探索载波配电自动化体系载波通信节点设计

论文导读：
【摘要】中压配电网载波通信是城市配电自动化通信方式的首选方式之一，本文研究了适合中压配电网的一种电力载波节点的设计方案，以期望能够提高载波通信的效率。
【关键词】配电自动化；载波通信；调制解调
中压配电网载波通信借助电力公司自身的35kV/10kV配电网进行数据传输，不需要投资敷设新的通信电缆或昂贵的无线数据传输系统，也不需要支付进行连接的费用，因此，国内外许多电力公司对此进行不断尝试，取得了许多经验和教训。

一、中压配电网网络结构的接线模式

载波通信节点设计要结合中压配电网结构。我国35kV（10kV）线路配电网的供电线路大多采用沿马路或者街道铺设的架空线（裸导线，绝缘导线），其网络结构比较复杂。在城市市区，配电网采用电力电缆和架空线混合结构，电力电缆都直接埋地下或者敷设在电缆沟里。由于变电站或者开闭所所设计安装在市区，出线位置受限制，所以，大部分电力电缆出线后再上杆或者连接架空线。现在阶段的35kV（10kV）中压配电网分为树状网络结构，双电源环状网络结构和多电源混合型网络结构，如下图所示。
环状配电网络结构一般在城市市区采用，采用双电源环状网络结构和多电源混合型网络结构的原因主要是现在用户对电能质量及客户服务水平的要求提高，网络监督力度也很大，因此供电企业必须提高供电可靠性，实现配电自动化管理，减少故障停电时间。

二、载波节点设计方案

针对以上配电网不同的拓扑结构，载波中压配电网载波通信都是很好的通信方式，关键在于通信节点的设计。
本文提出了适合适合配电自动化控制的成熟电力线载波方案，包括通信方式选择为电力线载波，通信，调制方式选择为正交频分复用（OFDM），OFDM方案PRIME，数字调制处理器选为TMS320F28069， 选择MAX2991作为电力线通信模拟前端（AFE）。
（1）调制方式选择原因。FSK存在一些致命缺陷：如果干扰信号频率与其中一个发射频率一致，接收器将无法正确接收信号。因为FSK只是在两个频率之间切换，带宽利用率较低，导致数据速率较低。较低的数据速率不足以支持智能电网应用对于双向控制的要求。实际的PLC网络常常需要经过几百米的传输距离，通过网络的中等电压（MV）部分连接到一个数据集中器，要求数据跨越低压/中等电压（LV/MV）变压器。由于这些变压器会对FSK信号造成几十分贝的衰减（频率选择性），需要开发比FSK更先进可靠的通信方法。目前，OFDM为实现PLC网络强大的新功能、新目标提供了技术保障，其中最显著的优势是：它为电力行业在苛刻的成本控制下构建智能化电网提供了足够的通信带宽。OFDM采用多载波传输数据，有效解决了特定频率的信号干扰问题和选频特性造成的衰减。
（2）通信协议方案选择。G3技术采用36个子载波、0.735ms的分类符号、6.79ms的序和9.5ms的开头，需要重复法和RS纠错来提高通信稳定性。PRIME采用了97个子载波、2.24ms的长符号、2ms的序和4.48的开头。为了避免重复法和RS纠错的复杂性，它采用了能效高3倍的符号来提高通信稳定性。这是一个能够提供稳定性但成本更低的方案。所以本方案选择PRIME协议。
（3）模拟前端方案。方案选择MAX2991作为电力线通信模拟前端（AFE），MAXX2991是一款性能优异的集成电路，具有极高的集成度和优异的性能，可有效降低整体系统成本。也是首款专为通过电力线传输OFDM（正交频分复用）调制信号而设计的AFE。可编程滤波器工作在10kHz至490kHz频带。MAX2991收发器提供两个主要通道：发送（Tx）通路和接收（Rx）通路。发送通路将OFDM调制信号注入交流或直流线路。发送通道由数字IIR滤波器、数/模转换器（DAC）及后续低通滤波器、前置线路驱动器组成。接收通道用于信号增强、滤波和接收信号数字化。接收器由低通和高通滤波器、两级自动增益控制（AGC）以及模/数转换器（ADC）组成。集成AGC可将信号的动态范围最大提高至60dB，低通滤波器可消除带外噪声并选择所要求的频带。ADC转换器将经过增强和放大的输入信号转换为数字格式。集成消失调电路大大降低了直流失调。
（4）数字调制处理器选为TMS320F28069， 可以实现调制解调等信号处理、媒体接入控制（论文导读：
MAC）、网络层处理（路由、IPV6等）、应用层实现。基于以上方案配电自动化系统通信节点设计如下图所示。
三、结论
本文对配电网通信问题进行了较为深入的理论分析和方案研究，进行系统设计和方案选择，对系统的整个运行很有帮助。设计了一种配电网载波控制系统的载波方案，此方案通信调制使用OFDM-PRIME方案，模拟前端选择MAX2991，数字调制处理器选为TMS320F28069。
参考文献
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作者简介
郭宁辉，男，26岁，华北电力大学硕士研究生，研究方向为配网自动化，继电保护。 源于：免费论文网站www.7ctime.com