配電自動(dòng)化系統(tǒng)載波通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

【摘要】中壓配電網(wǎng)載波通信是城市配電自動(dòng)化通信方式的首選方式之一，本文研究了適合中壓配電網(wǎng)的一種電力載波節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，以期望能夠提高載波通信的效率。

【關(guān)鍵詞】配電自動(dòng)化；載波通信；調(diào)制解調(diào)

中壓配電網(wǎng)載波通信借助電力公司自身的35kV/10kV配電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不需要投資敷設(shè)新的通信電纜或昂貴的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，也不需要支付進(jìn)行連接的費(fèi)用，因此，國(guó)內(nèi)外許多電力公司對(duì)此進(jìn)行不斷嘗試，取得了許多經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

一、中壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的接線模式

載波通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要結(jié)合中壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。我國(guó)35kV（10kV）線路配電網(wǎng)的供電線路大多采用沿馬路或者街道鋪設(shè)的架空線（裸導(dǎo)線，絕緣導(dǎo)線），其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。在城市市區(qū)，配電網(wǎng)采用電力電纜和架空線混合結(jié)構(gòu)，電力電纜都直接埋地下或者敷設(shè)在電纜溝里。由于變電站或者開閉所所設(shè)計(jì)安裝在市區(qū)，出線位置受限制，所以，大部分電力電纜出線后再上桿或者連接架空線。現(xiàn)在階段的35kV（10kV）中壓配電網(wǎng)分為樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雙電源環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多電源混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

環(huán)狀配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般在城市市區(qū)采用，采用雙電源環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多電源混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原因主要是現(xiàn)在用戶對(duì)電能質(zhì)量及客戶服務(wù)水平的要求提高，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督力度也很大，因此供電企業(yè)必須提高供電可靠性，實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化管理，減少故障停電時(shí)間。

二、載波節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)以上配電網(wǎng)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，載波中壓配電網(wǎng)載波通信都是很好的通信方式，關(guān)鍵在于通信節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

本文提出了適合適合配電自動(dòng)化控制的成熟電力線載波方案，包括通信方式選擇為電力線載波，通信，調(diào)制方式選擇為正交頻分復(fù)用（OFDM），OFDM方案PRIME，數(shù)字調(diào)制處理器選為TMS320F28069， 選擇MAX2991作為電力線通信模擬前端（AFE）。

（1）調(diào)制方式選擇原因。FSK存在一些致命缺陷：如果干擾信號(hào)頻率與其中一個(gè)發(fā)射頻率一致，接收器將無法正確接收信號(hào)。因?yàn)镕SK只是在兩個(gè)頻率之間切換，帶寬利用率較低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率較低。較低的數(shù)據(jù)速率不足以支持智能電網(wǎng)應(yīng)用對(duì)于雙向控制的要求。實(shí)際的PLC網(wǎng)絡(luò)常常需要經(jīng)過幾百米的傳輸距離，通過網(wǎng)絡(luò)的中等電壓（MV）部分連接到一個(gè)數(shù)據(jù)集中器，要求數(shù)據(jù)跨越低壓/中等電壓（LV/MV）變壓器。由于這些變壓器會(huì)對(duì)FSK信號(hào)造成幾十分貝的衰減（頻率選擇性），需要開發(fā)比FSK更先進(jìn)可靠的通信方法。目前，OFDM為實(shí)現(xiàn)PLC網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的新功能、新目標(biāo)提供了技術(shù)保障，其中最顯著的優(yōu)勢(shì)是：它為電力行業(yè)在苛刻的成本控制下構(gòu)建智能化電網(wǎng)提供了足夠的通信帶寬。OFDM采用多載波傳輸數(shù)據(jù)，有效解決了特定頻率的信號(hào)干擾問題和選頻特性造成的衰減。

（2）通信協(xié)議方案選擇。G3技術(shù)采用36個(gè)子載波、0.735ms的分類符號(hào)、6.79ms的序和9.5ms的開頭，需要重復(fù)法和RS糾錯(cuò)來提高通信穩(wěn)定性。PRIME采用了97個(gè)子載波、2.24ms的長(zhǎng)符號(hào)、2ms的序和4.48的開頭。為了避免重復(fù)法和RS糾錯(cuò)的復(fù)雜性，它采用了能效高3倍的符號(hào)來提高通信穩(wěn)定性。這是一個(gè)能夠提供穩(wěn)定性但成本更低的方案。所以本方案選擇PRIME協(xié)議。

（3）模擬前端方案。方案選擇MAX2991作為電力線通信模擬前端（AFE），MAXX2991是一款性能優(yōu)異的集成電路，具有極高的集成度和優(yōu)異的性能，可有效降低整體系統(tǒng)成本。也是首款專為通過電力線傳輸OFDM（正交頻分復(fù)用）調(diào)制信號(hào)而設(shè)計(jì)的AFE?？删幊虨V波器工作在10kHz至490kHz頻帶。MAX2991收發(fā)器提供兩個(gè)主要通道：發(fā)送（Tx）通路和接收（Rx）通路。發(fā)送通路將OFDM調(diào)制信號(hào)注入交流或直流線路。發(fā)送通道由數(shù)字IIR濾波器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）及后續(xù)低通濾波器、前置線路驅(qū)動(dòng)器組成。接收通道用于信號(hào)增強(qiáng)、濾波和接收信號(hào)數(shù)字化。接收器由低通和高通濾波器、兩級(jí)自動(dòng)增益控制（AGC）以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）組成。集成AGC可將信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍最大提高至60dB，低通濾波器可消除帶外噪聲并選擇所要求的頻帶。ADC轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過增強(qiáng)和放大的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。集成消失調(diào)電路大大降低了直流失調(diào)。

（4）數(shù)字調(diào)制處理器選為TMS320F28069， 可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)等信號(hào)處理、媒體接入控制（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層處理（路由、IPV6等）、應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)?；谝陨戏桨概潆娮詣?dòng)化系統(tǒng)通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如下圖所示。

三、結(jié)論

本文對(duì)配電網(wǎng)通信問題進(jìn)行了較為深入的理論分析和方案研究，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和方案選擇，對(duì)系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行很有幫助。設(shè)計(jì)了一種配電網(wǎng)載波控制系統(tǒng)的載波方案，此方案通信調(diào)制使用OFDM-PRIME方案，模擬前端選擇MAX2991，數(shù)字調(diào)制處理器選為TMS320F28069。

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作者簡(jiǎn)介

郭寧輝，男，26歲，華北電力大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榕渚W(wǎng)自動(dòng)化，繼電保護(hù)。