基于高性能载波控制技术的三相表宽带载波通信模块技术领域
本发明涉及一种基于高性能载波控制技术的三相表宽带载波通信模块。
背景技术
电力用户用电信息采集系统的建设是当前国家电网公司重点实施工作之一。国家
电网公司于2008年提出要求建设“全采集、全预付费、全覆盖”的居民电量远程采集系统，并
提出建设“智能电网”的设想。目前世界各国也都在积极发展或大规模开展用电信息采集相
关系统建设，并取得一定效果。“电力用户用电信息采集系统”广泛应用电力线宽带载波通
信技术和光纤通信技术相结合的方案，搭建供电侧与客户侧间的高速、稳定、安全的通信信
息平台，应用海量信息处理技术和实时数据库技术开发了系统主站和高级管理软件，实现
了“信息化、自动化、互动化”的管理和服务。
基于此, 本发明研发一种基于高性能载波控制技术的三相表宽带载波通信模块。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高性能载波控制技术的三相表宽带载波通信模
块， 本发明的目的是这样实现的：所述的基于高性能载波控制技术的三相表宽带载波通信
模块包括设在同一个线路板上的载波信号中心处理模块、中央控制模块、载波耦合电路模
块、电源转换模块、寄存器模块、三相电能表接口电路模块、载波信号调制与解调模块、信号
放大模块等。所述电源转换模块连接380V三相电路；所述电源转换模块电连接中央控制模
块；中央控制模块电连接载波信号中央处理模块；中央控制模块电连接寄存器模块、三相电
能表接口电路模块；所述载波信号中心处理模块通过信号调制与解调模块连接信号放大模
块，信号放大模块与载波耦合电路模块连接；载波耦合电路与380V电路连接;所述的基于高
性能载波控制技术的三相宽带载波通信模块与安装在变压器侧的集中器宽带通信单元进
行通信连接并双向传输数字信号,在用户台变压侧安装的宽带载波集抄系统集中器内安装
有宽带载波通信模块作为信号头端，安装在台区三相电能表模块插槽内的宽带载波通信模
块作为终端，头端与终端之间通过正交频分多路复用技术进行电力线宽带载波通信连接，
从而实现远距离载波数据传输。
与现有技术比较, 本发明使电力部门用电信息采集系统在低压台区侧实现远距
离高速宽带载波数据通信功能，以及多表合一的能源集中抄表系统建设中实现现场表计的
高速载波集中抄表功能。本发明特别涉及通过电力线载波通信方式实现低压居民用电信息
采集系统用户侧的电能量采集装置以及远程集中抄表系统的表计信息采集装置所需的基
于高性能载波控制技术的宽带载波通信单元;采用的高性能载波控制的电力线宽带载波调
制技术，信号抑制控制技术,通信物理带宽最高为4MBps;作为一种改进，所述中央控制模块
电连载波信号中央处理模块，中央控制模块能够实现载波增强算法和实现远距离数据传输
的链路算法。
本发明的优点：具有特殊算法的频分多路复用的宽带载波通信装置，其功能为：
1、模块的入网认证机制
终端模块在与头端模块通讯时具备自动识别认证的能力，能够拒绝非法终端模块的接
入，确保只有合法接入的终端模块才能与头端模块建立安全的通讯链接。
2、读取电表地址并上报机制
载波模块在上电延时约3 秒后，向CPU发送地址请求帧，读取电能表的地址信息。等待
电能表应答延时时间1秒。然后将读取结果 “电能表的地址”向集中器或者主站发送。
3、自动组网机制
头端模块能够创建并维护一个通讯网络。这个网络的创建和维护无需人工干预。具有
自主管理、动态等特性。可支持1000个终端连接数，最大可支持15级中继。支持多路寻址功
能和动、静态路由功能。
自主管理：当一个载波模块上电并进行注册时，能根据当前电力网络环境情况，决
定是否与头端模块建立直接或间接的通讯链路。如果是后者，网络能为该终端模块选择一
个合适的中级节点模块作为中继与头端模块通讯。
动态：网络会根据当前电力网络环境为终端模块选择最好的通讯链路，并作相应
的改动。比如：当前中继节点不再可用，网络会选择其他的中继节点模块作为它的中继。该
功能使得整个通讯网络在不同时刻可能具有不同的树形拓扑结构。
4、数据加密机制
加密方法能够支持AES/3DES/DES加密机制。终端模块上线过程中，获取网络加密密钥，
密钥的获取需要加密。终端模块上线后，所有的数据通讯需要通过加密算法进行加密。
5、模块支持4级QoS，满足不同业务的服务质量需求。
附图说明
图1为本发明的固件架构图。
图2为通讯接口逻辑架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图1所示，本发明的基于高性能载波控制技术的三相表宽带载波通信模块包括设在
同一个线路板上的载波信号中心处理模块、中央控制模块、载波耦合电路模块、电源转换模
块、寄存器模块、三相电能表接口电路模块、载波信号调制与解调模块、信号放大模块等。所
述电源转换模块连接380V三相电路；所述电源转换模块电连接中央控制模块；中央控制模
块电连接载波信号中央处理模块；中央控制模块电连接寄存器模块、三相电能表接口电路
模块；所述载波信号中心处理模块通过信号调制与解调模块连接信号放大模块，信号放大
模块与载波耦合电路模块连接；载波耦合电路与220V/380V电路连接。在用户台变侧安装的
宽带载波集抄系统集中器内安装有宽带载波通信模块作为信号头端，安装在电能表侧（包
括三相智能电能表、三相智能电能表、采集器）的宽带载波通信模块作为终端，头端与终端
之间通过特殊算法的正交频分多路复用技术进行电力线宽带载波通信，从而实现远距离载
波数据传输。
所述的用户电能表和宽带载波集抄系统集中器为现有技术。
所述的宽带载波通信模块的通信物理带宽为4MBps。宽带载波集抄系统集中器以
下简称“集中器”，宽带载波通信采集器以下简称“采集器”。
系统架构与功能
基于高性能载波控制技术的宽带载波通信模块构建的宽带载波集抄系统，具有树形通
讯架构。具有高带宽、自动组网、自动中继、电表地址自动上报等特点。
1、组网架构
与通常意义上的载波通讯方案类似，本方案的头端模块（即宽带载波通信模块-头端）
插入集中器侧，电表模块插入采集器或三相智能电表侧（即宽带载波通信模块-终端）。双方
通过电力线载波信号进行通讯。
2、系统固件
如图1所示，本发明设计的固件以模块化构建，固件包含多个子模块。各个子模块还包
含各自的子模块。有些模块作为通用模块存在于宽带载波通信模块-终端和宽带载波通信
模块-头端的固件中，有些只存在于宽带载波通信模块-头端中，有些只存在于宽带载波通
信模块-终端中。这些模块主要包括：MAC访问控制模块、PL PHY驱动模块、UART PHY驱动模
块、以太网驱动模块、通讯抽象层模块、汇聚模块、网桥模块、应用管理模块等。
3、MAC访问控制
CSMA/CA
MAC层从上层应用接收MAC业务数据单元(MSDU)报文，经分割及加密处理后将数据以
MAC协议数据单元(MPDU)方式提交给物理层。
MAC层提供数据传输使用的信道访问方法，包括CSMA和TDMA两种模式。CSMA使用载
波监听/冲突避免（CSMA/CA）机制访问信道。
CSMA/CA机制采用冲突避免及遇忙随机退避方式实现线路共享。系统可以区别对
待高优先级业务，CSMA/CA定义多个优先级。
支持数据分段和重组，提高数据传输效率。
CSMA/CA机制应符合IEEE 1901-2010相关要求。
4、优先级竞争
载波模块在优先级解析时间片内，通过特殊声明自身待发送数据的优先级。该特殊声
明信号经特别调制，可有效克服多设备信号干扰及传输延迟问题。
5、随机冲突退避机制
随机冲突退避机制应和优先级竞争结合使用。
通过优先级竞争，仅最高优先级的设备获得数据发送竞争机会。获得发送竞争机
会的设备在发送数据时，若检测到线路冲突，则回退一个随机时间再尝试发送。该随机时间
取值范围为从0到竞争窗口尺寸大小。竞争窗口尺寸可根据网络业务流量及业务优先级调
整。
6、鲁棒模式
为提高信道在嘈杂网络环境下的可靠传输，本方案使用ofdm标准定义的鲁棒模式。
使用鲁棒模式，将传输的内容拷贝多份，分别在多个信道上传输。即使有若干信道
因噪声问题使得数据传输失败，只要有一个信道良好，数据最终将成功的发动到接收端。
7、网桥
网桥是实现两个不同类型网络间MAC层数据相互交换的有效方法。在本方案中，由于宽
带载波模块头端同时连接了以太网和电力网，所以 宽带载波模块头端必须具有网桥功能，
而宽带载波模块终端不需要该功能。网桥必须支持至少32个桥接的MAC地址，使用源地址路
由算法。下面以宽带载波模块头端为描述对象来讲述如何实现网桥功能。
8、网桥功能描述
宽带载波模块头端具有学习源地址的能力。本地需要维护一张“本地的桥接网络目的
MAC地址表格”（LBDAT），用于保存由源地址学习到的MAC地址，也就是保存以太网中的MAC地
址。这张表需要定期的发送给AVLN中的其他宽带载波模块终端。
当宽带载波模块头端收到来自电力网的报文时，需要转发该报文到以太网，当且
仅当：
该报文的目的MAC地址为广播或多播地址
该报文的目的MAC地址为单播地址，且它不是电力网中的某个宽带载波模块终端的MAC
地址。
当宽带载波模块头端收到来自以太网的报文时，需要转发该报文到电力网，当且
仅当：
该报文的目的MAC地址为广播或多播地址，宽带载波模块头端发送目的TEI为广播TEI
的报文。
该报文的目的MAC地址为单播地址，且它是电力网中某个宽带载波模块终端的MAC
地址，宽带载波模块头端发送目的TEI为这个宽带载波模块终端的TEI的报文。
该报文的目的MAC地址为单播地址，且它是未知的，宽带载波模块头端发送目的
TEI为广播TEI的报文。
该报文的目的MAC地址为单播地址，且它是另一个桥接网络中的MAC地址，宽带载
波模块头端发送的报文中，目的TEI为桥接该网络的宽带载波模块终端的TEI。
宽带载波模块终端由于没有桥接的网络，所以它没有LBDAT，或者说它的LBDAT为
空。
9、模块固件接口描述
根据不同的应用场景，系统会跟不同的传输介质相连，包括电力线、以太网线、串口
（UART、485）线等。这样，就需要有对应的数据包收发模块。对于这么多的与特定介质相关的
数据包收发模块，我们可以抽象出相同的部分，形成了“抽象通讯接口”。这样，系统上层不
用具体了解传输介质的特定信息，就可以进行简单的数据收发工作。而特定传输介质的操
作部分，由各个驱动模块负责处理。图2描述了通讯接口的逻辑架构。
基于高性能载波控制技术的宽带载波通信模块单元特性为：
1、物理层峰值速率 14Mbit/s；应用层峰值速率 3Mbit/s；芯片工作功耗≤200mW。
2、工作频率范围 2MHz～12MHz；采用特殊OFDM 技术，子载波支持BPSK、QPSK、
8QAM、16QAM、64QAM 调制；子载波自适应调制技术；支持FEC和CRC功能，具备强大的去噪和
纠错能力，针对复杂电力信道设计的高鲁棒性帧结构。
3、支持ITU-G.9972 ISP 协议，与家庭互联设备共存；支持多台变共存、避免串扰
情况发生。
电力线载波通讯技术，是一种通过电线进行数据传输的通信技术。载波通信指是
利用现有电网作为信号的传递介质，使电网在传输电力的同时可以进行数据信号传输。这
种方式能够有效监测和控制电网中的电力设备、仪表以及家用电器。同时，电力线载波技术
即插即用，大大提高了生产、工作和生活效率，在很大程度上节约了布线施工成本；上述种
种特点及优势使其相比较其它通讯方式更胜一筹。
本基于高性能载波控制技术的三相表宽带载波通信模块模块具有一个MII接口，
支持10/100Mbit/s网络扩展；一个SPI Master/Slave 接口；四个UART接口；一个红外接口；
一个I2C接口。
本基于高性能载波控制技术的三相表宽带载波通信模块的通信物理层传输带宽
为2M～12M，物理层传输速率为150Kbit/s～14Mbit/s；应用层速率35Kbit/s～4Mbit/s。载
波信号传输距离不低于300米。
(本文未详细说明的均为现有技术，故不在此展开复述，本技术领域技术人员根
据上面描述可以实现本发明的目的)。