電網中壓電力線載波通信系統技術研究

葛翔昊

（國網谷城縣供電公司，湖北 襄陽 441700）

0 引 言

隨著電力行業的不斷發展，電網建設和運維對電力通信的需求越來越高。在電力通信中，中壓電力線載波通信技術因無須新建傳輸線路、成本低廉、覆蓋廣泛以及運維方便等優勢，逐漸成為一種受到廣泛關注的通信技術[1-3]。

1 中壓電力線載波通信技術

1.1 特 點

中壓電力線載波通信技術是利用中壓輸電線路作為通信載體，將數字信號通過電力網進行傳輸和接收的通信技術，其特點主要體現在以下4 個方面。

（1）免費的通信載體。中壓電力線是電網的物理載體，可以免費使用其通信資源。

（2）覆蓋廣泛。中壓輸電線路的通信范圍比常規無線網絡廣，能夠覆蓋偏遠農村及山區等通信盲點。

（3）低成本。中壓電力線載波通信的建設成本較低，不存在傳統有線通信技術建設的高昂成本問題。

（4）運維方便。中壓電力線載波通信可以直接依托電網進行運維，方便快捷。

1.2 原 理

中壓電力線載波通信技術利用電力線路作為傳輸介質，通過在電力線路上傳輸高頻信號進行數據和信息的傳輸[7]。基于接地電力線的并聯，電力線路具有一定的電容、電感以及阻抗等性質，能夠傳輸高頻信號。中壓電力線載波通信系統利用電力線路的這些特性，通過高頻載波技術將數字信號調制到電力線路，利用接收端的解調技術將數字信號恢復出來，從而實現數據和信息的傳輸。中壓電力線載波通信系統包括發射端、接收端以及線路3 個部分，其中發射端負責數字信號的調制和發射，接收端負責信號的接收和解調，線路則是信號的傳輸媒介[8]。

1.3 應用場景

中壓電力線載波通信技術的應用場景主要包括以下幾個方面。

（1）智能電網。中壓電力線載波通信系統可以用于智能電網的實現，通過在電力線路上傳輸數據和信息，實現電力系統的監控和控制，提高電力系統的可靠性和安全性。

（2）智能電表。中壓電力線載波通信系統可以用于智能電表的通信和遠程抄表，通過在電力線路上傳輸數據和信息，實現對智能電表的有效控制。

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（3）電力自動化。中壓電力線載波通信系統可以用于電力系統的自動化調試，通過在電力線路上傳輸數據和信息，實現電力系統的自動化運行。

2 中壓載波通信優化設計方案

中壓載波通信是以中壓電力線為通信介質，能夠為配電線路所有設備的互聯互通提供通信支撐。中壓載波通信是電力行業特有的通信技術，是將電力線打造成集能量流、業務流、數據流于一體的通信載體。中壓載波通信根據介質可以分為地纜型中壓載波通信和架空型中壓載波通信。其中，地纜型中壓載波通信是以電纜屏蔽層為通信介質，架空型中壓載波通信是以電力線為通信介質。

2.1 組網方式

中壓載波通信技術與配電網線路高度吻合。網絡拓撲為一主多從方式，主載波機一般安裝在變電站或開關站，從載波機一般安裝在配電站或柱上開關處。以變電站為單位，結合配電線路，為變電站出線所有配電終端提供通信信道，支撐配電自動化業務。中壓載波線路通信全覆蓋組網方式如圖1 所示。

圖1 中壓載波線路通信全覆蓋組網方式

2.2 組成要素

中壓電力線載波通信網絡的組成要素包括中壓電力線載波通信模塊、終端設備、傳輸介質以及通信協議等。

中壓電力線載波通信模塊是中壓電力線載波通信系統中的核心部件，其主要作用是將數字信號轉換為中壓輸電線路上的載波信號，并將其傳輸到遠端地點。中壓電力線載波通信模塊主要包括數字信號處理器、模擬信號處理器、載波發生器以及載波放大器4部分。其中，數字信號處理器主要用于對輸入數據進行處理和編碼，模擬信號處理器主要用于實現采樣和量化，載波發生器用于產生載波，載波放大器用于對信號進行放大。

終端設備指在中壓電力線載波通信系統中，可以與中壓電力線載波通信模塊通信并實現數據交換的設備。終端設備主要由數據采集傳感器、計算機以及通信設備3 部分組成。

通信協議指在中壓電力線載波通信過程中，終端設備與中央控制器之間需要遵循的一套規范和標準。中壓電力線載波通信系統采用的通信協議主要包括載波監聽多點接入/碰撞檢測（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD）協議、時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）協議、頻分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）協議等。

2.3 網絡指標

（1）信號傳輸距離。中壓電力線載波通信信號的傳輸距離受線路參數影響嚴重，需要通過對線路參數的精確測量和分析，確定合理的信號傳輸距離。其中，架空線路點對點通信距離為20 km，電纜線路點對點通信距離為5 km。

（2）信號傳輸速率。中壓電力線載波通信系統的傳輸速率受線路頻率響應、噪聲等因素的影響，需要通過精密的信號處理和設計，提高傳輸速率和可靠性。其中，應用層傳輸速率為100 kb/s，支持多頻并發。

（3）接收靈敏度。中壓電力線載波通信系統的接收靈敏度受到線路噪聲、接收端設備等因素的影響，需要通過改進接收端的設計和技術方案，提高接收靈敏度和可靠性。其中，端到端通信延遲小于10 ms。

2.4 網絡可靠性

對于設備而言，中壓電力線載波設備和耦合裝置采用工業化標準設計，可以滿足戶外高低溫（-45 ～80 ℃）、高濕等惡劣工作環境。在電氣安全方面，重點是10 kV 載波信號耦合設備，既要考慮在10 kV電壓下的長期運行可靠性，也要充分考慮在雷擊環境下的防護設計。中壓電力線載波具有良好的電網友好性，不會對線路及設備運行產生影響，確保電網運行可靠性。

就通信介質而言，配電線路分布廣泛，將其作為傳輸通道，無須重新敷設通信線路，可以保證通信與配電線路同步。載波通信設計能夠提高抗衰減、抗噪聲通信能力以及接收靈敏度，兼顧線路異常狀態，考慮線路接地造成的信號衰減，確保故障狀態下的通信可靠性。

針對后續設備維護，載波模塊設備在二次側與配電終端裝在一起，可以同步維護，無須停電。信號耦合器裝置電纜線路采用屏蔽層通信，目前某些地區均是帶電安裝，既可以安裝在環網柜某個間隔內，也可以安裝在電纜井下。

2.5 信息安全

載波傳輸信道配電線路為電力公司所有，可以完全由電力公司控制，屬于自有安全信道。通信模塊之間的載波通信采用私有協議，且內部集成了私有加密機制，能夠確保載波通信的信息安全。載波通信模塊自動綁定終端互聯網協議（Internet Protocol，IP）和媒體訪問控制（Media Access Control，MAC）地址，防止非法IP 接入載波通信信道。除此之外，載波通信模塊支持網線拔掉后自動閉鎖，閉鎖后可以由授權人員借助遠程網管系統開啟。

3 應用分析

以某電力公司的中壓電力線載波通信系統為例，通過系統的實際應用和對測試數據的分析，驗證上述優化設計方案的可行性和可靠性。通過硬件和軟件的優化，該公司的中壓電力線載波通信系統的傳輸距離達1 km 以上，傳輸速率達10 Mb/s 以上，接收靈敏度優于-100 dBm，功耗低于20 W。通過實際操作，驗證了中壓電力線載波通信系統在電力系統中應用的有效性，能夠提高電力系統運行效率，促進電力能源的合理分配和應用。

4 結 論

通過對中壓電力線載波通信技術的基本原理、通信特點以及應用場景進行研究和分析，提出了中壓電力線載波通信系統的優化設計方案和技術指標，并通過實例分析驗證其可行性和可靠性。中壓電力線載波通信技術作為電力通信的核心技術之一，具有廣闊的應用前景。未來，需要進一步加強中壓電力線載波通信技術的研究和應用，促進電力系統的自動化和智能化發展。