中壓配電網電力線載波通信實驗教學系統

王艷　趙洪山　宋瑋

摘要：為培養電力系統高層次復合應用型人才，教學團隊研發了一套既適合實驗教學，又結合實際電力系統通信網絡的中壓配電網電力線載波通信實驗教學系統。簡介了電力線載波通信技術，給出了載波通信裝置的硬件結構及電路設計，構建了一個中壓配電網PLC通信實驗仿真教學系統。學生可根據中壓配電網實際拓撲搭建載波通信信道模型，設置通信參數，測試通信性能指標等，以促進其理論知識的學習，提升實踐動手能力，實現教學目標。

關鍵詞：配電網；電力線載波通信；硬件電路設計；實驗教學系統

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0267-02

隨著社會經濟的發展，應用型專業人才的培養已經成為各高校發展的必然選擇。華北電力大學（保定）電力工程系從高等教育大眾化及社會經濟發展的現狀出發，同時結合電力系統特色，把大力培養社會發展所需要的高層次復合應用型電力人才作為教學目標之一，注重培養學生知識復合、能力復合、思維復合以及適應社會需要的能力。網絡與通信技術以其資源共享，高效可靠的特點廣泛應用在電力行業中，成為電力系統通信的重要組成部分，在電網繼電保護、監控及調度自動化等方面扮演著越來越重要的角色。隨著電力系統中對通信技術人才要求逐步提高，華北電力大學（保定）電力工程系將網絡與通信技術設定為電氣工程專業學生的必修課。網絡與通信技術作為一門綜合性的科學，與電路基礎、電子技術、通訊技術、計算機技術等有著密切的關系，是一門理論性、實踐性和應用性很強的課程。該課程專業術語抽象、內容枯燥、基本概念多、協議多，學生普遍反映有些知識比較難學、難懂，加上缺乏對工程實踐的感性認識，易出現棄學的心理。故本教學團隊老師根據電力系統實際通信網絡的應用，結合配電網架構特點，研發了一套基于OFDM技術的中壓配電網電力線載波通信實驗系統。該實驗系統設計既適合實驗教學，又結合實際應用。如載波通信模塊的硬件是按照現場應用來進行設計的，載波通信模塊中的軟件不但實現必需的通信功能還增加了學生實驗測試和設置功能，同時配電網信道模型學生可根據實際網絡拓撲去自己搭建。這樣的實驗系統不僅使學生增強了實驗興趣，還提高了動手能力，同時使學生更多地了解電力系統通信網絡中基于電力線載波技術的通信網的實際電路和系統構成。

一、電力線載波通信技術

電力載波通信PLC（Power line Communication）技術是電力系統特有的通信方式，是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。其最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線，就能進行數據傳遞。電力線載波通信由于其成本低，靈活性高，可以適應各種網絡結構，同時運行維護方便簡單等優點，受到了中低壓配電網的極大青睞。隨著新的正交頻分復用（OFDM）調制技術的快速發展，PRIME規范、G3-PLC規范、ITU-T G.hn規范及IEEE 1901.2標準的頒布，為PLC技術的實用化提供了依據。目前基于多載波調制方法的電力線載波通信技術已成為當前智能配電網通信技術的研究熱點。

二、電力線載波通信裝置的研發

1.電力線載波通信裝置原理框圖。設備硬件系統整體原理框圖如上圖1所示，主要由電源電路、濾波放大電路、調制解調芯片、MCU控制單元、網口、調試接口、RS232/485接口電路組成。DTU、RTU設備、PC機通過網口、調試接口、RS232/485接口將需要傳送的信息發送到MCU控制單元，MCU將需要傳送的信息進行協議處理發送給調制解調芯片，調制解調芯片將傳送的信息調制成載波信號，并經濾波放大后發送到耦合設備，注入到電力線上進行傳輸。同時，電力線上傳輸的載波信號經耦合設備后傳輸到載波設備上，濾波放大電路濾除線路上的信號噪聲，調制解調芯片對信號進行解調，發送給MCU控制單元，MCU控制單元對數據進行協議解析處理后通過網口、調試接口、RS232/485接口發送到DTU、RTU設備、PC機。以此完成信息的雙向通信。

2.電力線載波通信裝置。圖2為本教學團隊實際研發的載波通信設備照片。設備在物理層采用成熟的OFDM技術和先進的編碼調制技術構建穩健的物理層，利用多個正交的子通道抵抗中壓電力線路中的各種干擾，保證通信的可靠性。

三、中壓配網電力線載波通信實驗教學系統的設計

中壓配網電力線載波通信實驗教學系統由電力線載波通信裝置主、子模塊和耦合器組成。各通信模塊的硬件構成原理相同，可以工作在主從方式下。每個通信模塊均可作為主站或子站。載波信號通信信道的搭建：參考河北省保定市10kV城市配電網線路型號及參數，分別計算不同線路型號下長度為50m的線路參數，將每50m線路等效焊接成一個集中參數的RLC電路型模型，利用多個RLC電路型模型的級聯來等效一條10kV分布參數的輸電線路。學生可根據實際中壓配電網拓撲結構自行搭建載波信道模型。子載波頻點的選擇：本載波通信裝置的通信帶寬為10kHz-500kHz，共設有101個可選子頻點，通信通道數目為18個。在通信帶寬上，學生可手動選擇固定的18個子載波頻點進行載波通信，也可自動輪詢測試所有通信頻點，擇優選擇18個最佳子載波信道。通信性能指標測試：在主—從通信模式下，學生可對載波通信裝置的通信性能進行測試，包括：數據包被正確接收到的個數、丟失的個數、重發次數以及信號誤碼率、通信速率等都可以在主站的人機界面上顯示出來。通信參數的設置：可設置的參數包括通信速率、數據內容、數據包長度、重發次數以及通信模式等。

四、結束語

根據電力系統實際通信網絡的應用，結合配電網架構特點，教學團隊研發了一套基于OFDM技術的中壓配電網電力線載波通信實驗系統。介紹了電力線載波通信裝置的原理框圖、硬件電路以及系統設計。該實驗系統設計既適合實驗教學，又結合實際應用。通過實驗，使學生對中壓配電網電力線通信的信道模型、裝置的內部構成、電路原理有了深刻的理解，不僅促進了學生理論知識的學習，還提升了實踐動手能力。既深化了教學內容，又拓寬了學生的視野，提高了教學質量。由于本實驗教學系統是結合實際進行開發的，通過適當的修改就可應用于實際中壓配電網中。