中壓配網拓撲結構及阻抗匹配對電力線載波信號傳輸影響分析

胡 平，朱俊棟，李 勇，徐松曉

(1.國網河北省電力公司，石家莊 050021；2.國網河北省電力公司保定供電分公司，河北 保定 071051)

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中壓配網拓撲結構及阻抗匹配對電力線載波信號傳輸影響分析

胡 平1，朱俊棟1，李 勇2，徐松曉2

(1.國網河北省電力公司，石家莊 050021；2.國網河北省電力公司保定供電分公司，河北 保定 071051)

結合載波通信技術在10 kV配電線路上的現場通信測試情況，分析了變電站網絡拓撲結構及阻抗匹配對中壓配電網載波信號的影響，為智能配電網中壓電力線載波通信技術實用化提供參考。

電力線載波通信；配電網；網絡拓撲結構；阻抗匹配

目前，我國的配電通信網規劃確定了配網通信系統綜合采用光纖、載波、無線多種方式的技術路線，但在實際建設中光纖通信存在光纜敷設費用昂貴、維護工作量大、無線通信存在通信可靠性較差等問題。而電力載波通信PLC(Power line Communication)技術是電力系統特有的通信方式，利用現有的配電網絡作為信道，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。隨著新的正交頻分復用(OFDM)調制技術的快速發展，基于多載波調制方法的電力線載波通信已成為當前智能配電網通信技術的研究熱點，與配電網中其他通信方式相比，存在廣泛性、經濟性、實時性及互動性等自身獨特優勢，成為智能配電通信網的首選方式之一[1]。但城市中壓配電網的網絡拓撲結構比輸電網復雜很多，主干線路上掛接很多分支線路，電纜和架空線路串并皆存在，且在沿線跨接很多配電變壓器以及無功補償裝置、中壓開閉所等電氣設備，使得載波信號的通信信道復雜多變，難以預估[2-3]。

1 載波通信測試站點接線情況

本次載波通信測試站點選擇保定市大陽110 kV變電站。該變電站110 kV側采用內橋接線方式，10 kV側采用單母線分段接線方式，每段10 kV母線上都接有十幾條配電出線。在大陽站555號10 kV配電線路上進行配電線路載波直接通信測試，見圖1。

圖1 大陽站555號10 kV配電線路網絡拓撲示意

由于大陽站555號10 kV配電出線為電纜線路，故采用卡式電感耦合器將載波機發出的載波信號耦合到電纜線路上，簡單安全，無需停電。其測試簡圖如圖2所示。在大陽站站內555號10 kV配電出線處和環網柜HK-06處分別經電感耦合器安裝PLC通信裝置，測試2點之間直接通信時電力線載波通信情況。2點之間測試距離為3.32 km。通信測試過程中，所用載波機采用的是正交頻分復用技術，通信頻帶范圍為3～500 kHz，每間隔約5 kHz為一個通信頻點，共108個可選通信頻點，允許選擇18個子載波信道。設定初始通信頻點為在3～500 kHz頻帶范圍內均勻選取的18個頻點。

圖2 電纜線路載波通信測試簡圖

2 網絡拓撲結構對載波信道的影響

大陽變電站10 kV側配電出線多達二十幾條，由于配電網拓撲結構復雜，且配電線路上不允許裝設高頻阻波器，所以載波信號在大陽站內存在分流現象。通信測試過程中，載波發信機通過電感耦合器將信號耦合到大陽站555號10 kV配電出線上，載波接收機在距發送裝置20 m左右處，經電感耦合器分別耦合到大陽站554號和555號2條不同的10 kV配電線路上。

測試數據顯示，大陽站555號10 kV配電線路上的載波發信機發出的信號，在站內554號和555號10 kV配電線路上均能夠收到，且2條線路上載波接收機的18個子載波信道收包率均較高，通信速率能夠達到70 Kb/s。

實際測試結果表明，大陽555號10 kV配電線路上的載波機發送的信號，在站內其他10 kV配電出線上亦能感應到，即大陽555號10 kV配電線路上的載波機發出的功率部分從站內母排流失，使得555號出線到HK-06開關柜的載波功率減少。故變電站網絡拓撲結構對中壓配電網載波信號的傳輸有一定影響，若載波發信機裝在站內，則10 kV側母線上所接出線越多，載波信號能量的流失越嚴重，對配電線路上載波信號的傳輸越不利。

3 阻抗匹配對載波信道的影響

在大陽站內555號10 kV配電出線的始端和環網柜HK-06處分別安裝了PLC通信裝置，2點之間距離為3.32 km，進行兩點之間的直接通信測試，測試結果見表1和表2。

表1 頻率及匹配電阻調整前的測試數據

信道收包率信道噪聲信道收包率信道噪聲通道1(102.5kHz)85.106%56通道10(278.3kHz)0%71通道2(122.1kHz)0%120通道11(297.9kHz)0%0通道3(141.6kHz)0%55通道12(317.4kHz)0%56通道4(161.1kHz)0%46通道13(336.9kHz)0%115通道5(180.7kHz)0%183通道14(356.4kHz)0%53通道6(200.2kHz)0%50通道15(376.0kHz)0%0通道7(219.7kHz)0%59通道16(395.5kHz)0%43通道8(239.3kHz)0%94通道17(415.0kHz)0%66通道9(258.8kHz)0%169通道18(434.6kHz)0%38

表2 頻率及匹配電阻調整后的測試數據

信道收包率信道噪聲信道收包率信道噪聲通道1(29.3kHz)51.724%255通道10(161.1kHz)0%54通道2(43.9kHz)100.00%255通道11(175.8kHz)0%114通道3(58.6kHz)100.00%48通道12(190.4kHz)0%255通道4(73.2kHz)100.00%80通道13(205.1kHz)0%16通道5(87.9kHz)98.276%81通道14(219.7kHz)0%156通道6(102.5kHz)60.345%88通道15(234.4kHz)0%238通道7(117.2kHz)15.234%193通道16(249.0kHz)0%88通道8(131.8kHz)5.172%91通道17(263.7kHz)0%112通道9(146.5kHz)0.0%139通道18(278.3kHz)0%72

首次通信測試時，將載波收發裝置與電感耦合器間的匹配電阻設為0 Ω，頻點設置如表1所示。表1的測試結果顯示，載波機的18個子通道中僅有通道1一個通道能夠收發數據，通道1的頻點為102.5 kHz，收包率為85.106%，通信速率小于4 Kb/s。可見，對于較長的電纜線路而言，低頻段載波信號傳輸距離較遠。之后的通信測試過程中，將載波通信頻點范圍設置在29～280 kHz，且逐步調整載波發送裝置與電感耦合器間匹配電阻，得到的實際測試數據如表2所示。通過對載波發送裝置與電感耦合器間匹配電阻的逐步調整，通道2、通道3和通道4的收包率逐步提升，最后收包率可達到100%。除了這3個子通道外，通道1、通道5、通道6、通道7和通道8在匹配阻抗的調整過程中，也能夠實現數據的收發，且通道5的收包率也非常高。可見調整匹配電阻后的信道的通信質量有了質的提高，其通信速率能夠達到30 Kb/s左右。故通過對耦合設備的自適應阻抗匹配的設計，可以完成距離達3.5 km左右的兩點間的直接通信。城市10 kV中壓配電網臺區半徑通常為5 km左右，故要實現城市10 kV中壓配電線路的載波通信，需根據配網結構及通信距離適當的設置中繼節點。

4 結論

電力線載波通信利用現成的配電網絡作為通信信道，大大節省了建設信道的投資，成為中壓配電通信網的重要選擇之一。該文結合載波通信技術在10 kV配電線路上的現場通信測試情況，明確指出了中壓配電網載波通信技術實用化過程中所涉及的兩點關鍵技術。

a. 變電站網絡拓撲結構對中壓配電網載波信號傳輸的影響，若載波發信機裝在站內，則10 kV側母線上所接出線越多，載波信號能量的流失越嚴重，對配電線路上載波信號的傳輸越不利。故在進行載波通信組網時，需要考慮主、子站點的設置。

b. 阻抗匹配對中壓配電網載波信號的傳輸至關重要，需要研究設計能夠實現自適應阻抗匹配的智能耦合設備，以滿足載波通信技術的通信質量。對于城市10 kV電纜線路，主要采用YJV22型線路，其耦合設備自適應阻抗匹配范圍建議取20～40 Ω；對于城市10 kV架空絕緣線路，主要采用JKLYJ型線路，其耦合設備自適應阻抗匹配范圍建議取250～300 Ω。

[1] 李建岐，陸 陽，高鴻堅. 基于信道認知在線可定義的電力線載波通信方法[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(20): 5235-5243.

[2] 焦邵華,劉萬順,鄭衛文,等.配電網載波通信的衰耗分析[J].電力系統自動化, 2000, 24(8):37-40.

[3] 楊曉憲,鄭 濤,張保會,等.10 kV 中壓電力線信道傳輸特性測量與研究(二):信道傳輸路徑損失[J].電力自動化設備, 2006, 26(12):6-12.

本文責任編輯：羅曉曉

Analysis of the Influence of Topology and Impedance Matching on Power Line Carrier Signal Transmission in Medium Voltage Distribution Networks

Hu Ping1，Zhu Jundong1，Li Yong2，Xu Songxiao2

(1.State Grid Hebei Electric Power Company,Shijiazhuang 050021,China;2.State Grid Hebei Electric Power Company Baoding Power Supply Branch, Baoding 071051,China)

Combined with the field communication test of carrier communication technology on 10kV distribution line, the influence of substation network topology and impedance matching on the carrier signal of medium voltage distribution networks is analyzed, it provides reference for practical application of medium voltage power line carrier communication technology in intelligent distribution networks.

power line carrier communication technology;distribution networks;network topology;impedance matching

2017-01-09

胡 平(1968-),男,高級工程師,主要從事電力系統自動化、信息化相關工作。

TM73

B

1001-9898(2017)03-0001-02