波机发送召测数 据命令；然后根据所述上级载波机、下级载波机、同级载波机回送的测试 帧的信噪比，在所述从载波机网络路径信息模块中更新本载波机的网络路 径信息，并将更新后的本载波机的网络路径信息，上传给主载波机，并依 序向其下级载波机发送建立自身相关网络路径信息命令；

所述从载波机载波数据帧生成模块，用于从电力线上接收载波通信数 据帧或发送载波通信数据帧到电力线；所述从载波机载波数据帧生成模块 从电力线上接收到载波通信数据帧之后，根据接收到的载波通信数据帧中 的路由路径信息，对载波通信数据帧做出丢弃、中继转发或接收解析处理。

所述从载波机载波数据帧生成模块可以包括从载波机路由生成单元；

如果接收到的载波通信数据帧中的路由路径的目标载波机不是本载波 机，所述从载波机路由生成单元根据收到的载波通信数据帧中的路由路径 方向，重建路由路径，生成载波通信数据帧发送到电力线进行中继转发； 如果路由路径的方向是上传，就重建以通信链路正常的上级载波机为下一 节点的路由路径，如果无通信链路正常的上级载波机，就重建以通信链路 正常的同级载波机为下一节点的路由路径；如果路由路径的方向是下传， 就重建以通信链路正常的下级载波机为下一节点的路由路径，如果无通信 链路正常的下级载波机，就重建以通信链路正常的同级载波机为下一节点 的路由路径；

如果接收到的载波通信数据帧中的链路信息的目标载波机是本载波 机，所述从载波机载波数据帧生成模块解析接收到的载波通信数据帧，提 取接收到的载波通信数据帧中的有效载荷，下发到本载波机下属的相应远 程测控终端；

如果接收到的载波通信数据帧同从载波机无关，所述从载波机载波数 据帧生成模块将该接收到的载波通信数据帧丢弃，不做处理。

所述从载波机还可以包括以太网接口、串口、控制面板；

所述以太网接口，用于接入以太网；

所述设备信息通过以太网接口、串口或控制面板写入从载波机。

本发明的中压配电网电力线载波通信系统及主载波机、从载波机，主 载波机上带有以太网接口和通信规约转换模块，SCADA（Supervisory  Control and Data Acquisition，数据采集与监视控制系统）的通信数 据直接通过网络接口进入主载波机中，在主载波机中根据需要对通信规约 进行转换（当主站系统软件的规约与终端的规约不同时进行转换，以满足 不同类型的主站系统软件规约与终端规约之间的格式转换，当两者规约相 同时，规约转换模块不启动，进行数据透明传输），当SCADA服务器有命令 数据需要传输到RTU（Remote Terminal Unit，远程测控终端）时,命令数 据通过以太网接口传输到主载波机,主载波机进行通信规约转换，并根据以 太网接口收到的数据帧中的目标RTU，以及主载波机设备信息数据模块中的 设备信息，解析出目标RTU所属的从载波机，并根据主载波机的当前网络 路径信息，重建路由路径，生成载波通信数据帧，发送到电力线上；经过 电力线的传输，从载波机根据接收到携带命令数据的载波通信数据帧中的 路由路径，对该载波通信数据帧或丢弃，或解析下发到下属RTU，或者根据 从载波机的当前网络路径信息重建路由路径，生成载波通信数据帧进行中 继转发。本发明的中压配电网电力线载波通信系统，在载波组网中，引入 系统动态路由算法，主载波机按一定时间间隔启动建立网络路径信息，在 所述从载波网络路径信息模块及所述主载波网络路径信息模块中建立动态 网络路径信息，主载波机、从载波机根据动态网络路径信息，重建路由路 径，生成载波通信数据帧，发送到电力线上，每个从载波机都可以充当中 继的功能，从而可以在同一个主载波机网络中启用多条备用信道，增加了 中压配电网电力线载波通信系统的可靠性，并能实现SCADA和RTU之间点 对点的通信，减除了中压配电网电力线载波通信系统的独立通信规约管理 机开销。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明内容作进一步详细说明。

图1是典型的中压配电网电力线载波通信系统示意图；

图2是本发明的中压配电网电力线载波通信系统一实施方式示意图；

图3是本发明的中压配电网电力线载波通信系统一实施方式从载波机 示意图；

图4是本发明的中压配电网电力线载波通信系统一实施方式主载波机 示意图。

具体实施方式

本发明的中压配电网电力线载波通信系统一实施方式如图2所示，包 括主载波机、从载波机、RTU（Remote Terminal Unit，远程测控终端）， 所述RTU通过所述串口或以太网接口接入载波机；

所述从载波机，如图3所示，包括以太网接口、串口、控制面板、信 噪测试模块、从载波机载波数据帧生成模块、从载波机载波信道管理模块、 从载波机设备信息数据模块、从载波机网络路径信息模块；

所述以太网接口，用于接入以太网；

所述从载波机设备信息数据模块，用于存储本载波机的上级载波机、 下级载波机、同级载波机、下属RTU等的设备信息；所述设备信息通过以 太网接口、串口或控制面板写入从载波机；所述设备信息包括上级、同级 及下级节点信息；

所述从载波机网络路径信息模块，用于存储该从载波机到其上级载波 机、下级载波机、同级载波机间的网络路径信息；

所述信噪测试模块，用于保存接收到的主站载波机的测试帧的信噪比， 并在接收到主站载波机召测数据命令时，把保存的所述主站载波机的测试 帧的信噪比回送给主站载波机；

所述从载波机载波信道管理模块，当接收到上级载波机的建立自身相 关网络路径信息命令时使本载波机作为主站，作为主站的从载波机的从载 波机载波信道管理模块，按设定的时间间隔广播发送测试帧，并在经过设 定时间后轮询向所述上级载波机、下级载波机、同级载波机发送召测数据 命令；然后根据所述上级载波机、下级载波机、同级载波机回送的测试帧 的信噪比，在所述从载波机网络路径信息模块中更新本载波机的网络路径 信息，并依序向其下级载波机发送建立自身相关网络路径信息命令，如果 收到一载波机回送的测试帧的信噪比，就表明本载波机同该载波机间的通 信链路正常，信噪比代表了该通信链路的质量；所述从载波机载波信道管 理模块并将更新后的本载波机的网络路径信息，上传给主载波机；

所述从载波机载波数据帧生成模块，用于从中压配电电力线上接收载 波通信数据帧或发送载波通信数据帧到中压配电电力线；所述从载波机载 波数据帧生成模块从中压配电电力线上接收到载波通信数据帧之后，根据 接收到的载波通信数据帧中的路由路径信息，对载波通信数据帧做出丢弃、 中继转发或接收解析等相应处理；

所述从载波机载波数据帧生成模块包括从载波机路由生成单元；

如果接收到的载波通信数据帧中路由路径的目标载波机不是本载波 机，所述从载波机路由生成单元根据收到的载波通信数据帧中的路由路径 方向，重建路由路径，生成载波通信数据帧发送到中压配电电力线进行中 继转发；如果路由路径的方向是上传，就重建以通信链路正常的上级载波 机为下一节点的路由路径，如果无通信链路正常的上级载波机，就重建以 通信链路正常的同级载波机为下一节点的路由路径；如果路由路径的方向 是下传，就重建以通信链路正常的下级载波机为下一节点的路由路径，如 果无通信链路正常的下级载波机，就重建以通信链路正常的同级载波机为 下一节点的路由路径；

如果接收到的载波通信数据帧中的链路信息的目标载波机是本载波 机，所述从载波机载波数据帧生成模块解析接收到的载波通信数据帧，提 取接收到的载波通信数据帧中的有效载荷，下发到本载波机下属的相应 RTU；

如果接收到的载波通信数据帧同从载波机无关，所述从载波机载波数 据帧生成模块将该接收到的载波通信数据帧丢弃，不做处理。

所述主载波机，如图4所示，包括以太网接口、串口、控制面板、信 噪测试模块、通信规约转换模块、主载波机数据帧生成模块、主载波机载 波信道管理模块、主载波机设备信息数据模块、主载波机网络路径信息模 块；

所述以太网接口，用于接入以太网；

所述通信规约转换模块，用于进行通信规约转换，可以进行主站系统 软件规约到异种远程测控终端的通信规约转换，如进行IEC104到IEC101 的通信规约转换；

所述主载波机设备信息数据模块，用于存储该主载波机的所有从载波 机，以及各从载波机下属RTU等的设备信息；所述设备信息通过以太网接 口、串口或控制面板写入写入主载波机；所述设备信息包括上级、同级及 下级节点信息；

所述主载波机网络路径信息模块，用于存储主载波机的所有从载波机 的网络路径信息；

所述信噪测试模块，用于保存接收到的主站载波机测试帧的信噪比， 并在接收到主站载波机召测数据命令时，把保存的所述主站载波机的测试 帧的信噪比回送给主站载波机；

所述主载波机载波信道管理模块，按一定时间间隔启动建立网络路径 信息，建立网络路径信息初始化时以主载波机作为主站，作为主站的主载 波机的主载波机载波信道管理模块，按设定的时间间隔广播发送测试帧， 并在经过设定时间后轮询向下级载波机发送召测数据命令；然后根据下级 载波机回送的测试帧的信噪比，在所述主载波机网络路径信息模块中更新 网络路径信息，并依序向其下级载波机发送建立自身相关网络路径信息命 令，如果收到一载波机回送的测试帧的信噪比，就表明本载波机同该载波 机间的通信链路正常，信噪比代表了该通信链路的质量；所述主载波机载 波信道管理模块根据从载波机上传的从载波机网络路径信息，在所述主载 波机网络路径信息模块中更新网络路径信息；

所述主载波机数据帧生成模块，用于从中压配电电力线上接收载波通 信数据帧或发送载波通信数据帧到中压配电电力线；所述主载波机载波数 据帧生成模块包括主载波机路由生成单元，所述主载波机路由生成单元， 根据以太网接口收到的数据帧中的目标RTU信息，以及主载波机设备信息 数据模块中的设备信息，解析出目标RTU所属的从载波机信息，并根据主 载波机当前的网络路径信息，重建路由路径，生成载波通信数据帧发送到 中压配电电力线上。

设备信息包括上级、同级及下级节点信息；

载波通信数据帧的格式为：网络层数据帧头＋应用层有效载荷，网络 层数据帧头包括网络标记、路由级别、路由长度、路由路径，如表1所示：

表1

  网络标记   路由级别   路由长度   路由路径   应用层有效载荷

网络标记：在非广播数据时，此标志位同一个主载波所组建的网络下 的唯一组网标记，同时也作为本网络中数据传输的起始位；如果数据帧是 广播数据帧，此标志为广播数据帧标记。

路由级别：数据传输到当前载波机的路由级别。在主载波向从载波机 下发数据时，每经过一次路由，路由级别减1；在从载波向主载波上传数据 时，每经过一次路由，路由级别减1（可以是负数）。

路由长度：本次数据通信过程中一共需要经历的路由次数。

路由路径：本次数据通信通信过程中，数据所经过的站点地址表。

由于广播数据帧需要有送到系统中每一个通信节点，所以会根据系统 中对各个远点设定不同路径，再将路径打包到载波通信数据帧中。如表2 所示。

表2

  网络标记   链路条数  链路1 ……  链路n 应用层有效载荷

链路定义如表3所示。

表3：

  路由级别   路由长度   路由路径

本发明的中压配电网电力线载波通信系统及主载波机、从载波机，主 载波机上带有以太网接口和通信规约转换模块，SCADA（Supervisory  Control and Data Acquisition，数据采集与监视控制系统）的通信数 据直接通过网络接口进入主载波机中，在主载波机中根据需要对通信规约 进行转换（当主站系统软件的规约与终端的规约不同时进行转换，以满足 不同类型的主站系统软件规约与终端规约之间的格式转换，当两者规约相 同时，规约转换模块不启动，进行数据透明传输），当SCADA服务器有命令 数据需要传输到RTU（Remote Terminal Unit，远程测控终端）时,命令数 据通过以太网接口传输到主载波机,主载波机进行通信规约转换，并根据以 太网接口收到的数据帧中的目标RTU，以及主载波机设备信息数据模块中的 设备信息，解析出目标RTU所属的从载波机，并根据主载波机的当前网络 路径信息，重建路由路径，生成载波通信数据帧，发送到电力线上；经过 电力线的传输，从载波机根据接收到携带命令数据的载波通信数据帧中的 路由路径，对该载波通信数据帧或丢弃，或解析下发到下属RTU，或者根据 从载波机的当前网络路径信息重建路由路径，生成载波通信数据帧进行中 继转发。本发明的中压配电网电力线载波通信系统，在载波组网中，引入 系统动态路由算法，主载波机按一定时间间隔启动建立网络路径信息，在 所述从载波网络路径信息模块及所述主载波网络路径信息模块中建立动态 网络路径信息，主载波机、从载波机根据动态网络路径信息，重建路由路 径，生成载波通信数据帧，发送到电力线上，每个从载波机都可以充当中 继的功能，从而可以在同一个主载波机网络中启用多条备用信道，增加了 中压配电网电力线载波通信系统的可靠性，并能实现SCADA和RTU之间点 对点的通信。