基于OFDM低壓窄帶電力線通信的智能變電站二次設備集成測試系統研究

倪彤輝，羅 蓬，郭浩謙

(1.國網河北省電力有限公司，石家莊 050021；2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院，石家莊 050021；3.國網河北省電力有限公司邯鄲供電分公司，河北 邯鄲 057150)

基于OFDM低壓窄帶電力線通信的智能變電站二次設備集成測試系統研究

倪彤輝1，羅 蓬2，郭浩謙3

(1.國網河北省電力有限公司，石家莊 050021；2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院，石家莊 050021；3.國網河北省電力有限公司邯鄲供電分公司，河北 邯鄲 057150)

針對目前智能變電站二次設備跨間隔整組閉環測試在變電站現場難以有效開展的問題，提出了一種基于OFDM低壓窄帶電力線通信的智能變電站二次設備集成測試方案，并研發了系統軟硬件。分析該系統采用電磁暫態計算獲取整站正常運行及間隔典型故障的電流電壓值，研發專用的高速同步電力線傳輸通道實現試驗數據向各被測間隔的高速同步發送，并開發分布式數據終端實現仿真主站與變電站二次設備的無縫連接，完成二次系統不同范圍、不同功能的重點測試。通過實驗室仿真以及實際變電站的故障測試，驗證了該測試系統的有效性。

智能變電站；電力線通信；OFDM；分布式終端

0 引言

智能變電站是我國智能電網建設的關鍵環節，和常規變電站相比，IEC61850協議、光纖以太網等先進技術的應用，大幅提升了變電站內部信息交互處理能力，同時也給變電站測試、試驗工作帶來了相應的難題[1-2]。智能變電站二次設備測試不僅應包括合并單元、智能終端、數字化保護等設備的單元檢測，還需要對設備之間的通信、互操作進行全面的系統級檢測，對測試平臺在多設備運行工況實時仿真模擬、多端口數據并行處理和輸出等方面的能力提出了更高的要求[3]。此外，按照國家電網公司智能變電站典型設計要求，220 kV及以上智能變電站間隔層保護裝置布置在保護小室，而合并單元、智能終端等過程層設備采取分散就地下放安裝。此分布式布局方便了現場設備管理，但由于設備安裝距離較遠、環境復雜，給試驗的接線造成較大困難，特別是跨間隔整組閉環測試在變電站現場難以開展，給變電站二次系統的安全穩定運行帶來了巨大隱患。目前，針對該問題的研究已成為行業熱點，文獻[4]提出了一種變電站二次回路的自動測試方法，但該方法只針對常規站電流電壓回路接線正確性進行檢查，無法有效開展保護等裝置功能及整組動作特性校驗。文獻[5]將暫態仿真與無線通信技術相結合，設計了二次系統整體仿真測試平臺，文獻[6]通過無線站域測試系統的同步控制策略研究，解決了分布式實時測試的精確對時問題，然而上述方法均無法解決無線通信作為一種弱傳輸介質通信本身具有的通信可靠性、實時性差以及有效帶寬低等問題。

以下提出了一種基于電力線通信的二次設備集成測試方法，利用電力系統實時仿真技術，模擬各種故障的電磁暫態過程，閉環校驗保護動作邏輯，考察二次裝置間的互操作和通信網絡性能。此外，利用OFDM低壓窄帶電力線通信技術，將變電站內的站用電線路作為數據傳輸的天然通道，解決了現場試驗中測試和控制數據的跨間隔遠距離可靠、高速傳輸難題，且無需在變電站基建及檢修現場敷設大量長測試光纖，設備接線簡單靈活、安全性和可靠性強，便于工程實現。

1 總體技術方案

提出一種新的基于電力線通信的智能變電站二次設備集成測試方案，如圖1所示。測試系統主要由智能變電站實時仿真器、電力線通信接口裝置、站用電線路通道、分布式數據終端等幾部分構成。

圖1 電力線通信集成測試總體方案

實時仿真器配置有適用于智能變電站不同主接線形式的通用模型參數庫，能夠模擬變電站正常運行以及各類設備故障、誤操作的電磁暫態過程[7]，通過電力線通信接口以及線路通道，將暫態計算的結果以電流、電壓采樣數據的形式同步發送至各被測變電站間隔，并利用分布式數據終端實現集成測試系統與變電站二次系統間的GOOSE、SV等數據交互，靈活有效的實現站內合并單元、智能終端、保護裝置等單裝置及整組測試，從而考察單套保護的動作行為以及多套保護的協同配合能力。集成測試系統與真實的智能變電站二次設備共同構成閉環的模擬測試環境。

2 OFDM低壓窄帶電力線通信系統開發

2.1 系統架構及功能

設計了應用于智能變電站環境的基于正交頻分復用(OFDM)的低壓電力線(LV-PLC)通信裝置，基帶系統采用差分正交相移鍵控(DQPSK)調制方式，并在NI儀器上完成FPGA硬件開發。

該系統中數據信號在串并變換后，分別經過DQPSK調制、IFFT模塊轉換為OFDM信號，加入循環前綴(Cyclic Prefix，CP)和同步訓練序列后發射；接收端先進行同步檢測，去除循環前綴，再通過FFT模塊、DQPSK解調，還原為接收信號。

在整個測試平臺中，電力線通信接口裝置負責將仿真主機輸出的采樣值報文通過電力線發送，同時接收回傳的GOOSE報文信息。實際利用的傳輸物理介質為220 V/380 V站用電力線路，由于該線路在變電站建設過程中已經鋪設完成，且接口分布豐富，便于使用。在開展試驗過程中，在保護間和一次設備間選用同一站用變下同一物理連接的220 V/380 V電源插孔，分別與電力線通信接口裝置以及各數據終端進行連接，即可完成長距離試驗數據通道的搭建，同時試驗裝置的電源供電也可一并解決。

2.2 系統參數

整個通信系統選用低壓窄帶電力線通信要求的3～500 kHz的頻段進行通信[8]，OFDM基本參數為：采樣頻率1 MHz，子載波間隔1.95 kHz，FFT點數512(長度512 μs)，循環前綴長度128 μs。

在低頻段進行通信，直接采用OFDM方式進行基帶通信。典型的電力線信道多徑時延擴展的均方根為1～10 μs，OFDM循環前綴長度應大于該值，從而有效減少多徑效應，這里取碼元周期的1/4長度。此外，OFDM信號以基帶信號形式傳輸，還要求IFFT的結果必須為實序列，因此本文采用共軛對稱序列，在DQPSK編碼后的IFFT輸入數據X(k)如式(1)所示，X*(N-k)為共軛對稱數據，頻率點N/2為零，則傳輸速率可達480 kb/s。

(1)

2.3 調制技術

由于低壓窄帶電力線信道的多徑效應，信號的幅度和相位會產生頻率選擇性變化，正交振幅調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)由于其相位和幅度對不同頻率的相應不同將產生較大誤差，而相移鍵控(Phase-Shift Keying，PSK)只采用相位調制，選取差分方式的DQPSK調制，利用信號的相位差減少多徑效應的影響，最大程度滿足傳輸速率和抗干擾能力要求。圖2和圖3分別給出了理想條件下DQPSK信號星座和信號眼。

圖2 DQPSK信號星座

圖3 DQPSK信號眼

采用DQPSK方式，差分檢測系統無須任何信道估計和均衡[9]，可以大大降低系統的復雜性和功耗。同時電力線信道時域變化較慢，在頻域會受到窄帶噪聲的影響，因而基于時域的差分編碼更適合電力線通信系統。

2.4 幀同步

信道通信必須通過同步方式確定數據幀起始位置，文獻[10]基于恒幅零自相關同步方式，解決傳統同步算法在電力線信道出現平坦峰值時的同步問題，改進PLC信道的同步序列。

構建的訓練序列由循環前綴和同步序列構成，N為FFT點數，其時域表達式如公式(2)所示。

ak=exp(jπrk2/N)，n=0，1……，N1-1

(2)

其中N1=N/2，r=N1+1。同步檢測模塊的監測參數R(d)和P(d)如式(3)所示，其中C為IFFT循環前綴長度，r表示接收信號序列，t為訓練序列。

(3)

通過增加R(d)和P(d)的長度保證同步訓練序列在經過信道后的相關性，提高同步檢測模塊的性能。度量函數M(d)如式(4)所示，當M(d)大于某個閾值則認為有數據到達。

(4)

3 分布式數據終端開發

在整套測試系統布設過程中，分布式數據終端布置于各待測間隔智能匯控柜旁，通過光纖與變電站合并單元、智能終端等設備相連，將仿真主機通過電力線輸出的電流、電壓采樣數據發送至各間隔合并單元、保護、測控等二次設備，同時回傳各間隔GOOSE報文，更新模型中的開關、刀閘位置，并相應調整電流電壓輸出，實現整個測試過程的閉環。

該數據終端具有IEC 61850-9-2、FT3等數字量采樣值輸出模式，可對合并單元前后端輸出數據進行模擬，根據試驗現場設備配置進行輸出和接口的選擇。數據終端還具有GOOSE狀態量通信功能，通過點對點或GOOSE網與保護、智能終端等設備相連，成為間隔層和過程層信息交互的接口。此外，為確保測試系統和二次設備的高度時間一致性，終端還具有精確對時和確定性同步的功能。設計的數據終端硬件結構見圖4。

數據終端支持電力線通信收發功能，直接連接到電力線上接收采樣值信息，并收發開關量及位置信息，同時完成對裝置的供電。

圖4 數據終端硬件結構

數據終端硬件支持16個光百兆以太網接口，其中8個用于傳送IEC 61850-9-2或FT3格式報文，兼容雙母線和3/2接線2種主接線形式。在雙母線形式下，線路間隔數據終端提供1u+3i的模擬量輸出，母線間隔數據終端提供3u+3u的模擬量輸出；在3/2接線方式下，線路間隔數據終端輸出4u+4i的模擬量，母線間隔數據終端輸出4u+4u的模擬量。另外8個用于傳送間隔GOOSE報文。

此外，數據終端和仿真主機支持多種同步方式。仿真主機和終端均配備獨立的天基GPS對時系統，通過預留的GPS接口連接對時天線，實現對時；此外，主站和終端各預留一個ST光口，均連接到變電站光B碼對時屏柜，和站內對時系統保持同步。不同的無線終端必須同步在10 μs的精度范圍內。

4 仿真模擬及變電站現場試驗

4.1 OFDM基帶系統誤碼率仿真測試

在實驗室搭建典型仿真環境，在OFDM系統理想同步的條件下，加入電力線信道傳輸噪聲模型。IFFT點數取512，通信帶寬為3～500 kHz(關閉0～3 kHz子載波)，有效子載波為250。在上述條件下仿真通信誤碼率隨SNR變化情況，結果如圖5所示。在信噪比為2～4 dB范圍時，傳輸誤碼率下降至10-1以內，當信噪比上升至16 dB時，誤碼率穩定在10-3左右。

4.2 變電站測試試驗

采用以上提出的基于電力線通信的二次設備集成測試系，在河北省南部電網某220 kV智能變電站進行了實際性能測試試驗。該變電站一次系統規模為：220 kV電壓等級雙母線接線，2回出線；110 kV單母分段接線；35 kV單母分段接線。利用本集成測試系統搭建變電站模擬測試環境，并采用故障仿真方式對典型間隔典型二次設備進行了性能測試。

圖5 OFDM基帶傳輸誤碼率隨信噪比變化曲線

分別模擬變電站正常運行以及發生1號主變壓器內部U相接地故障(持續時間0.5 s)、220 kV I母V相瞬時故障時的整站潮流，考察主變壓器保護PST-1200U、母線保護PCS-915及相關聯二次設備傳輸及動作的正確性。在變電站實際監控后臺觀測整個故障過程的電氣量變化，讀取相關設備動作報文，判斷測試系統工作狀況。兩次故障的錄波圖分別如圖6、7所示。

圖6 1號主變內部U相接地故障

試驗結果表明，利用仿真測試系統搭建變電站模型，實時輸出變電站一次系統正常運行及故障時的高精度電流電壓，通過設計開發的電力線傳輸通道及間隔數據終端，實現集成仿真系統與變電站二次設備的數據交互，滿足變電站二次系統整組閉環測試的需求。

圖7 220 kV I母V相瞬時故障

5 結束語

以上研究開發了一種基于OFDM低壓窄帶電力線通信的智能變電站二次設備集成測試系統，該系統將電力系統暫態實時仿真、低壓窄帶電力線通信、智能二次設備模擬等技術相結合，解決了變電站復雜環境下試驗數據的跨間隔、遠距離實時穩定傳輸難題，為智能變電站內包括數字化保護、測控、計量等全面功能提供了整組協同測試環境，可良好應用于智能站基建調試或檢修現場。

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Integrated Testing System Research on Secondary Equipment in Smart Substation Based on OFDM Narrow-band Low-voltage Power Line Communication

Ni Tonghui1,Luo Peng2,Guo Haoqian3

(1.State Grid Hebei Electric Power Company Co.Ltd. ,Shijiazhuang 050021,China;2.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China;3.State Grid Hebei Electric Power Company Co.Ltd. Handan Power Supply Branch,Hengshui,057150,China)

According to the problem that the whole closed loop test with span interval cannot be well applied in transformer substation,a novel integrated testing method is proposed for secondary equipment based on OFDM narrow-band low-voltage PLC,and the hardware and software of testing system are developed also.In this system,electromagnetic transient calculation is adopted to get the current and voltage value of substation normal running or malfunction,which is transferred to the tested substation interval by high speed synchronous power line channel,and some distributed terminals are designed to realize the seamless connection between the simulation master station and substation secondary system.This system can realize the integrated testing of different functions of secondary system in smart substation,and the effectiveness of the testing system is proved by laboratory simulation and substation site fault testing.

smart substation;power line communication;OFDM;distributed terminal

2017-10-25

倪彤輝(1976-)，男，高級工程師，主要從事繼電保護和電網企業管理工作。

TM73

A

1001-9898(2017)06-0005-04

本文責任編輯：丁 力