基于配電網(wǎng)電纜屏蔽層的寬帶載波通信技術(shù)研究

李閻君 黃翰 陳柏旭 彭杰 周迷

摘 ? 要：在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過(guò)程中，人們對(duì)于供電的需求也在不斷的增加，相關(guān)的配電網(wǎng)以及其他電力設(shè)備也得到了充分的發(fā)展。實(shí)施配電自動(dòng)化系統(tǒng)就需要有穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)合理的通信系統(tǒng)來(lái)支持，在當(dāng)今城市的供電系統(tǒng)中，離不開(kāi)以電纜為主進(jìn)行供電的配電網(wǎng)，所以本文中提出了一種基于配電網(wǎng)電纜屏蔽層的寬帶載波通信技術(shù)，從理論上來(lái)說(shuō)該技術(shù)的物理層的通信速率能夠達(dá)到30Mbps，并且能夠?qū)CP/IP協(xié)議進(jìn)行支持，在通信上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)等通信方式。在本文中通過(guò)對(duì)線路輸入阻抗以及載波通信頻譜進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量分析，進(jìn)而配置相應(yīng)的通信模式，在璧山公司的實(shí)際通信試驗(yàn)中進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試，表明該種通信模式的有效性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) ?電纜屏蔽層 ?寬帶載波 ?通信技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（a）-0142-02

在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中，通常采用的通信方式有電力線載波、光纖、無(wú)線通信、電纜等，每一種通信方式都具有不同的性能和特點(diǎn)。電力線載波技術(shù)是以電力線自身作為相應(yīng)的通信媒介，因此不需要再重新設(shè)置相應(yīng)的通信通道，在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了較為廣泛的關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)一般都是以光纖為主、GPRS為輔，實(shí)現(xiàn)光纖全覆蓋需要極大的投資，而且由于受配網(wǎng)實(shí)際建設(shè)環(huán)境限制，光纖沒(méi)能有效覆蓋區(qū)域的配電終端，因?yàn)樾畔踩蛩兀瑖?guó)網(wǎng)公司也不再允許使用GPRS做遙控。對(duì)于璧山公司而言，城區(qū)部分環(huán)網(wǎng)柜、老舊開(kāi)閉所敷設(shè)光纖難度較大，難以實(shí)現(xiàn)“三遙”功能應(yīng)用，基于這種現(xiàn)狀，公司運(yùn)檢部配網(wǎng)工區(qū)利用環(huán)網(wǎng)柜通信模塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。該設(shè)備依托電纜屏蔽層進(jìn)行載波數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)復(fù)雜的施工布線工作，可有效解決光纖敷設(shè)難，施工成本高等問(wèn)題。

1 ?配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及其信道特征

根據(jù)實(shí)際中供電的需要以及相關(guān)要求，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)中的電力線路進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，在中低壓配電線路上進(jìn)行高頻載波信號(hào)的傳輸時(shí)，需要利用到哪種通信模式，通常要考慮相關(guān)裝置的安全及可靠性和信號(hào)傳輸?shù)男剩⑶乙惨吓潆娋W(wǎng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)以及通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行方式。

1.1 配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及其分級(jí)分析

一般在配電網(wǎng)中包含中壓配電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)，不同的配電網(wǎng)其傳輸?shù)碾妷菏遣煌?，中壓配電網(wǎng)的等級(jí)在6～35kV，而低壓配電網(wǎng)的等級(jí)在220～380V。對(duì)于中壓配電網(wǎng)而言，其相關(guān)變壓器中壓線圈的中性點(diǎn)既可以不用接地，也可以適量的進(jìn)行阻抗接地。在進(jìn)行供電的過(guò)程中，變壓器是通過(guò)向相應(yīng)的母線進(jìn)行供電，而相應(yīng)的母線會(huì)通過(guò)斷路器向配電網(wǎng)中的中壓饋線進(jìn)行供電，最終達(dá)到向用戶供電的目的。

中壓配電網(wǎng)是一種動(dòng)態(tài)的、變化的結(jié)構(gòu)，按照配電網(wǎng)自動(dòng)化以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)要求，中壓配電網(wǎng)的運(yùn)行方式主要包括輻射和互連兩種方式。而低壓配電網(wǎng)中低壓配電線路的長(zhǎng)度在通常情況下不會(huì)超過(guò)500m，該配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫且环N輻射狀樹(shù)型復(fù)合結(jié)構(gòu)，低壓電力網(wǎng)一般是由地埋絕緣電纜、架空絕緣電纜和其他開(kāi)關(guān)裝置等組成，低壓網(wǎng)在運(yùn)行方式上也可以使用互連的方式，其也是一種動(dòng)態(tài)的、變化的結(jié)構(gòu)。

1.2 配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的特性

低壓網(wǎng)和中壓網(wǎng)一般在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式上具有很多類似的地方，其網(wǎng)絡(luò)都是一種共享介質(zhì)，物理上的結(jié)構(gòu)都是輻射狀樹(shù)型復(fù)合結(jié)構(gòu)。不同的是低壓網(wǎng)上具有更多的用戶，傳輸距離一般都比較近，并且配電網(wǎng)絡(luò)也都比較復(fù)雜，而中壓網(wǎng)具有較遠(yuǎn)的傳輸距離和較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，因?yàn)槠渚哂休^高的電壓等級(jí)，所以在應(yīng)用的時(shí)候需要使用特殊的耦合設(shè)備，從而滿足工業(yè)的相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。

配電網(wǎng)與傳統(tǒng)的中高壓輸電線網(wǎng)絡(luò)相比較，一般具有很大的差別，高壓輸電線載波通信所依賴的輸電線網(wǎng)具有較為簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在長(zhǎng)距離中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的傳輸;同時(shí)在相應(yīng)的變電器和輸電線上都裝備了阻波器，這樣做能夠?qū)ω?fù)載和線路阻抗變化對(duì)載波通信的影響進(jìn)行有效的隔離，從而保障通信具有良好的性能。

1.3 配電網(wǎng)的信道特征

電力線主要是用來(lái)進(jìn)行高壓工頻電流傳輸?shù)?，而想要使用配電線建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)通道，一般都存在著較多的困難。高頻載波信號(hào)具有較大的傳輸衰減、較高的噪聲電平以及較多的干擾種類，這些因素都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)通道的計(jì)算建立產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)線路中的耦合阻抗也會(huì)不定時(shí)的發(fā)生不可預(yù)測(cè)的變化。通過(guò)使用相應(yīng)的耦合裝置可以解決一定的阻抗波動(dòng)，對(duì)電力線路的高壓工頻以及諧波噪聲具有一定的抑制作用。

2 ?寬帶載波通信在電纜屏蔽層的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)相應(yīng)的考察可以得知該城區(qū)的配電網(wǎng)實(shí)際建設(shè)環(huán)境受到一定的限制，其城區(qū)的部分環(huán)網(wǎng)柜以及老舊開(kāi)閉所進(jìn)行敷設(shè)光纖具有較大的難度，在一定程度上難以實(shí)現(xiàn)“三遙”功能的應(yīng)用。依托于電纜屏蔽層，使用環(huán)網(wǎng)柜通信模塊進(jìn)行載波數(shù)據(jù)傳輸，這樣能夠避免復(fù)雜的施工布線工作。

雖然在電纜屏蔽層進(jìn)行高頻信號(hào)傳輸時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較快的信號(hào)衰減的現(xiàn)象，這就需要限制相應(yīng)的通信距離。根據(jù)璧山帝逸城的相關(guān)情況可以采用基于配電網(wǎng)電纜屏蔽層的高頻信號(hào)載波通信來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶通信的相關(guān)方案，利用相關(guān)設(shè)備依托于電纜屏蔽層可以進(jìn)行載波數(shù)據(jù)傳輸。電纜屏蔽層不會(huì)與通電的導(dǎo)體芯進(jìn)行直接的接觸，在其中間還會(huì)有屏蔽架和交聯(lián)層進(jìn)行隔離。通過(guò)利用電纜屏蔽層作為高頻信號(hào)傳輸?shù)妮d體，基本能夠消除電力線大電流因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的噪聲。基于配電網(wǎng)電纜屏蔽層的寬帶載波通信技術(shù)傳輸?shù)氖歉哳l信號(hào)，所以具有非常高的通信速率，能夠真正實(shí)現(xiàn)寬帶通信。

3 ?璧山公司電纜屏蔽層寬帶載波通信試驗(yàn)

由于受到配網(wǎng)實(shí)際建設(shè)環(huán)境限制，城區(qū)部分環(huán)網(wǎng)柜、老舊開(kāi)閉所敷設(shè)光纖具有較大的難度，難以實(shí)現(xiàn)“三遙”功能應(yīng)用。在這種情況下，璧山公司的運(yùn)檢部配網(wǎng)工區(qū)利用環(huán)網(wǎng)柜通信模塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。該試驗(yàn)選擇的區(qū)域是在璧山帝逸城1#開(kāi)閉所，進(jìn)行環(huán)網(wǎng)柜載波通信模塊現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)10kV電纜起止點(diǎn)為帝逸城1#開(kāi)閉所622開(kāi)關(guān)出線至帝逸城3#配電室601開(kāi)關(guān)進(jìn)線，在這個(gè)過(guò)程中所使用到的線纜的長(zhǎng)度為370m。按照相關(guān)的試驗(yàn)要求對(duì)相關(guān)線路進(jìn)行了應(yīng)有的布置，并根據(jù)安裝示意圖對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了安裝。在該試驗(yàn)中，由于璧山公司的配電自動(dòng)化主站以及相關(guān)DTU尚在建設(shè)中，無(wú)法進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)關(guān)預(yù)置及開(kāi)關(guān)遙控實(shí)驗(yàn)，所以在這次試驗(yàn)中主要對(duì)其通訊功能進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，試驗(yàn)的具體情況如下。

3.1 通訊成功率

在進(jìn)行電纜屏蔽層寬帶載波通信試驗(yàn)的過(guò)程中，針對(duì)通信成功率這一環(huán)節(jié)的測(cè)試試驗(yàn)，本文的研究中是按照20字節(jié)通訊報(bào)文、200字節(jié)通訊報(bào)文分兩組進(jìn)行測(cè)試，每組共計(jì)1000次。通過(guò)試驗(yàn)我們可以得到相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)以及測(cè)試完成后所得到的通訊成功次數(shù)和通訊成功率。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得知，不管是20字節(jié)的通訊報(bào)文長(zhǎng)度還是200字節(jié)的通訊報(bào)文長(zhǎng)度，在進(jìn)行1000次的通訊試驗(yàn)下，其通訊成功率都能夠達(dá)到100%，這就表明了其具有良好的通訊效果。

3.2 通訊響應(yīng)時(shí)間

在進(jìn)行電纜屏蔽層寬帶載波通信試驗(yàn)的過(guò)程中，針對(duì)通信響應(yīng)時(shí)間這一環(huán)節(jié)的測(cè)試試驗(yàn)，本文研究中是按照50字節(jié)通訊報(bào)文、200字節(jié)通訊報(bào)文分開(kāi)測(cè)試通訊100次所需要的通訊響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于不同長(zhǎng)度的報(bào)文各測(cè)試5組，再計(jì)算出每次所需的通訊響應(yīng)時(shí)間。

通過(guò)對(duì)相關(guān)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可以得知，針對(duì)于50字節(jié)長(zhǎng)度的通訊報(bào)文，在100次不間斷通訊測(cè)試中，其每一次通訊所用的時(shí)間沒(méi)有太大的差別，而平均下來(lái)其每次所用的通訊時(shí)間為0.242s;針對(duì)于200字節(jié)長(zhǎng)度的通訊報(bào)文，同樣在進(jìn)行100次不間斷的通訊測(cè)試中，其通訊用時(shí)幾乎沒(méi)有太大的偏差，并且其平均下來(lái)其每次所用的通訊時(shí)間為0.512s。通過(guò)相應(yīng)的比較可以發(fā)現(xiàn)，在相同的條件下，字節(jié)通訊報(bào)文長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在進(jìn)行通訊的時(shí)候其會(huì)比較短的字節(jié)通訊報(bào)文具有較多的通訊響應(yīng)時(shí)間。

3.3 通訊壓力測(cè)試

在進(jìn)行電纜屏蔽層寬帶載波通信試驗(yàn)的過(guò)程中，針對(duì)通信壓力這一環(huán)節(jié)的測(cè)試試驗(yàn)，本文研究中是按照50字節(jié)通訊報(bào)文、200字節(jié)通訊報(bào)文進(jìn)行載波通訊壓力測(cè)試，讓系統(tǒng)連續(xù)30miin以50ms的固定時(shí)間間隔不間斷發(fā)送報(bào)文，查看通訊成功率。

經(jīng)過(guò)上述測(cè)試，該合作通訊公司環(huán)網(wǎng)柜通信模塊具備如下特點(diǎn)：

（1）通訊速度快?！叭b”通訊報(bào)文長(zhǎng)度一般在20字節(jié)左右，該設(shè)備通訊時(shí)間可以保持在300ms以內(nèi);

（2）通訊穩(wěn)定性強(qiáng)。在長(zhǎng)時(shí)間不間斷發(fā)送通訊報(bào)文的情況下，其通訊成功率在99.9%以上，運(yùn)行穩(wěn)定可靠;

（3）安裝方便快捷。該設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，施工容易，無(wú)復(fù)雜布線，調(diào)試方法清晰易懂。

4 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在社會(huì)信息化進(jìn)程不斷加快的背景下，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)提高供電的效率以及保障供電的安全、穩(wěn)定具有重要的意義。本文的研究中對(duì)配電網(wǎng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)以及信道特征進(jìn)行了分析，并探討了寬帶載波通信在電纜屏蔽層的應(yīng)用。璧山公司通過(guò)應(yīng)用環(huán)網(wǎng)柜載波通信模塊，開(kāi)了展相應(yīng)的電纜屏蔽層寬帶載波通信試驗(yàn)，對(duì)通訊響應(yīng)時(shí)間、通訊成功率以及通訊壓力測(cè)試進(jìn)行了相應(yīng)的研究和分析。相關(guān)研究結(jié)果充分表明，環(huán)網(wǎng)柜載波通信模塊能夠較好的實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的通訊需求，可作為光纖無(wú)法敷設(shè)區(qū)域的良好補(bǔ)充，在城區(qū)采用基于配電網(wǎng)電纜屏蔽層的寬帶載波通信，能夠滿足配電系統(tǒng)中對(duì)于大量數(shù)據(jù)的傳輸要求。

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