摘要：本文介紹了東莞供電局樟村變電站的配網自動化載波通信系統的設計與實現，并進行了測試與分析,系統投入運行。現場運行數據表明，基于自適應頻率選擇技術的PLC-075型電力線數據傳輸裝置，能夠實現配網線路的載波組網通信，并且滿足配電自動化系統的誤碼率、實時性等性能要求。該案例的成功實施,表明中壓載波通信完全可以作為配電自動化的通信解決方案。
　　關鍵詞：載波通信，卡接式電感耦合器，配電自動化系統
　　0. 引言
　　隨著經濟水平的提高，家用電氣產品的應用越來越廣泛,人們對電力供應的要求也越來越高,電力公司提高供電質量也就越來越重要。配電自動化系統的建設可以有效保障供電質量，是目前各電力公司建設的重點。
　　目前配電自動化系統的主要通信方式有：（1）有線通信方式，如光纖、公用電話網、電纜屏蔽層載波等；（2）無線通信方式，如微波、GPRS、CDMA等。其中,光纖通信由于其傳輸距離遠,抗干擾能力強，及信道容量高等優點,在主干網中獲得了廣泛使用，但由于其成本偏高，且在城區施工不方便，應此在變電站至配電站這一范圍難以廣泛推廣。而GPRS、CDMA等由于是公用網絡，保密性較差；此外，它們不是專用的數據通信網，在網絡中語音優先，在通話多的情況下，不能保證數據的及時傳輸。
　　近年來，隨著技術的發展，10kV載波通信在配電自動化系統中得到廣泛應用。本文以南瑞集團的PLC-075系列載波機和卡接式電感耦合器在東莞樟村變電站配電自動化系統中的應用為例，討論10kV線路載波通信在配電自動化系統中的設計與實現。
　　1. 中壓載波通信技術
　　1.1. PLC-075系列電力線數據傳輸裝置
　　PLC-075系列電力線數據傳輸裝置是南京南瑞集團公司研制的、采用了具有自主知識產權核心技術的中壓載波通信裝置，能夠在有強噪聲干擾的中低壓配電線上實現穩定可靠的數據傳輸，可滿足電力監控設備通過電力線進行數據通信的需求。數字信號接口采用RS-232或RS-485接口，可與現有的配電自動化終端RTU、FTU、TTU以及負荷控制等裝置互聯，實現中心站與配電自動化終端之間的透明數據傳輸和組網通信。
　　PLC-075系列電力線數據傳輸裝置采用了以下核心技術：
　　1) 自適應頻段選擇技術
　　PLC-075系列電力線數據傳輸裝置能夠根據10kV載波信道情況，在其工作頻段范圍內，自動調整使用頻段，以取得最佳通信效果。當10kV載波通道發生變化，從而影響PLC-075當前使用頻段的載波信號傳輸效果時，PLC-075系列設備能夠自動檢測載波通道全頻段內的載波信號傳輸效果，并自動調整到傳輸效果較好的工作頻段，從而實現在無人干預情況下載波通信的長期穩定性。
　　2) 信道質量動態檢測機制
　　10kV配電線路的負荷變化是隨機的，例如，補償電容投入和退出，負荷轉移或者網絡結構大面積變化引起中壓配電線傳輸特性突變，進而導致通信中斷。為此，在PLC-075關鍵技術的開發方案中，在數據包中引入一個字節標識當前數據包的質量等級，用于描述當前信道的動態傳輸性能或者質量。在應答方式下，收發雙方根據當前的信道質量等級動態調整調制方式，以達到最佳通信效果。利用信道質量動態檢測機制，動態調整接收電路參數，這種動態調整方式，再結合下面介紹的增強型自適應模擬前端技術，可以克服上述突變干擾，以達到可靠接收的目的。
　　3) 增強型自適應模擬前端技術
　　PLC-075設備中采用增強型自適應模擬前端技術，使得載波設備能夠根據10kV線路的變化，自適應調整載波信號發送電路和接收電路參數，以適應傳輸特性的動態變化，使得接收效果達到最佳。因此對信號衰減、強噪聲干擾、阻抗變化和相位頻率失真等有很強的適應性,極大地提高了裝置的通信能力。
　　1.2. 載波信號耦合方式
　　中壓載波通信裝置需要使用耦合設備將載波信號耦合至10kV線路。在10kV電纜線路上，主要有卡接式電感耦合器和注入式電感耦合器。
　　1) 卡接式電感耦合技術
　　卡接式電感耦合器利用電磁感應原理，將高頻載波信號耦合到電力電纜屏蔽層和A、B、C三相芯線，實現載波信號的傳輸。在現場安裝卡接式電感耦合器具有不改變電力電纜原來接地方式的優點。
　　卡接式電感耦合器采用兩個半圓對接的方式安裝在電纜上，安裝過程非常簡單，所需時間短，有利于工程施工。卡接式電感耦合器及安裝實例如下所示：
　　
　　圖11卡接式電感耦合器及安裝實例
　　2) 注入式電感耦合技術
　　注入式電感耦合器安裝在電力電纜的屏蔽層或接地母線的接地回路中，可以在規定條件下保證載波信號在電力電纜的屏蔽層和配電線載波發送接收機之間有效的發送接收。
　　注入式電感耦合器的主要優點是：耦合衰減小、線路阻抗匹配效果好，最大傳輸距離可高達10kM。
　　
　　圖12注入式電感耦合器及安裝實例
　　
　　2. 樟村變電站載波通信系統設計
　　2.1. 一次系統介紹
　　樟村變電站配電自動化系統包括東江花園、紅川路1＃分支箱、梨川一站、東盛大廈等15個站點，樟村變電站對配電站采用單線手拉手、環網方式供電，所有10kV線路為純電纜線路。
　　一次系統的鏈路圖如下所示：
　　
　　圖21一次系統鏈路圖
　　本系統選用樟村站F02梨川線和F30東盛線作為載波通道進行信號傳輸。F02梨川線最遠站點新沙路尾箱變至樟村變電站的電纜總長為68094m（從樟村變電站開始：3375m+198m+534m+326m+220m+1986m+170m）。
　　2.2. 載波通信系統設計
　　根據F02梨川線和F30東盛線的一次線路特點，構建兩個相互獨立的載波通信網絡，載波通信實現方案如圖22所示。
　　兩臺主載波都安裝在樟村變電站，通過RS232口連接到載波通信管理機，然后再通過Ethernet接口連接到網絡交換機，最終接入光端機。從載波安裝在東江花園、紅川路1＃分支箱、梨川一站、東盛大廈等15個配電站（或分支箱等），通過RS232/RS485接口連接到配電終端設備。同一邏輯網絡內的主載波可以和邏輯網絡內的從載波通信。終端設備采集的數據通過載波通道送至變電站的主載波，再通過光纖通道送至東莞供電局的Open2000配電自動化平臺。
　　主、從載波之間采用卡接式和注入式的混合耦合方式。安裝在樟村變電站和各從站點的阻抗匹配器主要完成載波信號轉接過程中的匹配。
　　
　　圖22樟村變電站配網自動化系統載波通信實現方案
　　3. 現場測試和運行分析
　　3.1. 載波通道信號衰減測試與分析
　　根據PLC-075系列產品的技術指標及大量工程應用經驗，當載波信道傳輸衰減小于80dB時，PLC-075型設備能夠可靠通信。而采用卡接式電感耦合器在多段手拉手式10kV線路上傳輸載波信號時，載波信號傳輸衰減比較大，為本項目的主要技術難點。
　　在上文方案中，樟村變電站至新沙路尾箱變的電纜距離最長，級連段數最多。我們測試了樟村變電站至新沙路尾箱變的載波信號傳輸衰減，數值如下圖所示：
　　
　　圖31樟村變電站至新沙路尾箱變信號傳輸衰減
　　由上圖可以看出，在PLC-075的工作頻段范圍內（20～100KHz）,由于經過了長達7段電纜的級連，樟村變電站至新沙路尾箱變的載波信號傳輸衰減相對較大，普遍在70dB～80dB之間，平均為72.8dB，接近PLC-075設備所能承受衰減的臨界值，不過仍然處于可穩定工作范圍。
　　3.2. 載波通道數據通信測試與分析
　　配電自動化系統對通信的實時性要求較高，而且具體業務不同，數據包大小不同，對實時性的要求也不同。一般功能的遙信和遙測數據包的長度范圍為10～100B，輪詢周期約為3S，而總召數據包的長度一般為300～600B，輪詢周期為幾分鐘。
　　為測試載波信道的通信響應時間是否滿足上述需求，我們將東江花園、新沙路尾箱變從載波機的串口分別自環，然后使用電腦在樟村變電站通過主載波發送不同包長的數據，數據經從載波回環后再回到主載波，由此測量不同包長的數據在載波信道上的雙向傳輸延時。
　　測試數據記錄如下：
　　表格31載波通道數據雙向傳輸延時測試記錄
　　測試站點 發送包長 發包總長 收包總長 雙向平均延時 誤碼率
　　樟村變電站<－>東江花園 80B 50000B 50000B 940ms 0
　　樟村變電站<－>東江花園 600B 350000B 350000B 6300ms 0
　　樟村變電站<－>新沙路尾箱變 80B 60000B 60000B 945ms 0
　　樟村變電站<－>新沙路尾箱變 600B 325000B 325000B 6250ms 0
　　由記錄數據可以看出，在10kV線路載波信道上，對于80字節左右的數據包，雙向平均延時小于1S，而對于600字節左右的數據包，雙向平均延時小于7S。測試過程中，10kV線路載波通信誤碼率為0。誤碼率和通信實時性兩項指標都完全滿足配電自動化系統的實時性要求。
　　3.3. 配電自動化運行分析
　　基于中壓載波通信的樟村變電站配電自動化系統2010年1月投運以后，設備運行穩定，載波通道性能滿足系統設計需求，東江花園、紅川路1＃分支箱、梨川一站、東盛大廈等站點的終端設備采集的數據可以通過載波通道按時上傳至樟村變電站主載波，再通過光纖上傳至位于東莞供電局分公司的Open2000配電自動化軟件平臺。
　　通過Open2000軟件平臺，可以查看東江花園、紅川路1＃分支箱、梨川一站、東盛大廈等站點的實時和歷史數據，并進行數據比較和分析等。下圖為東江花園低壓＃1進線IC的三天數據比較。
　　
　　圖32東江花園低壓電流歷史數據
　　由上圖可以看出，通過載波通道上傳的數據非常完整，電流曲線平滑，完全滿足配電自動化的系統需求。
　　4. 與其它主要通信技術的比較
　　目前國內配電自動化發展處于初級階段，部分城市進行了試點工程的建設，個別城市建設范圍覆蓋主要城區。在眾多通信技術中，應用于配網自動化工程建設的主要通信方式包括光纖工業以太網通信技術、公網無線通信技術及配網電力載波通信技術。下面針對上述3種通信方式就其技術分析及建設條件方面進行簡單的比較，并基于樟村變電站載波通信系統進行投資經濟性比較。
　　4.1技術分析及建設條件比較
　　表格41配電自動化主要通信方式技術分析及建設條件比較表
　　比較項目 中低壓電力載波
　　（電纜屏蔽層載波） 光纖通信
　　（工業以太網交換機） 公網無線
　　(GPRS/CDMA)
　　1 應用條件 電纜屏蔽層完好 光纖資源可達的地點 無線信號覆蓋良好
　　2 組網方式 主要采用主從的鏈路模式 環網、鏈路等多種組網模式 租用公網運營商網絡
　　3 網絡擴展 網絡拓撲對線路變化的適應能力較弱 網絡拓撲對線路變化的適應能力較強 無需布線，不受線路變化影響
　　4 通信速率 小于20K。可滿足三遙，但難以滿足遙視等高帶寬要求 100M以上。滿足三遙，甚至遙視帶寬要求 小于20K。可滿足三遙，但難以滿足遙視等高帶寬要求；
　　5 接口配置 一般只支持串口數據通信 主要支持光纖、電的以太網接口；也有支持串口的設備 作為配電自動化終端設備的功能模塊
　　6 穩定性 試點的載波通道運行穩定 不受干擾，通信質量穩定。 依賴公網無線網絡，無線網其它業務繁忙時受影響較大
　　7 保護機制 一般沒有保護機制 簡單的Q0S、vlan、流量控制、環路冗余保護 一般沒有保護機制
　　8 綜合效益 僅滿足現有三遙以內的配電網業務需求 建成的光纜將為電力業務的開展提供高帶寬通道 僅滿足現有二遙以內的配電網業務需求
　　9 建設困難 利用現有的電纜屏蔽層，可以很快搭建通道；無光纖敷設問題 光纜敷設在電纜溝條件好時，較容易解決；無電纜溝條件時，道路開挖存在困難。
　　光纜建設工期長；對入房的末端光纜可能存在小區建設困難 依賴于公網運營商網絡
　　10 建設風險 1)由于帶寬小，建成的載波通道難以用于遙視等帶寬需求大的應用；2）電纜屏蔽層不好的情況無法利用載波通道 1）光纜敷設敷設受阻，將直接影響建設工期；2）沒有現場電纜溝可利用的情況下，敷設光纜的造價很高；3）光纜通道建好，將為以后電力應用提供高帶寬的通道 投資總體費用少，但信號覆蓋不好的點，無法滿足業務通信要求
　　4.2樟村站載波通信系統投資經濟性比較
　　表格42樟村站載波通信系統投資經濟性比較
　　比較項目 中低壓電力載波
　　(電纜屏蔽層載波) 光纖通信
　　(工業以太網交換機) 公網無線
　　（GPRS/CDMA）
　　綜合單價 設備綜合費用：3萬/點
　　（含主載波分攤及耦合器） 設備綜合費用：2萬/點
　　光纖敷設費用：10萬/公里 通信模塊費用：2000元/點
　　租用費用200/年
　　5年費用合計：3000元/點
　　工程量 網點15個 網點15個，光纜8.5公里 網點15個
　　總費用 45萬元 115萬元 4.5萬元
　　投資比值 1 2.56 0.1
　　折舊費用 設備壽命約10年 光纜壽命20年，設備壽命約10年 設備壽命約5年
　　 年折舊約4.5萬元 年折舊約7.25萬元 年折舊約0.9萬元
　　5. 結束語
　　利用多段級連10kV線路載波通道作為配電自動化的通信通道是一種新的嘗試，主要面臨載波信號傳輸衰減大、突發干擾強等困難，這就對載波通信裝置提出了更高的要求。南瑞集團的PLC-075系列設備，能夠在信號衰減高達80dB的條件下實現穩定可靠的載波組網通信，且誤碼率能夠滿足配電自動化的最低要求。
　　采用卡接式電感耦合器實現的10kV線路載波組網通信，在樟村變電站配電自動化系統中得到成功應用，這表明10kV線路載波通信完全可以作為城市小區配電自動化的通信解決方案，對實施城市配電自動化具有示范作用。
　　基于配電自動化系統功能需求及建設區域通信通道實際情況，合理選用通信方式是配電自動化規劃設計的主要工作之一。對于需滿足三遙功能，但難于敷設光纜或成本過高的配電網點以及只需滿足兩遙功能，但公網無線信號覆蓋不好的網點，采用載波通信能夠較好地滿足技術要求并獲得較高的投資經濟收益。
　　6. 參考文獻
　　[1]汪曉巖、王強、吳國棟、吳春琪.架空配電線和電力屏蔽電纜的傳輸特性測量與分析[J].電力系統通信，2006，27（162）：12-16.
　　[2]宗明、汪曉巖、華斌.混合供電線路的載波組網通信關鍵技術研究[J].華東電力,2008，36（8）：47-50.