中压电力线载波

2024-07-07

中压电力线载波（精选三篇）

中压电力线载波篇1

中压电力线载波通信技术是电力系统专有的通信手段,电力线载波技术的传输带宽、传输距离均能满足配用电业务需求。目前中压电力线载波通信技术发展遭遇瓶颈[1],主要表现如下。

1)现有技术未能有效解决复杂信道对载波传输的影响,导致电力线载波通信传输带宽、距离没有明显提高。

2)现有载波传输容量较小,尚不能满足大容量业务需求。

3)现有载波网络串行工作方式未能满足IP化网络发展趋势。

本文研究10 k V电力线窄带(频谱40~500 k Hz)载波通信技术网络IP化,定性分析电力线载波通信IP组网难点,从载波技术及组网应用出发总结电力线载波IP化组网应用。

1 电力线载波IP组网分析

1.1 载波IP化需求分析

在电力系统终端通信接入网中[2],存在光纤、无线及中压电力线载波通信等技术手段,其中光纤及无线通信技术均可实现全双工方式通信并支持TCP/IP协议。而中压电力线载波通信技术由于共享信道限制等因素导致其采用半双工通信方式,并不支持TCP/IP协议。同时电力系统通信网络趋于网络化,业务承载规约兼容网络化规约及问答式规约并以网络化规约为主,而中压电力线载波仅适用于问答式规约,在终端通信接入网应用受限,这对中压电力线载波通信技术提出IP化需求。

1.2 载波IP化难点分析

1)载波信道IP化难点。电力线载波通信主要是利用电力线“相地耦合”传输数据,构成共享信道且主要采用问答式轮询通信机制,若实现载波IP化,即需要去改变现有的通信机制,实现共享信道全双工通信。

2)载波网络组网IP化难点。目前的载波网络基本采用信道载波侦听技术,避免共享信道的载波冲突,导致大规模组网效率较低,同时由于轮询机制导致遍历载波网络时间较长或载波网络规模较小。故业务实时性是载波网络IP化组网需面对的问题。

2 载波网络IP组网技术研究

2.1 网络化(Ethernet接口)高速载波通信技术

随着电力系统的不断发展,对通信的速率也提出了新的要求。目前国内的主流中压载波设备的物理层最高通信速率为7.5 kbit/s,在实际应用中,由于相关的资源开销,实际的通信速率往往只有2~3 kbit/s,难以满足电力系统实时监控的应用需求。故需研制底层传输速率满足TCP/IP组网及网络化接口的载波设备[3,4]。

现有的载波通信产品在网络化的接入、管理方面往往需要添加辅助设备,随着智能配网的发展,尤其是变电站数字化的建设,对通信设备的网络要求提出了新的要求。网络化载波通信技术应具备完善的物理层和MAC层管理,并可在软件上增加合理的网络协议,研究网络的数据交换、冲突检测、相关路由寻址等相关应用技术,实现载波设备的网络化介入与管理。

2.2 中压电力线载波信道时分复用机制

目前中压电力线载波主要采用问答式的通信机制,该方式明显不适应载波通信网络IP化的需求,项目提出采用时分复用机制,主载波设备向从载波设备采用广播方式下送数据,从载波设备与主载波通信采用时隙分配机制上传数据。

本文采用载波授时、主从载波设备认证、通道占用授权等方式,通过提高载波通道利用率来实现提升中压载波网络的传送效率,实现中压电力线载波信道时分复用。

主从载波设备认证模块的具体过程为:从载波设备侦听线路数据,等待上行通道占用时隙,通过认证模块发送设备认证短报文;主载波设备的认证模块收到设备认证短报文,利用下行通道占用时隙,下发设备认证许可报文,分配临时通道占用逻辑ID;从载波设备的认证模块收到设备认证许可报文,等待临时通道占用逻辑ID间隙,发送设备认证信息报文;主载波设备的认证模块收到设备认证信息报文,利用下行通道占用时隙,下发设备认证许可确认报文并分配通道占用逻辑ID。载波网络授时认证过程示意如图1所示。

授时模块进行授时的过程为:从载波设备接收认证并加入载波网络后,接收校时信息并更新从载波设备计时器,返回校时确认并根据收发报文间隔时间计算校时时延,修正从载波设备计时器。

通道占用逻辑授权模块进行通道占用授权的过程为:载波设备线路传输速率与线路最大传输报文长度确定通道可划分为多少个时隙,根据主载波设备预配置将通道时隙划分,通道时隙与从载波设备逻辑ID一一对应,上下行通道授权采用间插、非均分方式,分配比例根据载波网络规模可调节。信道时隙分配示意如图2所示。

2.3 网络端口逻辑映射IP组网技术

中压电力线载波网络IP化,不仅要求载波设备数据端口IP化,同时也要求载波链路网络IP化,项目提出使用载波设备端口逻辑映射方法实现IP化组网[5]。

主载波设备根据载波网络组网规模开放多个TCP/IP网络端口,载波网络的从载波设备的ID号与主载波设备开放的网络端口一一对应,配电主站与主载波设备的多个端口建立套接字链接,主载波设备接收配电主站下发数据,并根据端口号将数据转发给相应从载波设备,即从配电主站侧可认为主载波设备IP的某个网络端口号即为某个从载波设备。将载波网络划分2部分,载波设备数据接口与业务系统/终端实现TCP/IP联接,载波链路将TCP/IP报文封装到载波链路报文,利用端口逻辑映射实现载波网络IP化组网。端口逻辑映射IP化组网如图3所示。

基于该组网方式的窄带载波IP化方案如下:

1)对现有中压窄带载波设备数据口实现网络化,实现可与应用主站、用电终端建立TCP/IP连接;

2)主站侧采用嵌入式操作系统编程,将从载波设备与主载波设备数据口的端口号一一对应;此时应用主站可认为主载波设备数据口端口号即为从载波;

3)主载波设备对TCP/IP报文进行解析,将IP报文有效负荷提取出来,封装到载波链路协议中进行传输;

4)主从载波设备利用信道空闲时间通过载波链路协议进行从载波认证及端口映射;

5)从载波设备将载波链路有效负荷提取出来组合成IP报文,传送到用电终端,实现网络远动规约。

3 中压电力线载波IP组网应用

实现各从载波并行工作方式,以多通道并行工作技术实现了主站与下设多台采集终端同时工作,避免对通信子站的依赖。

3.1 基于多载波网络并发通信组网

基于中压电力线载波通信技术的IP组网,由于载波通信传输速率及信道碰撞的限制,一个载波IP组网中不宜有过多的设备。项目根据配用电线路结构分析,提出将10 k V变电站/开闭所多条出线构成的大的载波网络进行分割,形成多个载波网络,实现多载波网络并发的IP组网。在同一变电站、集控站等节点实行多个载波网络时域并行工作,可大大减少各从节点通信时间,提高组网通信效率。

多载波网络组网通信装置在时域内并行,在频域内合理使用频带资源(电力系统频带资源为20~500 k Hz),达到既有效抑制带内噪声、减少多径衰耗、匹配多变阻抗、合理避免多台主载波通信工作之间的相互干扰,又能稳定、快速地完成载波通信,以满足中低压配电网络监控节点数量大的应用需求。多载波网络并发通信示意如图4所示。

3.2 单载波网络多通道并行工作组网

基于碰撞检测检测机制,在同一载波网络的载波设备实现多个通信通道。

主载波收到主站召测的各条指令后,以打包的方式将数据下发,从载波会将所包含各终端地址信息的数据包发送给终端,各终端则根据数据包中关于自身的指令进行响应,各终端可能会同时产生响应,将数据发送到与其连接的从载波,则从载波会发挥碰撞检测机制,依次将数据发送至主载波,从而上传主站。多通道并行工作技术示意如图5所示。

另一种实现多通道并行工作的方式是基于高速通信方式技术。主载波中建立各从载波的地址与终端地址的路由表,当主站召测各终端时,主载波根据地址,识别发送的从载波地址,采用指定路由的方式通信。由于该方式建立在较高的载波组网通信速率上,则可以将并行的主站召测通信变换成载波通信网中的串行轮询工作方式,提高载波组网通信的效率。

4 应用效果分析

基于轮询方式的中压电力线载波通信组网,以1主4从为例,单个从载波站点轮询间隔为2~3 s,完成遥信信号遍历的时间为8~12 s。当某站点有一级数据上送时,单个从载波站点需占用多次信道收发间隔,约6~10 s的时间。

目前,在电力线传输的模拟调制信号约占用100 ms的时域长度,故在轮询机制下,电力线载波信道大部分时间是空闲的,利用本文提出的电力线载波信道时分复用机制,在考虑载波信号碰撞及冗余的情况下将信道分割成长度在150~200 ms的时间片,并将载波网络内的设备安排在预定时隙内抢占信道。同样以1主4从为例,完成载波网络遍历时间约为2 s,在某站点有一级数据上送时,并不影响其他站点通信。

基于本文提出的电力线多载波网络并发通信,将1主4从网络划分为2主2从,在较小的成本增加的情况下,对比1主4从网络通信效率提高1倍。对较大规模的载波网络分割,通信效率改善更佳。

文中针对IP化组网提出网络化高速载波设备,实现应用逻辑端口组网IP组网技术及载波信道时分复用技术等实现中压载波通信IP组网应用,在冀北某10 k V配用电现场应用,构建1主2从配用电载波通信试点,现场实测速率可达20~40 kbit/s,较现有7.5 kbit/s的载波速率有较大的提高。

5 结语

中压电力线载波篇2

电力线载波通信是一种电力线增值业务,借助电力线传输载波信号,除信号耦合器及二次通信电缆外不需要在通信线路上更多地投入。在配电网中应用,为配电站内终端设备与主站系统之间提供“最后一公里”数据通信通道,作为光纤通信的重要补充手段,有时甚至也是唯一的选择。随着现代微电子技术的高速发展,模拟载波向数字载波通信使中压电力线载波通信机性能得到大幅提升。目前,中压电力线载波通信已在上海、天津、广州、成都等城市大规模应用,在配电自动化各类通信方式中约占20%。为了更多地了解中压电力线载波通信技术,帮助实施人员更好地掌握技术要领,对一些相关问题展开了分析。

1 中压电力线载波通信物理通道

中压电力线载波通信媒介一般分为架空线路和地埋电缆线路,两种媒介建立载波通道的原理也有所不同。10kV架空线路和地埋电缆线路载波通道如图1～图3所示。

架空线路中压电力线载波通信的原理是通过结合滤波器和高压隔离电容将载波信号耦合到架空线路中。这种载波通道信号的耦合效率很好,但易受到线路供电环境的影响;信号在线路上的衰减不稳定,且供电方式会发生改变。这类问题可采用以下方式解决:一是适当设置中继节点,为每个载波站点的通信信噪比保留一定余量;二是采用具有载波通信网络节点重构功能的中压电力线载波机,以随时应对线路环境变化引起的一系列问题;三是对有双电源供电线路段的两路出线采用不同的载波频点,即使供电方式改变,两路信号在这里重叠后也不会相互影响。

地埋电缆线路中载波信号的主要载体是电缆屏蔽层,受到线路供电状况变化的影响较小,且电缆屏蔽层不受线路供电方式改变的影响,完全独立于供电拓扑关系,是最理想的载波信号媒介。耦合设备的安装也非常方便,不与高压带电设备直接连线。

注入式耦合器安装有两点要求:一是耦合器一次侧上桩头部位和电缆接地线必须做好绝缘处理,以免引起载波信号的严重衰减;二是耦合器下桩头接地线要牢靠接地,形成良好的载波信号回路。

卡接式耦合器是防水设计,但在水中安装时要注意磁环接触面不要有污垢,以防引起磁环导磁通量带来严重的信号衰减;另外检测电缆接地线的接地情况,防止电缆屏蔽层虚接地,不能很好地构成载波信号回路。

2 中压电力线载波通信信噪比

载波通信信噪比是衡量载波通信稳定性的一项重要指标,要求达到一定通信误码率效果。每种调制方式对信号接收端信噪比都有不同要求,通过以下公式可以进行测量和估算:

式中,V1为来自线路上的噪音有效值;V2为载波机自身噪音的有效值;V3为来自其他频点载波信号的谐波分量有效值。

以中压电力线载波常用的DPSK调制方式为例,信噪比理论值可用下列公式计算:

式中,Eb为位数据对应的信号能量;N0为噪声密度(1Hz带宽内的噪声能量);R为通信速率;W为带宽。将式(1)换算成电平表示方式,有:

图4给出了BPSK调制方式的功率效率比较图。

DPSK和BPSK的参考相位是不同的,虽然“0’”、“1”信号移相规则一样,但是调制出的波形不同。DPSK的误码性能比BPSK略差,误码率为10-5时,DPSK约差1dB。

纠错编码技术可改善通信信噪比,就是所谓的编码增益,常用到的有Reed Solomon编码、卷积码、Turbo码等技术。纠错编码会产生冗余码,可用编码效率指标来衡量,维持10-5误码率水平,一般采用80%以上的编码效率,可提供2～4dB的编码增益基本满足需求。编码技术不仅提升了信噪比指标,而且对线路环境中突发的干扰信号也可起到很好的防范作用,保证了通信的可靠性。

3 线路上的背景噪声和传输衰减

中压电力线载波通信实施过程中最好用电平振荡器和选频电平表对载波通道进行背景噪声和线路传输衰减测试,这有助于针对线路的各项参数制定实施方案。下面介绍在上海浦东供电分公司湖启变电站内所做的测试情况。湖启变电站中压电力线载波通信示意图如图5所示。

湖启变电站为4条出线上的4座开关站建立了4个频点独立载波通道,变电站一侧4条出线上的背景噪声测试如图6所示,开关站一侧4条线路上的背景噪声测试如图7所示。

这4条线路上的背景噪声基本保持在一80～—90dB,个别频点达到一90dB。相比架空线路中一60dB左右的背景噪声,电缆屏蔽层上的通道环境要好得多。建议配网中压电力线载波通信机信号接收灵敏度应当达到20μV(-91.7dB)水平。图7中线路上出线68kHz及其倍频上的谐波成分是电网中某些接入设备引起的.载波通信方案制定时应避开这些频点。

图8为开关站至变电站上行通道传输衰减曲线图,下行传输衰减曲线具有良好的对称性,故不再列出曲线图。

从图8中可以看出各条线路还是存在较大差异,160kHz附近各条出线上衰减表现明显较差。如果出现衰减特别严重的异常现象,那么就有必要检查耦合设备的接线是否有问题。

通过上述分析可以看出,中压电力线载波通信项目实施过程中对线路上背景噪声和传输衰减两项参数的测试非常有必要,建立稳定可靠的载波通信通道必须要对线路环境做深入调查,以得出最合理的载波通信运行参数设置。

4 中压电力线载波通信组网

中压电力线载波机在配网通信中常用于10kV配电站到变电站,或多座级联的箱式变到开关站,前者对通信的实时性有严格要求,以目前载波通信6kb/s左右的通信速率和一主多从轮询通信方式,建议一条载波通道带10台左右的从载波终端设备,基本能保持5～10s的遥测、遥信数据刷新速率。若是1座变电站有超过10台以上的配电站终端设备要用的载波通信,则物理通道频分复用方式明显体现出频率资源利用率上的优势。

遥控报文在远动通信规约中具有最高优先级,执行遥控操作的报文在中压电力线载波通信通道中来回花费的时间约为0.5s,完全能够满足配网自动化系统要求。

光纤以太网接口已成为向主站进行数据接入的发展趋势,一般采用104远动规约;而中压电力线载波机目前只能支持异步半双工模式,常采用的远动规约为非平衡方式远动101规约。为了适应这一发展趋势,中压电力线载波机必须实现平台化,增加以太网接口、内置规约转换程序等,最终发展为网络型中压电力线载波机。

5 中压电力线载波通信网管

随着载波通信技术的成熟,载波通信网管功能逐步受到人们的重视。有些载波设备已经做到通道参数自检测功能,背景噪声、信号强度、解码前误码率、解码失败次数以及各类数据统计,有了这些信息完全有条件对载波通信网进行优化处理。网管数据的传输绝对不能干扰到正常的业务数据通信,一般情况下可加载在数据包链路层中,跟随业务数据进行传送。

6 结束语

中压电力线载波篇3

本文就中压电力线载波通信技术(下称中压载波技术)在福州配电自动化试点建设中的工程应用实践进行探讨。

1 福州配电自动化试点建设中通信方案的实施难点

2010年,福州电业局在鼓楼中心区开展配电自动化试点建设,其通信方案以光纤为主要载体,但在工程现场勘测中发现,部分配电站或环网柜因没有随基建敷设好光缆或预留通信管沟,而受市政管理限制无法在市区重新开挖进行光缆敷设。因此,如何为这部分站点选择合适的通信通道成为福州配电自动化试点建设的一个难点。

中压载波技术是以现有的、完善的电力线路作为传输媒介的通信方式,也是配电系统中唯一不需要线路投资的有线专网通信方式,具有可靠性高、经济性好,随新建工程开通快、维护管理方便等优点,可以大大节省费用投入和施工时间。因此,对上述光缆无法覆盖到的站点考虑采用中压载波通信方式接入。

2 福州配电自动化试点建设中采用的中压载波设备

福州配电自动化试点建设中采用了DLC-2100系列全数字电力线网络载波通信机(下称DLC-2100系列全数字载波机)。中压载波技术经过十多年的发展进步,在信号调制技术、编码技术、滤波技术、纠错技术上都取得了迅猛的发展。DLC-2100系列全数字载波机结合多种现场情况和电力系统的数据特点,采用自主研发的基于现场可编程门陈列(FPGA)实现的专用电力线数字通信芯片,应用离散多载波调制、格状编码、回波抵消、自适应均衡、前向纠错、噪声平衡处理等多项技术,不但载波机体积大大缩小、通信速率明显提高,而且提高了载波通信在抗干扰能力、接收灵敏度等方面指标,加强了通信管理功能。

3 福州配电自动化试点建设中的中压载波网络结构设计

福州配电自动化试点建设中,通信网络采用光纤工业以太网方式组网(见图1)。从图1可知,网络的骨干层由三层千兆光交换机组成环网,接入层综合采用了二层百兆光交换机、中压载波等多种通信设备,解决了光缆敷设困难的配电站终端设备通信接入难题,在适应多种环境下通信需求的同时,为上层业务应用提供灵活、标准的架构设计。

通信网络中中压载波通信部分采用“金字塔式”或称“树形结构”的网络拓扑模型,上层和下层之间的通信和控制进程可进行并行处理,对复杂的电网采用“子群”的概念,提高了数据传输的时效性,有效地消除了数据传输瓶颈,而且有利于网络传输故障点的快速诊断。

4 中压载波网络的现场施工方案

针对福州配电自动化试点建设的特点,充分考虑现场的各种因素,中压载波通信的接入按主、从逻辑网络结构的划分,采用1主载波机负责5个以内终端设备的数据接入容量,超过5个终端设备增加主载波机的方案,并选择最优载波路径,减少乃至消除供电方式改变对载波通信的影响。下面以福州三嘉大厦2号环网配电自动化终端接入为例,介绍中压载波网络的现场施工方案。

湖东10号环网到三嘉大厦2号环网是一条地埋式屏蔽电缆线路,电缆长约1km,选择使用中压载波技术进行通信。该线在湖东10号环网安装一台主载波设备,在电缆上安装卡接式电感耦合器一台;在三嘉大厦2号环网安装一台从载波设备,在电缆上安装卡接式电感耦合器一台。在设备安装调试后,通信质量稳定,实现了低成本、低工作量地解决了该线路配电自动化的通信要求。

主载波机到主站系统的连接示意图如图2所示,从载波机到终端设备的连接示意图如图3所示。

中压载波网络的现场施工方案中,采用DLC-2100系列全数字载波机和卡接式电感耦合器,构建了中压线路上信号传输的透明通道。

1) 载波机设备分为主载波机和从载波机,传输速率最高为6.25kb/s,频点为50～300kHz,同时可使用20个通道,且不同频道之间互不干扰。主载波设备作为头端使用,用于光纤网与中压载波通信机的桥接;从载波设备作为终端使用,用于同配电自动化终端数据传输单元设备的桥接。

2) 信号耦合装置采用卡接式电感耦合器,磁芯设计成环状,卡在电缆上。以电缆屏蔽层接地回路代替一次绕组,用于将载波信号加载到10kV电力网络,并起到一次设备和二次设备之间的隔离作用。

载波信号耦合原理如图4所示。在图4中,待传数据通过RS-232或RS-485接口传输到电力线多址数字通信终端机,经过编码和数字调制变成数字信号,再经过结合滤波器和耦合电容后,用广播方式发送到中压配电网上。终端设备在接收到信号后,经过数字解调,得到原始的报文数据。

5 对中压载波网络正确性测试

下面对中压载波网络“三遥”(遥测、遥信、遥控)和故障信息采集功能的正确性进行测试。

1) 遥测测试。

测试方法:在选定终端用三相标准源施加电流,测试终端的遥测误差和响应时间。对三嘉大厦2号环网601从光纤到主载波站的遥测测试结果如表1所示。

2) 遥信测试。

测试方法:结合遥控传动或者在选定终端端子做短接试验,测试终端的遥信正确率和系统响应时间。对三嘉大厦2号环网601从光纤到主载波站的遥信测试结果如表2所示。

3) 遥控测试。