基于屏蔽層通信的環(huán)網(wǎng)柜載波技術(shù)研究

嚴中亮

（國網(wǎng)山西省電力公司呂梁供電公司，山西 呂梁 033000）

0 引言

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，對電網(wǎng)的要求越來越高，為了滿足城市電網(wǎng)改造工程的需求，城市電網(wǎng)都盡可能地采用環(huán)網(wǎng)柜供電方式。在現(xiàn)有的環(huán)網(wǎng)柜供電方式配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中，所用的通信方式一般有電力線載波、光纖、無線通信、電纜等。每一種通信方式都具有不同的性能和特點，其中電力線載波技術(shù)是以電力線自身作為相應(yīng)的通信媒介，在應(yīng)用中不需要再重新設(shè)置相應(yīng)的通信通道，受到人們的廣泛關(guān)注。目前，國內(nèi)配電自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)多以光纖為主、通用分組無線服務(wù)技術(shù)GPRS（general packet radio service) 為輔，這是因為一方面實現(xiàn)光纖全覆蓋需要極大的投資，光纖不能有效覆蓋區(qū)域的所有配電終端；另一方面，受制于市政規(guī)劃，部分區(qū)域無法進行地面開挖、敷設(shè)光纜，尤其是一些分支線等偏遠區(qū)域，難以實現(xiàn)光纖覆蓋，所以通常都使用GPRS 通信手段來實現(xiàn)配電網(wǎng)的自動化。

1 配電自動化系統(tǒng)中光纖及GPRS 通信方式

國家電網(wǎng)公司出于信息安全的考慮，不允許使用GPRS 做遙控，尤其從2016 年開始，嚴查使用GPRS 做遙控的違規(guī)行為，這就導(dǎo)致使用GPRS的“三遙”（遙測、遙信、遙控） 功能只能降格為二遙功能使用，合分閘需要人工現(xiàn)場操作，對于習(xí)慣了使用遙控進行饋線終端設(shè)備或配電開關(guān)監(jiān)控終端FTU（feeder terminal unit）、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備DTU（data transfer unit） 操作的配網(wǎng)運行人員來講極為不便。環(huán)網(wǎng)柜載波通信可以幫助供電公司實現(xiàn)把光纖無法鋪設(shè)區(qū)域的DTU 接入主站，完成DTU 與主站的內(nèi)網(wǎng)通信，實現(xiàn)“三遙”功能[1]。配電自動化系統(tǒng)中光纖及GPRS 的通信方式如圖1所示。

圖1 配電自動化系統(tǒng)中光纖及GPRS 通信方式示意圖

2 載波通信傳輸原理及主要設(shè)備

2.1 環(huán)網(wǎng)柜載波傳輸基本原理

環(huán)網(wǎng)柜載波通信采用的是一主多從模式，即在一個主節(jié)點處安裝主載波設(shè)備，在同一條線路的多處從節(jié)點處安裝從載波設(shè)備。就環(huán)網(wǎng)柜載波而言，主節(jié)點一般都選擇在能夠連接光網(wǎng)絡(luò)單元ONU（optical network unit） 設(shè)備的環(huán)網(wǎng)柜中，從載波機安裝在無光纖連接DTU 的環(huán)網(wǎng)柜中。

用于環(huán)網(wǎng)柜載波通信所需的設(shè)備主要包括載波機、載波管理機和耦合設(shè)備。載波機是實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息與載波信號之間的轉(zhuǎn)換、實現(xiàn)載波信號的發(fā)送與接收的執(zhí)行設(shè)備，分為主、從兩款產(chǎn)品，在主節(jié)點處安裝主載波機，在從節(jié)點處安裝從載波機。主載波機兼有載波管理機功能，用于管理下行多個從節(jié)點與主節(jié)點間的通信，上行可以與主站通信。耦合設(shè)備用于將載波機信號耦合到10 kV 電纜的屏蔽層——大地的回路上。環(huán)網(wǎng)柜載波傳輸基本原理如圖2 所示。

圖2 環(huán)網(wǎng)柜載波傳輸基本原理示意圖

2.1.1 通信報文下發(fā)過程

通信報文下發(fā)的過程比較復(fù)雜，歸納起來有以下幾個步驟。

a） 主站通過光纖通信下發(fā)報文，下發(fā)的報文被主節(jié)點處的電力線載波通信主機接收到。主機具有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換后將該報文加上相應(yīng)從載波機的地址。

b） 加了從載波機地址的報文，主載波機對這些數(shù)字信息進行編碼和調(diào)制，變成載波信號，再通過耦合設(shè)備將載波信號發(fā)送到10 kV 電纜的屏蔽層——大地回路上。

c） 載波信號沿電纜屏蔽層——大地回路傳輸，通過各個從節(jié)點處的耦合設(shè)備傳到各個從載波機上。

d） 從載波機接收到載波信號后，進行解調(diào)，并通過對數(shù)據(jù)中從載波機地址的驗證來確認該數(shù)據(jù)是否是發(fā)送給該從節(jié)點的。如果地址不匹配則不進行響應(yīng)，如果地址匹配則通過數(shù)據(jù)接口將接收到的數(shù)據(jù)傳送給相連的終端設(shè)備。這樣終端設(shè)備就接收到了主站下發(fā)的報文[2-4]。

2.1.2 通信報文上傳的過程

通信報文上傳的過程比較復(fù)雜，歸納起來有以下幾個步驟。

a） 終端設(shè)備首先通過數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)信息傳送給相連的從載波機。

b） 從載波機進行編碼、調(diào)制，將這些數(shù)據(jù)信息變成載波信號，再通過耦合設(shè)備發(fā)送到10 kV電纜屏蔽層與大地回路上。

c） 載波信號傳輸?shù)街鞴?jié)點處，通過耦合設(shè)備進入主載波機，并解調(diào)成數(shù)字信號。

d） 主載波機再通過光纖通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給主站。

這樣，通過環(huán)網(wǎng)柜載波通信，就實現(xiàn)了主站與終端設(shè)備間的下行通信和上行通信[5]。

2.2 載波通信主要設(shè)備

電力線載波通信主機用于同從載波機通信，正面右模塊位置放置GPRS 模塊，用于通過網(wǎng)線與主站通信。在環(huán)網(wǎng)柜載波通信系統(tǒng)中，主機是實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)配置、載波鏈路管理、載波通信調(diào)度、建立并維護從終端與主站間鏈接的神經(jīng)中樞。1 臺主載波機所能負載的從載波機數(shù)量，以及一個環(huán)網(wǎng)柜載波通信系統(tǒng)的規(guī)模，既取決于載波傳輸速率和傳輸距離，也取決于主機的管理和調(diào)度能力。在使用時，將主機安裝在主節(jié)點位置，其下行通過串口與主載波機相連，其上行既可通過GPRS 通信與主站連接，也可通過網(wǎng)口接入光纖來實現(xiàn)與主站的通信。

電力線載波通信機。在環(huán)網(wǎng)柜載波通信系統(tǒng)中，主、從載波機是實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息與載波信號之間的轉(zhuǎn)換、實現(xiàn)載波信號的發(fā)送與接收的執(zhí)行設(shè)備。主、從載波機主要負責(zé)載波物理層和鏈路層的連通，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為載波信號，從一端發(fā)送，在另一端接收，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在沿著中壓電力線上兩點之間的長距離傳輸。主、從載波機致力于與中壓配電網(wǎng)的阻抗匹配，降低線路上同頻信號及各種隨機噪聲、突發(fā)噪聲的干擾，降低載波在線路上的多徑衰減及傳輸衰減，以保障高速、遠距離、高可靠性的載波通信。從載波機位于從節(jié)點，它通過串口與從終端相連，其功能是接收來自從終端的上傳數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為載波信號，再通過耦合器發(fā)送到電力線上；同時，從載波機也不斷監(jiān)聽來自電力線的載波信號，將接收到的載波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息，并通過串口發(fā)送給從終端。因此，從載波機實際上是在從終端與電力線之間起到了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)淖饔肹6]。

環(huán)網(wǎng)柜載波耦合器分為一次側(cè)和二次側(cè)，一次側(cè)為長15 cm 的2.5 mm2帶絕緣層的銅芯聚氯乙烯絕緣軟銅線（BVR），線端有銅鼻子（銅鼻子規(guī)格為SC 25-8），同時配有M8 螺絲及相關(guān)螺母、墊片。二次側(cè)為信號線接線端子，通過8 m 載波信號線與載波機相連，實現(xiàn)載波通信[7]。環(huán)網(wǎng)柜載波耦合器的一次側(cè)串聯(lián)接入10 kV 電纜的接地線，二次側(cè)連接載波主機或從機。

3 環(huán)網(wǎng)柜載波應(yīng)用

環(huán)網(wǎng)柜載波是供電公司的專有通信網(wǎng)絡(luò)，可以為配電自動化、用電信息采集等數(shù)據(jù)傳輸提供安全、可靠的通道。典型的應(yīng)用價值有以下幾方面。

a） 實現(xiàn)配電自動化三遙功能。國網(wǎng)家電公司出于信息安全的考慮，在配網(wǎng)自動化中不允許使用GPRS 做遙控，這就導(dǎo)致使用GPRS 的三遙DTU 只能降格為二遙使用，合分閘需要人工現(xiàn)場操作。而環(huán)網(wǎng)柜載波屬于供電公司專網(wǎng)，國網(wǎng)允許通過載波做遙控，因此對于原先使用GPRS 通信的DTU，改用環(huán)網(wǎng)柜載波可以實現(xiàn)完整的三遙功能。

b） 作為光纖通信的有力補充。配電網(wǎng)實現(xiàn)光纖全覆蓋的投入極為巨大，而且部分區(qū)域無法敷設(shè)光纜，因此存在大量光纖未能覆蓋的環(huán)網(wǎng)柜、箱變等配電設(shè)備。環(huán)網(wǎng)柜載波可為這些設(shè)備提供上行通道，還可與供電公司已有的配網(wǎng)光纖網(wǎng)絡(luò)無縫銜接[8]。

c） 環(huán)網(wǎng)柜載波同樣也可用于用電信息采集。

以下介紹環(huán)網(wǎng)柜載波的幾種應(yīng)用場景。應(yīng)用場景一如圖3 所示，應(yīng)用場景二如圖4 所示。

圖3 環(huán)網(wǎng)柜載波應(yīng)用場景一示意圖

圖4 環(huán)網(wǎng)柜載波應(yīng)用場景二示意圖

應(yīng)用場景一：中壓載波通信實現(xiàn)光纖續(xù)傳。借助已有光纖接入點，中壓載波可提供光纖斷點續(xù)傳通道，為光纖斷點后端配電終端提供上行通信，實現(xiàn)配用電終端通信全覆蓋。

應(yīng)用場景二：中壓載波通信解決配電終端無信號問題。針對無線信號盲區(qū)的配電終端，以中壓線路為通信介質(zhì)，采用載波通信模塊把終端的數(shù)據(jù)傳輸至無線信號覆蓋區(qū)域，再上傳至采集主站，提升終端在線率。

應(yīng)用場景三（圖略）：中壓線路載波通信全覆蓋。以變電站為單位，結(jié)合已有光纖，以中壓電力線（包括架空線路、電纜線路和混合線路） 為通信介質(zhì)，采用鼎信中壓載波通信方案，實現(xiàn)電網(wǎng)上各種設(shè)備互聯(lián)互通，為能源互聯(lián)網(wǎng)提供通信支撐。

應(yīng)用場景四（圖略）：中壓載波通信實現(xiàn)光纖成環(huán)。針對變電站之間終端通信接入網(wǎng)無法成環(huán)網(wǎng)通信，中壓載波能提供可靠的橋接成環(huán)方案，為電力業(yè)務(wù)提供主備用通道，提高通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)支撐能力。

應(yīng)用場景五（圖略）：中壓載波實現(xiàn)緩動型智能分布式饋線自動化 FA（feeder automation） 通信。中壓載波可以為線路相鄰配電終端的通信提供對等式保護通信網(wǎng)絡(luò)，通過分布式控制單元之間故障處理邏輯實現(xiàn)故障隔離和非故障區(qū)域恢復(fù)供電的緩動型智能分布式FA。

應(yīng)用場景六（圖略）：中壓載波實現(xiàn)語音傳輸、圖像傳輸。針對檢修公司進行隧道鋪設(shè)配電線路檢修過程中需要不同站點之間的通信，中壓載波可以提供穩(wěn)定可靠的通信通道，實現(xiàn)端到端的實時語音傳輸，也可以為無信號區(qū)域載波調(diào)試提供通信手段。針對開關(guān)站、配電房的實時狀態(tài)監(jiān)控需求，中壓載波能夠為圖像監(jiān)控提供上行通信信道，實時監(jiān)控站所及線路運行狀態(tài)，為故障診斷與檢修提供決策依據(jù)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

呂梁供電公司試點移民1 號線路環(huán)體線K1 處有光纖，環(huán)體線K2 處無光纖。K2 處的DTU 使用的是GPRS 上行通信?？紤]到現(xiàn)場情況，計劃在K1 處安裝主機，在K2 處安裝從機。在現(xiàn)場勘查中，主要對環(huán)網(wǎng)柜之間的線路距離、實際柜體距離、環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部耦合器安裝空間、電纜的接地情況、載波機的空間放置等進行勘查。環(huán)網(wǎng)柜之間的空間位置是環(huán)體線K1、K2 的距離，約為240 m。

環(huán)網(wǎng)柜載波使用電纜屏蔽層作為通信介質(zhì)，主要設(shè)備包括主、從載波機和耦合器，通信模式為一主多從，耦合器接在電纜屏蔽層的接地線中，從機借助耦合器將對應(yīng)DTU 的數(shù)據(jù)經(jīng)電纜屏蔽層傳輸給主機，主機再將數(shù)據(jù)以網(wǎng)線傳輸給ONU，最終通過光纖網(wǎng)絡(luò)上傳到配電主站。

環(huán)網(wǎng)柜載波設(shè)備安裝簡單、快捷，無需停電，環(huán)網(wǎng)柜載波試點自2019 年7 月中旬調(diào)試完成以來，通信穩(wěn)定可靠，無通信中斷事件，實時性完全滿足配電自動化系統(tǒng)的運行指標要求，完全符合《配電自動化系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》 DL/T 814—2013標準的要求。表1 為測試數(shù)據(jù)，表1 中響應(yīng)時間為主站統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

登錄主站調(diào)試后，進行遙控實驗，并對比了與光纖、GPRS 通信的遙控預(yù)置響應(yīng)時間，實驗結(jié)果如下。

遙控分合閘：對環(huán)網(wǎng)柜K2 備用間隔下發(fā)遙控命令，主站統(tǒng)計響應(yīng)時間3 s，開關(guān)機構(gòu)可以穩(wěn)定、準確地完成分閘、合閘動作，滿足配網(wǎng)自動化系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范中系統(tǒng)響應(yīng)時間規(guī)定的遙控完成時間<5 s 的要求。

表1 2019 年7 月測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

遙控預(yù)置對比：對比環(huán)網(wǎng)柜載波與光纖、無線GPRS 通信方式下的遙控預(yù)置響應(yīng)時間，數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2 所示。

表2 環(huán)網(wǎng)柜載波與光纖、無線GPRS 通信方式下的遙控預(yù)置響應(yīng)時間對比

通過遙控預(yù)置對比，環(huán)網(wǎng)柜載波與光纖相比，響應(yīng)時間差別不大，均小于GPRS 響應(yīng)時間。

綜合以上，環(huán)網(wǎng)柜載波通信完全滿足配電自動化系統(tǒng)運行指標的要求，在配電自動化領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

供電公司配網(wǎng)自動化建設(shè)中存在以下問題：第一，DTU 上行通信主要采用光纖，光纖敷設(shè)受市政建設(shè)、地理環(huán)境等影響，存在建設(shè)投入巨大、維護成本高等問題。第二，由于存在信號盲點，導(dǎo)致城網(wǎng)線路拓撲不能實時更新，線變關(guān)系識別困難，影響線損統(tǒng)計，增大了故障定位難度。環(huán)網(wǎng)柜載波通信可以幫助供電公司實現(xiàn)把光纖無法鋪設(shè)區(qū)域的DTU 接入主站，完成DTU 與主站的內(nèi)網(wǎng)通信，實現(xiàn)“三遙”功能。