电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式传输模拟或数字信号的一种通信技术[1]。低压电力线作为数据传输通道，具有实施方便、抗破坏力强、无需另外架设通信媒介等优点，在自动抄表系统中的应用越来越广泛[2]。然而，电力线最初的设计是以传输电能为目的，存在各种可变的强电磁干扰，信号传输时容易发生畸变，在接收端信号的准确接收和检测变得困难，从而影响了抄表的范围和准确性。在实际应用中，需要通过中继技术来解决这些问题。本文采用具有智能中继功能的青岛东软载波通信模块[3]和抄控器，结合软件上的动态路由算法，设计了一种基于动态中继技术的电力载波抄表系统，有效弥补了现有载波通信系统中存在的不足。
1 电力载波抄表系统组成
    电力载波抄表系统主要由传输信道、主站、集中器、载波电表组成，其结构如图1所示。

    传输信道由两部分组成：主站与集中器构成上行通信，采用星型结构进行数据采集，即一个主站管理多个集中器，通信信道以GPRS、CDMA、PSTN等为主，可靠性高；集中器与载波电表构成下行通信，采用网状结构进行数据采集，即一个集中器管理多个载波电表，各载波电表之间也可以相互传输数据，通信信道采用低压电力线，传输方式为半双工，具有实施方便、安全性好、便于维护等优点。
    主站完成用户电表数据的定时或即时抄收[4]，管理集中器的数据通信和操作，完成数据的集中处理，包括存储、运算等。面向供电局或物业管理部门可具有报表统计、电费票据打印、用电曲线绘制、实时数据及重点用户监测、电能异常分析、自动故障报警等功能。
    集中器完成的工作是通过上行信道接受主站的抄收指令，通过下行信道向载波电表发送命令，设置载波电表的相关参数或抄读其各项数据，再将抄到的数据传回主站。
　　载波电表完成用户用电数据的记录工作，并在接受到抄收命令时将数据传输给集中器，同时各电表之间可以通过载波模块相互转发数据，例如某个电表作为中继时，可转发集中器的抄收命令。
2  电力载波抄表系统的设计难点和解决方法
2.1 设计难点
    由于电力线信道环境的特殊性，信号传输时容易发生畸变，在接收端信号的准确接收和检测变得困难，使得电力载波抄表系统存在抄表范围小、距离短、通信成功率低等问题。解决电力线上的信号干扰，同时合理地选择中继路径，就能有效提高通信的可靠性，这也是设计的难点所在。
2.2 解决方法
    本文采用基于青岛东软载波通信芯片PLCI36G-III-E的载波模块进行通信，能够较好保证载波信号的准确接收和检测。PLCI36G-III-E是专门为电力线介质作为通信信道而设计的载波通信芯片，采用扩频通信技术、BFSK调制以及高效率的前向纠错和节点帧中继转发机制，支持7级路由深度，其应用协议完全兼容于DL/T645-1997规范和DL/T645-2007规范。同时，集中器不能直接抄收的用户电表，可以通过位于集中器与该用户模块之间的某用户模块或专用中继器进行数据转发，以保证抄表的覆盖率。
　基于上述条件，设计重点便在于如何合理地选择中继路径，建立抄表的最优路由, 从而提高抄表成功率。
3 动态中继设计思路和路由算法描述
3.1 动态中继设计思路
　早期的电力载波抄表工程范围小、用户少，多采用固定中继方式，即人工设定某专用中继器或用户模块通过特定的路径进行信号转发。这种方式最大的缺点是不能随信道环境变化和抄收情况进行中继设备和中继路径的自适应性调整，而且一旦中继设备故障，整个抄收过程将受到严重影响，越来越不能满足抄表工程量增多的需要。
    本文基于具有智能中继功能的载波模块，设计了一种动态的中继方法。将集中器和各载波模块分别作为根节点和子节点，建立成一个树状的查询结构来实现自动路由，如图2所示。第一层的i个模块节点和集中器直接通信，即直抄电表；第二层的j个模块节点通过第一层的部分模块节点转发数据和集中器间接通信，即需要通过一级中继来抄收；第三层的模块节点通过第一、二层的部分模块节点和集中器间接通信，即需要通过二级中继来抄收；后面的各层依此类推，最大中继深度可达7级，实际应用中最多3级中继就能实现全部抄收。集中器对各载波电表的抄收过程相当于树的根节点对其子节点的遍历轮询。

3.2 路由算法描述
     路由算法是实现动态中继的关键，包括路由表建立和路由表维护两部分。
    （1）路由表建立
     第一次开始抄表工作时需根据抄表情况选择中继路径，建立路由表。集中器接到主站抄收命令时，先对所有电表进行直抄，记录能成功抄到的电表地址，作为非直抄表的一级中继；集中器再次发命令抄收剩余电表，依次通过每个无中继表给各剩余电表转发数据，记录能成功抄到的电表地址和抄收时间，作为剩余电表的二级中继，如果有几个一级中继表可以抄到同一块表，则选择抄收时间最短的路径作为电表的最优路由。以此为循环，利用排列组合方法穷举测试，直到所有电表抄收成功，路由表建立完成。再次抄表时按已建立的路由表依次抄收无中继电表，带一级中继的电表，带二级中继的电表等。以带二级中继电表的抄收为例，流程图如图3所示。

    (2)路由表维护
　 由于电力线信道环境的时变性，路由表中存储的某些路径很有可能变得无效，此时需要为部分电表寻找新的路径来抄收，这就是路由表的维护。具体过程为：集中器收到主站抄收指令时，首先按建立的路由表进行抄收，路径已无效的电表数据将无法抄回；然后集中器按顺序直抄所有未抄到的电表，如成功抄到则保存新路径；如果还有未抄到的表，将所有抄到的无中继电表作为剩余电表的一级中继来抄收，如成功抄回则保存新的路径；如果还有未抄到的表，则将所有抄到的带一级中继电表作为剩余电表的二级中继来抄收，如成功抄回则保存新路径。依此类推，直到所有电表抄收成功，完成路由表的更新。以带二级中继电表的抄收为例，流程图如图4所示。

4 系统总体设计的实验方案
4.1 系统结构
   PC机作为系统主站上位机，用青岛东软的多功能电表通信协议调试器软件发送抄表指令，基于S3C2440的友善之臂实验板作为集中器， 基于PLCI36G-III-E的载波模块和配套使用的抄控器完成载波信号的发送和接收，带载波模块的载波电表若干，在PC机超级终端显示抄收情况，结构如图5所示。

4.2 载波通信协议
　本文采用基于PLCI36G-III-E应用的载波数据通信协议，包括基本帧和中继转发帧两种格式。
   (1)基本帧格式
　PLCI36G-III-E应用通信协议的基本数据帧在保留所有DL/T645-1997/2007协议条款的基础上，对控制码C进行了重新定义，以便使帧格式能够支持对中继转发的控制，具体帧格式如表1所示。

   (2)中继转发帧格式
　PLCI36G-Ⅲ-E采用一种确定性的中继转发机制，即通过指定中继转发路由表来实现帧中继功能。中继转发帧格式保持与基本帧格式一致的原则，其区别在于附加了中继路由表字段，且控制字码C中定义了中继转发级别，如图6所示。

    对于中继转发帧，根据中继级别的不同，信息字段可包含0个或多个中继转发站的地址和一个目的地址。主站发出的中继转发帧格式中的地址域字段是一级中继转发站地址，控制码的中继级别是本次帧中继转发的最大级别，中继路由表的大小由中继级别决定，其中至少有一个是目的站地址，且最大是7个站地址。对于一级中继转发帧，中继路由表仅有目的站地址一项。具体帧格式如表2所示。

4.3 集中器应用程序设计
   集中器的应用程序包括初始化程序、上行通信程序、下行通信程序、路由算法程序等，主程序流程图如图7所示。

4.4 实验方法及结果分析
　系统的初期测试采用以下方法：(1)直抄测试：将各载波电表与抄控器接在同一插排，保证通信距离。多次统计结果表明，抄收成功率为100%。(2)一、二级中继测试：先将一部分电表接于插排，待集中器直抄结束并开始尝试进行一级中继抄收剩余电表时，再将一部分电表接上，待集中器一级中继抄收结束并开始尝试进行二级中继抄收剩余电表时，把剩下的电表接上。多次统计结果表明，抄收成功率也为100%。(3)综合测试：将各载波电表与抄控器接于室内多个插座处，进行自动抄收。多次统计结果表明，抄收成功率达99.8%。
    本文针对电力线信道环境的特殊性，设计了一种基于动态中继技术的电力载波抄表系统。实验数据表明，该系统可以根据信道环境的状态变化，合理地选择抄表路径，通信效果良好，有效保证了抄表成功率。本文的设计方法也可应用到水表、煤气表的自动抄收系统中，为各自动抄表领域抄收成功率的提高和抄收范围的扩大提供了一种可行的解决方案。
参考文献
[1] 侯思祖, 杨丽, 郝建国.电力线载波自动抄表系统网络结构的研究[J].电力科学与工程,2008,24(6):1-4.
[2] 赵宇明,郭静波,王赞基,等.多导体电力电缆载波通信中的频谱优化方法[J].中国电机工程学报,2007,27(13):41-
47.
[3] 青岛东软电脑技术有限公司.PLCI36G-III-E电力线载波扩频通信芯片-通信协议指南.2010.
[4] 胡云.几种电能表远程抄表系统的分析与比较[J].低压电器,2009(8):27-30.