利用低速電力線技術建置校園安全與負載管理機制

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(1)國立交通大學工學院產業安全與防災學程. 碩士論文. 利用低速電力線技術建置校園安全與負載管理機制 Utilize the communication technology of low speed power line to construct the system of campus security and load administrative department. 研究生: 指導教授:. 李自忠張翼. 教授. 中華民國九十四年五月.

(2) 利用低速電力線技術建置校園安全與負載管理機制 Utilize the communication technology of low speed power line to construct the system of campus security and load administrative department 研究生:. 李自忠. student：Tzu-Chung Lee. 指導教授:. 張. advisor：Yi Chang. 翼. 國立交通大學工學院產業安全與防災組碩士論文 A Thesis Submitted to Degree Program of Industrial Safety and Risk management College of Engineering National Chiao Tung University In partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science In Industrial Safety and Risk Management May 2005 Hsinchu，Taiwan，Republic of China. 中華民國九十四年五月 ii.

(3) 中文摘要. 利用低速電力線技術建置校園安全與負載管理機制. 學生：李自忠. 指導教授：張翼教授. 國立交通大學產業安全與防災組在職專班. 摘要建置校園安全與負載管理機制，係結合安全系統及電力監控系統兩大系統，主要通訊方式電力線通訊(Power Line Communication），智慧型網路分散式架構集中式管理，以既有電力線作為傳輸媒體，以 AMR 組件作為校園安全系統及負載管理設備直接控制單元，建置校園安全系統並衍生附加價值產品，控制數量龐大小型負載設備控制機制，同時實現校園安全及負載管理目的，達成校園安全無死角及抑制尖峰需量降低單位用電成本目標。本研究將以工研院研發電子電表（AMR）元件，經由低速率電力線載波技術，整合校園安全系統及電力監控系統，針對（校園安全與負載管理機制）提出構想及實現方案，並以學生宿舍及教學大樓作為實施標的並分析兩者不同性質館舍結果，提出低速電力線傳輸技術應用在安全系統及負載管理系統上差異性及改善建議。. ii.

(4) 英文摘要. Utilize the communication technology of low speed power line to construct the system of campus security and load administrative department student：Tzu-Chung Lee. advisor：Dr. Yi Chang Abstract. In order to establish the mechanism of campus security and loading management, it is critical to combine the security system and the electric monitor system. The main communication method is Power Line Communication and Intelligent Network which is dispersing framework and centralizing management. It utilizes the existing power lines as transmitting media and uses AMR components to be the direct control unit to establish campus security system and derives additional value products. In addition, it controls a great quantity of controlling mechanism of small-scale loading equipment, and makes the purpose of campus security and electric loading management to be realized. It will reach the purpose of an no danger area campus and suppressing the quantity of peak demand for electric and lowering down the cost of power consuming per unit. This research will utilize ARM components developed by Industrial Technology Research Institute, by using the low speed power lines signal carrier technology, combining the security system of campus and power monitoring system. In addition, submit doable proposals and put it into practice in students’ dormitories and buildings on campus. Then, analyze the results of the two kinds buildings. In this paper, it is shown that low speed power line transmitting technology applying to the security system and loading management , and providing suggestion for improvement.. iii.

(5) 誌謝首先要感謝我的指導教授張翼博士，在研究求學期間指導，並感謝工學院專班授課諸位老師指導我做研究方法及知識。研究期間感謝工研院能資所方經理、鍾先生、陳先生；交大同事葉武宗先生、劉興淦先生，工學院郭小姐、戰小姐；同窗好友文棋、益滽、心怡相互勉勵給予協助及指導，使實驗順利完成階段性任務，還有感謝許許多多協助我的先進們，在此真心謝謝你們。最後要感謝的是在背後全力支持我的內人惠美，在我求學及論文寫作期間細心照顧家庭與教導求學中小孩文竣及家華，讓我無後顧之憂，可以全心投入研究及論文寫作工作，在此謹以本論文獻給所有關心我支持我幫助我的朋友。. iv.

(6) 目錄中文摘要 -------------------------------------------------------------------------------------------ii 英文摘要 ------------------------------------------------------------------------------------------ iii 誌謝 ------------------------------------------------------------------------------------------------ iii 目錄 ------------------------------------------------------------------------------------------------- v 表目錄 -------------------------------------------------------------------------------------------- vii 圖目錄 ------------------------------------------------------------------------------------------- viii 第一章研究動機與目的 ------------------------------------------------------------------- 1 1.1 研究動機 ---------------------------------------------------------------------------- 1 1.2 研究目的 ---------------------------------------------------------------------------- 2 第二章文獻回顧 ---------------------------------------------------------------------------- 3 2.1 通訊技術概述 ---------------------------------------------------------------------- 3 2.2 無線通訊技術 ---------------------------------------------------------------------- 3 2.2.1 藍芽技術簡介 ---------------------------------------------------------------------- 3 2.2.2 HomeRF 簡介------------------------------------------------------------------------- 4 2.2.3 IEEE 02.11 簡介------------------------------------------------------------------- 5 2.2.4 UWB 簡介 ----------------------------------------------------------------------------- 6 2.3 有線通訊技術 ---------------------------------------------------------------------- 7 2.3.1 X-I0 簡介---------------------------------------------------------------------------- 7 2.3.2 CEBus 簡介 -------------------------------------------------------------------------- 8 2.3.3 LonWork 簡介 ----------------------------------------------------------------------- 9 2.4 安全系統 ---------------------------------------------------------------------------- 9 2.4.1 消防系統 -------------------------------------------------------------------------- 10 2.5 負載管理 -------------------------------------------------------------------------- 14 2.5.1 契約需量 -------------------------------------------------------------------------- 14 2.5.2 電費計算 -------------------------------------------------------------------------- 15 2.5.3 最適需量的控制 ----------------------------------------------------------------- 15 第三章電力線通信技術概況------------------------------------------------------------ 16 3.1 電力線通信 ----------------------------------------------------------------------- 16 3.2 低速載波技術使用頻寬--------------------------------------------------------- 16 3.3 電力線傳輸特性與困難--------------------------------------------------------- 17 3.4 電力線通訊干擾 ----------------------------------------------------------------- 18 3.5 高雜訊 ----------------------------------------------------------------------------- 18 3.6 PLC 應用 --------------------------------------------------------------------------- 21 3.7 電力載波晶片 -------------------------------------------------------------------- 22 第四章研究方法 -------------------------------------------------------------------------- 23 4.1 實驗流程圖 ----------------------------------------------------------------------- 23 4.2 研究方法 -------------------------------------------------------------------------- 24 4.3 電子電表系統（AMR） ---------------------------------------------------------- 24 4.3.1 電子電表 -------------------------------------------------------------------------- 25 4.3.2 前端輸出入控制模組------------------------------------------------------------ 25 4.3.3 電力線載波通訊技術------------------------------------------------------------ 26 4.3.4 電力線模組集中器程式架構--------------------------------------------------- 27 v.

(7) 4.3.5 4.3.6 4.3.7 4.3.8 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 4.5.6 第五章. 集中器最佳裝地點分析--------------------------------------------------------- 29 通信品質測試與分析------------------------------------------------------------ 35 長時間電力線通訊成功率測試------------------------------------------------ 41 通訊協定條件與通訊成功率--------------------------------------------------- 41 安全系統規劃 -------------------------------------------------------------------- 47 監視系統 -------------------------------------------------------------------------- 47 門禁管制 -------------------------------------------------------------------------- 47 房間保全系統 -------------------------------------------------------------------- 47 公共空間求救系統 -------------------------------------------------------------- 51 消防系統 -------------------------------------------------------------------------- 51 負載管理 -------------------------------------------------------------------------- 54 負載調查 -------------------------------------------------------------------------- 54 歷史用電資料收集整理--------------------------------------------------------- 57 負載管理機制 -------------------------------------------------------------------- 59 給污水泵浦負載管理------------------------------------------------------------ 62 空調系統負載管理 -------------------------------------------------------------- 63 單機冷氣機負載管理------------------------------------------------------------ 66 結果與討論 ----------------------------------------------------------------------- 69. vi.

(8) 表目錄表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27. 藍芽基本資料.......................................................................................................4 HomeRF 基本資料.................................................................................................5 UWB 基本資料........................................................................................................6 IT800 電力線晶片特性.....................................................................................22 教學大樓電力線通訊測試狀態表.....................................................................30 教學大樓電力線通訊測試狀態表（續一）.....................................................31 教學大樓電力線通訊測試狀態表（續二）.....................................................32 教學大樓集中器位置測試記錄（95/3/4）.....................................................33 教學大樓集中器位置測試記錄（95/3/17）...................................................34 教學大樓集中器位置測試記錄（95/3/17）...................................................35 DI/O 通訊品質統計表（92/11/28-92/12/5） ....................................................36 KWH 通訊品質統計表（92/11/28-92/12/5）..................................................36 DI/O 通訊品質統計表（92/12/11-92/12/12）..............................................37 KWH 通訊品質統計表（92/12/11-92/12/12）................................................37 DI/O 通訊品質統計表（93/1/29-93/1/30）..................................................38 KWH 通訊品質統計表（93/1/29-93/1/30）....................................................38 DI/O 通訊品質統計表（93/10/24-93/10/27）..............................................39 KWH 通訊品質統計表（93/10/24-93/10/27）................................................39 宿舍長時間 KWH 電力線通信成功率統計表.....................................................40 宿舍 4 樓電力網路調查表.................................................................................41 通訊品質統計表名詞定義.................................................................................42 宿舍長時間 DIO 電力線通信成功率統計表.....................................................43 宿舍 4 樓電力網路調查表（整理）.................................................................44 宿舍長時間 KWH 電力線通信成功率統計表.....................................................45 館舍控制負載表（第一層）.............................................................................61 館舍控制負載表（第二層）.............................................................................61 館舍給、污、廢水泵浦數量統計表.................................................................63. vii.

(9) 圖目錄圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41. X-10 代表一以過零位點的 120K 調變信號........................................................8 X-10 信號共計 11 碼............................................................................................8 安全系統以 ARM 為中心系統架構圖.................................................................10 光電式偵煙探測器............................................................................................. 11 光電式偵煙探測器結構圖.................................................................................12 光電式偵煙探測器動作示意圖.........................................................................12 定溫式局限型探測器.........................................................................................13 差動式局限型探測器.........................................................................................13 15 分鐘最高需量................................................................................................15 CENELEC 頻寬允許範圍.....................................................................................17 美國聯邦通訊委員會(FCC) 頻寬允許範圍.....................................................17 開關電源造成基波及高次諧波的廣譜性干擾.................................................19 變頻機造成載波干擾.........................................................................................19 控矽設備造成載波干擾.....................................................................................20 實驗流程圖.........................................................................................................23 電子電表.............................................................................................................24 AMR 基本架構.....................................................................................................24 前端輸出入控制模組程式結構圖.....................................................................26 AMR 前端輸出入控制模組..................................................................................26 電力線通信模組.................................................................................................26 電力線模組集中器程式模組架構.....................................................................28 電力線模組集中器之程式流程圖.....................................................................29 宿舍長時間 DIO 電力線通信成功率統計表.....................................................43 宿舍長時間 KWH 電力線通信成功率統計表.....................................................45 宿舍長時間 DIO/KWH 平均電力線通信成功率統計表.....................................46 房門按鍵式密碼鎖.............................................................................................48 門、窗戶裝設偵測開關.....................................................................................49 基本單元房間保全系統配線接線圖.................................................................49 房間電子電表前端輸出入 DIO 接線圖.............................................................50 校區宿舍用電管理及保全系統整合架構.........................................................50 探測器電力線通信介面（正面）.....................................................................53 探測器電力線通信介面（背面）.....................................................................53 傳統式單一迴路探測器接線法.........................................................................53 電力線消防探測器接法.....................................................................................54 耗能設備容量種類.............................................................................................56 館舍耗能設備統計.............................................................................................56 全年度用電統計表.............................................................................................57 全年度尖離峰需量.............................................................................................57 一周電流曲線圖.................................................................................................58 單日(93/08/25)宿舍用電需量曲線.................................................................58 單日(93/08/26)宿舍用電需量曲線.................................................................59 viii.

(10) 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51. 電力設施監控系統圖.........................................................................................60 需量控制圖層.....................................................................................................60 負載管理前後最高需量曲線.............................................................................62 冰水主機負載監控畫面.....................................................................................64 學校大型離心式冰水主機卸載控制.................................................................65 冰水主機卸載控制信號盤.................................................................................65 冰水主機卸載控制趨勢圖.................................................................................66 冷氣機控制介面與數位輸入／輸出傳輸轉換器 DIO......................................67 冷氣機負載控制施工相片.................................................................................67 冷氣機控制器施工相片.....................................................................................68. ix.

(11) 第一章 1.1. 研究動機與目的. 研究動機近年來學校為提高學術界聲望，研究館舍新建及提供學生良好教學研究品質. 不斷添購研究設備，學校在提供更好的研究環境後，相對電力負載需求日益增高與高電費支出，依據相關統計資料顯示，一所國立綜合性研究大學全年電費已超過一億元以上，學校規模較大者每年電費更可高達二至三億元，用電大幅成長，顯示學校須對電力負載管理提出較佳管理機制及管理方法，不然日後學校將必須面臨另一更大難題，高電費支出及電力尖峰需量、超約罰款，將無法降低單位用電成本，更嚴重會導致用電安全，間接影響學術研究用電需求，依國內相關文獻顯示﹝6﹞，空調設備佔整體用電量 30-40%，學校環境特殊，教學大樓中國際會議廳、階梯教室及禮堂使用大型空調主機，但開機頻率不高，反而屬小空間教室、政辦公室及教授研究室使用大量小型冷氣機為主，依據 92 年間針對研究型大學全校性負載調查報告顯示，小型冷氣機數量可高達 6000-7000 台。校園安全系統概可分為門禁管制、全棟監視、廁所求救系統、實驗室安全系統、房間防盜系統、消防系統等，系統間各自獨立運作系統整合困難，導致管理單位無法即時監控反應，致使校園安全等級降低，無法完全發揮整體安全功能，以目前現存既有早期安全系統 70%以上無網路功能，整合有其實質上困難處，電力線通訊（Power Line Carrier，PLC）是指利用電力線傳輸資料和語音信號的一種通信方式，目前計有 X-10、CEBus、Lonwork、Echonet、Homeplug 等通訊標準，在傳輸速率低於 1200bps 稱為低速 PLC，電力線是一種非常普遍且廣泛存在的網路系統（包括高、中、低壓輸電網），電力線雖是分布廣，同時是最早被想到可作為家庭網路之線路，但電力線環境惡劣，有高雜訊干擾、高訊號衰滅、負載變大等因素使其應用受到限制，目前 PLC 主要應用在自動抄表及家電設備開啟與關閉，利用現有建築物既有的電源線路，作為控制網路具有不需重新佈線不會破壞原有裝潢，布線面積廣等優點，基本校園安全系統及電力負載管理設備所需傳送資料及使用頻率及速度量並不龐大，在眾多網路控制技術當中，以建築物既有電源線路做為低速傳輸之控制網路最為適合，為能同時解決校園安全及電力負載使用管理機制，本研究將以低速電源線控制網路通訊模組，作為建置校園安全系統及電力負載管理機制（冷氣）基礎架構為研究對象，嘗試建構一套可行性的實體驗證環境，並分析實際效能及其特性。 1.

(12) 1.2. 研究目的將深入探討電力線通信優缺點及可行性問題，並以工研究研發之電子電表. AMR 作為各系統的節點，並將各安全系統及電力負載控制設備，類比化處理，藉由電子電表功能（AMR）以電力線通訊，透過電力線網路，傳到集中器收集，再經乙太網路至系統伺服器處理。系統網路通訊將以多層架構方式整合，最下層以既有安全系統通信方式運作，並將安全系統訊號類比化，中間層以電力線通訊技術為主，最上層採乙太網路架構，整合為中央監控系統，電力線通訊技術目前已具有雙向通訊能力、定址功能，電力線通訊技術是否能突破高通訊成功率及即時性，將為本研究重點之，電力線載波通訊優點，不需要另外配線或破壞室內現有裝潢，在電力線網路電源插座上，插上欲控制機電設備或欲傳送訊號設備，外加電力線模組介面，同時結合 DIDO 控制模組、集中器及伺服器，即可建構一套通訊控制網路，電力線通訊連線及雙向通訊定址功能特性，在建置多功能警戒預警及定址輸出，應用在安全系統、實驗室毒氣監測、高危險性施工作業環境監測預警等相關用途。. 2.

(13) 第二章 2.1. 文獻回顧. 通訊技術概述家庭通訊技術可分為二大類：一、無線通信技術：如藍芽、 HomeRF 、. IEEE802.11、UWB 等。二有線通信技術：如電話線、電力線、乙太網路、USB、 IEEE1394、Cable 等，因應家庭網路「No New Wire」的趨勢，符合這條件的有線方案為電話線及電力線，其中電力線有線技術以 X-10、CEBus、Lonwork 等為主。. 2.2. 無線通訊技術. 2.2.1 藍芽技術簡介 1998 年 5 月，Ericsson、Nokia、IBM、Toshiba、Inte1 等五家廠商成立了 BIuetooth SIG(Special Interest Group)藍芽策略聯盟，1999 年 l2 月又加入 3Com、Lucent、Microsoft、Motorola 四家廠商成為 Bluetooth SIG 的共同創始會員技術規格。藍芽是一種低功率的短距離無線傳輸技術， 2.GHz ISM(Industrial ， Scientific Medical)頻段、頻寬為 1MHz 基本發射功率為 1mW、傳輸距離為 10 公尺以內、並可支援點對多點的傳輸方式，藍芽採用跳頻展頻技術(Frequency Hopping Spread Spectrum；FHSS)進行接取，頻道跳躍率為每秒 l600 次，以減少互相干擾的機會，每個頻道還使用了分時雙工(Time Division Duplexing;TDD)的機制，使每秒跳頻 1600 次而每次只傳送一個封包(封包大小從 l26bit～2871bits 皆可)，其中封包內容可以是包含數據或語音等不同服務之資料，其中數據封包可藉由自動重送(ARQ)機制來加以保護，而語音封包因採用連續可調變斜面三角器波形編碼(CVSD)方式編碼而可以不再重送而增加效率。此外藍芽所採用的數位調變技術為 GFSK(Gaussian Frequency Shrift Keying)，用意在於製作成本較低且電路設計較為簡單，以符合其對於低成本的需求，分成發射功率 1mw(0 dBm)傳輸距離可達 l0 公尺的 Class3，與發射功率 100mw(+20 dBm)傳輸距離可達 I0O 公尺的 Class1。. 3.

(14) 表 1. 藍芽基本資料. 頻段. 2.4GHz ISM 頻段. 鍵結數. 可點對點或點對多鏈結同時最多可8個裝置鏈結(Masters x 1 Slave x7). 頻寬. 1 MHZ. 接取方式. 跳頻展頻技術 FHSS. 傳輸速率. 最高可達 1Mbps. 傳輸距離. 10(Class3 1mw)/100(Class1 100mw)公尺. 可跳躍頻道數. 79個. 使用限制. 較無限制(除距離外). 傳輸模式. Circuit Switch/Packet Switch. 調變. GFSK. 連接介面. USB RS232 UART 資料來源：工研院電通所IT IS 計畫整理. 2.2.2 HomeRF簡介 HomeRF 的字義就其字面來拆解，為 Home 與 RF 兩者的結合，其意即為家庭中使用的無線電通訊。就技術上而言，Home RF 將 IEEE802.11 FFH Wireless，LAN 與 DECT 合成一體，同時提供數據與語音傳輸，在射頻規格上使用比原本 802.11 較寬鬆的標準，可降低成本以切入消費性產品領域。 HomeRF 在技術方面，基本上採用 2.4GHz，無線區域網路為基礎發展而成，並且專為家庭無線網路設計了 SWAP(Shared Wireless Access Protocol)通信協定。 SWAP 除了直接採用衍生自 IEEE 802.11 標準的 PHY(Physical layer)外，更在其 Data Frame 中混合了同步及非同步之傳輸模式，同步的模式為 DECT 的 TDMA 標準加以擴充而成，作為傳送 Voice 之用;而非同步的部分則沿用 CSMA/CA 之基礎以傳送 Data。. 4.

(15) 表 2. HomeRF 基本資料. 傳輸距離. 50-100M. 傳輸速度. 1-2Mbps. 使用技術. 結合IEEE 802.11 CSMA/CA TDMA 三種通訊協定 50 hops/s. 使用頻率. 2.4GHz ISM Band. 傳輸功率. 100Mw. 同步傳輸功能. 可同時提供6個與因頻道網路最多容納127個裝置資料來源：工研院電通所ITIS 計畫整理. 2.2.3 IEEE 02.11簡介 IEEE802.11 無線區域網路的存取設計方式，可以分為三類:窄頻微波(Narrow band Microwave)、展頻(Spread Spectrum)、及紅外線(Infrared)三種技術，無線區域網路產品多為展頻技術中的跳頻展頻 (Frequency Hopping Spread Spectrum ;FHSS)及直序展頻(Direct Sequence Spread Spectrum；DSSS )，以下就展頻技術中的跳頻及直接序列二種技術作簡介及比較。跳頻展頻（Frequency Hopping Spread Spectrum ;FHSS），跳頻展頻在同步且同時的情況下，發射與接收兩端以特定型式的窄頻電波來傳送訊號，為了避免在一特定頻段受其他雜訊干擾，收發兩端傳送資料經過一段極短的時間後，便同時切換到另一個頻段，由於不斷的切換頻段，因此較能減少在一個特定頻道受到的干擾，也不容易被竊聽。跳頻展頻所展開的訊號，可依特別設計來規避雜訊或重覆的頻道，並且跳頻訊號必須遵守 FCC 的要求，使用 75 個以上的跳頻訊號，且跳頻至下一個頻率的最大時間間隔為 400ms，在 802.I1 中最大時間間隔通常定為 25Oms，也就是每秒跳頻 4 次。直序展頻（Direct Sequence Spread Spectrum；DSSS）直序展頻是將原來1 個位元的訊號，利用10個以上的位元空間來表示，使得原來高功率、窄頻率的訊號，變成低功率、寬頻率。原先一個位元，展頻後用多少個位元來代表，這個數. 5.

(16) 目稱為Spreading Ration，這個值越高，越能夠抵抗雜訊干擾，不過 Spreading Ration越低，則可以增加使用人數，IEEE802.II的標準的Spreading Ration為11。跳頻展頻與直序展頻的比較，跳頻展頻和直序展頻是兩種不同的傳輸方式，跳頻展頻的優點在於成本較低，因此一些以低成本訴求的技術如Bluetooth與 HomeRF都是採用跳頻展頻的技術；而直序展頻傳輸距離較遠，單位時間傳輸量較大，然而其成本也較高，在舊版的802.11 2Mbps，無線區域網路仍可以採用多種傳輸方式，包括跳頻展頻、直序展頻、紅外線三種方式皆可。. 2.2.4 UWB 簡介 UWB 的技術起源於 18 世紀末，UWB 裝置分成三種類型:（1）影像系統包含地面穿透雷達系統(GPRs)牆內影像系統、穿牆影像系統、監視系統、醫療影像系統設備;(2)車用雷達系統；(3)通訊與量測系統。其中較受人關注是有關通訊與量測系統部分，根據 FCC 的規範，此類裝置的使用頻段為 3.1~10.6GH，主要供室內使用。表 3. UWB 基本資料. 應用系統. 影像系統. 允許使用的頻段. 地面穿透雷達系統. 960MHz 以下或介於 3.1~10.6GHz. 牆內影像系統. 960MHz 以下或介於 3.1~10.6GHz. 穿牆影像系統. 960MHz 以下或介於 1.99~10.6GHz. 監視系統. 1.99~10.6GHz. 醫療影像系統. 3.1~10.6GHz. 車用雷達系統. 22~29GHz. 通訊與量測系統. 3.1~10.6GHz. 資料來源：工研院電通所ITIS 計畫整理. UWB 基本上在是在很寬的頻段中，以極短的時間內發出脈衝來進行資訊傳輸 (可達到 1 秒發送 I0 億次)，而脈衝間的時間即代表"O"與 "1"的數位訊號，由於這一連串的脈衝需要轉成高載波來傳送，因此 UWB 又被稱為「Carrier-Less」技術。傳統無線通訊系統的傳輸方式以連續的正弦波（size waves）來傳送資料，. 6.

(17) 並以正弦波的振幅作為調變的方式，而 UWB 並不需要依賴正弦波，主要以時間調變方式為主，其以極精確的時間傳送脈衝，可傳送極大量的資料。. 2.3. 有線通訊技術. 2.3.1 X-I0簡介 X-10的起源在蘇格蘭有一家叫作Pico. Electroics 的股份有限公司，公認它. 們是全球第一家發明單IC計算機的公司，在1976年時已經完成了X-1到X-9等9個計畫，這時它們想到了一個主意，去開發一個系統讓消費者在家中，可以無需變動家中的線路佈置，就可以控制家中的燈光和家電設施，所以他們就將這個計畫訂名為X-10，X一10傳輸是和電源正弦波零電位點同步，以在零電位點時有1微秒的 120K調變信號就代表數位電路的「壹」，沒有時就代表「零」，圖1就顯示了在三相電源分配系統中的三個過零電位就必須傳三次。每一個完整的信號傳輸包含了 II週，前二週代表開始的信號，再來4週代表分類碼(House Code)，所以共可以有 16個位址組合，再來的5週則代表數位碼或是功能碼(Number Code或Function Code)(圖2)、所以前4碼和後5碼的所有組合就全部定義﹝1﹞。 X-10利用家庭中的電力線作為傳遞訊息的載體網路，以I20KHZ的調變信號之在每一週正弦波上的有無以代替數據化之0與1。而以其自訂之協議(Protocol)定出16個不同的用品類組住址(House codes)，每一個用品類組住址又可再分16個單位住址(Unit Codes)，所以一共可有16＊16＝256個可能的組合位址。120KHZ的調變信號在每一正弦波上出現一次，所以在60週的電力系統內其傳遞速度即為每秒 60個位元，而送一個功能加住址的信號出去要用去48個位元，也就是說在60HZ的系統申要用去0．8秒。X一10傳輸是和電源正弦波零電位點同步，以在零電位點時有1微秒的。. 7.

(18) 圖 1. X-10 代表一以過零位點的 120K 調變信號. 資料來源：X-10公司. 圖 2. X-10 信號共計 11 碼. 資料來源：X-10公司. 2.3.2 CEBus簡介美國的電子工業協會(Electronics Industry Association ；EIA)決定要制定一種比開、關、全部開、全部關等等，要更多更完備家庭自動化控制規格，其後數年全球各大公司的工程師就定期的聚會議定這種規格，"消費者電子匯流排 "(Consumer Electronic Bus)簡稱CEBus，其主要的規格用簡單的話來說就是 "訂定了利用電力線、低壓線、同軸線、紅外線，無線電為媒體的溝通協定 (Communication protocol)，這個規格是利用一種展頻調變(Spread Spectrum Modulation)的方式在電力線為媒體的標準就是以lOOKHz為基頻開始然後以線性 8.

(19) 向上;400KHz為止，在100微秒(Microsecond)為一週期中變化，有調變時狀態叫做 "Superior"態，無調變時即做"Inferior"態，任一狀態；100微必即可建立數據" 壹"之狀態，任一狀態持續達200微秒，建立一數據"零"之狀態，其傳輸之速率因此視其傳送內容中之"1"與"0"之數目而定，平均大約在7500位元/秒左右。 CEBus是一種定義好的規格，可以利用各種媒介如電力線、無線、紅外線、雙絞線等均可，而可以讓主控器，控制器等自由的相互交談，其訊號平均不超過 25mS(微秒)大概有50到300個位元左右，為了保証訊息的可靠率，CEBus的傳輸協定(Protocol)相當嚴格並使用特別發展的CAL語言，以求能分享資訊並精確的控制欲控制的裝置，至少能夠在一種傳播媒介上收發CEBus的訊息。. 2.3.3 LonWork簡介 1990 年 Mr.Mike Mar Kula 創立了 Echelon 公司，Mark Kula 先生是當年蘋果電腦的主要原始創辦人之一，他和摩托羅拉和底特律愛迪生以其它一些公司合力創辦 Echelon 公司，然後提出了 Lon Work 的概念，和 CEBus 一樣，LonWork 所有的硬體和在網路環境下溝通協定也作在一塊積體裡面了，這一塊本體的名字叫作 "Neuron"，可以安裝在各種消費性電器上與 CEBus 一樣，Echelon 也訂定了在電力線、低壓雙絞線、同軸線、紅外線、無線電和光纖上的規格標準，LonWork 利用曼徹斯特(Manchester)編碼法來產生"1"和"0"，而後功等速率傳送出去，LonWork 在電力線傳輸上的規格提供了三種規格的選擇性，二個是展頻譜收發器系統分別是利用 100KHz~450KHz 10000bit/sec 和 9KHz~95KHz 2000bit/sec 的範圍，第三種是利用窄頻駕技術 125KHz~140KHz 5400bit/sec 收發器。. 2.4. 安全系統安全架構如圖 3 所示以電子電表及前端輸出入模組為基礎單元組成，安全系. 統包括門禁、監視、保全、防盜、求救及消防等系統，當偵測器發現有人入侵、啟動求救系統或是有火災警報發生時，除了自動啟動蜂鳴器和語音系統外，藉由裝置在冷氣機前端電子電表及前端輸出入模組，在第一時間內 DI/DO 反應變化 IO 狀態，AMR 隨時掃描，當 IO 狀態發生變化時 AMR 主動向集中器發出通訊要求，藉由電力線網路傳輸資料，集中器與伺服器連線處理，即時反應同步撥出緊急電話及 GSM、E-mail 等方式提供管理者緊急信息達到保全與消防功能。 9.

(20) 門禁. 公共空間. 冷氣機. 男女廁所. DI/O. 監視. DI/O. 偵測器. ARM1 無線藍牙有線. 空調設備. Power Line R485 RS232. 校園網路. 集中器. 伺服器. ARM2. 房間防盜電費統計. 圖 3. ARM3. 安全系統以 ARM 為中心系統架構圖. 門禁系統管制人員進入，當讀卡機接收正確之訊號時，將自動開啟電子鎖，允許人員進入，並紀錄進入時間及身分，另裝設磁簧開關偵測、當人員非法進入、安全系統即將該區域之警報信號傳送至系統伺服器；求救系統係供人員在需要緊急求援時使用，系統將採二種通信技術，第一種 Home RF 通信技術在防護面積大的公共空間選用。第二種 Powerline 通信技術在廁所供人員緊急求救用。因上述二者通信技術，即時通信成功率無法達成 100％故系統在建置時，仍以個別系統實質傳輸仍以有線為主，上層通信才採用 Howe RF、Power Line 技術同步傳輸警報訊號至系統伺服器處理。. 2.4.1 消防系統電力線載波消防系統在傳統探測器迴路最前端串接電力線通信介面，將此迴路全部視為具有定址功能消防探測器迴路，或在每顆探測器前加裝電力線通信介面即可將傳統式探測器轉換為具有定址功能探測器，不需要將整套消防系統包含受信主機、迴路、探測器全部更換為 R 型系統。電力線探測器通信介面原理係利用探測器動作反應特性，當火警動作時，探測器動作時內部接點閉合，消防系統迴路電壓為 5v 電流 30mA，反之當無火警時，探測器內部接點開路，消防系統迴路電壓 24v 電流 100mA，電力線探測器通訊介面量測迴路電流大小，作為判斷是否發生火警判斷依據，當迴路電流大於 50mA 時，電力線通訊介面將會視為火警信號產. 10.

(21) 生，藉由電力線通訊模組向集中器發出火警訊號。消防受信總機可分為 R 型及 P 型授信總機，其最大不同處 R 型具有定址及中繼器功能，P 型授信總較為簡單傳統，R 型授信總機較智慧功能較強，探測器將偵測的警訊經由中繼器傳回總機，再由總機中央控制系統發出相關連動控制信號，經由中繼器輸出作相關連動控制，稱為 R 型總機。具兩種功能以上者，稱為 R 型複合式授信總機(依 CNS-8877)，消防系統探測器種類眾多，常使用探測器計有偵煙式探測器、差動式探測器、定溫式探測器等三種，將藉由中美公司代理產品簡介說明探測器動作原理及機械結構。光電式偵煙探測器（CM-WT30L），係採用光電感應原理，即利用煙進入探測器內之暗光室，煙粒子造成紅外線光束之反射，使受光元件接收到設定之光量時，探測器即發出警報訊號，監視電壓 60 mA（max）動作電流 100mA（max）。. 圖 4. 光電式偵煙探測器. 資料來源：中美公司. 11.

(22) 圖 5. 光電式偵煙探測器結構圖. 資料來源：中美公司. 圖 6. 光電式偵煙探測器動作示意圖資料來源：中美公司. 定溫式局限型探測器（CM-WK100L），係由一設定溫度之複合金屬圓盤連接顯示器而成，當周圍流通的空氣到達設定之高溫時，探測器即發出警報訊號，當探測器有警報動作時，紅色顯示燈即亮起，連接線無極性區分，可避免連接錯誤。. 12.

(23) 圖 7. 定溫式局限型探測器. 資料來源：中美公司. 差動式局限型探測器（CM-WS19L），其設計目的旨在探測快速或異常的氣溫上升，如果周圍溫度快速上升，盒內空氣立即膨脹並壓迫金屬薄膜而使電器接點導通，因而輸出警報信號，但在溫度緩慢變動時，膨脹的空氣則經由一微小的通氣孔釋出，以維持壓力平衡，所以決不會發生錯誤的警報，監視電壓 0μA 動作電流 Max 100mA，動作方式常時開路方式，敏感度，當放置於每秒鐘 0.85 公尺之氣流中，且該氣流溫度高於週邊溫度 30℃時，20 秒中內即發出警報。. 圖 8. 差動式局限型探測器. 資料來源：中美公司. 13.

(24) 2.5. 負載管理. 負載管理之主要目的，為降低尖峰負載需量提高離峰負載轉移系統負載〔3〕。提高用電效率降低用電成本，降低用電需量(KW）以減少用電量（KWH）〔4〕。電力需量管理，台電公司透過時間電價、可停電力及空調週期性暫停等電價誘因方式，引導用戶調整其用電習慣，將尖峰時間用電移轉至離峰時間使用，稱之為「負載管理」。. 2.5.1 契約需量契約需量，用戶與台電公司約定之用電容量，作為基本電費計算之依據，依用戶用電種類不同可分為裝置契約容量與需量契約容量兩類。裝置契約容量為用戶以其用電設備之總裝置容量訂定契約容量。需量契約容量為用戶與電力公司雙方約定 15 分鐘平均之最高需量值為契約容量〔6〕。用戶與電力公司雙方約定最高用電需量(KW)作為訂立契約需量之依據，契約容量訂過高超約罰款減少但基本電費相對增加，反之契約需量訂過低基本電費減少但超約罰款增加，因此適當契約需量訂立將可節省下可觀電費。契約需量(Demand Contract)為保障所有用電戶供電品質及電力系統安全問題施行管理手段，因此契約需量對電力公司而言是供電系統安全問題；對用電戶而言將是電費成本的問題，最高需量值，如圖 9 所示指用戶在每 15 分鐘(單位時間)內使用有效電力平均值，且為每月(30 天×24hr×4 次)＝2880 次/月，整個月中最高值計算（使用有效電力平均值），故超約契約需量值並不完全代表用電戶整體用電需求，需以全年歷史用電資料研究分析，常態全年度用電量曲線均呈現 S 狀趨勢，以冬季為最低夏季最高，夏季用電需求最高其原因不外天候影響，依相關研究報告顯示空調用電佔夏季用電 30-40%〔4-6〕，管理手法適度超約罰款換取基本電減少，也不失為解決尋求最佳用電成本的手段。. 14.

(25) D（t）＝1/T ∫Ot P（t）dt D（t）：瞬時需量值 D：需量 P（t）：瞬時有效電力 T：需量時距. 圖 9. 15 分鐘最高需量. 2.5.2 電費計算電費計算每月電費＝基本電費＋流動電費＋超約附加費＋功率因素電費基本電費：依用戶申請之契約容量每月計收之電費。流動電費：依用戶實際用電度數計收之電費。超約電費：當用戶之最高需量超出其所申請的契約容量時稱之。超出部分在契約容量 10%以下，按二倍計收基本電費(超約附加費)，超出部分在契約容量 10%以上，按三倍計收基本電費。. 2.5.3 最適需量的控制為能有效控制最高用電需量以免發生超約罰款，用電戶常裝設有需量控制器 (Demand Controllers)控制，控制負載需量在設定範圍內運轉，學校負載的主要設備為空調設備，藉由直接控制中央空調設備，可有效抑低尖峰需量間接達成需量控制目標。台電公司曾委託中山大學「空調系統週期性暫停用電對機件影響之研究」針對中央空調主機做間歇式控制，運轉 60 分鐘暫停壓縮機運轉 15 分鐘，研究結果對往復式及螺旋式主機無磨耗增加之顧慮，離心式主機將增加模耗並不適合暫停運轉控制方式。離心式空調主機將採運轉 45 分鐘降載 60%運轉方式，抑低尖峰需量〔5-7〕。學校實際負載設備除少量大型中央空調系統主機外，大部分都是小型冷氣機，其數量龐大單一負載量小，如何利用電力線傳輸技術，控制冷氣機負載為本論文研究重點。 15.

(26) 第三章. 3.1. 電力線通信技術概況. 電力線通信電力線通信(Power Line Communication；PLC)技術是採用電力線傳送資料的. 一種通信方式。低速PLC利用100k到400k頻帶範圍傳輸信號載有資訊的高頻信號載入到電力線上，在發送時，利用調製技術將用戶資料進行調製，用電力線進行資料傳輸，接收端通過專用的電力線數據機將高頻信號從電力線上分離出來，先經過濾波器將調製信號濾出，再經過解調可得到原通信信號，傳送到終端設備〔8〕。它的應用範圍主要是在一個變壓器範圍內進行資料的傳輸，用電力線數據機將電信號從電力線上提取下來。目前該技術主要應用於水、電錶等的自動抄表系統。由於電力線本身不是為通信設計的，因此其特性在很多方面難以直接滿足載波通信的要求，電力線是輸送電能的，電力線網路是屬開放式的公用通道，任何電器設備產生的信號都會彙集到電力線上。電力線電阻是隨機變化的，而阻抗的變化使信號傳輸強度變化很大。由於家用電器（冰箱、微波爐、電腦、電動機）等設備在使用時，產生的各種雜訊都通過各自的電源線彙集到電力線網路上，致使干擾源不斷，影響通訊品質。. 3.2. 低速載波技術使用頻寬早在 20 世紀 90 年代初期，歐洲就提出了 BS EN 50065 標準，此標準對在低. 壓電力線上的載波信號的頻段、頻帶和頻率等做出了具體的規定。迄今為止，這一標準仍是全球唯一的針對性的標準，全世界範圍內在低壓電力線上的任何方式載波無不嚴格地遵循它。BS EN 50065-1 對頻段的規定是：3kHz～9kHz ---- 電力公司專用頻段。9kHz～95kHz 電力公司和經電力公司許可的用戶使用的頻段。95kHz ～148.5kHz 其他用戶使用的頻段〔11〕，載波頻道標準〔9-11〕，電力線載波適用頻率範圍的標準，我國目前無載波頻道標準規定，北美洲地區電網(480Y/277V， 208Y/120Vac) 標準頻率如圖 10 ，範圍 100kHz~450kHz 和針對歐洲地區電網 (400Y/230Vac)的標準頻率範圍 9kHz~150kHz 如圖 11。. 16.

(27) 圖 10 CENELEC 頻寬允許範圍. 圖 11 美國聯邦通訊委員會(FCC) 頻寬允許範圍 3.3. 電力線傳輸特性與困難電力線原設計係提供用電設備傳送電能的使用，而不是用來傳送數據的，所. 以電力線對數據傳輸有許多限制，因此電力線通訊具有以下特點，配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個變壓器二次側範圍內傳送；三相電力線間有很大信號損失（10dB -30dB）。通訊距離很近時，跨相序間信號損失不大仍可收到信號。電力載波信號基本只能在單相電力線上傳輸；電力線本身的 60HZ 脈波干擾週期為 16.7ms，在交流正弦波週期中，出現兩次峰值帶來兩次脈波干擾，干擾時間約 2ms。電力線作為通訊網路資料傳輸媒介時，電力線上會有許多的干擾源，用電負載越高，干擾現象更加嚴重，電力線網路接入了很多電器設備，負載設備隨時都. 17.

(28) 可能開機或關閉電源，導致電力線的負載電流和電壓不斷地變化行成干擾源。建築物室內配線，電源插座形成連接到電力網路的入口端，但是室內配線電力網當初是為了實現電力傳輸而設計的，因此電力網的內在特點，導致數據通信的錯誤率很高，這些特點包括：低阻抗、沒有特定的拓撲結構、大量無熔絲開關（NFB）斷路器及多分支迴路接點，以及會阻斷電力線中編碼信號的變壓器。. 3.4. 電力線通訊干擾電力線載波通訊具有高雜訊、高衰減、高畸變、高時變阻抗變化等〔4，7〕。. 時變性，由於電力線網上負載的不斷接變化如冷氣機、微波爐、抽水馬達的運轉停止，電器開關等各種隨機作用，使得通道特性具有很強的時變性；衰減特性，電力線通道中還存在著極大的時變衰減，電力線通道中的衰減主要由兩部分組成〔4〕，耦合衰減和線路衰減。一般耦合器的內阻可以做得相當小理論上可以忽略不計，衰減將以線路衰減為主。據相關資料表示〔5〕，線路衰減是距離的函數，距離越大，則衰減越大，農村比城市或工業的衰減大；干擾雜訊，干擾雜訊主要來源，矽控（SCR）器件和一些電源電路產生的 60Hz 的倍頻諧波，另由負載和電力線網路不同步而產生的具有平滑功率譜的干擾及開關電子設備產生的單脈衝雜訊、非同步週期的雜訊。. 3.5. 高雜訊電力線供應網上負載的不斷接入、切出、馬達的停止、啟動、電器開關等各. 種隨機事件，通道特性具有很強的時變性〔4〕，電力線雜訊來源眾多，以電力負載開關電源、變頻機、SCR 開關最為嚴重. 18.

(29) （1）開關電源. 圖 12 開關電源造成基波及高次諧波的廣譜性干擾資料來源摘自：深圳市維方電子科技有限公司. （2）變頻電機：. 圖 13 變頻機造成載波干擾資料來源摘自：深圳市維方電子科技有限公司. 19.

(30) （3）矽控開關. 圖 14 控矽設備造成載波干擾資料來源摘自：深圳市維方電子科技有限公司. 20.

(31) 3.6. PLC 應用類比技術在電力線上傳遞載波信號早已應用多年（X-10 技術），把電力線通. 信技術、網路、微控制器相結合，為目前推動家庭自動化的最經濟最方便的方案之ㄧ，以電力線為物理媒介，把分佈在家庭各個角落的控制器和家電 PC 機利用電力線連成一個電力線網路。其優點是，將電力線和控制信號線合一，不需再重新設信號線網路，原使用和維護電器的習慣都不受影響，只要在新生產家電設備內預先將電力線載波通信功能設計在內，對既有舊家電的修改只需外加電力載波通信介面，透過通信界面 IO 即可做簡易控制；家電控制的信號通信量小，故低速電力線載波速度慢的缺點足以滿足家電設備需求，因此低速電力線載波通訊技術在家居智慧化應用方面具有最優良條件。. 21.

(32) 3.7. 電力載波晶片 本研究工研院所使用電力線晶片係選用以色列製 ITRAN 公司〔13〕生產. IT800P 及 IT800D 供電子電表及消防偵測器使用，晶片特性詳表 4。表 4. IT800 電力線晶片特性. Parameter Value. Note. Modulation. DCSK. Frequency Operation Band. 120-400 kHz. FCC/ARIB. 20-80 kHz. CENELEC Band A. 95-125 kHz. CENELEC Band B. Bit Rate. Standard Mode (SM) - 7.5 FCC/ARIB compliant Kbps operation Robust Mode (RM) - 5 Kbps Extremely Robust Mode (ERM) - 1.25 Kbps Robust Mode (RM) - 2.5 Kbps CENELEC A and B compliant operation Extremely Robust Mode (ERM) - 0.625 Kbps. Error Correction. Forward short-block soft decoding error correction code and CRC. Receiver <1 mV PTP Sensitivity Dynamic Range. >85dB. Supply voltage. +3.3V. Current 65mA Consumption. Typical, average. Interface. UART. IT800D. SPI. IT800SCP. Package. 64 pin LQFP For PLCC44 please inquire 資料來源：http://www.itrancomm.com/index.htm. 22.

(33) 第四章 4.1. 研究方法. 實驗流程圖文獻蒐集與探討. 通訊技術選用. 負. 負載設備調查分類. 載. 管. 電力網路調查整理. 控制元件建立. 安全系統整合. 理. 歷史用電資料整理分析. 消防系統. 控制網路建置. 數據整理. 資料收集及比較. 結果與討論. 圖 15 實驗流程圖. 23. 系統類比化. 電腦程式撰寫.

(34) 4.2. 研究方法建置校園安全系統及負載管理機制研究，將以兩種不同類型及規模建築物館. 舍為研究背景，針對規模較小負載數量及種類簡單學生宿舍及規模大環境複雜敎學館舍，實施電力線傳輸技術驗證研究，學生宿舍建立安全系統（房間防盜、廁所求救、消防火警等系統）與學生宿舍冷氣負載控制管理，控制尖離峰契約需量管理，藉由安全系統自動通報系統及使用者付費及遠方預約啟動及即時關閉功能，並配合學校電力負載曲線管理機制，搭配冷氣機用電儲值刷卡管理，將抑低尖峰負載需量推動工作，由管理者主動推動使用者被動配合，轉變為使用者及管理者共同推動，以達到校園宿舍安全及抑制電力成長與降低電力尖峰需量工作需求。建置安全系統及冷氣管理負載管理系統，計劃將採用工研院能資所開發完成電子電表（AMR）模組元件，突破傳統有線配置與乙太網路設計，以電力線網路作為資訊傳輸通訊技術，實現宿舍安全系統並衍生附加價值「電力負載管理機制（冷氣使用管理系統）」，並開發校園安全系統與電力負載管理系統軟體。. 4.3. 電子電表系統（AMR）. 電子電表系統基本組架構如圖 16 係由資料收集系統（伺服器、集中器）、電子電表、輸入輸出及電力線載波通信模組等組成，具有電力量測、電力線載波通訊埠、參數顯示器、信號輸入埠、控制輸出埠、電源控制開關等。AMR 具備電力線載波通訊機能，對外模組資訊傳輸之介面，利用加於電力線上之載波來通訊，使用之晶片為 IT800，其操作電壓為 3.3 伏，電流為 45 mA。圖 16 電子電表. 前端輸出入模組. R485. 電力線魔電資料庫伺服器. 電力線通信模組. 電子電表集中器. 電力線. 圖 17 AMR 基本架構 24.

(35) 4.3.1 電子電表電力量測功能是採用D7755晶片來設計，它具有電壓信號與電流信號通道各一組，其量測為有效功率並以脈衝信號輸出。電壓信號通道之最大信號輸入為+/-660 mV，電流信號通道之最大信號輸入為+/-470 mV。電路可隨時量測空調機用電與累計，資料最後會傳到伺服器資料庫。電路也包括傳訊器之電源、LED顯示模組、DI、 DO、RTC、EEPROM、RS-232等電路。其中LED顯示模組可顯示埋入式傳訊器之量測積算值、I/O狀態、系統時間、定址操作狀態。RS-232則是提供系統程式升級或除錯之連線介面。 4.3.2 前端輸出入控制模組前端輸出入控制模組架構是根據宿舍管理需求功能來規劃，由電力量測、電力線載波通訊埠、參數顯示器、信號輸入埠、控制輸出埠、電源控制開開關等所組成。本機可應用於單相或單相三線式電力系統，軟體功能具備電力積算、用電/ 無用電狀態判別、遠端控制狀態判別、輸出埠驅動、LED可顯示模組I/O狀態、電力積算值、通訊、定址、錯誤訊息、自我診測等，具備電力線載波通訊機能，是對外模組資訊傳輸之介面，它應用加載於電力線上之載波來通訊，使用之晶片為 IT800 ，其操作電壓為 3.3 伏，電流為 45 mA 。 USART Mode 特性 DCLK Rate 為 400KHz–1MHz。Data Packet是包括Data Rate Mode(1Byte)、Data Length (1Byte)、 Data(1-127Bytes)。前端輸出入控制模組之本體電路，前端輸出入控制模組程式結構如圖18，負責將電力量測結果積算值儲存與將資料傳遞至電力線模組經由載波傳送至集中器，本體電路也包括傳訊器之電源、LED顯示模組、DI、DO、RTC、 EEPROM、RS-232等電路。其中LED顯示模組可顯示埋入式傳訊器之量測積算值、I/O 狀態、系統時間、定址操作狀態。RS-232則是提供系統程式升級或除錯之連線介面。DI/DO則作為外部信號狀態監測與輸出控制用，如DI是作為空調機之運轉狀態、保全啟動、人員侵入等監測用，DO點則是用於各寢室空調機遠端遙控與強制卸載控制用，前端輸出入控制模組如圖19，負責將電力量測結果積算值儲存與將資料傳遞至電力線模組經由載波傳送至集中器。. 25.

(36) 程式結構圖 Structural drawing. CPU : AT89C52. Timer. Save Data to “ EEPROMs ”. Interrupt. Timer0 : 1). Led Segment Display 2). Led Flash Timer2 : 1). 0.01s => Into Timer2 2). 0.05s => Read RTC 3). 0.5s => Protocol 4). 5s => Meter Register 5). 30s => Read RTC 6). 1min => Save Kwh Data. INT1 : 1). Detect IT800P Signal INT0 : 1). Detect AD7755 Pulse Signal UART : 1). For RS-232 Communication. Communication Protocol : 1. 2. 3. 4. 5. 6.7. Protocol: 1). Meter Register 2). Send Data 3). RTC Calibrate 4). Meter Address Signal 5). Input Port Polling-Meter 6). Input Port Polling-Controller 7). Output Port Write. 1Min : 1). WH Values & Time 15Min : 1). WH Values. 圖 18 前端輸出入控制模組程式結構圖空調機電力線模組集中器電力線通訊. 數據顯示器. 電力量測空調電源控制開關. 中央運算處理單元. 保全感測空調狀態空調操作空調卸載輸入輸入輸出輸出. 各寢室前端控制器. 電源. 圖 19 AMR 前端輸出入控制模組 4.3.3 電力線載波通訊技術電力線載波通訊模組，使用之晶片為 IT800，其操作電壓為3.3伏電流為45 mA。USART Mode特性 DCLK Rate 為400KHz–1MHz。Data Packet是包括Data Rate Mode (1Byte )、Data Length (1Byte)、Data(1-127Bytes)。圖 20 電力線通信模組. 26.

(37) 電力線通信(Power Line Communication，PLC)，是使用電力線傳送資料的一種通信技術方式，電力線載波在低壓供電電力系統（220v/110 v）環境，以既設電源線作為載波通信的通訊線路載體，用載波方式進行低速載波通信。載波信號電壓一般在５伏以下，不會對電力線傳輸電能造成影響，電源線成為一種電力傳輸和載波通信相結合的網路。低速 PLC 利用 100k 到 400k 頻帶範圍傳輸信號，將信號載入到電力線上，在發送時，利用調製技術將用戶資料進行調製，用電力線進行資料傳輸，接收端，通過電力線數據機將信號從電力線上分離出來，先經過濾波器將調製信號濾出，再經過解調，就可得到原通信信號，傳送到伺服器上。對於通信而言，以電力線作為有線傳輸介質，其原理如同電話、有線電視、光纖通信一樣，所不同的是電話、光纖、有線電視是傳輸語音、圖像、資料、信號的專用網。而電力線是在輸送電能前提下輔助傳輸資料或話音信號，不是通信專用網，但作為行業管理和智慧家電是最經濟最有效的技術應用。. 4.3.4 電力線模組集中器程式架構電力線模組集中器為一觸控式電腦，並且搭配電力線模組所組成。電力線模組集中器程式模組架構如圖21，電力線模組集中器之程式流程如圖22，其軟體程式架構主要包括兩大功能：RS232通訊與網路通訊。程式功能之目的，除了透過 RS232介面蒐集各個前端輸出入控制模組之電力積算資料與即時I/O狀態外，同時利用校園企業網，傳送所有模組之電力積算資料與即時I/O狀態至宿舍管理伺服器，提供系統管理者或登入伺服器之住宿生於遠端監控負載設備以及保全系統。在程式架構中，分為RS232通訊與網路通訊兩部分，於RS232通訊程式中，主要利用4個執行緒完成資料接收、運算、儲存以及傳送之動作。以下敘述為針對四個執行緒作一詳細說明，RS232通訊埠監聽執行緒，當前端控制模組之輸入狀態改變時，將主動發送狀態變化之信息至集中器，於是此執行緒之功能主要為接收此信息，並且將其內容儲存於記憶體內；RS232通訊埠Routine執行緒，此執行緒之處理流程為每隔30秒，發送讀取各個控制模組I/O狀態之請求，並且等待回應。待接收模組回應之資料後，立即儲存於記憶體中。而於時間間隔60秒，發送另一讀取控制模組電力積算資料之請求後，其後續流程即與I/O狀態處理程序相同；RS232 通訊埠控制執行緒，此執行緒功能在於，根據指定的控制模組位址以及輸出之設定值，透過RS232通訊埠傳送至對應之模組，提供遠端控制之功能；資料儲存執行 27.

(38) 緒，由於集中器資料儲存空間較小，於是針對電力積算之歷史資料部分，採取以檔案方式記錄。因此，處理程序為每隔15分鐘，讀取檔案前一筆資料，並且與資料庫記錄之資料運算，最後將運算結果新增於檔案中。而在網路通訊部分，則是藉由HTTP網路通訊執行緒與Socket網路通訊執行緒負責前端控制模組資料之傳送，HTTP網路通訊執行緒，此執行緒包括兩種資料傳送，模組之即時I/O狀態與電力積算值。程式執行流程是以每隔0.5秒，確認各個模組狀態有無改變；若發生變化，立即透過網路上傳至宿舍管理伺服器，並且儲存於伺服器中之SQL資料庫。至於各個模組之電力積算值部分，則是以固定時間間隔(15分鐘)傳送，以保持集中器與伺服器資料維持同步，Socket網路通訊執行緒，為了實現遠端冷氣啟動/停機控制、排程管理與強制卸載等目的，於是集中器程式增加了Socket網路通訊之機制。透過雙方Socket連線建立，即可傳送控制指令於指定之裝置，達成上述之功能。. 電力線模組集中器之程式架構圖電力線模組集中器應用程式. RS232 Com m unication. Ne twork Com m unication. Share Me m ory. WinCE Database. HTTP 網路通訊執行緒. Socket 網路通訊執行緒. RS232 通訊埠監聽執行緒. RS232通訊埠Routine執行緒. RS232 通訊埠控制執行緒. 資料儲存執行緒. 圖 21 電力線模組集中器程式模組架構. 28.

(39) 圖 22 電力線模組集中器之程式流程圖. 4.3.5 集中器最佳裝地點分析電力線通信網路屬開放性網路，且網路上有充滿負載設備及干擾源，如何在現有電力線網路上架設最佳資料收集點，能將網路上各點資料收集完整將是一大考驗，以下將以學校教學大樓作為實驗測試標的，教學大樓屬老舊建築物全長 75 公尺寬 25 公尺每一樓高 3.5 公尺屋齡 20 年共有 4 層樓佔地約 400 坪，每層樓約有 25 間房間口字型排列，中間有一大天井，電力線網路，高壓變電站設在一樓西側，台電以高電壓 11.4KV 經降壓變壓器降為 3 相 220V 供電，電力線網路由一樓變電站經過 MP 配電盤一分為二分為東西兩迴路供應各樓層電源使用，每一樓層東西側分別由東西兩迴路獨自供電，樓層與樓層間並聯供電方式供電。 29.

(40) 表 5 測試日期：電盤編號：相位： Address R_NO 030135 100-1 030136 100-2 030134 100-3 030120 101 030121 102 030122 106 030125 107-1 030126 107-2 030127 107a-3 030129 107a-4 03012B 107a-6 03012D 118a 03012E 118b 030137 200 030138 200-2 03013E 201 03013F 202 030123 203 030165 204 030140 209 030141 210 030142 211 030143 212 030110 213 030111 214 030144 215 030145 216 030112 217 030113 218 03013D 219 030148 220-1 030160 220-3 030147 220-2 03012F 220-4 030161 221 030162 222 030163 223 030164 225* 030119 301-1 030139 300 03013A 300-1. 教學大樓電力線通訊測試狀態表. 3月4日 PA4 R-T O O X O X O O O O O O X O O O M O O O O O O O O O O O O O O O P O X P P P X O O O. 3 月 17 日 203 301 414 PA4 R-S T-S R-T R-T R-S R-T R-T R-S 4F 2F 3F 4F 4F O P O O O O O O O O O O O O O O X X X X X X X X O P O O O O O O X X X X X X X X O O O O O O O O O O O O M O O O O O O O M O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O M O M X X X X X O O O O O O O O X X O X X O O X O O O X O O O O O O O X O M O X O O O X X O O X O O O X O X X X P X O X X O M O O O O O O O O O O O O O X O O O O O O X O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O X X O O O O O O O X O O O O O O X O O O O O O O O O O O O O O O X O O O O O O O X X O O X O O O X O M O O O O O X X O O X O O O X O X M O X X X X X X X X O O O X O O M X O O O X O X O O O P O X O M O O X X X X X M M X O O O X O O O O O O O X O O O O O O O X O O O O. 30. 3 月 23 日 PA3 ATS T-S T-S R-T T-S R-T R-S 3F 1F O O P O O O O O O O O O X X X X X X O O P O O O X X X X X X O O O O O O O M O O O O O M O O O O O M O O O O O O O O O O O O O O O O X X X X X X O O O O O O O X O O O O O O O O O O O O X O O P O X O M O O X O X O O O X O O X O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O P O O O O X X M O O O O M O O O O X X M O O O X X X X X X O O X O O X X X O O O O O X O O O O X X M O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O.

(41) 表 6. 教學大樓電力線通訊測試狀態表（續一）. 測試日期：. 3月4日. 電盤編號：. PA4. 相位： Address 030130 030131 030132 030133 030150 03014C 03014D 03014E 03015D 03014F 030151 030152 030153 030154 030155 030156 030157 030158 030159 03015A 03015B 03015C 03013B 03013C 030108 030109 030106 030105 030107 03010A 030114 030115 030116 030117. R_NO 301 301-2 301-2 301-3 310b 305 306 307 308 310a 310c 312 313 314 315 317 318a 318b 319 320 321 322 400 400-1 402a 402a 403a 404a-1 404a 404a-2 405a 405b 406a 406b. R-T. 203 301 414. 3 月 23 日. PA4. PA3. ATS. R-S T-S R-T R-T R-S R-T R-T R-S T-S T-S R-T T-S R-T R-S 4F. X X X X O O O O O O O O O O X O O O O O O P O O X O O O O X O O O O. 3 月 17 日. X P X X O X O O O O O O O O M O X X X X X X O M X O O O O X O O O O. X X X X O O O O O O O O O O O O X O M M O O O O X O O O O X O O O O. 2F 3F 4F X O X X O X X O X X O X O O O O O O M X O M X O O O O O O O O O O X O O O X O O X O O X O X O O X O X X O X X O X X O X P O X X O X O X O O X O O X X M X X O X O O X O X O O X X X X X X O X O O X O O X O. 31. P X X X O O O O O O O O O M X O O O O M M P O O X O O O O X O O M O. 4F P M X X O O O O O O O O O O M O O O O O O M O O X O O O O X O O O O. 3F O O X O O X O O O O O O O O O O X X M X X X O O X O O O O X O O O O. X X X X O O O O X X X O O O O O X X X X O X O O X O O O O X O O O O. X X X X O O O O O O O M O O O O X X X X X X O O X O O O M X O O O O. X X X X O O O O O O O O M M X O M P O X X X O O X O O O O X O O O O. M M O P O O O O O O O O O O O O M O O O O O O O X O O O O X O O O O. 1F O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O X O O O O X O O O O. O O O O O O O O O O O O O O M O O O O O O O O O X O O O O X O O O O.

(42) 表 7 測試日期：電盤編號：相位： Address R_NO 03010B 407a 03010C 407a 030103 408-1 030104 408 030101 409a-1 030102 409a-2 03011B 411 030118 301-5* 03015F 438b 030146 030128 03015E 03014A 03014B 030166 通訊統計：備註：是否有裝偶合器. 教學大樓電力線通訊測試狀態表（續二） 3月4日 PA4 R-T R-S 4F O O O O O O O O O O O O X O X X O O M O X X O O O O O X O O 76 71 無. 3 月 17 日 203 R-T 2F O O O O O O O X P O X X X O M 68. 301 R-T 3F O X O X O O X X X X X O X O O 52. 414 PA4 T-S R-S R-T R-T R-S 4F 4F O O O O M O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O X M O X X X X X O X O O O O O O O X X X X X X O O O O O O X O O O O O O O X O O O O O 75 60 75 80 66 偶偶無無無無無無合合. 3 月 23 日. T-S. PA3 T-S R-T 3F O O O O O O O O O O O O M X X M O O O X X O M O O O O O O O 66 72. O O O O O O O X O O X O O O O 65 偶合無. T-S O O O O O O O P O O M O O O O 84. ATS R-T 1F O O O O O O O O O O O O O O O 85. R-S O O O O O O O O O M O O O O O 84. 無無無無. 集中器測試地點條件，分別以時間、距離、相序、耦合器等因素條件作為測試集中器最佳地點條件，如表 8 係依據表 5、6、7 收集資料整理分析後得到結果做近一步分析，初步以高壓變壓器為中心點，設定條件選擇教學大樓東側 2、3 樓各選擇 203/301 室冷氣機 2 處，及離變壓器最遠距離 4 樓選擇 2 處共計 4 處做為第一次測試地點。第一測試點，PA4 分電箱 RT 相電源側，首先以分電箱無熔絲開關負載側電源 RT 相接測試點接上集中器實際與冷氣機電子電表執行電力線載波通信測試，量測電力線通信情況，總共 90 顆電子電表除 5 顆本身因電子電表內部內碼設定錯誤外，接通電子電錶 76 顆接通率達 89.4%，離預定基本標準 90%仍有一小段距離，初步判定依電力線通信相關文獻變壓器在跨相時會產生約 10-30Dd 損失，導致通信接通率降低，經相同程序集中器改接電源 RS 相，測試結果通信接通率下降為 83.5%，較 RT 相結果差，電力線通信相序與相序間有通信上損失情形，最後將集中器接 TS 相，測試結果通信接通率 88.2%與 RS 相通信接通率相近，測試結果以變. 32.

(43) 壓器為中心 100 公尺範圍內相序損失在可以被接受範圍內第二測試地點，二樓 203 教室冷氣機電子電錶負載側，203 教室電源使用三相 220V 電壓 RT 相電源，測試結果通信接通率 80%，經分析與第一測試點距離為 100 公尺較第二測試點距離 80 公尺約長 20 公尺，且量測電源相序相同為 RT 相，在相同測試機台與電力系統環境，測試結果相差 9.4%，且兩測試點間電源係先經過 2 樓再供應 4 樓電力，距離與通信成功率成反比，可以被接受理由係電力線設計功能係提供電力需求為目的，施工廠商在配置電源線時各接點及各節點無熔絲開關（NFB）接法，是否會產生信號損失並不在考慮條件下，且本棟教學大樓屋齡已達 20 年。為繼續了解比較全棟大樓通信接通率，將測試點移到 3 樓 301 室繼續量測。第三測試點，三樓 301 辦公室冷氣機電子電錶負載側，301 是電源使用三相 220V 電壓 RT 相電源，測試結果通信接通率 62.1%，結果較第一、二測試點結果差，經分析背景資料顯示，第三測試點與第一、二測試點，如果以距離及相序為考量條件時，第三測試點距離 70 公尺較第一、二測試點近 30、20 公尺，理論通信接通率要較高才合理，但實際測試結果接通率最低，近一步解析其他背景資料分析發現，第一測試點 PA4 分電箱離電源側支路幹線近且負載側未接其他負載，第二測試地點 203 教室內有數量多電子式日光燈具，但測試時日光燈都未開啟外無其他負載，但第三測試點因其屬職員維修室，房間內裝有 4 部電腦及不斷電設備，且有使用日光燈等家電設備，皆有可能產生信號干擾源。第四測試點，四樓 414 教室冷氣機電子電錶負載側，414 教室電源使用三相 220V 電壓 RS 相電源，離 PA4 分電箱 10 公尺，但電源線路經過 2 顆無熔絲開關，電源線再分給兩台冷氣機使用，電源線距離不遠但回路一分為二，測試結果通信接通率 70.5%。表 8. 教學大樓集中器位置測試記錄（95/3/4）. 地點相序 R-T 相序. PA4. 203. 301. 414. 89.4%. 80%. 62.1%. ------. R-S 相序. 83.5%. ------. ------. 70.5%. T-S 相序. 88.2%. ------. ------. ------. 離變壓器距離. 100 公尺. 80 公尺. 70 公尺. 110 公尺. 33.

(44) 第二次測試係以第一次測試結果，通信接通率最好 PA4 分電盤持續作通信接通率測試，量測結果如表 9，為克服相序損失問題在三相電源側跨接三相耦合器，減少相序信號損失，量測結果以 RT 相測試未接耦合器前通信接通率 88.23%，接上三相耦合器後通信接通率提高為 94.1%，三相耦合器提高通信接通率 5.87%，但持續量測 RS、TS 相通信接通率，皆較第一次未接三相耦合器通信接通率下降 6%到 12%，因量測頻率不足及電力線網路背景條件無法統一，致使量測結果有所出入。經過兩次量測經驗及數據收集分析，集中器最佳裝設地點條件，與離變壓器距離成反比；與離電源迴路主幹線較支幹線迴路成反比；測試點無負載三條件，通信接通率將會明顯提高，故檢視教學大樓電力線網路符合上述三點條件最佳量測位置以離變壓器 5 公尺緊急供電元 ATS 盤最能符合，同時分析前兩次量測資料顯示，以相序條件分析 RT 電力通信品質最佳，再次選擇 3 樓 PA3 分電箱 RT 相作第三次量測通信接通率。表 9. 教學大樓集中器位置測試記錄（95/3/17）. 時間相序 R-T 相序. ※PA4. PA4. 94.1%. 88.23%. R-S 相序. 77.64%. ---. T-S 相序. 76.47%. ---. 離變壓器距離. 備註. 100 公尺. 附註：※代表電力線系統有加裝三相耦合器. 第三次測試點，三樓 PA3 分電盤 RT、TS 相負載側，通信接通率如表 10 分別為 84.7%、77.64%，與第二次 PA4 分電盤量測通信接通率有所差異，但三次量測結果有一共通特性 RT 相通信接通率都維持在穩定且有較高接通率，故選擇離變壓器近 ATS 分電盤做進一步量測驗證，量測結果三相通信接通率皆高達 98.8%且 RT 相接通率高達 100%，初步結論教學大樓資料收集中器裝設最佳地點為高壓機房 ATS 分電盤。. 34.

(45) 表 10 教學大樓集中器位置測試記錄（95/3/17）地點. PA3. ATS. 84.7%. 98.82%. R-S 相序. ---. 98.82%. T-S 相序. 77.64%. 100%. 離變壓器距離. 96 公尺. 5 公尺. 相序 R-T 相序. 備註. 結論以變壓器為中心 100 尺半徑範圍內，電力線通信距離長度及相序問題未造成太大通信障礙，但真正影響各節點及支路通信接通率高低原因，以電力線迴路上干擾源問題最為嚴重，為能提高通信接通率如能持續長時間實施電力線網路通信品質測量，尋找干擾源裝設阻波器隔離干擾源，將可確保將來通信品質。. 4.3.6 通信品質測試與分析電力線通訊模組通訊品質測試條件，將以密集通訊方式實測通訊狀況，集中器每 30 秒、15 分鐘對系統實施通訊要求，AMR 回傳時間、DIO、KWH 等資料，傳送資料後需等待集中器回應通訊協定，如等待 0.5 秒仍未收到集中器回傳成功信號或是收到失敗信號則重傳，重傳超過三次仍未成功則放棄此通訊協定，待所有 AMR 傳完資料後，系統針對本次通訊失敗 AMR 再發出通訊要求，重複上述動作三次後完全放棄通訊要求，因集中器對每一次僅能對一個 AMR 執行通訊協定，經常時間對學生宿舍觀察電線載波通信測試資料，整理電力線通信成功率資料統計如表 11 到表 19 所示。. 35.

(46) 表 11 DI/O 通訊品質統計表（92/11/28-92/12/5） Addr. SendCnt RecvCnt RSCnt RRCnt ReTry SuccessRate(%). 0x020C. 17818. 8603. 9215. 8603. 612. 93.35. 0x0301. 17831. 8602. 9229. 8602. 627. 93.20. 0x0302. 17837. 8597. 9240. 8597. 643. 93.04. 0x0303. 17846. 8601. 9245. 8601. 644. 93.03. 0x0304. 17823. 8601. 9222. 8601. 621. 93.26. 0x0305. 17811. 8604. 9207. 8604. 603. 93.45. 0x0306. 17910. 8603. 9307. 8603. 704. 92.43. 0x0307. 17813. 8603. 9210. 8603. 607. 93.40. 0x030A. 18035. 8593. 9442. 8593. 849. 91.00. 表 12 KWH 通訊品質統計表（92/11/28-92/12/5） Addr. SendCnt RecvCnt RSCnt RRCnt ReTry SuccessRate(%). 0x020C. 4570. 4301. 4570. 4301. 269. 94.11. 0x0301. 4565. 4302. 4565. 4302. 263. 94.23. 0x0302. 4591. 4300. 4591. 4300. 291. 93.66. 0x0303. 4559. 4302. 4559. 4302. 257. 94.36. 0x0304. 4547. 4302. 4547. 4302. 245. 94.61. 0x0305. 4561. 4302. 4561. 4302. 259. 94.32. 0x0306. 4542. 4302. 4542. 4302. 240. 94.71. 0x0307. 4577. 4302. 4577. 4302. 275. 93.99. 0x030A. 4724. 4297. 4724. 4297. 427. 90.96. 36.

(47) 表 13 DI/O 通訊品質統計表（92/12/11-92/12/12） Addr. SendCnt RecvCnt RSCnt RRCnt ReTry SuccessRate(%). 0x020C. 1890. 912. 978. 912. 66. 93.25. 0x0301. 1897. 912. 985. 912. 73. 92.58. 0x0302. 1899. 912. 987. 912. 75. 92.40. 0x0303. 1898. 912. 986. 912. 74. 92.49. 0x0304. 1899. 910. 989. 910. 79. 92.01. 0x0305. 1901. 912. 989. 912. 77. 92.21. 0x0306. 1894. 912. 982. 912. 70. 92.87. 0x0307. 1882. 912. 970. 912. 58. 94.02. 0x030A. 1899. 911. 988. 911. 77. 92.20. 表 14 KWH 通訊品質統計表（92/12/11-92/12/12） Addr. SendCnt RecvCnt RSCnt RRCnt ReTry SuccessRate(%). 0x020C. 476. 456. 476. 456. 20. 95.79. 0x0301. 482. 456. 482. 456. 26. 94.60. 0x0302. 486. 456. 486. 456. 30. 93.82. 0x0303. 492. 456. 492. 456. 36. 92.68. 0x0304. 479. 456. 479. 456. 23. 95.19. 0x0305. 483. 456. 483. 456. 27. 94.40. 0x0306. 480. 456. 480. 456. 24. 95.00. 0x0307. 482. 456. 482. 456. 26. 94.60. 0x030A. 502. 456. 502. 456. 46. 90.83. 37.