基于PLC通信的高壓配電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬文超

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，棗莊 277599）

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及人民生活水平的提升，用電量逐漸增長(zhǎng)，人們對(duì)電力行業(yè)提出更高的要求[1]。除此之外，對(duì)于供電質(zhì)量和安全性的要求也更為嚴(yán)格。高壓配電作為不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，在實(shí)際工程中仍存在一定缺陷[2]。

一是供電的可靠性不夠高。主要表現(xiàn)在我國(guó)地域分布不均衡，部分地區(qū)的配電設(shè)置較為落后，基礎(chǔ)建設(shè)較為薄弱，大部分的高壓電輸送仍采用架空線(xiàn)，布局上呈樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到用戶(hù)端的供電點(diǎn)較少。

二是高壓輸送產(chǎn)生的功率損失明顯。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，電路輸送的距離較長(zhǎng)，再加上局部布局不夠合理，使得整體上的能源損耗較大，相關(guān)的維護(hù)費(fèi)用偏高。

三是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不夠完善，應(yīng)用率較低。高壓配電的監(jiān)測(cè)功能對(duì)于供電的安全性和可靠性有著重要的作用，但是受限于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡，遠(yuǎn)距離的監(jiān)測(cè)和控制存在較大困難，對(duì)于繼電器、變壓器的精細(xì)化監(jiān)測(cè)與控制水平較低，全面的智能化控制系統(tǒng)尚未有效地應(yīng)用[3]。四是故障檢測(cè)效率較低。當(dāng)出現(xiàn)供電異常時(shí)，最短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出故障點(diǎn)并及時(shí)維修，對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響，而目前的供電系統(tǒng)存在明顯的不足，恢復(fù)供電的用時(shí)較長(zhǎng)。為此，本文提出一種基于PLC的高壓配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在有效改善配電監(jiān)測(cè)功能，確保供電的可靠性。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

1.1 控制方案設(shè)計(jì)

對(duì)于高壓配電系統(tǒng)，本文采用了西門(mén)子生產(chǎn)的中型機(jī)PLC S7-300。整個(gè)系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)主要基于監(jiān)測(cè)功能的可靠性，如圖1所示，在PLC控制下，其通信模塊主要有：PLC通信控制主板以及長(zhǎng)距離通信單元等兩部分。兩者依照特定的通信規(guī)約共同完成高效的通信功能，但是也有各自的功能特點(diǎn)，其通信接口、工作模式均具有一定的差異性。本文以配電長(zhǎng)距離輸送模式為例，對(duì)PLC通信的組成與控制原理進(jìn)行分析[4]。

對(duì)于監(jiān)測(cè)信號(hào)的處理，系統(tǒng)所采用的處理器為ARM7，可有效地實(shí)現(xiàn)不同電路信號(hào)的數(shù)據(jù)處理和控制。一般地，可通過(guò)總線(xiàn)方式連接來(lái)提升各個(gè)檢測(cè)單元與處理器之間的信號(hào)傳輸效率[5]。對(duì)于系統(tǒng)中的信道編碼，同樣由ARM7微處理器控制，可通過(guò)軟件編程完成信號(hào)的分組，從而避免PLC自身通道在高壓條件下造成的瞬態(tài)干擾，降低誤碼發(fā)生率[6]。本文在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的耦合參數(shù)，有效地提升智能化和可靠性。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 調(diào)制解調(diào)功能的設(shè)計(jì)

調(diào)制解調(diào)功能是高壓配電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵。調(diào)制解調(diào)模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，本文主要通過(guò)三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)功能的設(shè)計(jì)。一是對(duì)于電路的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用窄帶OFDM調(diào)制，即盡量基于衰減小的頻段完成信號(hào)傳遞，這樣可顯著降低PLC信道的頻率衰減；二是綜合運(yùn)用變頻調(diào)制與混頻接收技術(shù)，確立較高頻率的放大器，從而確保系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)接收的敏感度，即實(shí)現(xiàn)良好的干擾抑制，增大信號(hào)接收的信噪比；三是系統(tǒng)運(yùn)用信號(hào)雙向通信技術(shù)，此時(shí)信號(hào)的傳輸不但可以在PLC信道完成，也可以在復(fù)合電路中實(shí)現(xiàn)，提升整個(gè)信號(hào)的中繼力。

圖2 調(diào)制解調(diào)模塊結(jié)構(gòu)

調(diào)制解調(diào)的核心技術(shù)為FPGA部分的高效運(yùn)算，也稱(chēng)為FFT/IFFT運(yùn)算。系統(tǒng)采用專(zhuān)用的調(diào)制解調(diào)單元實(shí)現(xiàn)相關(guān)接口的連接以及與處理器之間的數(shù)據(jù)交換。該單元的基本功能原理如圖3所示，整個(gè)過(guò)程需要通過(guò)軟件編程完成基本的控制流程，如信道估計(jì)、載波選擇等，信號(hào)的轉(zhuǎn)換依賴(lài)于A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部線(xiàn)路均由總線(xiàn)傳輸。在ARM處理器的工作下，實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)的精確、高效傳輸。

圖3 單元實(shí)現(xiàn)原理

1.3 通信規(guī)約應(yīng)用

在基于PLC通信的控制系統(tǒng)中，需要采用專(zhuān)用的通信規(guī)約，避免信號(hào)出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤，本文所設(shè)計(jì)的高壓配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用DNP3.0通信規(guī)約[7]。該類(lèi)型通信規(guī)約由IEEE電力工程協(xié)會(huì)構(gòu)建，屬于開(kāi)放式通信規(guī)約，最早在歐美國(guó)家流行和使用，目前在國(guó)內(nèi)也有較為廣泛的應(yīng)用率。

從根本上講，DNP3.0通信規(guī)約屬于典型的串行通信協(xié)議，不但可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的連接，還能完成單一節(jié)點(diǎn)與多個(gè)地址之間的通信以及不同地址之間的多點(diǎn)通信。該通信協(xié)議具備主動(dòng)輸送功能，即各個(gè)子站無(wú)需等待相關(guān)指令便可以往主站發(fā)送信號(hào)，提升信號(hào)傳輸效率。除此之外，該通信規(guī)約不受硬件設(shè)計(jì)與選型的干擾，靈活性和自由性非常高，適合后期的系統(tǒng)升級(jí)與改進(jìn)。從內(nèi)容上分析，DNP3.0通信規(guī)約主要包括四個(gè)部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約、傳輸層規(guī)約、應(yīng)用層規(guī)約及數(shù)據(jù)對(duì)象庫(kù)。由于協(xié)議中約束的功能非常全面，系統(tǒng)可根據(jù)額外要求進(jìn)一步選用其遙測(cè)、遙信和故障數(shù)據(jù)等功能。

2 系統(tǒng)可靠性分析

2.1 干擾因素分析

高壓配電最顯著的特點(diǎn)為環(huán)境復(fù)雜，外界的干擾因素較多，干擾力較強(qiáng)，這對(duì)系統(tǒng)的通信有著較為嚴(yán)重的影響。根據(jù)實(shí)際安裝條件可知，整個(gè)系統(tǒng)的控制器PLC安裝在10kV變電站的出口端部，受到的電流干擾最為顯著。對(duì)于系統(tǒng)的終端控制器件FTU，其主要設(shè)置于柱上的開(kāi)關(guān)內(nèi)部，受到開(kāi)關(guān)量的干擾明顯。而變壓器的監(jiān)測(cè)與控制端TTU安裝于變壓器附近，受變壓變化的沖擊較大，這對(duì)于信號(hào)的監(jiān)測(cè)不利。

根據(jù)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)可知，可靠性和安全性是確保系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。其中，可靠性主要是指通信穩(wěn)定、測(cè)量誤差低、執(zhí)行機(jī)械機(jī)構(gòu)的可靠工作（非誤動(dòng)作和拒動(dòng)作）。為確保整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，需要采用特定的技術(shù)實(shí)現(xiàn)干擾抑制或消除，包括原理性和實(shí)用性。

根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐可知，誘發(fā)電磁干擾的最關(guān)鍵電子器件為斷路器和隔離開(kāi)關(guān)。當(dāng)它們的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，開(kāi)關(guān)端將瞬間產(chǎn)生巨大的放電電弧，在整個(gè)供電回路中都會(huì)產(chǎn)生明顯的高頻震蕩，對(duì)相關(guān)線(xiàn)路，特別是二次回路會(huì)產(chǎn)生較大的干擾。開(kāi)關(guān)量變化導(dǎo)致的干擾震蕩主要表現(xiàn)在電壓的暫態(tài)衰減，以脈沖形式釋放，可通過(guò)有效的手段加以控制。

2.2 抗干擾控制

根據(jù)干擾性分析可知，開(kāi)關(guān)量變化引起的火花放電、驟變電壓等現(xiàn)象均屬于瞬態(tài)干擾，作用時(shí)間非常短，重復(fù)性顯著。為此，系統(tǒng)采用增設(shè)壓敏電阻的方式緩沖其瞬態(tài)電流。該種干擾抑制方法能夠較大程度地抵消多余瞬態(tài)能量，當(dāng)驟變電壓過(guò)高時(shí)，壓敏電阻被導(dǎo)通，回路中近似短路，此時(shí)的能量被大大釋放。當(dāng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，壓敏電阻電壓急劇增大，類(lèi)似斷開(kāi)，不影響其他設(shè)備正常運(yùn)行。基于壓敏電阻的抗干擾控制能夠?qū)崿F(xiàn)較快的響應(yīng)效率，保護(hù)效果良好。

3 結(jié)語(yǔ)

高壓配電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性與可靠性對(duì)于國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)綜合水平的提升有著重要的作用，基于PLC的通信手段具有較高的工作效率和良好的控制效果。本文重點(diǎn)分析了系統(tǒng)的控制原理、通信規(guī)約的要求以及抗干擾的實(shí)現(xiàn)等，具有良好的工程實(shí)踐意義。