全雙工模式10kV配電載波通信技術(shù)簡介

羅紅

摘要：配電載波通信采用電力線作為傳輸介質(zhì)，將配電網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為載波信號(hào)，并通過耦合裝置將信號(hào)耦合到電力線上傳送到遠(yuǎn)方，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)通信功能。當(dāng)前，載波通信在國內(nèi)很多城市都有著不同規(guī)模的應(yīng)用。隨著無源光纖網(wǎng)絡(luò)通信（EPON）技術(shù)在配電自動(dòng)化的成功應(yīng)用，配電自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)通信通道質(zhì)量提出了更高要求，載波通信技術(shù)須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新和突破，提升各項(xiàng)通信技術(shù)指標(biāo)，以滿足配電自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：配電載波;全雙工模式;ACPR；配電自動(dòng)化隨著配電自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展，以主站或子站集中式為主要饋線自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)模式的應(yīng)用，逐步轉(zhuǎn)向智能分布式、電壓-時(shí)間型等多種饋線自動(dòng)化模式共同發(fā)展。通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，也使得配電自動(dòng)化終端設(shè)備與主站系統(tǒng)之間的通信連接關(guān)系由過去的RS-232串行接口為主，發(fā)展為現(xiàn)在的以太網(wǎng)接口，通信規(guī)約則采用IEC104規(guī)約。無論采用何種饋線自動(dòng)化模式，對(duì)通信速率、可靠性等指標(biāo)的要求都有所提高，其中智能分布式饋線自動(dòng)化還要求管轄區(qū)域內(nèi)的終端設(shè)備之間必須具備對(duì)等網(wǎng)通信的條件。配電載波通信技術(shù)必須順應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)來發(fā)展。

1配電載波組網(wǎng)方式現(xiàn)狀

以往受技術(shù)水平限制及當(dāng)時(shí)的實(shí)際需求等因素影響，配電自動(dòng)化項(xiàng)目對(duì)通信通道要求較為寬松，一主多從組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的半雙工載波通信通道足以滿足電力自動(dòng)化“三遙”功能的需求。遠(yuǎn)動(dòng)通信中配電終端設(shè)備一般采用RS-232串行結(jié)構(gòu)及非平衡IEC101規(guī)約即polling（輪詢問答）機(jī)制通信規(guī)約來實(shí)現(xiàn)基本“三遙”的監(jiān)控功能，甚至在配電變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中往往一臺(tái)主載波機(jī)要與數(shù)十臺(tái)從載波機(jī)組成大規(guī)模配電載波通信網(wǎng)絡(luò)，輪詢周期長達(dá)數(shù)十分鐘。

隨著EPON通信技術(shù)大規(guī)模地應(yīng)用，人們很自然地拿載波通信技術(shù)與之相比較，對(duì)載波通信方式有了更高的期望。智能配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向?qū)νㄐ磐ǖ劳瑯犹岢隽烁咭螅缤ㄐ彭憫?yīng)更迅速、通信速率和可靠性更高、支持配電網(wǎng)突發(fā)的信息主動(dòng)發(fā)起上傳等。

半雙工載波通信中每一包數(shù)據(jù)幀的傳輸都要求收、發(fā)雙方進(jìn)行信號(hào)相位同步，一般要耗費(fèi)幾十到數(shù)百毫秒的導(dǎo)頻時(shí)間。配電自動(dòng)化數(shù)據(jù)通信大多為50字節(jié)左右的短報(bào)文，在半雙工載波通信傳輸過程中，大部分時(shí)間消耗在建立通信鏈接的導(dǎo)頻階段，導(dǎo)頻時(shí)間已成為制約通信效率的最大障礙。

2窄帶全雙工載波通信技術(shù)的展望

采用頻分方式在電力線路信號(hào)傳輸媒介中劃分獨(dú)立的邏輯數(shù)據(jù)傳輸通道，載波機(jī)可以同時(shí)接收多路不同頻點(diǎn)的載波信號(hào)，接收載波信號(hào)的同時(shí)，能做到以不同頻點(diǎn)向外發(fā)送載波信號(hào)，載波信號(hào)的收、發(fā)過程相互間不受影響。上述功能是實(shí)現(xiàn)全雙工模式載波通信的基礎(chǔ)，新一代全雙工載波機(jī)具備了多個(gè)獨(dú)立的載波信號(hào)收、發(fā)通道，實(shí)現(xiàn)了更加靈活的組網(wǎng)應(yīng)用。

有了全雙工模式的載波通信物理層的支持，配電載波通信技術(shù)的組網(wǎng)通信方式將會(huì)變的更加多樣化，功能更加豐富。

2.1 靈活多樣的通信組網(wǎng)方式

利用載波機(jī)多收多發(fā)的通道特性，可建立復(fù)雜的通信組網(wǎng)方式，可在一定范圍內(nèi)建立對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)。將它應(yīng)用于分布式饋線自動(dòng)化系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)DTU設(shè)備間的快速信息傳遞。如下圖中，四臺(tái)DTU設(shè)備利用載波通道進(jìn)行對(duì)等通信，四臺(tái)載波機(jī)分別以50KH、58KH、66KH、74KH發(fā)送信號(hào)，每臺(tái)載波機(jī)的三個(gè)接收通道分別接收來自其他三臺(tái)載波機(jī)的信號(hào)。

2.2 中繼傳輸方式的革新

中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，無需對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，不要求一次性接收完整包數(shù)據(jù)后再做轉(zhuǎn)發(fā)處理，可以做到邊接信號(hào)收邊中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，中繼傳輸延時(shí)得到最大限度的減低。

2.3 網(wǎng)管功能實(shí)現(xiàn)更容易，且不會(huì)對(duì)正常通信業(yè)務(wù)造成影響

其中一個(gè)接收通道專用于接收網(wǎng)管數(shù)據(jù)，網(wǎng)管信息的發(fā)送信號(hào)與其他通信服務(wù)共享一個(gè)發(fā)信通道，網(wǎng)管數(shù)據(jù)傳輸時(shí)規(guī)定采用一個(gè)固定頻點(diǎn)載波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)收、發(fā)。獨(dú)立的網(wǎng)管數(shù)據(jù)傳輸通道不影響正常的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，是一種極為高效的通信網(wǎng)管解決方案。

2.4 實(shí)時(shí)在線的通信鏈接狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)及時(shí)響應(yīng)

通信初始鏈接時(shí)進(jìn)行一次導(dǎo)頻同步，通信鏈路建立后長期保持鏈接狀態(tài)，配電載波智能化網(wǎng)管系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤通信鏈路狀況，一旦發(fā)生“掉線”，將迅速做出自動(dòng)鏈接調(diào)整，尋求最優(yōu)化方案重新接入載波通信網(wǎng)，或在檢測(cè)到無法修復(fù)的通信故障時(shí)提供告警信息。

2.5 支持以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)包透明傳輸

載波機(jī)支持TCP/IP協(xié)議，配電終端設(shè)備通過以太網(wǎng)接口，利用載波通道，采用網(wǎng)絡(luò)IEC104規(guī)約向主站系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接入。

2.6 支持大數(shù)據(jù)流傳輸

利用網(wǎng)管專用通道，在不影響正常載波通信情況下，對(duì)載波設(shè)備或配電終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程調(diào)試或遠(yuǎn)程程序升級(jí)。

3關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)

3.1 多路收、發(fā)信號(hào)處理通道

多路獨(dú)立的信號(hào)接收通道，可同時(shí)接收并處理多路不同頻點(diǎn)的載波信號(hào)。具有一路或多路載波信號(hào)發(fā)送通道，載波機(jī)發(fā)送信號(hào)時(shí)不能影響來自遠(yuǎn)方的載波信號(hào)接收。多路收、發(fā)信號(hào)處理過程中包括編碼、調(diào)制、濾波、解調(diào)、解碼、糾錯(cuò)等，全部由數(shù)字信號(hào)處理芯片加以實(shí)現(xiàn)。收、發(fā)載波信號(hào)的頻點(diǎn)是可以人工設(shè)置，也可交給載波智能化網(wǎng)管系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定。

3.2 載波信號(hào)耦合器的改進(jìn)

從降低應(yīng)用成本和安裝難度等方面考慮，全雙工配電載波機(jī)將仍然要采用一個(gè)信號(hào)耦合裝置，收、發(fā)信號(hào)是混合在一起的，進(jìn)行通道分離后接收電路上的信號(hào)經(jīng)過自發(fā)信號(hào)抵消處理來削弱自發(fā)信號(hào)對(duì)信號(hào)接收通道的影響。

某些類型信號(hào)耦合裝置效率不高（如卡接式電感耦合器），主要原因是與載波設(shè)備收、發(fā)信號(hào)接口的電路設(shè)計(jì)不能完全匹配，存在嚴(yán)重的無功損耗，電力線路上卻無法獲得足夠強(qiáng)度的載波信號(hào)能量支持遠(yuǎn)距離傳輸。配電載波通信信號(hào)耦合效率的提升關(guān)系到載波工作電源的能源利用率，更加符合節(jié)能環(huán)保要求，可顯著降低載波機(jī)功放單元的發(fā)熱，延長元器件使用壽命，減少因個(gè)別元器件老化引起的性能下降和通信故障。耦合效率得到改善后，信號(hào)傳輸距離更廣，可盡量避免采用中繼通信方式，減少通信時(shí)延，降低載波通信頻率資源開銷。

提升載波信號(hào)的耦合效率首先要對(duì)傳輸線特性進(jìn)行全面分析，通過對(duì)載波通道物理傳輸媒介的分析，有助于了解載波信號(hào)在線路中的衰耗過程，如下圖所示電纜屏蔽層載波通道的傳輸線路模型。

考慮到傳輸線路存在小電感，損耗電阻，電纜與大地之間存在分布電容和漏電電阻（漏電電導(dǎo)，對(duì)于高頻信號(hào)，這些小的參數(shù)將影響顯著。我們假設(shè)單位長得分布電感為L0,單位長度的損耗電阻為R0,單位長的分布電容為C0,單位長度的漏電電導(dǎo)為G0（這些參數(shù)也可以結(jié)合具體幾號(hào)尺寸和環(huán)境的介電系數(shù)，建模獲得或通過測(cè)試獲得）,那么這條傳輸回路的模型可簡化為傳輸線模式如圖所示。

耦合器的磁芯繞組線圈等應(yīng)看成功放電路的一部分整體分析，電路設(shè)計(jì)主要考慮避免功放電路中的高頻自激振蕩做無用功、減小勵(lì)磁電流帶來的無功損耗、采用高磁導(dǎo)率磁芯材料、阻抗匹配設(shè)計(jì)等方面。載波信號(hào)在傳輸線中要考慮到多徑衰落、駐波、回波損耗等傳輸特性造成的影響，需采取有效措施加以克服。

4結(jié)束語

融入了多項(xiàng)新技術(shù)的全雙工模式載波通信系統(tǒng)將成為光纖通信的重要補(bǔ)充。充分發(fā)揮其施工安裝方便、投資省、見效快、免維護(hù)、通信距離遠(yuǎn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于下列場(chǎng)景中：①光纖難以敷設(shè)到位的老城區(qū)；②光纖通道敷設(shè)盲點(diǎn)；③臨時(shí)性站點(diǎn)；④急于解決通信問題的新建站點(diǎn)；⑤未經(jīng)架空線入地改造的城市架空線路；⑥城鄉(xiāng)結(jié)合部等非重要負(fù)荷區(qū)域；⑦農(nóng)網(wǎng)遠(yuǎn)距離架空線路等等場(chǎng)所提供數(shù)據(jù)接入服務(wù)；⑧處于軍事演習(xí)等特殊區(qū)域需要進(jìn)行無線信號(hào)屏蔽的配電線路。隨著我國配電網(wǎng)建設(shè)步伐的加快，配電載波通信技術(shù)在促進(jìn)配網(wǎng)自動(dòng)化建造中將大有可為。

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