電網(wǎng)中壓電力線載波通信系統(tǒng)技術(shù)研究

葛翔昊

（國(guó)網(wǎng)谷城縣供電公司，湖北 襄陽 441700）

0 引 言

隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)維對(duì)電力通信的需求越來越高。在電力通信中，中壓電力線載波通信技術(shù)因無須新建傳輸線路、成本低廉、覆蓋廣泛以及運(yùn)維方便等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為一種受到廣泛關(guān)注的通信技術(shù)[1-3]。

1 中壓電力線載波通信技術(shù)

1.1 特 點(diǎn)

中壓電力線載波通信技術(shù)是利用中壓輸電線路作為通信載體，將數(shù)字信號(hào)通過電力網(wǎng)進(jìn)行傳輸和接收的通信技術(shù)，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。

（1）免費(fèi)的通信載體。中壓電力線是電網(wǎng)的物理載體，可以免費(fèi)使用其通信資源。

（2）覆蓋廣泛。中壓輸電線路的通信范圍比常規(guī)無線網(wǎng)絡(luò)廣，能夠覆蓋偏遠(yuǎn)農(nóng)村及山區(qū)等通信盲點(diǎn)。

（3）低成本。中壓電力線載波通信的建設(shè)成本較低，不存在傳統(tǒng)有線通信技術(shù)建設(shè)的高昂成本問題。

（4）運(yùn)維方便。中壓電力線載波通信可以直接依托電網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)維，方便快捷。

1.2 原 理

中壓電力線載波通信技術(shù)利用電力線路作為傳輸介質(zhì)，通過在電力線路上傳輸高頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的傳輸[7]?；诮拥仉娏€的并聯(lián)，電力線路具有一定的電容、電感以及阻抗等性質(zhì)，能夠傳輸高頻信號(hào)。中壓電力線載波通信系統(tǒng)利用電力線路的這些特性，通過高頻載波技術(shù)將數(shù)字信號(hào)調(diào)制到電力線路，利用接收端的解調(diào)技術(shù)將數(shù)字信號(hào)恢復(fù)出來，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的傳輸。中壓電力線載波通信系統(tǒng)包括發(fā)射端、接收端以及線路3 個(gè)部分，其中發(fā)射端負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)的調(diào)制和發(fā)射，接收端負(fù)責(zé)信號(hào)的接收和解調(diào)，線路則是信號(hào)的傳輸媒介[8]。

1.3 應(yīng)用場(chǎng)景

中壓電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）智能電網(wǎng)。中壓電力線載波通信系統(tǒng)可以用于智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，通過在電力線路上傳輸數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的監(jiān)控和控制，提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。

（2）智能電表。中壓電力線載波通信系統(tǒng)可以用于智能電表的通信和遠(yuǎn)程抄表，通過在電力線路上傳輸數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電表的有效控制。

針灸：選用2寸毫針，穴位選擇為靈臺(tái)穴和大椎穴，在皰疹起始部位呈15°角進(jìn)針，針尖刺病灶中心，反復(fù)捻轉(zhuǎn)，在針刺方向使用同樣方法，避免皰疹蔓延[1]。

（3）電力自動(dòng)化。中壓電力線載波通信系統(tǒng)可以用于電力系統(tǒng)的自動(dòng)化調(diào)試，通過在電力線路上傳輸數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行。

2 中壓載波通信優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

中壓載波通信是以中壓電力線為通信介質(zhì)，能夠?yàn)榕潆娋€路所有設(shè)備的互聯(lián)互通提供通信支撐。中壓載波通信是電力行業(yè)特有的通信技術(shù)，是將電力線打造成集能量流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流于一體的通信載體。中壓載波通信根據(jù)介質(zhì)可以分為地纜型中壓載波通信和架空型中壓載波通信。其中，地纜型中壓載波通信是以電纜屏蔽層為通信介質(zhì)，架空型中壓載波通信是以電力線為通信介質(zhì)。

2.1 組網(wǎng)方式

中壓載波通信技術(shù)與配電網(wǎng)線路高度吻合。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇橐恢鞫鄰姆绞?，主載波機(jī)一般安裝在變電站或開關(guān)站，從載波機(jī)一般安裝在配電站或柱上開關(guān)處。以變電站為單位，結(jié)合配電線路，為變電站出線所有配電終端提供通信信道，支撐配電自動(dòng)化業(yè)務(wù)。中壓載波線路通信全覆蓋組網(wǎng)方式如圖1 所示。

圖1 中壓載波線路通信全覆蓋組網(wǎng)方式

2.2 組成要素

中壓電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)的組成要素包括中壓電力線載波通信模塊、終端設(shè)備、傳輸介質(zhì)以及通信協(xié)議等。

中壓電力線載波通信模塊是中壓電力線載波通信系統(tǒng)中的核心部件，其主要作用是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為中壓輸電線路上的載波信號(hào)，并將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)端地點(diǎn)。中壓電力線載波通信模塊主要包括數(shù)字信號(hào)處理器、模擬信號(hào)處理器、載波發(fā)生器以及載波放大器4部分。其中，數(shù)字信號(hào)處理器主要用于對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和編碼，模擬信號(hào)處理器主要用于實(shí)現(xiàn)采樣和量化，載波發(fā)生器用于產(chǎn)生載波，載波放大器用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。

終端設(shè)備指在中壓電力線載波通信系統(tǒng)中，可以與中壓電力線載波通信模塊通信并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的設(shè)備。終端設(shè)備主要由數(shù)據(jù)采集傳感器、計(jì)算機(jī)以及通信設(shè)備3 部分組成。

通信協(xié)議指在中壓電力線載波通信過程中，終端設(shè)備與中央控制器之間需要遵循的一套規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。中壓電力線載波通信系統(tǒng)采用的通信協(xié)議主要包括載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè)（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD）協(xié)議、時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）協(xié)議、頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）協(xié)議等。

2.3 網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)

（1）信號(hào)傳輸距離。中壓電力線載波通信信號(hào)的傳輸距離受線路參數(shù)影響嚴(yán)重，需要通過對(duì)線路參數(shù)的精確測(cè)量和分析，確定合理的信號(hào)傳輸距離。其中，架空線路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離為20 km，電纜線路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離為5 km。

（2）信號(hào)傳輸速率。中壓電力線載波通信系統(tǒng)的傳輸速率受線路頻率響應(yīng)、噪聲等因素的影響，需要通過精密的信號(hào)處理和設(shè)計(jì)，提高傳輸速率和可靠性。其中，應(yīng)用層傳輸速率為100 kb/s，支持多頻并發(fā)。

（3）接收靈敏度。中壓電力線載波通信系統(tǒng)的接收靈敏度受到線路噪聲、接收端設(shè)備等因素的影響，需要通過改進(jìn)接收端的設(shè)計(jì)和技術(shù)方案，提高接收靈敏度和可靠性。其中，端到端通信延遲小于10 ms。

2.4 網(wǎng)絡(luò)可靠性

對(duì)于設(shè)備而言，中壓電力線載波設(shè)備和耦合裝置采用工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，可以滿足戶外高低溫（-45 ～80 ℃）、高濕等惡劣工作環(huán)境。在電氣安全方面，重點(diǎn)是10 kV 載波信號(hào)耦合設(shè)備，既要考慮在10 kV電壓下的長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性，也要充分考慮在雷擊環(huán)境下的防護(hù)設(shè)計(jì)。中壓電力線載波具有良好的電網(wǎng)友好性，不會(huì)對(duì)線路及設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生影響，確保電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

就通信介質(zhì)而言，配電線路分布廣泛，將其作為傳輸通道，無須重新敷設(shè)通信線路，可以保證通信與配電線路同步。載波通信設(shè)計(jì)能夠提高抗衰減、抗噪聲通信能力以及接收靈敏度，兼顧線路異常狀態(tài)，考慮線路接地造成的信號(hào)衰減，確保故障狀態(tài)下的通信可靠性。

針對(duì)后續(xù)設(shè)備維護(hù)，載波模塊設(shè)備在二次側(cè)與配電終端裝在一起，可以同步維護(hù)，無須停電。信號(hào)耦合器裝置電纜線路采用屏蔽層通信，目前某些地區(qū)均是帶電安裝，既可以安裝在環(huán)網(wǎng)柜某個(gè)間隔內(nèi)，也可以安裝在電纜井下。

2.5 信息安全

載波傳輸信道配電線路為電力公司所有，可以完全由電力公司控制，屬于自有安全信道。通信模塊之間的載波通信采用私有協(xié)議，且內(nèi)部集成了私有加密機(jī)制，能夠確保載波通信的信息安全。載波通信模塊自動(dòng)綁定終端互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol，IP）和媒體訪問控制（Media Access Control，MAC）地址，防止非法IP 接入載波通信信道。除此之外，載波通信模塊支持網(wǎng)線拔掉后自動(dòng)閉鎖，閉鎖后可以由授權(quán)人員借助遠(yuǎn)程網(wǎng)管系統(tǒng)開啟。

3 應(yīng)用分析

以某電力公司的中壓電力線載波通信系統(tǒng)為例，通過系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性和可靠性。通過硬件和軟件的優(yōu)化，該公司的中壓電力線載波通信系統(tǒng)的傳輸距離達(dá)1 km 以上，傳輸速率達(dá)10 Mb/s 以上，接收靈敏度優(yōu)于-100 dBm，功耗低于20 W。通過實(shí)際操作，驗(yàn)證了中壓電力線載波通信系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的有效性，能夠提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率，促進(jìn)電力能源的合理分配和應(yīng)用。

4 結(jié) 論

通過對(duì)中壓電力線載波通信技術(shù)的基本原理、通信特點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行研究和分析，提出了中壓電力線載波通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和技術(shù)指標(biāo)，并通過實(shí)例分析驗(yàn)證其可行性和可靠性。中壓電力線載波通信技術(shù)作為電力通信的核心技術(shù)之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。未來，需要進(jìn)一步加強(qiáng)中壓電力線載波通信技術(shù)的研究和應(yīng)用，促進(jìn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化發(fā)展。