網絡化配電載波系統的研究與實現

摘要：本文介紹了新一代電力線載波技術——基于DSP解碼的網絡化配電載波（NDLC）技術，介紹了華北電力大學四方研究所在這方面的工作。文章討論了配電載波的特點，分析了NDLC系統的可靠性，提出了提高NDLC系統可靠性的措施及NDLC系統的組網原則，指出經過特殊配置的NDLC系統是可靠的，完全適用于配電自動化的饋線自動化控制功能。NDLC在10kV實際系統的試驗運行驗證了以上分析的正確性。
關鍵詞：網絡化配電載波 配電自動化 通信
　　1 引言
　　配電系統綜合自動化是在信息化的基礎上，將配電系統在線數據和離線數據、配電網數據和用戶數據、電網結構和地理圖形進行信息集成，構成完整的自動化系統，實現配電網及其設備正常運行及事故狀態下的監測、保護、控制及用電和配電管理的自動化，最終實現以大幅度提高供電可靠性、改善電能質量為目標的對配電系統的在線的、準實時的閉環控制。
　　配電系統的測控終端單元（FTU）在實現配電網保護的同時具有更強大的測量功能，它是饋線保護與RTU的綜合，是具有更高信息化程度的饋線保護，FTU實現配電系統的信息采集，配電網通信實現配電系統的信息匯總。通信是配電自動化的關鍵，也是配電自動化的核心[1]。配電運行、管理功能的綜合優化的實現建立在配電系統通信的基礎上。光纖通信可靠性高，抗干擾能力強，不受環境條件的影響，可作為語言、數據、圖象的傳輸。但成本較高，靈活性差，當線路沒有預先鋪設的光纖時需要另行鋪設，當線路結構變化時光纖通道也需變動。無線通信廣泛地被應用于許多行業，但對于高樓林立的城市配網，這種無線通信的接收信號會受到波傳輸的影響（繞射能力差），因此往往出現在城市中應用效果不佳的現象。音頻有線通信是一種較為經濟實用的方式，對通信的布設及各通信端的連接無特殊要求，與光纖相比造價低，易于實施，但容易受環境的影響，尤其是與高壓線路同桿共架時高壓對通信線的干擾較大[2]。配電載波通信集功率通道和通信通道、能量流與信息流于一體，不受配網結構變化的影響，尤其是基于網絡的配電載波支持自由拓撲，具有極大的靈活性，基本不需維護，施工方便快捷，成本較低，通信速率較高，非常適合于中國城網改造的具體情況，是很有前途的配電自動化通信方式。配電系統線路多分支，多變壓器及柱上開關可能出現的斷點以及線路故障使得配網載波面臨許多新問題。其中主要的問題是DLC的可靠性。針對這一問題，華北電力大學四方研究所進行了較深入的研究，經過試驗研究與理論分析，目前這些問題基本上得到了澄清和解決，認為網絡化的配電載波（NDLC）是完全可以滿足配電自動化的要求的。
　　 2 電力線載波技術的發展
　　電力線載波通信（Power Line Carrier）是電力系統通信的一種主要方式，它始于二十世紀三十年代，至今仍為高壓線路的主要通信方式之一。今天作為高壓/超高壓線路的主保護的高頻保護以高壓線路載波(Transmission Line Carrier)為基本通道，TLC能夠在線路故障的情況下可靠工作，并且確保了高頻保護在通道問題上的可靠性。九十年代，隨著信息產業的發展，西方的科技人員正在努力把PLC應用于Internet，使它成為通信高速公路的主要組成部分之一。
　　在TLC技術逐步成熟的同時，配電載波（Distribution Line Carrier）技術也越來越廣受青睞，DLC更易于與現代通信技術、測控技術、網絡技術相配合。與TLC相比，DLC具有更加廣闊喜人的應用前景，尤其是在九十年代末期DLC在技術上、原理上得到重大突破，成為新型的通信熱點之一。九十年代末期，世界上幾家半導體通訊公司先后推出基于電力線的通信網絡，該技術正在快速發展，性能及技術正在向以太網逼近。這使得DLC在民用領域、工業控制領域的應用前景極其鼓舞人心。DLC的技術主要經歷了基于鎖相環的窄帶DLC、基于電力擴頻的DLC、基于DSP解碼的窄帶網絡化配電載波（Network of Distribution Line Carrier—NDLC）三個發展階段。
　　 3 配電網載波通信的特點
　　 配電自動化是以計算機網絡技術和現代通信技術為基礎，它對配電載波要求與傳統的高壓電力線載波技術有著本質區別。傳統的高壓線路載波技術以實現長距離的兩點通信為目標，為此，在線路兩端加設阻波器，在防止區內信號泄漏的同時也避免區外信號及噪聲進入本區段。這種點對點的封閉式的通信不適合配電網保護及自動化的要求。配電載波通信的理想模式應當是開放式的計算機網絡通信。它以配電網的智能控制裝置為網絡節點，利用配電線路固有的拓樸結構構成總線網進行通信，是一種基于計算機網絡的數字載波技術。這一區別主要表現在配電自動化的載波通信在全網不加設阻波器。因為阻波器的存在將成為配電載波網絡化的主要障礙。無阻波器后對通信增加了很多難點。如線路波阻抗不定；配電網分支、T接太多太亂；信號在整個中壓電網上亂串；中壓電網的干擾不受阻擋地進入通信通道。只要針對配網載波通信的特點分析其通道衰耗特性，并采取相應的特殊措施，提高載波通信的可靠性。網絡化的配電載波是可以滿足配電網保護及自動化的要求的。
　　 4 提高NDLC可靠性的措施
　　 4.1 NDLC的通道衰耗[3]
　　由于NDLC不采用阻波器，NDLC的信號可能出現的衰耗有以下幾部分：兩個通信節點的終端衰耗，變電站的介入衰耗，分支線路的分支衰耗，10kV/0.4kV配電變壓器的泄漏衰耗，電力線的線路衰耗，通信橋路的橋路衰耗，不同傳輸介質的折射衰耗，線路故障時的故障附加衰耗，惡劣天氣下的天氣附加衰耗等。其中，變電站的介入衰耗是配電網載波的一種主要衰耗，一般可達10~20dB，變電站出線越多其介入衰耗越大；線路衰耗很小，甚至可以忽略，配電變壓器的泄漏衰耗、分支線路的分支衰耗及折射衰耗與其數量有關，可以準確估計[3]。
　　 4.2 線路開口的處理
　　配電網運行中，負荷開關、聯絡開關斷開后將導致載波信號傳輸的高頻通道出現開口。對這種情況的處理一般采用搭橋方式。圖1（a）是模擬橋，它可以直接構成高頻通道；圖1（b）是數字橋，它是通過一個節點對接收到的信號進行有選擇性的中繼實現傳輸的，它的另一個優點是可以通過軟件控制載波節點通信的范圍，這一點對于通信系統對節點進行管理是非常必要的。

　　4.3 線路故障時NDLC的可靠性分析
　　在配電線路故障時的NDLC的可靠性分析是確保NDLC可靠性的前提。表1列出在不同耦合方式下的不同故障類型的模傳輸過程的故障分析及通道的故障附加衰耗分析。

　　比較單相耦合方式和兩相耦合方式，顯然兩相耦合方式的傳輸效率高于單相耦合方式，尤其是當線路發生單相接地后，兩相耦合可以退化為單相耦合，不存在單相耦合中當故障點距離發信節點很近時通道衰耗極大的情況，因此兩相耦合方式在充分考慮各種衰耗情況下，完全可能具有高度可靠性，非常適用于饋線自動化的故障隔離與恢復供電。然而對于配電網保護而言，故障隔離、恢復供電都是在線路出口的饋線保護切除故障的情況下進行的，可以得出一下幾點結論：
　　(1)絕大多數情況下，故障附加衰耗是很小的。線路停電后，故障點的絕緣恢復，對于傳輸功率不足1W的NDLC信號沒有什么影響。只有當短路點在線路停電后仍未恢復絕緣時故障附加衰耗才較大。
　　(2)變電站的介入衰耗是十分可觀的。當線路故障后（大電流故障），線路與變電站斷開，該項衰耗為零，這將有利于NDLC的可靠通信。
　　(3)信噪比是衡量通信的接收能力的重要指標。當線路噪聲很大時，NDLC的工作必將受到影響，也就是說線路停電后，NDLC的接受能力會因無噪聲的影響而有所提高。
　　(4)小電流接地故障，允許帶故障運行2小時，這對于NDLC的影響很大。但是相相耦合方式可以確保在單相接地故障下NDLC工作的可靠性。
　　(5)當相地耦合方式下，單相接地故障據NDLC的某一節點距離不足載波信號波長的四分之一時，故障附加衰耗很大；當發生金屬性故障，絕緣不能恢復時故障附加衰耗極大；當線路發生三相斷線時，故障附加衰耗為無窮大。因此必須在通信網絡上采取特殊措施提高NDLC的可靠性。
　　(6)在了解線路的通道衰耗的基礎上，要有一定的裕度以克服系統運行方式變化及天氣變化的影響。
　　4.4 利用通信網絡管理提高可靠性
　　從網絡結構來看，配電網可以看作一個自由拓撲的總線網。由于線路長，分支多，幾乎不可能做到每兩個節點之間都能直接相互通信；由于節點眾多，節點的管理是一個重要的問題。作者從通信系統的組態、可擴展性、傳輸距離及通信節點的可靠性方面提出NDLC結構的三個原則，以解決電力線載波通信中的相關問題。
　?。?） 在通信結構上，采用面向對象的設計思想
　　面向對象技術是軟件工程的重要概念，也是分層、分布式控制的重要思想。電力系統本身就是分層、分布式的系統。配電網更是按變電站、饋線、開關（變壓器）、負荷分層分布的。配電網每一條饋線上的節點（Node）組成一個子網（Subnet），隸屬于同一個變電站的各饋線子網組成一個區域（Domain）。于是，配電網上的任一節點地址均可由Domain、Subnet、Node三個地址唯一確定。不同變電站之間的節點由變電站之間相聯絡的聯絡開關處的聯絡節點，利用數字橋相互分離，使得隸屬于這兩個變電站的節點之間未經聯絡節點的允許不能通信。一般情況下，只有隸屬于同一條饋線上各節點才可以且有必要相互通信，這些節點相當于被封裝在一條饋線里；如果在網絡重構或其他特殊情況下，某節點需要與其它饋線節點、其它變電站通信，則必須經過聯絡開關處的聯絡節點進行。每條饋線上的第一子站相當于該饋線上的子網管理節點，它一方面記錄著該饋線上各子站節點的地址、性質等信息，另一方面承擔了與配電主站相連的路由器功能。
　　提出這一思想，目的是使得整個系統具有良好的可擴展性。如果要增加一個節點，只需將其地址、性質在該節點所屬饋線的第一子站注冊即可；如果要增加一條饋線，也只需將該饋線的地址在該饋線所屬變電站主站注冊即可。完成這些工作，均無須改動已有的系統的任何設施，也無須更改已有各節點的硬、軟件。對于分步、分期進行的配電自動化工程，這是非常有意義的。
　　（2） 在通信距離上，實現自動設置中繼
　　在NDLC系統中中繼節點是必需的。中繼節點設置的最理想情況是由主站自動設置。主站通過第一子站問詢某遠方子站節點多次無應答時，自動下載定值使得中間某個能收到問詢命令的子站節點變為中繼節點。中繼節點的硬件與普通子站節點完全一樣，僅僅在軟件流程中多走了一個接收并轉發信息的功能模塊；由于中繼節點轉發的信息是數字信息，因此只會帶來信號的增益不會帶來失真，并且對于同一幀報文，一個中繼節點只轉發一次，因此也不會過多地增加網上的通信壓力。這樣，只要每兩個最近的節點能相互通信，整網的節點就能相互通信，而這一條件是很容易滿足的。
　?。?） 在通信可靠性上，實現節點全網漫游
　　提高NDLC系統的可靠性可以理解為在一個以中壓電網自由拓撲為基礎的總線型局域網上如何保證節點不丟失。每一節點在原則上都有能力與其他任意節點通信，如果變電站A的某一節點M不能與它所在的饋線的通信管理節點——第一子站通信（如因斷線等原因），網絡管理中對該節點的自檢將發現該節點丟失，首先通信管理節點試圖通過自動改變中繼重新找到該節點未能成功，然后該節點自己檢測到被丟失，主動向它所在饋線的聯絡節點（數字橋）申請漫游，橋節點將它的漫游申請匯報給對側變電站B的通信管理節點，這個通信管理節點對漫游來的新節點重新注冊并通知配調中心，配調中心將通知變電站A原有的節點M已經漫游到變電站B去了。至此完成節點的漫游，NDLC系統通過“自愈”實現可靠工作。
　　5 NDLC的現場試驗
　　華北電力大學四方研究所從1998年開始對NDLC應用與配電系統綜合自動化進行了深入的研究與實踐。下面介紹在河北省唐山某10kv配網完成的一次現場試驗的情況。試驗采用四方的CSDA2000配電自動化系統的NDLC和CSF100配電終端單元，網絡接線如圖2所示：

　　 圖2 試驗網絡接線圖
　　在試驗配電網絡中A節點為變電站節點，變電站有5條出線，B、C、D、E節點為線路節點，其中AB距離4km，中間有兩段電纜各為300m，BC距離2km，中間有一段電纜，長度為200m，CD距離3km，AE間距離為2.5km，配電網中的配電變壓器及線路分支如圖所示。按上節的通道分析估算AB間的通道衰耗約為43dB，BC間的通道衰耗約為17dB，CD間的通道衰耗約為12dB，AE間的通道衰耗約為30dB。線路噪聲情況為20~30dB。在變電站與FTU之間進行通信測試，報文長度為20bytes。表2所示為線路正常工作時的情況，表3所示為線路停電后的測試情況。

　　試驗表明，在線路正常運行時，AB、AE之間的通信是十分理想的，AC之間的通信也是可以接受的，AD之間的通信是不成功的，當B點為C節點、D節點進行中繼后AC、AD間的通信是理想的。當線路的出口斷路器斷開時（線路沒有故障），由于線路無噪聲且不存在變電站的介入衰耗，NDLC的工作情況大大改善，以上所有的通信都是成功的。試驗還表明由于電網的不對稱性，相互通信的兩個節點的接收情況略有不同，變電站處的節點效果略好。另外的試驗表明對于報文長度為10bytes和25bytes的兩種情況的通信效果是一樣的。試驗證明NDLC的通道是可以從理論估算的，經過特殊考慮的NDLC是可靠的。NDLC是一種自由拓撲的、網絡化的、可靠性高、靈活性強、廣泛適用的通信方式，將是非常適合配電自動化的通信方式。
　　6 結論
　　配電自動化的關鍵是通信，研制一種適合我國配電網實際情況的通信方式具有重要意義?；贒SP解碼的電力線通信是完全不同于傳統電力線載波的新技術，尤其是與現場總線相結合的網絡化電力線載波技術，具有高度靈活性，是一種非常理想的通信方式。本文討論了建立具有高可靠性的NDLC系統的原則及措施，提出在充分了解并準確估算配電系統的通道衰耗的情況下，利用網絡管理實現具有自愈功能的NDLC系統。經10kV實際系統的試驗運行表明NDLC系統具有很高的可靠性，完全適用于配電自動化的控制功能。