多路并行工頻通信設備及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

王 媚 ，徐 劍 ，楊 健 ，王 佳 ，黃畢堯 ，李建岐 ，劉國軍 ，王智慧

（1.上海市電力公司，上海 200122；2.上海久隆電力（集團）有限公司，上海 200070；3.中國電力科學研究院，北京 100192）

0 引言

通信技術(shù)為電網(wǎng)遠程監(jiān)測和控制提供通道，雙向、實時、可靠的電力系統(tǒng)通信是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的重要基礎之一，配用電直接面向廣大電力用戶，其智能化建設是智能電網(wǎng)發(fā)展的必然要求［1］。我國在110 kV及以上電壓等級的輸電網(wǎng)電力通信方面，已建立了相對完善的以光通信技術(shù)為主的電力系統(tǒng)專用通信網(wǎng)，為電網(wǎng)調(diào)度自動化、管理信息化等提供了重要支撐。但在配用電環(huán)節(jié)，由于節(jié)點較多、通信環(huán)境復雜，目前存在電力線通信、無線通信、光通信等多種技術(shù)并存的局面。光通信和無線專網(wǎng)受成本等因素影響，大面積推廣存在一定制約。傳統(tǒng)電力線載波通信技術(shù)包括寬帶電力線載波和窄帶電力線載波，其信號不能直接穿越配電變壓器傳輸，信號傳輸特征受到電網(wǎng)時變阻抗特征影響較大，傳輸質(zhì)量時好時壞，且在多T型分支配用電網(wǎng)中信號傳輸可靠性較差。

工頻通信技術(shù)是以電網(wǎng)工頻基波過零點為基準點傳輸信號，其在20世紀80年代初由美國學者S.T.Mak提出并不斷進行技術(shù)改進，在負荷控制和遠程抄表系統(tǒng)中獲得應用并擴展了應用范圍［2-8］。工頻通信系統(tǒng)下行信號使用電壓畸變，上行信號使用電流畸變。目前，國外基于工頻通信技術(shù)的高級量測（AMI）系統(tǒng)已有大量工程應用案例。國內(nèi)也從20世紀90年代后期開始研究工頻通信技術(shù)，并已在一些遠程抄表系統(tǒng)中投入使用［9-13］。

國外對單相多路工頻通信進行了相關(guān)研究［14］，并已推出單相六路工頻通信裝置，而國內(nèi)在這方面尚無系統(tǒng)研究。本文針對傳統(tǒng)單路工頻通信系統(tǒng)速率較低、應用受到限制的特點，研制了多路并行工頻通信系統(tǒng)；設計了工頻通信子站系統(tǒng)和用戶終端裝置；根據(jù)多路工頻通信信號三相并行傳輸、單相6路并行傳輸以及不同饋線并行傳輸?shù)募夹g(shù)特點，給出多路并行工頻通信系統(tǒng)終端地址設計方法和工頻通信協(xié)議。本文研制開發(fā)的多路并行工頻通信設備及系統(tǒng)，在多地多個電力公司現(xiàn)場掛網(wǎng)測試，并取得了成功的運行應用。

1 多路工頻通信系統(tǒng)基本原理

基于配電網(wǎng)的多路工頻通信系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由子站系統(tǒng)和用戶終端裝置兩部分組成。

圖1 多路工頻通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of multi-channel parallel power-frequency communication system

子站系統(tǒng)包括下行信號發(fā)送裝置、上行信號接收裝置和子站控制裝置3個部分。其中下行信號發(fā)送裝置通過3根火線和1根零線接到調(diào)制變壓器低壓側(cè)，其主要功能是接收子站控制裝置指令并按照指令調(diào)制下行電壓畸變信號，調(diào)制信號采用三相并行調(diào)制；調(diào)制的下行信號通過調(diào)制變壓器耦合到變電站母線上，該母線下端饋線上的所有工頻用戶終端均能接收到此下行信號；工頻用戶終端根據(jù)接收到的下行信號，調(diào)制上行電流畸變信號，子站系統(tǒng)信號接收裝置通過饋線TA提取上行電流畸變信號。對于多路并行工頻通信系統(tǒng)，圖1中同一相上的6個終端、不同相上的終端、變電站不同饋線上的用戶終端均可以同時傳輸上行信號。子站控制裝置用于啟動下行信號發(fā)送及上行信號接收的同步時序控制，具備和主站系統(tǒng)的遠程通信接口及變電站母線聯(lián)絡開關(guān)狀態(tài)采集功能。子站和用戶終端硬件設計采用集成有數(shù)字信號處理器的微控制器作為核心控制芯片，并集成有12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和硬件中斷功能。

1.1 多路工頻通信子站系統(tǒng)

圖2為工頻通信子站系統(tǒng)主要硬件連接關(guān)系示意圖。

圖2 子站通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of substation communication system

子站信號發(fā)送裝置通過三相四線外接調(diào)制變壓器低壓端，其功能包括下行信號調(diào)制、電壓過零點檢測、調(diào)制信號強度自檢。下行信號調(diào)制需要以電壓過零點作為調(diào)制時間基準計時起點，由于三相電壓相位相差120°，為了實現(xiàn)子站發(fā)送裝置三相信號同時并行調(diào)制，硬件電路設計在過零比較前端采用了90°移相電路，這樣可以實現(xiàn)下行信號三相并行調(diào)制時三相可以采用各自的調(diào)制計時基準。信號強度自檢測電路能實時監(jiān)測下行信號調(diào)制強度。過零比較電路及信號檢測電路采用二階有源低通濾波，濾除高頻干擾，提高過零比較電路穩(wěn)定性，低通濾波器截止頻率為5 kHz。

子站信號接收裝置從饋線TA取電流信號以獲取上行電流畸變信號。每條饋線上的上行信號由子站信號接收裝置的一塊信號處理板處理。上行信號首先經(jīng)過背景電流抵消電路，背景電流抵消電路根據(jù)上行信號跨Y/yn0和D/yn112種接線變壓器傳輸后耦合到其他相上的特點，可以在抵消背景電流的同時增加上行信號強度［15-16］，背景電流抵消電路完成下式運算：

其中，ia、ib、ic分別為 A、B、C 相上的電流信號，包括上行信號和背景電流噪聲信號；Sa、Sb、Sc分別為 A、B、C相上合成后的上行信號。

經(jīng)過背景電流抵消后，上行信號采用二階有源帶通濾波，通帶在100～1000 Hz之間；過零檢測電路從母線TV取電壓信號獲得電壓過零點，子站信號接收裝置采用模塊化設計；子站控制器、子站發(fā)送裝置和子站接收裝置采用CAN總線相連。

對于用電信息采集系統(tǒng)而言，工頻通信子站系統(tǒng)相當于傳統(tǒng)電力線載波抄表系統(tǒng)中集中器的功能。

1.2 多路工頻通信用戶終端

工頻通信用戶終端通過電力線和子站通信，本地通過RS-485總線和相關(guān)配用電終端或者電能表通信。工頻通信用戶終端完成下行信號接收與上行信號發(fā)送，通過RS-485接口與電表或其他需要遠程通信的配用電終端連接。1個用戶終端可以采集1～32個用戶電能表數(shù)據(jù)。多路工頻用戶終端硬件主要部分原理如圖3所示。

圖3 通信用戶終端硬件原理Fig.3 Hardware structure of user communication terminal

220 V低壓電網(wǎng)電壓經(jīng)過信號變換變?yōu)檎胰跣盘?，?jīng)過硬件二階有源帶通濾波提取下行信號，通帶在100～1000 Hz之間。工頻通信終端與工頻子站發(fā)送裝置具有自動監(jiān)測上行信號調(diào)制強度功能。

2 下行信號發(fā)送與接收

工頻通信下行信號發(fā)送的基本原理是在工頻基波由正到負的過零點產(chǎn)生一個畸變，即在調(diào)制變壓器每相電壓上產(chǎn)生一個電壓畸變，產(chǎn)生的方式是將晶閘管和電感串接在三相饋線和地線之間，每2個周期晶閘管導通一次，“1”表示前一個周期導通，“0”表示后一個周期導通。對于國內(nèi)50 Hz工頻，單路工頻通信下行信號傳輸速率為25 bit/s，多路并行下行通信速率為 75 bit/s。

如圖4所示，晶閘管在所接相電壓由正到負過零點前30°范圍內(nèi)導通，產(chǎn)生一個沖擊電流引起過零點附近電壓畸變。該電壓畸變通過調(diào)制變壓器耦合到中壓側(cè)，其強度控制在電能質(zhì)量指標范圍內(nèi)，不會對中壓配電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。

圖4 下行信號發(fā)送原理Fig.4 Transmission circuit of downlink signal

實際下行信號發(fā)送時其沖擊電流如圖5所示。一般情況下，由于每相等效阻抗不同，即使每相調(diào)制導通角相同，產(chǎn)生的沖擊電流也不一樣。圖5為子站信號發(fā)送裝置實際發(fā)送下行信號時調(diào)制變壓器低壓側(cè)零線上測試的電流（三相電流波形疊加）。下行調(diào)制的沖擊電流幅值與變電站主變?nèi)萘坑嘘P(guān)，一般在300～600 A之間。

圖5 下行信號發(fā)送沖擊電流Fig.5 Impulse current of downlink signal transmission

下行信號經(jīng)過用戶終端硬件進行前端信號處理，主要包括信號變換和帶通濾波。下行信號每2個周期調(diào)制一次，工頻通信用戶終端的接收端對2個周期中的前、后周期信號進行A/D采樣（6.4 kHz，12位）后進行差分，其波形如圖6所示。下行信號接收時由于存在相間信號串擾（圖6為A相下行信號和B相下行竄擾信號的疊加波形），信號處理時需要對信號進行強度分段并分別計算特征值。

圖6 下行信號時域波形Fig.6 Time-domain waveform of downlink signal

下行信號采用幀同步接收方式，每幀幀頭同時調(diào)制4個周期的電壓波形。下行信號通過6.4 kHz、12位A/D采樣并進行前后2周期波形差分后，采用時域或者頻域方法檢測信號。

3 上行信號發(fā)送與接收

上行信號發(fā)送硬件原理同下行信號（圖4），由于用戶端一般為單相，故上行信號多采用單相調(diào)制。與下行信號調(diào)制相比，上行信號調(diào)制回路采用雙向晶閘管，其可在工頻電壓由正到負或者由負到正的過零點前導通。為了完成單相6路終端并行傳輸上行信號，調(diào)制時以4個周期為1位調(diào)制周期，共有8個過零點前可調(diào)制［15-16］。圖 7 中編碼方式為：在第 1、3、6、8 個過零點調(diào)制為“1”（左圖），在第 2、4、5、7 個過零點調(diào)制為“0”（右圖），具體編碼見表1。信號接收時采集沖擊電流并依據(jù)其脈沖方向完成上行信號解調(diào)。圖7中，在每個電壓過零點分別設置檢測窗口W1—W8，通過8個檢測窗口的運算（W1+W2+W3+W4-W5-W6-W7-W8）抵消負載背景電流后得到上行信號。

圖7 上行信號調(diào)制和解調(diào)示意圖Fig.7 Modulation and demodulation of uplink signal

表1 上行信號調(diào)制編碼Tab.1 Modulation code of uplink signal

實際發(fā)送電流的實測波形如圖8所示，電流沖擊脈沖幅值控制在25 A以下。

圖8 上行信號發(fā)送沖擊電流Fig.8 Impulse current of uplink signal transmission

上行信號檢測時，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后每位用4個電流脈沖表示，將8個電流脈沖組成信號向量：

信號檢測向量為：

子站接收裝置單片機軟件程序完成式（2）檢測運算：

對應表1中6路信號調(diào)制方式的檢測向量如表2所示。

根據(jù)式（2）運算結(jié)果即可分離識別出電源線單相6路同時傳輸?shù)纳闲行盘枴?/p>

(2)虛擬水戰(zhàn)略對生態(tài)環(huán)境的影響。通過增加棉花進口，相當于進口水資源，如果用節(jié)約下來的水資源增加林地與草地面積，五種情景中情景E可使林地與草地面積增加最多。

表2 上行信號檢測向量Tab.2 Detection vector of uplink signal

某條饋線上每相的6個終端上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)過子站接收裝置信號變換、硬件背景電流抵消及帶通濾波后，在上行信號接收端采集到的信號時域波形如圖9所示，圖中由上至下分別為A相、B相、C相的時域波形。

圖9 上行信號原始時域波形Fig.9 Original time-domain waveforms of uplink signal

上行信號經(jīng)過與檢測向量信號處理后，子站接收終端采集到的時域波形如圖10所示，圖中給出了A相的4個終端、B相的1個終端及C相的1個終端的波形，其中終端A4信號較弱。一般情況下，由于國內(nèi)配網(wǎng)為小電流接地系統(tǒng)，上行信號相間存在串擾情況。

圖10 上行信號經(jīng)過信號檢測向量分離后的時域波形Fig.10 Time-domain waveforms of uplink signal after signal detection

上行信號的接收同步采用時間同步方式，由子站控制器控制子站發(fā)送裝置的下行信號發(fā)送，并計算出上行信號的調(diào)制時間和所在饋線，通知相應子站接收裝置接收上行信號。

4 多路工頻通信應用設計

4.1 工頻通信終端地址設計

工頻通信用戶終端安裝在居民電表箱以及配電變壓器臺區(qū)計量電能表處，可抄收分表數(shù)據(jù)及總表數(shù)據(jù)，結(jié)合子站裝置對變電站饋線電能及數(shù)據(jù)進行抄收。每個工頻通信用戶終端對應1個原始的物理地址，物理地址編號以6個字節(jié)表示。每個工頻通信終端通過RS-485接口按照DL/T645標準讀取電能表數(shù)據(jù)，電能表原始物理地址編號以6個字節(jié)表示，子站地址以6個字節(jié)表示。

多路工頻通信主站軟件系統(tǒng)具有終端相位自動判別功能，系統(tǒng)安裝完成后，工頻通信中按照子站裝置的相位，子站下行信號三相并行傳輸對所有用戶終端召測，子站接收裝置同時接收三相的上行信號，根據(jù)接收上行信號所在相位可自動判斷終端所在相。

多路工頻通信主站軟件系統(tǒng)運行前需要對所有終端初始化鏈路層終端地址和鏈路層終端組地址。終端物理層地址占6個字節(jié)，如果按照物理地址傳輸將占用不必要的信道帶寬，鏈路層終端地址是根據(jù)所轄變電站終端安裝數(shù)量，對終端地址的簡化，簡化后占2個字節(jié)。采用三相、每相6個終端同時傳輸上行數(shù)據(jù)，每個終端對應的組地址表示其上行調(diào)制信源編碼格式，每組包括18個終端，A、B、C相上各6個終端。每組中組地址6m-5，6m-4，…，6m（m=1，2，3，…）的終端調(diào)制格式分別對應表 2 中編碼1～6的調(diào)制格式。終端組地址用2個字節(jié)表示，每個終端調(diào)制編碼標示和每個終端所帶的電能表地址用1個字節(jié)表示。

利用變電站每條饋線上的TA提取上行電流畸變信號，實際一般選擇測量用互感器，每條饋線上的終端可以同時傳輸上行數(shù)據(jù)。終端所在的饋線地址和所在相位用1個字節(jié)表示，高6位表示饋線地址、低2位表示相位。

系統(tǒng)初始化后，電能表地址需要加上的信息包括電能表所在的終端地址、電能表所在終端的組地址、電能表所在終端信源調(diào)制編碼標示、電能表所在的饋線地址和所在相位。包括電能表初始化后的地址在內(nèi)，電能表地址信息占6個字節(jié)。系統(tǒng)對每個工頻通信終端初始化時，主要是把每個電能表對應的上述地址信息固化到每個工頻通信終端的FLASH存儲器中。同時在主站數(shù)據(jù)庫中建立電能表出廠地址和上述地址信息一一對應的數(shù)據(jù)庫。工頻通信中下行和上行數(shù)據(jù)傳輸時只需傳輸終端2個字節(jié)的初始化鏈路層地址。

4.2 多路工頻通信幀格式設計

多路工頻通信系統(tǒng)物理層通信幀格式設計如第2節(jié)和第3節(jié)中下行信號發(fā)送和上行信號發(fā)送所述。本節(jié)主要是論述鏈路層和應用層幀格式。幀格式設計時一方面考慮到多路工頻通信自身技術(shù)，另一方面也要符合目前用電信息采集等自動化系統(tǒng)中對通信規(guī)約的相關(guān)規(guī)定，主要是與DL/T645、DL/T 698-41以及Q/GDW376.1標準兼容。同時，由于工頻通信物理層速率較低，要求設計高效的通信幀格式以提高其通信性能。在用電信息采集與管理系統(tǒng)中，工頻子站裝置主要完成Q/GDW376.1協(xié)議和工頻通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，工頻用戶終端裝置主要完成DL/T645協(xié)議和工頻通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

DL/T698-41主站通信協(xié)議采用GB/T18657.1標準的6.2.4FT1.2異步式傳輸幀格式，如圖11所示，其中長度L包括規(guī)約標識和用戶數(shù)據(jù)長度，用戶數(shù)據(jù)長度是控制域、地址域、鏈路用戶數(shù)據(jù)（應用層）的總字節(jié)數(shù)。多路工頻通信應用時，圖11中地址域為工頻通信子站地址，工頻通信子站主要完成鏈路用戶數(shù)據(jù)向工頻協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

圖11 DL/T698-41鏈路層通信協(xié)議Fig.11 DL/T698-41 communication protocol of link layer

行業(yè)標準DL/T698-41以及國家電網(wǎng)公司標準Q/GDW376.1中，鏈路用戶數(shù)據(jù)應用層功能規(guī)定的上行數(shù)據(jù)包括任務數(shù)據(jù)、1類數(shù)據(jù)（實時數(shù)據(jù)）、2類數(shù)據(jù)（歷史數(shù)據(jù)）和3類數(shù)據(jù)（事件數(shù)據(jù)）。根據(jù)多路并行工頻通信信號上行傳輸和下行傳輸相差較大的特點，需分別設計上行通信協(xié)議和下行通信協(xié)議。

以1幀下行數(shù)據(jù)抄收18個電能表數(shù)據(jù)為例，其下行幀格式如圖12所示。

圖12 多路并行工頻通信鏈路層下行通信協(xié)議Fig.12 Downlink protocol of link layer for multi-channel parallel communication

下行信號完成如下功能：終端相位初始化、電能表地址初始化、終端時鐘校準、終端定時數(shù)據(jù)存儲命令、單個電能表抄收、18個電能表抄收（三相6路）。對應的上行信號功能分別是終端相位初始化回復確認、電能表地址初始化回復確認、終端時鐘校準回復確認、終端定時數(shù)據(jù)存儲命令回復確認、單個電能表數(shù)據(jù)回復、18個電能表數(shù)據(jù)回復。圖13為18個電能表數(shù)據(jù)回復的上行幀格式。

圖13 多路工頻并行通信鏈路層上行通信協(xié)議Fig.13 Uplink protocol of link layer for multi-channel parallel communication

每組有18個終端，每條饋線上的組地址可以重合，這樣1幀下行信號可以同時抄收18n個終端（n為同一個子站發(fā)送裝置所帶的饋線數(shù)量）。1條下行信號為16個字節(jié)，1條上行協(xié)議為16個字節(jié)，多路工頻通信物理層速率為下行 25 bit/s，上行 12.5 bit/s，加上下行物理層調(diào)制幀同步需80 ms，則抄收18個電能表數(shù)據(jù)時間約為16 s；如果子站發(fā)送裝置所在母線上有10條饋線，則16s能抄收180個電能表數(shù)據(jù)，如果1個變電站下端有4萬個電能表需要遠程抄表，則抄收一遍大約需1 h。實際應用時，主要是抄收電能表當前電度量，1條上行幀只需要8個字節(jié)，同時可把下行數(shù)據(jù)1幀縮短為8個字節(jié)，簡化圖12和圖13中的起始字符和長度字符，則0.5 h可完成4萬個電能表數(shù)據(jù)抄收。實際上許多變電站下端的電能表數(shù)量更少，循環(huán)抄收一遍的時間可以更短。

5 結(jié)論

本文研究分析了多路并行工頻通信系統(tǒng)中上行、下行信號的發(fā)送與接收，分析并設計了工頻子站系統(tǒng)及用戶終端關(guān)鍵硬件電路，主要為信號處理回路的關(guān)鍵硬件電路。采用優(yōu)化的系統(tǒng)地址編碼和工頻通信系統(tǒng)通信協(xié)議，極大提高了工頻通信系統(tǒng)通信性能。

多路工頻通信系統(tǒng)應用在用電信息采集系統(tǒng)中時，無需安裝大量集中器，只需在終端變電站安裝一套子站系統(tǒng)，充分利用配電網(wǎng)變電站多饋線并行傳輸、三相并行傳輸、單相6路正交編碼調(diào)制并行傳輸?shù)膬?yōu)勢，并可以在0.5 h內(nèi)完成1個變電站轄區(qū)4萬戶表計數(shù)量規(guī)模的電能表的當前電能量數(shù)據(jù)抄收。

開發(fā)的多路工頻通信系統(tǒng)已在部分省市電力公司安裝應用。目前，智能配用電網(wǎng)建設對于通信技術(shù)各方面性能提出了更高的要求，多路工頻通信技術(shù)為配用電通信尤其是我國廣大農(nóng)村配電網(wǎng)通信提供了一種低成本、高可靠、易維護的通信解決方案。