PLC載波通信在電纜線路改造中的應(yīng)用

吉懿

（國(guó)網(wǎng)寧夏吳忠供電公司，寧夏 吳忠751100）

在對(duì)電力企業(yè)電網(wǎng)進(jìn)行改造的過(guò)程中，由于受到架空線路走廊以及周圍景觀的限制，大部分電力線路均改為了電纜線路形式。在較為狹窄的街道當(dāng)中，由于缺少電力開(kāi)關(guān)站作為電力負(fù)荷分配的供給站，因此供電無(wú)法得到保障，同時(shí)供電分配信息也無(wú)法準(zhǔn)確地傳遞，成為當(dāng)前限制電力企業(yè)發(fā)展的一大難題[1]。而通過(guò)將10 kV環(huán)網(wǎng)柜引入到這一環(huán)節(jié)當(dāng)中，將其作為電纜線路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，能夠在配電節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，起到分段、聯(lián)絡(luò)等作用。因此，10 kV 環(huán)網(wǎng)柜由于具備上述應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在各大電力企業(yè)中得到廣泛使用。電力企業(yè)中配電通信網(wǎng)通常采用光纖通信方式（EPON），但由于在光纖終端通信接入網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)部分老舊配電線路采用直埋方式、電纜管道塌陷等問(wèn)題產(chǎn)生，進(jìn)一步造成市政掘路手續(xù)辦理困難、光纜敷設(shè)難度大、投資成本高等一系列問(wèn)題[2]。同時(shí)，電力企業(yè)的無(wú)線公網(wǎng)（主要包括GPRS/3G/4G）雖然可以作為配電自動(dòng)化的輔助通信方式，但也存在信號(hào)不穩(wěn)定、安全性弱等問(wèn)題，嚴(yán)重影響著電力企業(yè)的發(fā)展，因此針對(duì)上述問(wèn)題通過(guò)結(jié)合PLC載波通信技術(shù)，可有效為上述兩種通信技術(shù)提供補(bǔ)充?；诖?，本文開(kāi)展PLC載波通信在10 kV環(huán)網(wǎng)柜電纜線路改造中的應(yīng)用研究。

1 電力企業(yè)10 kV 環(huán)網(wǎng)柜通信模塊分析

1.1 電力企業(yè)10 kV 環(huán)網(wǎng)柜通信組成分析

環(huán)網(wǎng)柜是電力企業(yè)中常見(jiàn)的輸配電氣設(shè)備，其最主要的作用是將各個(gè)環(huán)網(wǎng)線路相互連接，提升線路整體的供電可靠性。環(huán)網(wǎng)柜在電力企業(yè)環(huán)網(wǎng)當(dāng)中作用位置不同，其分類上存在較大差異[3]。當(dāng)前環(huán)網(wǎng)柜類型主要包括：聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)柜、入線環(huán)網(wǎng)柜、出線環(huán)網(wǎng)柜。用于實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜通信模塊的主要設(shè)備包括載波機(jī)、載波管理機(jī)和耦合設(shè)備。載波機(jī)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息與載波信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換、實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)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(diǎn)處安裝主載波機(jī)，在從節(jié)點(diǎn)處安裝從載波機(jī)[4]。主載波機(jī)兼有載波管理機(jī)功能，是用于管理下行多個(gè)從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)間的通信，上行可以與主站通信。耦合設(shè)備用于將載波機(jī)信號(hào)耦合到10 kV電纜的屏蔽層——大地的回路上。圖1 為環(huán)網(wǎng)柜通信傳輸?shù)幕驹硎疽鈭D。

圖1 環(huán)網(wǎng)柜通信傳輸?shù)幕驹硎疽鈭D

通過(guò)環(huán)網(wǎng)柜的使用不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力企業(yè)各個(gè)線路的互供，保證在正常運(yùn)行環(huán)境下聯(lián)絡(luò)斷開(kāi)，當(dāng)發(fā)生某一變電站停電時(shí)，可以迅速將停電的變電站聯(lián)絡(luò)合上，通過(guò)另一個(gè)變電站為其提供供電負(fù)荷。

1.2 PLC載波通信在10 kV環(huán)網(wǎng)柜中的應(yīng)用條件

PLC 載波通信技術(shù)可充分應(yīng)用到10 kV 環(huán)網(wǎng)柜中，主要原因是由于PLC 載波通信技術(shù)具備以下特征。

第一，PLC 載波通信采用透明傳輸方式，可支持配電自動(dòng)化中IEC 101、104 等規(guī)約類型數(shù)據(jù)的傳輸。

第二，PLC載波通信帶寬可達(dá)到2.4 kbit/s以上，能夠滿足配電自動(dòng)化的數(shù)據(jù)傳輸需求和實(shí)時(shí)性要求。

第三，PLC 載波通信是一種有線通信方式，且通信信道為供電公司自有，可以有效保證通信可靠性。

第四，PLC 載波通信中采用的各類設(shè)備均可以支持配電終端的加密報(bào)文，保證配電自動(dòng)化通信數(shù)據(jù)安全性。

第五，經(jīng)過(guò)PLC 載波通信多年在其他各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累和探索，目前采用的各類設(shè)備均能夠滿足戶外運(yùn)行要求，滿足工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)。

綜上所述，PLC 載波通信能夠滿足涉及10 kV環(huán)網(wǎng)柜配電業(yè)務(wù)的各方面要求。

2 基于PLC 載波通信的10 kV 環(huán)網(wǎng)柜電纜線路改造方法

2.1 10 kV環(huán)網(wǎng)柜電纜線路通信結(jié)構(gòu)組成

基于PLC 載波通信的10 kV 環(huán)網(wǎng)柜電纜線路改造后的通信結(jié)構(gòu)組成主要包括通信主機(jī)、通信從機(jī)和耦合器。針對(duì)具體線路，可采用一主一從的組合形式，在10 kV 環(huán)網(wǎng)柜中安裝通信主機(jī)，主機(jī)通過(guò)光纖通信形式與主站進(jìn)行通信傳輸，在環(huán)網(wǎng)柜分支箱當(dāng)中安裝通信從機(jī)，從機(jī)通過(guò)銅屏蔽層實(shí)現(xiàn)主機(jī)與PLC載波通信[5]。圖2為10 kV環(huán)網(wǎng)柜電纜線路通信結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖2 10 kV環(huán)網(wǎng)柜電纜線路通信結(jié)構(gòu)組成示意圖

主機(jī)安裝節(jié)點(diǎn)設(shè)有ONU，主機(jī)通過(guò)網(wǎng)線與ONU相連，接入光纖網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信。從機(jī)安裝在線路中光纖未分支節(jié)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)線與分支箱中的DTU進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)讀取DTU數(shù)據(jù)并通過(guò)信號(hào)線傳輸至耦合器，耦合器將接收到的信號(hào)發(fā)送至電纜屏蔽層上，傳輸至主節(jié)點(diǎn)耦合器，再通過(guò)信號(hào)線傳輸至主機(jī)[6]。環(huán)網(wǎng)柜通信耦合器安裝主、從節(jié)點(diǎn)的一次側(cè)，通常安裝在環(huán)網(wǎng)柜的一次室或電纜井中。本次試點(diǎn)主、從節(jié)點(diǎn)一次室空間較小，選擇安裝在電纜井匯中。按照上述方式組成的10 kV 環(huán)網(wǎng)柜電纜線路通信結(jié)構(gòu)更加靈活，根據(jù)不同用電用戶對(duì)供電需求的實(shí)際參數(shù)，可隨時(shí)插入到環(huán)網(wǎng)柜當(dāng)中[7]。同時(shí)能夠更加靈活地接入電源，滿足情況更加特殊的地區(qū)，如多電源復(fù)雜配電環(huán)境的用電需要和供電標(biāo)準(zhǔn)[8]。除此之外，上述組成方式在后續(xù)新的環(huán)網(wǎng)柜接入時(shí)，可直接將其連接在環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，與傳統(tǒng)電纜線路相比更容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)建，不會(huì)受到建設(shè)規(guī)模的限制。

2.2 基于PLC載波通信的供配電信號(hào)傳輸

在利用10 kV 環(huán)網(wǎng)柜電纜線路對(duì)供配電信號(hào)進(jìn)行傳輸，為解決傳統(tǒng)線路在傳輸過(guò)程中存在信號(hào)不穩(wěn)定、容易產(chǎn)生誤差等問(wèn)題，結(jié)合PLC載波通信技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造。對(duì)供配電信號(hào)傳輸前，首先需要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，保證供配電通信信號(hào)的傳輸量能夠充分滿足調(diào)節(jié)識(shí)別要求，并對(duì)供配電信號(hào)進(jìn)行處理，使其具備正確的信號(hào)標(biāo)注方式[9]。識(shí)別過(guò)程中的信號(hào)主要是針對(duì)由電力企業(yè)變電總站產(chǎn)生的供配電信號(hào)。因此，需要在PLC當(dāng)中對(duì)信號(hào)的頻率范圍進(jìn)行設(shè)定，以此保證識(shí)別過(guò)程的針對(duì)性。本文采用的識(shí)別方式，是將供配電信號(hào)統(tǒng)一化處理為中頻信號(hào)，即信號(hào)的載波頻率與采集頻率的比值控制在1/2的定值，將采集速率設(shè)置為75.5 kHz，則載波的頻率值為1/2的75.5 kHz。識(shí)別過(guò)程中還可能會(huì)產(chǎn)生的識(shí)別誤差通常在±4.3%的符號(hào)速率范圍以內(nèi)[10]。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，在對(duì)產(chǎn)生的供配電信號(hào)中的載波頻率上隨機(jī)增加±12.5%的符號(hào)速率隨機(jī)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)供配電信號(hào)頻率采集的校正[11]。其次，再根據(jù)載噪比范圍等其它供配電信號(hào)采集要求，對(duì)供配電信號(hào)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，載波頻設(shè)定在75.5/2±δkHz范圍內(nèi)，（δ表示為供配電信號(hào)在傳輸過(guò)程中的頻率偏移數(shù)值）；符號(hào)速率設(shè)定在2.48～24.58 kHz范圍內(nèi)；載噪比設(shè)定在2.4～17.5 dB范圍內(nèi)。

利用PLC 載波通信，將供配電信號(hào)連續(xù)降半分割到相應(yīng)的層上。PLC 載波通信可將其看作一個(gè)濾波裝置，通過(guò)該裝置將供配電信號(hào)在傳輸過(guò)程中攜帶的噪聲等干擾因素進(jìn)行過(guò)濾，將傳輸?shù)男盘?hào)以4～20 mA 模擬電流的形式傳送到對(duì)應(yīng)的通信從機(jī)中，并根據(jù)該電流的大小判斷傳輸?shù)木唧w內(nèi)容[12]。同時(shí)，在傳輸過(guò)程中，通過(guò)PLC載波通信還需要在其中增加D/A 轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號(hào)類型的供配電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼，再在接收后，將數(shù)字碼轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

選擇青銅峽公司中灘變電站535 唐源Ⅱ線陳俊安置區(qū)1 號(hào)環(huán)網(wǎng)柜與1H-1 號(hào)分支箱之間開(kāi)展10 kV環(huán)網(wǎng)柜電纜線路改造通信試點(diǎn)研究。試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表

按照上述試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行布置，并分別將改造前的10 kV環(huán)網(wǎng)柜電纜線路與改造后的線路，應(yīng)用于該試點(diǎn)當(dāng)中。利用主站“三遙”調(diào)試設(shè)備對(duì)兩種線路的具體通信情況進(jìn)行記錄，對(duì)比改造前的電纜線路與改造后的電纜線路通信成功率。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將“三遙”調(diào)試設(shè)備顯示器當(dāng)中的數(shù)據(jù)截圖，分別記錄4 月24 日五個(gè)不同時(shí)間段范圍內(nèi)的實(shí)際累積通信次數(shù)，并將改造前的電纜線路通信次數(shù)與改造后的電纜線路通信次數(shù)與實(shí)際累積通信次數(shù)進(jìn)行對(duì)比，繪制成如表2 所示的改造前與改造后電纜線路通信結(jié)果對(duì)比表。

改造前后10 kV 環(huán)網(wǎng)柜電纜線路的通信成功率可通過(guò)完成通信次數(shù)與實(shí)際累積通信次數(shù)的比值得出。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)青銅峽供電公司的實(shí)際運(yùn)行，改造后的10 kV 環(huán)網(wǎng)柜電纜線路可以保證通信成功率達(dá)100%，而改造前的電纜線路完成通信次數(shù)明顯少于改造后，并且改造前的線路完成次數(shù)不符合電力企業(yè)對(duì)10 kV 環(huán)網(wǎng)柜的運(yùn)行需求。同時(shí)，在改造后的電纜線路運(yùn)行過(guò)程中，滿足信息安全要求三遙通信，遙信響應(yīng)時(shí)間、遙控預(yù)置時(shí)間通過(guò)三遙調(diào)試設(shè)備顯示器截圖顯示均在1 s以內(nèi)，完全符合配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，具備推廣條件。

表2 改造前與改造后電纜線路通信結(jié)果對(duì)比表

除此之外，改造后的10 kV 環(huán)網(wǎng)柜電纜線路具備良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。采用PLC載波通信方式，平均每個(gè)站點(diǎn)PLC 設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用大約為0.9萬(wàn)元，但其不用敷設(shè)光纜，平均每個(gè)點(diǎn)節(jié)省光纜采購(gòu)及光纜施工費(fèi)用大約1 萬(wàn)元，以市區(qū)約1000 個(gè)點(diǎn)計(jì)算，大約節(jié)省投資1000 萬(wàn)元。此外后期運(yùn)維中，不存在光纜外力破壞等中斷的風(fēng)險(xiǎn)，降低了后期運(yùn)維費(fèi)用。解決了配網(wǎng)“三遙”站點(diǎn)可靠通信問(wèn)題，使大量具有“三遙”功能卻因通信安全問(wèn)題造成只能實(shí)現(xiàn)“二遙”的站點(diǎn)，通過(guò)PLC 轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭b”站點(diǎn)，變相節(jié)省了投資，提高配電網(wǎng)絡(luò)可靠性，減少了配電運(yùn)維人員工作量，具有良好的社會(huì)效益。此外借助電纜屏蔽層的PLC通信方式，可對(duì)電力電纜屏蔽層進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜故障隱患，減少事故的發(fā)生，提高電纜運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)10 kV 環(huán)網(wǎng)柜電纜線路在通信過(guò)程中存在信號(hào)不穩(wěn)定等問(wèn)題，結(jié)合PLC載波通信技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造，同時(shí)電力企業(yè)實(shí)際運(yùn)行效果得出，改造后的電纜線路可以充分滿足電力企業(yè)對(duì)10 kV環(huán)網(wǎng)柜的應(yīng)用要求，并有效提高電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文改造后的電纜線路中，環(huán)網(wǎng)柜是作為電纜線路的節(jié)點(diǎn)存在，接線更加靈活，操作更加方便。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)注意，在組成電纜線路結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)預(yù)留出多條回路，方便后續(xù)電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。并且，相關(guān)人員在對(duì)環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照其指示信號(hào)進(jìn)行檢查。對(duì)于存在壓力開(kāi)關(guān)的環(huán)網(wǎng)柜，還應(yīng)當(dāng)在出現(xiàn)壓力不足時(shí)，嚴(yán)格按照相關(guān)要求操作，保證環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。