基于分布式結(jié)構(gòu)的工頻通信主站設(shè)備控制

田鑫宇，　王　磊，　霍德華，　尤　文*

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春　130012；2.國(guó)家電網(wǎng)吉林省電力有限公司 遼源供電公司， 吉林 遼源　136200)

0　引　言

當(dāng)前，改變我國(guó)電網(wǎng)通信問題的主要措施是對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)中低壓載波通信技術(shù)的改進(jìn)，面對(duì)國(guó)內(nèi)各工業(yè)企業(yè)用電需求不斷增大的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行必將提出新的要求，隨之保障其穩(wěn)定運(yùn)行的通信網(wǎng)絡(luò)升級(jí)也是必不可少的。而工頻通信主站設(shè)備控制的研究則對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)通信中載波信號(hào)傳輸能力差、遠(yuǎn)距離傳輸差、穿透性差的三大難題的解決提供了技術(shù)依據(jù)。將雙向工頻自動(dòng)通信的理論和方法運(yùn)用于我國(guó)各級(jí)電網(wǎng)的通訊傳輸上，雖能解決上述三種中低壓載波通信技術(shù)存在的弊端，但仍屬于低速傳遞的信息傳輸模式。針對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的現(xiàn)行情況，將分布式結(jié)構(gòu)原理帶入雙向工頻通信系統(tǒng)進(jìn)行研究表明，其對(duì)電力通信系統(tǒng)的整體管控和數(shù)據(jù)傳輸安全性方面的突出作用可作為可行性方案進(jìn)行推廣使用。

1　分布式結(jié)構(gòu)在工頻通信主站設(shè)備應(yīng)用意義

分布式結(jié)構(gòu)與工頻通信主站設(shè)備結(jié)合的研發(fā)主要運(yùn)用領(lǐng)域是工農(nóng)用電通信線路，由于我國(guó)特殊的電網(wǎng)體系，配電網(wǎng)是我國(guó)電網(wǎng)分布最廣泛的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在對(duì)工農(nóng)生產(chǎn)的整體管理上，電力通信的主要作用在于遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)的傳輸[1]。現(xiàn)階段電力配電網(wǎng)多采用傳統(tǒng)電力線載波來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，其數(shù)據(jù)傳輸速率快的優(yōu)點(diǎn)卻無法使其在未來的市場(chǎng)需求下繼續(xù)沿用，因?yàn)樵谶\(yùn)用過程中有三大缺陷問題：第一，易受外界因素干擾進(jìn)入衰減期；第二，傳輸距離短，增設(shè)轉(zhuǎn)接設(shè)備造價(jià)高；第三，穿透性差需要設(shè)置較多中繼裝置。因此，針對(duì)以上缺陷，新的電力通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，雙向工頻通信技術(shù)的誕生成為電力配電通信系統(tǒng)發(fā)展的新動(dòng)力。

雙向工頻通信的目的是將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行質(zhì)變，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸㈦娏鳎倮闷湓诰W(wǎng)絡(luò)中的畸變攜帶大量數(shù)據(jù)的原理[2],將其在電力線路中產(chǎn)生的電壓、電流進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)共同傳輸。由于對(duì)數(shù)字信號(hào)的傳輸進(jìn)行根本改變，其調(diào)制信號(hào)的頻率也就產(chǎn)生變化，這是其實(shí)現(xiàn)跨越變臺(tái)進(jìn)行信息傳輸?shù)幕驹恚瑫r(shí)也改善了傳統(tǒng)電力線載波信息傳遞時(shí)易受外界干擾、造價(jià)大和傳輸距離短的缺陷。但相較于傳統(tǒng)電力線載波的快速傳遞速率，雙向工頻通信的傳輸速率較慢，是當(dāng)前無法徹底采用工頻通信的根本原因。

單從雙向工頻通信在實(shí)際電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用分析，其適用于一些對(duì)通信速率要求不高的中低壓電網(wǎng)的通信。利用其傳輸距離較長(zhǎng)的特點(diǎn)，結(jié)合分布式結(jié)構(gòu)原理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)部分運(yùn)行電力設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、偏遠(yuǎn)地區(qū)用電抄表工作、自動(dòng)化無人監(jiān)控領(lǐng)域的電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控等。在雙向工頻通信的基礎(chǔ)上加入分布式結(jié)構(gòu)，根據(jù)其基本功能對(duì)工頻通信主站設(shè)備進(jìn)行分組管理，具體按照信號(hào)調(diào)節(jié)單元進(jìn)行管理單元分類，根據(jù)其上、下行信號(hào)調(diào)制單元的基本原理，通過單元管理將通信信息傳遞實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并行管理模式。借此實(shí)現(xiàn)主站設(shè)備中管理性設(shè)備與功能性設(shè)備的徹底分離，管理單元細(xì)化設(shè)置為信息儲(chǔ)蓄管理、軟件分析管理、工控機(jī)管理等。功能性管理部分由上、下行信號(hào)調(diào)節(jié)單元、轉(zhuǎn)換器、調(diào)節(jié)器、傳感器、電路模板等構(gòu)成。其優(yōu)勢(shì)是基于雙向工頻通信的基本特性，發(fā)揮其特性將分布式結(jié)構(gòu)主站的優(yōu)點(diǎn)介入，通過優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)形成能夠在多種因素干擾下進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)質(zhì)通信技術(shù)，這對(duì)我國(guó)未來的電力通信發(fā)展具有跨時(shí)代意義，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化電力系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)的強(qiáng)有力技術(shù)支持手段之一[3]。

2　工頻通信主站設(shè)備控制

雙向工頻通信主站設(shè)備主要研究方向在其基本原理、傳輸渠道和接受終端構(gòu)成上。由主站設(shè)備作為基礎(chǔ)進(jìn)行雙向工頻通信技術(shù)研究，是基于對(duì)電壓、電流的處理和電網(wǎng)中信號(hào)畸變攜帶大量信息源的先行研究。研究目的是利用雙向工頻通信的優(yōu)勢(shì)，改善傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)絡(luò)傳輸中的弊端，保障超長(zhǎng)距離線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行和通訊網(wǎng)絡(luò)暢通。

2.1　雙向工頻通信的基本構(gòu)成

雙向工頻通信的基本原理在上文中已經(jīng)有所提及，其在城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)系統(tǒng)主要分為主站、配電網(wǎng)絡(luò)、用戶終端三部分，如圖1所示。

圖1分布式工頻通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于雙向工頻通信主站的設(shè)置，與傳統(tǒng)主站略有區(qū)分，在信息系統(tǒng)中的主要功能是控制單向信號(hào)，其對(duì)下行信號(hào)的調(diào)制能力和遠(yuǎn)程終端發(fā)送的上行信號(hào)進(jìn)行控制，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)解數(shù)據(jù)分析和總結(jié)，再通過線路進(jìn)行電壓、電流傳遞，最終實(shí)現(xiàn)通過上、下行調(diào)解單元對(duì)遠(yuǎn)程終端部分功能的控制與檢測(cè)。期間，可通過對(duì)采集模板荷載電壓、電流調(diào)控達(dá)到信息收集的目的，對(duì)其功率進(jìn)行分析，通過相同的頻率對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程命令傳達(dá)，使其可進(jìn)行命令內(nèi)容的上、下行信息調(diào)制傳遞。

2.2　雙向工頻通信的調(diào)制

雙向工頻通信的調(diào)制原理中最主要的調(diào)試方式是上、下行信號(hào)的調(diào)制，利用工頻通信信號(hào)發(fā)送的特殊調(diào)試方式和電壓的波形畸變來對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)[4]。這種信號(hào)調(diào)試方式統(tǒng)稱為電壓過零點(diǎn)或過零調(diào)制，在電壓過零點(diǎn)能量值趨于最低點(diǎn)的同時(shí)，利用變壓器二次側(cè)泄露電感強(qiáng)的特性，將功率稍加調(diào)制就可將信號(hào)源進(jìn)行疊加，為在傳輸過程中的數(shù)據(jù)提供信號(hào)檢測(cè)。雙向工頻信號(hào)調(diào)制原理圖分析如圖2所示。

圖2雙向工頻信號(hào)調(diào)制原理圖分析

工頻信號(hào)上行信號(hào)和下行信號(hào)作為其主要的調(diào)制信號(hào)，是整個(gè)系統(tǒng)從發(fā)射信號(hào)到接收信號(hào)完畢的始終貫徹項(xiàng)，兩種信號(hào)的區(qū)分方式在于其在檢測(cè)系統(tǒng)中的信息發(fā)出源，當(dāng)信息的發(fā)出源是由監(jiān)控主站向監(jiān)控系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程終端傳遞就稱其為下行信號(hào)。反之，當(dāng)信息的發(fā)出源是監(jiān)控系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程終端向監(jiān)控主站發(fā)出就稱為上行信號(hào)。無論調(diào)制信號(hào)的種類如何變換，其產(chǎn)生原因都與工頻通信的基本原理相同，調(diào)制原理亦是使用電力線中電壓、電流的畸變現(xiàn)象。

2.2.1下行信號(hào)的調(diào)制

下行信號(hào)檢測(cè)邏輯框圖如圖3所示。

圖3下行信號(hào)檢測(cè)邏輯框圖

下行信號(hào)的調(diào)制采用的是電壓調(diào)制法。下行電壓信號(hào)的傳輸方式充分體現(xiàn)了遠(yuǎn)程終端和監(jiān)控主站的關(guān)系，管理功能和使用功能的命令控制信息在主站輸出電壓波形時(shí)開始運(yùn)作，主站輸出的電壓波形會(huì)在輸送過程中對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行疊加，在電壓過零點(diǎn)附近通常會(huì)產(chǎn)生畸變信號(hào)，利用該畸變信號(hào)即可完成對(duì)信息的傳遞表達(dá)，其調(diào)制就由下行信號(hào)進(jìn)行可控調(diào)制。一旦需要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)制，下行信號(hào)將會(huì)變成監(jiān)控主站調(diào)制中的重點(diǎn)內(nèi)容，下行信號(hào)作為雙向工頻通信調(diào)制單元中的重要部分，將起到?jīng)Q定性作用。對(duì)于下行信號(hào)電壓調(diào)制法中出現(xiàn)的其他元器組件而言，如定時(shí)器、感應(yīng)器、調(diào)節(jié)器等設(shè)備僅對(duì)電壓信號(hào)的調(diào)制和調(diào)制電路板起到部分分隔作用，并未起到實(shí)質(zhì)性作用。

2.2.2上行信號(hào)的調(diào)制

上行信號(hào)檢測(cè)邏輯框圖如圖4所示。

圖4上行信號(hào)檢測(cè)邏輯框圖

上行信號(hào)調(diào)制的方式與下行信號(hào)調(diào)制的方式有相似之處，但其采用的卻是電流調(diào)制法，電流調(diào)制波形以及運(yùn)動(dòng)形態(tài)和下行信號(hào)調(diào)制法類似。上行信號(hào)傳輸源是由遠(yuǎn)程控制終端向監(jiān)控主站進(jìn)行信號(hào)傳輸，利用信號(hào)傳輸終端模塊的負(fù)載運(yùn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)收集整理。同樣要注意電壓過零時(shí)的動(dòng)態(tài)，但與電壓疊加略有不同，需要關(guān)注的是電流的疊加，利用電壓過零產(chǎn)生的電流脈沖將信息表示出來，最終完成整個(gè)過程的調(diào)制。

但對(duì)雙向工頻通信上行信號(hào)的調(diào)制而言，最重要的是其是否具有調(diào)制信號(hào)，而對(duì)調(diào)制信號(hào)的附加要求并不多。在通常時(shí)域內(nèi)，對(duì)電壓過零時(shí)的電流信號(hào)進(jìn)行判斷，根據(jù)電流的正負(fù)再做出是否動(dòng)作。也就是在信息發(fā)送端口利用現(xiàn)行電壓過零時(shí)產(chǎn)生的特殊信號(hào)，將接收端口設(shè)置在電壓過零部位進(jìn)行檢測(cè)，利用其調(diào)制結(jié)果來判定上行信號(hào)的調(diào)制，這種調(diào)制方式也成為上行信號(hào)的并行調(diào)制，是分布式結(jié)構(gòu)在工頻通信中應(yīng)用的研究理論成果[5]。

3　分布式結(jié)構(gòu)在雙向工頻通信主站中的應(yīng)用

3.1　分布式結(jié)構(gòu)主站設(shè)備的組成元素

分布式結(jié)構(gòu)主站的創(chuàng)設(shè)是基于傳統(tǒng)主站功能不全的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)立，其主要結(jié)構(gòu)是以工頻通信為核心，基礎(chǔ)性設(shè)施配備是以工控機(jī)、上行信號(hào)調(diào)制單元和下行信號(hào)調(diào)制單元三部分為主。在變電站的工頻通信設(shè)備安裝點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行整改，目的在于提升變電站高壓室對(duì)通信線路中電壓、電流變化的敏感度，改變下行信號(hào)的可控硅驅(qū)動(dòng)電路和上行信號(hào)的電路模板[6]。其基本結(jié)構(gòu)就是并聯(lián)在RS485總線上，多線運(yùn)行后串入工控機(jī)進(jìn)行總體調(diào)控。通過工控機(jī)對(duì)RS485通訊接口中的整體信息狀況進(jìn)行管控，達(dá)到對(duì)上行信號(hào)的調(diào)制作用，用以完成實(shí)時(shí)信號(hào)采集到信息發(fā)送的過程，管理單元對(duì)其進(jìn)行完備的信息儲(chǔ)蓄，與此同時(shí),各級(jí)用戶可登陸操作界面對(duì)整體信息流程進(jìn)行管控和數(shù)據(jù)取用，分布式結(jié)構(gòu)的主站設(shè)備組件幫助完成了工頻通信在電網(wǎng)中的部分研究預(yù)設(shè)[7]。

3.2　分布式結(jié)構(gòu)應(yīng)用的基礎(chǔ)性建設(shè)

分布式結(jié)構(gòu)在雙向工頻通信中應(yīng)用的基礎(chǔ)建設(shè)分為軟件和硬件兩部分，其中的難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)二者之間的相互契合。主站設(shè)備的鋪設(shè)使用屬于硬件設(shè)施建設(shè)，其中工控機(jī)是作為設(shè)備單元管理的硬件存在。真正運(yùn)行管理功能的是工控機(jī)的內(nèi)部組成部分，其管理單元軟件的運(yùn)行，以LABVIEW軟件的介入將線路網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)施相互聯(lián)結(jié)集成信息處理的虛擬儀器系統(tǒng)。LABVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)儀器系統(tǒng)操作類似，可模擬防控各類風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)后再進(jìn)行實(shí)際建設(shè)，這為電力系統(tǒng)信息通訊和其他通信行業(yè)帶來了最具安全性、可靠性和創(chuàng)造性的可能。通過管理單元集成串口，由RS485實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)通信和網(wǎng)絡(luò)輸出與各線路上的上行信號(hào)調(diào)制單元相同，進(jìn)行單元管理，實(shí)現(xiàn)其管理功能。同時(shí)，還有部分集成數(shù)據(jù)庫(kù)作為軟件出現(xiàn)在調(diào)試過程中，數(shù)據(jù)庫(kù)信息儲(chǔ)蓄的基本職能是為完善檢測(cè)體系而建立的，為更好地完成分布式結(jié)構(gòu)的單元管理能力，部分軟件采取圖像化界面，在整個(gè)操作過程中可完全按照真實(shí)情況進(jìn)行編制。管理單元軟件和硬件共同構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)管理模式，其在雙向工頻通信管理中的具體應(yīng)用還需要大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3　分布式結(jié)構(gòu)應(yīng)用于雙向工頻通信系統(tǒng)

對(duì)于雙向工頻通信系統(tǒng)而言，建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提是解決其發(fā)展的缺陷問題，其中最重要的是無法全面應(yīng)用于整個(gè)電力系統(tǒng)，由于其傳遞效率較慢的原因，限制了雙向工頻通信在電力網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展。分布式結(jié)構(gòu)在其中的運(yùn)用前提就是針對(duì)雙向工頻通信系統(tǒng)的缺陷，針對(duì)其缺陷問題選擇合適的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是必須的，各遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)所具備的特質(zhì)亦不相同。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可根據(jù)檢測(cè)方式和渠道的不同進(jìn)行構(gòu)架，基于分布式結(jié)構(gòu)的雙向工頻通信遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置由四部分組成：工控機(jī)、上行信號(hào)調(diào)制單元、下行信號(hào)調(diào)制單元、遠(yuǎn)程接收終端。但在布局設(shè)置時(shí)對(duì)遠(yuǎn)程終端提出了特殊性要求，其位置必須處于負(fù)載端運(yùn)行才能保證其正常頻率的接收功能。

4　結(jié)　語(yǔ)

將分布式結(jié)構(gòu)帶入雙向工頻通信系統(tǒng)內(nèi)，提升其基本效能和技術(shù)價(jià)值成為當(dāng)前改進(jìn)電力系統(tǒng)通信技術(shù)的革命性項(xiàng)目。通過對(duì)雙向工頻通信基本原理的解析，利用上行調(diào)制單元在工程中的多線分布形式，實(shí)現(xiàn)真正的工頻通信主站設(shè)備基礎(chǔ)功能分離。其在未來電力系統(tǒng)通信中的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行通信發(fā)展水平進(jìn)行調(diào)整，在具體工程項(xiàng)目中替代傳統(tǒng)集中式主站設(shè)備的有效條件就是分布式結(jié)構(gòu)的帶入[8-9]，分布式結(jié)構(gòu)和雙向工頻通信系統(tǒng)原理的結(jié)合是對(duì)主站設(shè)備、單元調(diào)節(jié)信號(hào)性能的完善工程。通過信號(hào)調(diào)制解調(diào)過程中電壓、電流的改變，對(duì)調(diào)制功能性的增強(qiáng)主要體現(xiàn)在其穩(wěn)定性和運(yùn)行速率上，因此,分布式結(jié)構(gòu)對(duì)雙向工頻通信在城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控上具有推進(jìn)性作用，但該技術(shù)正處于研發(fā)階段，并未進(jìn)行大規(guī)模投入使用，在多相并行調(diào)制解調(diào)單元的使用上仍存在問題，在提升調(diào)制解調(diào)速率的研究空間較大，仍需電力系統(tǒng)的研究人員不斷努力。

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