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摘要：
本文讨论了近年来自动抄表（AMR）技术的发展，描述了IEC62056规范中对PLC技术的支持，并详细描述了S-FSK电力线载波通信技术的实现原理。
关键字：
IEC62056，IEC61334，PLC电力线载波通信技术，S-FSK电力线载波通信技术
【分类号】：TG333.7
前言：
随着现代通信技术、计算机技术的发展，信号处理、自动化控制技术得到了巨大的发展。电力系统（发电、输电、供电）正在面临着前所未有的现代化变革，中低压综合管理自动化控制系统的研制成功，为真正实现高、中、低压电网的全区域全时段自动化实时控制和电网企业的现代化变革铺平了道路，越来越多的新技术应用于自动抄表系统，它们能够降低设备成本，提高可靠性﹑准确性和抄表效率已展现出十分广阔的应用前景。
本文将详细介绍IEC62056系列标准中对PLC载波通信技术的支持方案。
低压载波通信在IEC62056协议层上的实现：
IEC62056是分层结构的协议体系，遵循OSI开放系统互联协议模型，并根据电能测量的具体应用，典型地定义了面向连接的基于HDLC数据链路层的三层增加性能协议栈；以及基于互联网应用的TCP-UDP/IP栈。
IEC62056基于CO-HDLC的3层协议栈，是取用了HDLC标准的子集，并且针对COSEM应用环境做了一些限定与改进。在IEC62056标准中，HDLC（高级数据链路控制）数据链路层中的LLC（逻辑链路控制）子层规范是基于ISO/IEC 8802-2中定义的LLC类型，它通过具有最简单协议的数据链路来提供无连接服务。在面向连接的协议集中出现这一子层具有一定的人为性。
IEC62056是面向连接的（CO-）协议栈，其LLC子层只是用作一种选择器，而“真正”的数据链路层功能是由MAC子层来完成的。
集中器与电能表间采用IEC62056标准的客户机/服务器通信架构，集中器是客户机、各电表是服务器。而抄表主机与集中器间仍然采用IEC62056标准的客户机/服务器通信架构，抄表主机是客户机而集中器充当COSEM服务器。这种系统结构中，集中器的角色是双重的。当与表通信时充当COSEM客户机，而与主站通信时则充当COSEM服务器。在集中器中除了管理逻辑设备外，针对下属每个表计构建一个逻辑设备。至于各逻辑设备与物理表计的对应关系可以由逻辑设备标识名（OBIS代码）确定。
载波通信协议与抄表通信协议（可以是dlms，也可以是其它抄表协议）是2个不同层面的协议。
使用低压载波通道的自动抄表（AMR）系统中，理想的做法应是：载波通道的通信协议与抄表协议是分开的两个协议。这两个协议之间需要一个接口，接口内容包括：通道通信相关参数的设置、通道状态的反馈等等。对于抄表通信协议而言，载波通道的通信在设定的参数下提供透明的数据传输。至于载波通道通信的可靠性则由载波通道通信协议来保障。这样做载波通信的就专注于载波通信的可靠性，包括配网拓扑分析与路由算法等，它与具体的抄表通信协议关系不是很大。
IEC62056中的PLC S-FSK 协议：
PLC技术从上世纪二十年代开始已经经历了很长的发展历史，但是由于电力线是最不稳定、干扰最大、最困难的有线通信媒介，极大地限制了它的应用频带和传输速率，所以一直未发展成熟。长期以来，电力线通信技术只是局限在与电网调度管理相关的特定专业市场应用。直到最近几年，由于宽带技术的发展及市场竞争的推动，更由于新的调制技术、DSP技术及新型PLC专用成套芯片的出现，才带来新的应用和解决方案。PLC新应用领域主要有两个，其一是利用家庭中的电源插座进行组网的不重新布线的“家庭网络”，其二是利用中、低压电力配线网传输宽带信号的“最后一公里接入”。
IEC62056规定了DLMS/COSEM PLC S-FSK 协议。采用了IEC 61334 系列标准并对这些标准进行了部分扩充。
参考模型：
DLMS/COSEM PLC S-FSK 通信协议的参考模型如图1 所示。它是基于一个简化的或拆分的三层OSI 结构，各层分别为物理层（Physical Layer）、数据链路层（Data Link Layer ）和应用层（Application Layer），数据链路层分为 MAC子层和 LLC 子层。
图1：DLMS/COSEM S-FSK PLC通信协议
增加的应用服务单元（CIASE）服务：
发现（Discover）服务；
注册（Register）服务；
呼叫（PING）服务；
转发器呼叫（RepeaterCall）服务；
清除报警（ClearAlarm ）服务。
S-FSK调制和解调技术：
在IEC62056的绿皮书（DLMS UA 1000-1 Ed. 10.0：2010， COSEM Interface Classes and the OBIS Identification System， the "Blue Book"）中描述的S-FSK技术是一种调制和解调技术，它结合了传统的扩频系统的一些优点（如：对窄带干扰的抗扰性强）和传统的移频键控系统的优点（简单，易实现）。
扩频移频键控（SFSK）原理：
信号发送机指定空号频率fS为“数据0”，传号频率fm为“数据1”。 S-FSK和传统FSK的区别在于fS和fm彼此的距离拉远（“扩展”）。通过增大空号频率信号和传号频率信号的距离，使它们的传输质量互相独立（这两个频率点的窄带的午扰强度和信号衰减都互相独立）。
接收机在两个可能的频率（半通道，half-channels）上执行常规的FSK解调，产生了两个解调信号ds和dm。如果这两个半通道的平均接收质量相近（见图1），码元判决根据两个解调信号的高低做出判断（若ds>dm，则为“数据0”；若ds < dm，则为“数据1”）。但如一个半通道的平均接收质量明显好于另一个（见图2），则决策单元以较好的解调信号与门限信号T作比较，忽略质量差的解调信号。
接收质量的衡量和门限值计算可依据一个预定义的前导码，它在实际数据帧的传输之前发送。
图2：空号信号和传号信号的质量相近
图3 传号信号的质量明显优于空号信号
扩频：
频率偏移|fm-fS|的绝对值应能使fm和fS频率处信号传输质量彼此独立。考虑到在IEC 61334-1-4中介绍的测量值，建议使用|fm-fs|>10kHZ。fm和fS应位于EN 50065-1标准定义的频带内。
总结
电力线载波技术是电网数据通信中发展最快的技术，通过自由路由技术，增强了通信的抗干扰能力，无须人工干预，延长了信号的传输距离，节约了通信通道的重复建设费用。解决了RS485总线现场施工困难、工作量大，通信信道易受破坏，后期维护费用高，采集终端安装维护困难问题。电力线载波技术在IEC62056中使用是技术发展的必然。
参考文献：
本文讨论了近年来自动抄表（AMR）技术的发展，描述了IEC62056规范中对PLC技术的支持，并详细描述了S-FSK电力线载波通信技术的实现原理。
关键字：
IEC62056，IEC61334，PLC电力线载波通信技术，S-FSK电力线载波通信技术
【分类号】：TG333.7
前言：
随着现代通信技术、计算机技术的发展，信号处理、自动化控制技术得到了巨大的发展。电力系统（发电、输电、供电）正在面临着前所未有的现代化变革，中低压综合管理自动化控制系统的研制成功，为真正实现高、中、低压电网的全区域全时段自动化实时控制和电网企业的现代化变革铺平了道路，越来越多的新技术应用于自动抄表系统，它们能够降低设备成本，提高可靠性﹑准确性和抄表效率已展现出十分广阔的应用前景。
本文将详细介绍IEC62056系列标准中对PLC载波通信技术的支持方案。
低压载波通信在IEC62056协议层上的实现：
IEC62056是分层结构的协议体系，遵循OSI开放系统互联协议模型，并根据电能测量的具体应用，典型地定义了面向连接的基于HDLC数据链路层的三层增加性能协议栈；以及基于互联网应用的TCP-UDP/IP栈。
IEC62056基于CO-HDLC的3层协议栈，是取用了HDLC标准的子集，并且针对COSEM应用环境做了一些限定与改进。在IEC62056标准中，HDLC（高级数据链路控制）数据链路层中的LLC（逻辑链路控制）子层规范是基于ISO/IEC 8802-2中定义的LLC类型，它通过具有最简单协议的数据链路来提供无连接服务。在面向连接的协议集中出现这一子层具有一定的人为性。
IEC62056是面向连接的（CO-）协议栈，其LLC子层只是用作一种选择器，而“真正”的数据链路层功能是由MAC子层来完成的。
集中器与电能表间采用IEC62056标准的客户机/服务器通信架构，集中器是客户机、各电表是服务器。而抄表主机与集中器间仍然采用IEC62056标准的客户机/服务器通信架构，抄表主机是客户机而集中器充当COSEM服务器。这种系统结构中，集中器的角色是双重的。当与表通信时充当COSEM客户机，而与主站通信时则充当COSEM服务器。在集中器中除了管理逻辑设备外，针对下属每个表计构建一个逻辑设备。至于各逻辑设备与物理表计的对应关系可以由逻辑设备标识名（OBIS代码）确定。
载波通信协议与抄表通信协议（可以是dlms，也可以是其它抄表协议）是2个不同层面的协议。
使用低压载波通道的自动抄表（AMR）系统中，理想的做法应是：载波通道的通信协议与抄表协议是分开的两个协议。这两个协议之间需要一个接口，接口内容包括：通道通信相关参数的设置、通道状态的反馈等等。对于抄表通信协议而言，载波通道的通信在设定的参数下提供透明的数据传输。至于载波通道通信的可靠性则由载波通道通信协议来保障。这样做载波通信的就专注于载波通信的可靠性，包括配网拓扑分析与路由算法等，它与具体的抄表通信协议关系不是很大。
IEC62056中的PLC S-FSK 协议：
PLC技术从上世纪二十年代开始已经经历了很长的发展历史，但是由于电力线是最不稳定、干扰最大、最困难的有线通信媒介，极大地限制了它的应用频带和传输速率，所以一直未发展成熟。长期以来，电力线通信技术只是局限在与电网调度管理相关的特定专业市场应用。直到最近几年，由于宽带技术的发展及市场竞争的推动，更由于新的调制技术、DSP技术及新型PLC专用成套芯片的出现，才带来新的应用和解决方案。PLC新应用领域主要有两个，其一是利用家庭中的电源插座进行组网的不重新布线的“家庭网络”，其二是利用中、低压电力配线网传输宽带信号的“最后一公里接入”。
IEC62056规定了DLMS/COSEM PLC S-FSK 协议。采用了IEC 61334 系列标准并对这些标准进行了部分扩充。
参考模型：
DLMS/COSEM PLC S-FSK 通信协议的参考模型如图1 所示。它是基于一个简化的或拆分的三层OSI 结构，各层分别为物理层（Physical Layer）、数据链路层（Data Link Layer ）和应用层（Application Layer），数据链路层分为 MAC子层和 LLC 子层。
图1：DLMS/COSEM S-FSK PLC通信协议
增加的应用服务单元（CIASE）服务：
发现（Discover）服务；
注册（Register）服务；
呼叫（PING）服务；
转发器呼叫（RepeaterCall）服务；
清除报警（ClearAlarm ）服务。
S-FSK调制和解调技术：
在IEC62056的绿皮书（DLMS UA 1000-1 Ed. 10.0：2010， COSEM Interface Classes and the OBIS Identification System， the "Blue Book"）中描述的S-FSK技术是一种调制和解调技术，它结合了传统的扩频系统的一些优点（如：对窄带干扰的抗扰性强）和传统的移频键控系统的优点（简单，易实现）。
扩频移频键控（SFSK）原理：
信号发送机指定空号频率fS为“数据0”，传号频率fm为“数据1”。 S-FSK和传统FSK的区别在于fS和fm彼此的距离拉远（“扩展”）。通过增大空号频率信号和传号频率信号的距离，使它们的传输质量互相独立（这两个频率点的窄带的午扰强度和信号衰减都互相独立）。
接收机在两个可能的频率（半通道，half-channels）上执行常规的FSK解调，产生了两个解调信号ds和dm。如果这两个半通道的平均接收质量相近（见图1），码元判决根据两个解调信号的高低做出判断（若ds>dm，则为“数据0”；若ds < dm，则为“数据1”）。但如一个半通道的平均接收质量明显好于另一个（见图2），则决策单元以较好的解调信号与门限信号T作比较，忽略质量差的解调信号。
接收质量的衡量和门限值计算可依据一个预定义的前导码，它在实际数据帧的传输之前发送。
图2：空号信号和传号信号的质量相近
图3 传号信号的质量明显优于空号信号
扩频：
频率偏移|fm-fS|的绝对值应能使fm和fS频率处信号传输质量彼此独立。考虑到在IEC 61334-1-4中介绍的测量值，建议使用|fm-fs|>10kHZ。fm和fS应位于EN 50065-1标准定义的频带内。
总结
电力线载波技术是电网数据通信中发展最快的技术，通过自由路由技术，增强了通信的抗干扰能力，无须人工干预，延长了信号的传输距离，节约了通信通道的重复建设费用。解决了RS485总线现场施工困难、工作量大，通信信道易受破坏，后期维护费用高，采集终端安装维护困难问题。电力线载波技术在IEC62056中使用是技术发展的必然。
参考文献：