配网载波通信系统的设计与实现

　　摘要：本文介绍了东莞供电局樟村变电站的配网自动化载波通信系统的设计与实现，并进行了测试与分析,系统投入运行。现场运行数据表明，基于自适应频率选择技术的PLC-075型电力线数据传输装置，能够实现配网线路的载波组网通信，并且满足配电自动化系统的误码率、实时性等性能要求。该案例的成功实施,表明中压载波通信完全可以作为配电自动化的通信解决方案。

　　关键词：载波通信 卡接式电感耦合器 配电自动化系统

　　0. 引言

　　随着经济水平的提高，家用电气产品的应用越来越广泛,人们对电力供应的要求也越来越高,电力公司提高供电质量也就越来越重要。配电自动化系统的建设可以有效保障供电质量，是目前各电力公司建设的重点。

　　目前配电自动化系统的主要通信方式有：(1)有线通信方式，如光纤、公用电话网、电缆屏蔽层载波等;(2)无线通信方式，如微波、GPRS、CDMA等。其中,光纤通信由于其传输距离远,抗干扰能力强，及信道容量高等优点,在主干网中获得了广泛使用，但由于其成本偏高，且在城区施工不方便，应此在变电站至配电站这一范围难以广泛推广。而GPRS、CDMA等由于是公用网络，保密性较差;此外，它们不是专用的数据通信网，在网络中语音优先，在通话多的情况下，不能保证数据的及时传输。

　　近年来，随着技术的发展，10kV载波通信在配电自动化系统中得到广泛应用。本文以南瑞集团的PLC-075系列载波机和卡接式电感耦合器在东莞樟村变电站配电自动化系统中的应用为例，讨论10kV线路载波通信在配电自动化系统中的设计与实现。

　　1. 中压载波通信技术

　　1.1. PLC-075系列电力线数据传输装置

　　PLC-075系列电力线数据传输装置是南京南瑞集团公司研制的、采用了具有自主知识产权核心技术的中压载波通信装置，能够在有强噪声干扰的中低压配电线上实现稳定可靠的数据传输，可满足电力监控设备通过电力线进行数据通信的需求。数字信号接口采用RS-232或RS-485接口，可与现有的配电自动化终端RTU、FTU、TTU以及负荷控制等装置互联，实现中心站与配电自动化终端之间的透明数据传输和组网通信。

　　PLC-075系列电力线数据传输装置采用了以下核心技术：

　　1) 自适应频段选择技术

　　PLC-075系列电力线数据传输装置能够根据10kV载波信道情况，在其工作频段范围内，自动调整使用频段，以取得最佳通信效果。当10kV载波通道发生变化，从而影响PLC-075当前使用频段的载波信号传输效果时，PLC-075系列设备能够自动检测载波通道全频段内的载波信号传输效果，并自动调整到传输效果较好的工作频段，从而实现在无人干预情况下载波通信的长期稳定性。

　　2) 信道质量动态检测机制

　　10kV配电线路的负荷变化是随机的，例如，补偿电容投入和退出，负荷转移或者网络结构大面积变化引起中压配电线传输特性突变，进而导致通信中断。为此，在PLC-075关键技术的开发方案中，在数据包中引入一个字节标识当前数据包的质量等级，用于描述当前信道的动态传输性能或者质量。在应答方式下，收发双方根据当前的信道质量等级动态调整调制方式，以达到最佳通信效果。利用信道质量动态检测机制，动态调整接收电路参数，这种动态调整方式，再结合下面介绍的增强型自适应模拟前端技术，可以克服上述突变干扰，以达到可靠接收的目的。

　　3) 增强型自适应模拟前端技术

　　PLC-075设备中采用增强型自适应模拟前端技术，使得载波设备能够根据10kV线路的变化，自适应调整载波信号发送电路和接收电路参数，以适应传输特性的动态变化，使得接收效果达到最佳。因此对信号衰减、强噪声干扰、阻抗变化和相位频率失真等有很强的适应性,极大地提高了装置的通信能力。

　　1.2. 载波信号耦合方式

　　中压载波通信装置需要使用耦合设备将载波信号耦合至10kV线路。在10kV电缆线路上，主要有卡接式电感耦合器和注入式电感耦合器。

　　1) 卡接式电感耦合技术

　　卡接式电感耦合器利用电磁感应原理，将高频载波信号耦合到电力电缆屏蔽层和A、B、C三相芯线，实现载波信号的传输。在现场安装卡接式电感耦合器具有不改变电力电缆原来接地方式的优点。

　　卡接式电感耦合器采用两个半圆对接的方式安装在电缆上，安装过程非常简单，所需时间短，有利于工程施工。卡接式电感耦合器及安装实例如下所示：

　　图 1‑1 卡接式电感耦合器及安装实例

　　2) 注入式电感耦合技术

　　注入式电感耦合器安装在电力电缆的屏蔽层或接地母线的接地回路中，可以在规定条件下保证载波信号在电力电缆的屏蔽层和配电线载波发送接收机之间有效的发送接收。

　　注入式电感耦合器的主要优点是：耦合衰减小、线路阻抗匹配效果好，最大传输距离可高达10kM。

　　图 1‑2 注入式电感耦合器及安装实例

　　0. 樟村变电站载波通信系统设计

　　0.1. 一次系统介绍

　　樟村变电站配电自动化系统包括东江花园、红川路1#分支箱、梨川一站、东盛大厦等15个站点，樟村变电站对配电站采用单线手拉手、环网方式供电，所有10kV线路为纯电缆线路。

　　一次系统的链路图如下所示：

　　图 2‑1 一次系统链路图

　　本系统选用樟村站F02梨川线和F30东盛线作为载波通道进行信号传输。F02梨川线最远站点新沙路尾箱变至樟村变电站的电缆总长为68094m(从樟村变电站开始：3375m+198m+534m+326m+220m+1986m+170m)。

　　0.2. 载波通信系统设计

　　根据F02梨川线和F30东盛线的一次线路特点，构建两个相互独立的载波通信网络，载波通信实现方案如图 2‑2所示。

　　两台主载波都安装在樟村变电站，通过RS232口连接到载波通信管理机，然后再通过Ethernet接口连接到网络交换机，最终接入光端机。从载波安装在东江花园、红川路1#分支箱、梨川一站、东盛大厦等15个配电站(或分支箱等)，通过RS232/RS485接口连接到配电终端设备。同一逻辑网络内的主载波可以和逻辑网络内的从载波通信。终端设备采集的数据通过载波通道送至变电站的主载波，再通过光纤通道送至东莞供电局的Open2000配电自动化平台。

　　主、从载波之间采用卡接式和注入式的混合耦合方式。安装在樟村变电站和各从站点的阻抗匹配器主要完成载波信号转接过程中的匹配。

　　图 2‑2 樟村变电站配网自动化系统载波通信实现方案

　　1. 现场测试和运行分析

　　1.1. 载波通道信号衰减测试与分析

　　根据PLC-075系列产品的技术指标及大量工程应用经验，当载波信道传输衰减小于80dB时，PLC-075型设备能够可靠通信。而采用卡接式电感耦合器在多段手拉手式10kV线路上传输载波信号时，载波信号传输衰减比较大，为本项目的主要技术难点。

　　在上文方案中，樟村变电站至新沙路尾箱变的电缆距离最长，级连段数最多。我们测试了樟村变电站至新沙路尾箱变的载波信号传输衰减，数值如下图所示：

　　图 3‑1 樟村变电站至新沙路尾箱变信号传输衰减

　　由上图可以看出，在PLC-075的工作频段范围内(20～100KHz),由于经过了长达7段电缆的级连，樟村变电站至新沙路尾箱变的载波信号传输衰减相对较大，普遍在70dB～80dB之间，平均为72.8dB，接近PLC-075设备所能承受衰减的临界值，不过仍然处于可稳定工作范围。

　　0.1. 载波通道数据通信测试与分析

　　配电自动化系统对通信的实时性要求较高，而且具体业务不同，数据包大小不同，对实时性的要求也不同。一般功能的遥信和遥测数据包的长度范围为10～100B，轮询周期约为3S，而总召数据包的长度一般为300～600B，轮询周期为几分钟。

　　为测试载波信道的通信响应时间是否满足上述需求，我们将东江花园、新沙路尾箱变从载波机的串口分别自环，然后使用电脑在樟村变电站通过主载波发送不同包长的数据，数据经从载波回环后再回到主载波，由此测量不同包长的数据在载波信道上的双向传输延时。

　　由记录数据可以看出，在10kV线路载波信道上，对于80字节左右的数据包，双向平均延时小于1S，而对于600字节左右的数据包，双向平均延时小于7S。测试过程中，10kV线路载波通信误码率为0。误码率和通信实时性两项指标都完全满足配电自动化系统的实时性要求。

　　0.2. 配电自动化运行分析

　　基于中压载波通信的樟村变电站配电自动化系统2010年1月投运以后，设备运行稳定，载波通道性能满足系统设计需求，东江花园、红川路1#分支箱、梨川一站、东盛大厦等站点的终端设备采集的数据可以通过载波通道按时上传至樟村变电站主载波，再通过光纤上传至位于东莞供电局分公司的Open2000配电自动化软件平台。

　　通过Open2000软件平台，可以查看东江花园、红川路1#分支箱、梨川一站、东盛大厦等站点的实时和历史数据，并进行数据比较和分析等。下图为东江花园低压#1进线IC的三天数据比较。

　　图 3‑2 东江花园低压电流历史数据

　　由上图可以看出，通过载波通道上传的数据非常完整，电流曲线平滑，完全满足配电自动化的系统需求。

　　1. 与其它主要通信技术的比较

　　目前国内配电自动化发展处于初级阶段，部分城市进行了试点工程的建设，个别城市建设范围覆盖主要城区。在众多通信技术中，应用于配网自动化工程建设的主要通信方式包括光纤工业以太网通信技术、公网无线通信技术及配网电力载波通信技术。下面针对上述3种通信方式就其技术分析及建设条件方面进行简单的比较，并基于樟村变电站载波通信系统进行投资经济性比较。

　　4.1技术分析及建设条件比较

　　1应用条件电缆屏蔽层完好光纤资源可达的地点无线信号覆盖良好

　　2组网方式主要采用主从的链路模式环网、链路等多种组网模式租用公网运营商网络

　　3网络扩展网络拓扑对线路变化的适应能力较弱网络拓扑对线路变化的适应能力较强无需布线，不受线路变化影响

　　4通信速率小于20K。可满足三遥，但难以满足遥视等高带宽要求100M 以上。满足三遥，甚至遥视带宽要求小于20K。可满足三遥，但难以满足遥视等高带宽要求;

　　5接口配置一般只支持串口数据通信主要支持光纤、电的以太网接口;也有支持串口的设备作为配电自动化终端设备的功能模块

　　6稳定性试点的载波通道运行稳定不受干扰，通信质量稳定。依赖公网无线网络，无线网其它业务繁忙时受影响较大

　　7保护机制一般没有保护机制简单的Q0S、vlan、流量控制、环路冗余保护一般没有保护机制

　　8综合效益仅满足现有三遥以内的配电网业务需求建成的光缆将为电力业务的开展提供高带宽通道仅满足现有二遥以内的配电网业务需求

　　9建设困难利用现有的电缆屏蔽层，可以很快搭建通道;无光纤敷设问题光缆敷设在电缆沟条件好时，较容易解决;无电缆沟条件时，道路开挖存在困难。

　　光缆建设工期长;对入房的末端光缆可能存在小区建设困难依赖于公网运营商网络

　　10建设风险1)由于带宽小，建成的载波通道难以用于遥视等带宽需求大的应用;2)电缆屏蔽层不好的情况无法利用载波通道1)光缆敷设敷设受阻，将直接影响建设工期;2)没有现场电缆沟可利用的情况下，敷设光缆的造价很高; 3) 光缆通道建好，将为以后电力应用提供高带宽的通道投资总体费用少，但信号覆盖不好的点，无法满足业务通信要求

　　4.2樟村站载波通信系统投资经济性比较

　　5、 结束语

　　利用多段级连10kV线路载波通道作为配电自动化的通信通道是一种新的尝试，主要面临载波信号传输衰减大、突发干扰强等困难，这就对载波通信装置提出了更高的要求。南瑞集团的PLC-075系列设备，能够在信号衰减高达80dB的条件下实现稳定可靠的载波组网通信，且误码率能够满足配电自动化的最低要求。

　　采用卡接式电感耦合器实现的10kV线路载波组网通信，在樟村变电站配电自动化系统中得到成功应用，这表明10kV线路载波通信完全可以作为城市小区配电自动化的通信解决方案，对实施城市配电自动化具有示范作用。

　　基于配电自动化系统功能需求及建设区域通信通道实际情况，合理选用通信方式是配电自动化规划设计的主要工作之一。对于需满足三遥功能，但难于敷设光缆或成本过高的配电网点以及只需满足两遥功能，但公网无线信号覆盖不好的网点，采用载波通信能够较好地满足技术要求并获得较高的投资经济收益。

　　1. 参考文献

　　[1] 汪晓岩、王强、吴国栋、吴春琪.架空配电线和电力屏蔽电缆的传输特性测量与分析[J].电力系统通信，2006，27(162)：12-16.

　　[2] 宗明、汪晓岩、华斌.混合供电线路的载波组网通信关键技术研究[J].华东电力,2008，36(8)：47-50.