混合供電線路的載波組網(wǎng)通信關(guān)鍵技術(shù)研究

1、混合供電線路的載波組網(wǎng)通信關(guān)鍵技術(shù)研究宗明1，汪曉巖2，華斌11 上海市南供電公司 上海市宜山路1651號(hào)2 國電自動(dòng)化研究院 南京市南瑞路8號(hào) 郵編210003摘要：本文研究了利用卡接式電感耦合器實(shí)現(xiàn)混合線路（架空-電纜）的載波組網(wǎng)通信關(guān)鍵技術(shù)，并且通過對混合線路的載波組網(wǎng)現(xiàn)場試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了多種混合線路的載波組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)可靠性與經(jīng)濟(jì)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示混合線路載波組網(wǎng)的典型設(shè)計(jì)方案是經(jīng)濟(jì)、便捷和有效的，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：混合線路，載波組網(wǎng)通信，卡接式電感耦合設(shè)備；The key technology research of the carrier commuincation on m

2、ixed lines ZONG-Ming1 WANG Xiao-Yan2 HUA-Bin1 1 Shinan Power Supply Company of SMEPC , SHANGHAI2 Nanjing Automation Research Institute, Nation Grid Corporation of China, Nanjing 210003, ChinaAbstract: This paper researches the key technology of carrier communication on mixed lines (over-head line &

3、buried cables) using non-intrusive coupling devices, and the reliability and economy of the designs key technology s are verified by the practical operation. A serial successful experiments indicate that the typical design of carrier network of mixed lines is a cost-effective, advantageous, and effe

4、ctive.Keywords: mixed lines，carrier communication networks，non-intrusive coupling devices1 概述中壓載波通信借助電力公司自身的10kV配電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不需要投資敷設(shè)新的通信電纜或昂貴的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，也不需要支付進(jìn)行連接的費(fèi)用，因此，可以成為城市配電自動(dòng)化通信方式的首選方式之一。為此，國內(nèi)外許多電力公司對此進(jìn)行不斷嘗試，取得了許多經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。上海城市中壓配電網(wǎng)絡(luò)主要分為有K型（開關(guān)站）、P型（環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)）和W型（戶外）三種。其中，針對輻射型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的純電纜屏蔽層載波通信技術(shù)，采用注入式電感

5、耦合方式，目前研究的已經(jīng)比較成熟。針對環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)線路的屏蔽層載波通信，雖然有一些應(yīng)用，但是，多級分段電纜的屏蔽層載波信號(hào)耦合方式，在試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)仍然存在許多問題，有待于進(jìn)一步研究解決。特別是混合線路（架空和電纜混合的線路）的載波組網(wǎng)通信在上海城市中壓配電網(wǎng)絡(luò)中還沒有應(yīng)用成功的案例。因此，本文針對這方面的內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)研究。雖然采用注入式電感耦合方式具有產(chǎn)生的附加耦合衰減小，但是，也存在很多缺點(diǎn)，如需停電安裝，損壞了電力電纜原有的接地系統(tǒng)，存在安全隱患。為此，需要研究一些特殊的耦合技術(shù)，例如卡接式電感耦合方式，解決復(fù)雜供電網(wǎng)絡(luò)的載波組網(wǎng)通信，特別是解決混合線路（架空和電纜混合的線路）載波

6、組網(wǎng)通信，這種新的耦合方式，能夠克服注入式電感耦合方式的缺點(diǎn)，且技術(shù)性能指標(biāo)接近注入式電感耦合方式，本文以卡接式電感耦合方式為主線，研究各種類型的混合線路的載波組網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)，并且針對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析。2 混合線路的接線路模式與載波組網(wǎng)通信的技術(shù)難點(diǎn)混合供電線路是指由架空線路和電力電纜連接的混合線路。從目前上海、廣州、北京等大城市來看混合線路占有一定數(shù)量。混合線路的結(jié)構(gòu)有不同的構(gòu)成方案，但不外乎有如下幾種接線方式：(1) 電廠出線側(cè)有電纜引出，一般由于電廠受布置、地形、出線走廓等限制而形成。(2) 受電端需電纜引入，該結(jié)線方式較為普遍，進(jìn)入城市小區(qū)或工礦負(fù)荷密集區(qū)，架空線路被迫轉(zhuǎn)入地下。

7、(3) 輸電線路中段有電纜引出，一般受地形（如道路口）、建筑物或航道、航空等限制?？傊?，上述三種結(jié)線方式，一般來說，電纜長度均不會(huì)太長，最長約為5km左右，一般均在幾百米左右。就上海城市的混合線路接線方式來說，常常使用架空干線形成環(huán)網(wǎng)或有備用放射形網(wǎng)，支線采用電纜線配電；也就是說，變電站通過電力電纜向沿街架空干線供電，進(jìn)入負(fù)荷區(qū)時(shí)采用電力電纜轉(zhuǎn)入地下連接，這就構(gòu)成了電纜一架空混合線路供電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)負(fù)荷區(qū)是一個(gè)較大的小區(qū)或者供電單位時(shí)，用電小區(qū)或者單位的內(nèi)部配電站大部分是由輻射供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者環(huán)網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者二者混合結(jié)構(gòu)構(gòu)成。因此，針對這種混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，載波組網(wǎng)通信，需針對不同供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采

8、用多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)載波組網(wǎng)通信。利用電力電纜屏蔽層傳輸高頻載波信號(hào)，其信道的傳輸衰耗將隨著頻率的升高增加很快?，F(xiàn)場測試結(jié)果顯示，一般情況150kHz以下高頻信號(hào)，其傳輸距離具有實(shí)用價(jià)值。對于中壓混合線路的載波組網(wǎng)通信，其信道的傳輸衰耗更大，實(shí)現(xiàn)載波組網(wǎng)通信，其技術(shù)難度和復(fù)雜性具有更大挑戰(zhàn)，目前國內(nèi)還沒有應(yīng)用成功的案例報(bào)道。規(guī)結(jié)起來，主要難點(diǎn)如下：(1) 混合線路的載波信道傳輸衰減非常大。電力電纜與架空線直接連接，高額信號(hào)在接頭處的失配衰耗較大，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，電力電纜與架空線的過渡阻抗相差約15倍，產(chǎn)生信號(hào)發(fā)射衰減，此外，電力電纜的傳輸衰減也較大，直埋電力電纜的每公里傳輸衰減約為架空線的十幾

9、倍。(2) 載波信號(hào)耦合衰減非常大。對于混合線路的載波通信，需要針對上述的三種結(jié)線方式及組合方式，采用相應(yīng)的載波信號(hào)耦合方式。(3) 載波通信組網(wǎng)難度大。由于多個(gè)受電小區(qū)或單位來自于同一變電站或者不同變電站，特別是用電小區(qū)或者單位的內(nèi)部配電站較多或者網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)，載波通信組網(wǎng)就非常困難了，針對這種混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，載波組網(wǎng)通信，需針對不同供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)載波組網(wǎng)通信。 3 混合線路載波通信的耦合方式電纜與架空線路的不同組合方式多種多樣，有的以架空配電線為主，變電站出來就是架空線路，中間走一段或者若干段地埋電力電纜，然后再上架空線路到配電站。有的從變電站出來就是地埋電力電纜，

10、然后上主干架空配電線路（大部分沿街架設(shè)），每到一個(gè)供電小區(qū)，由架空配電線下地，再通過地埋電力電纜送電到配電站。歸納起來，混合線路接線方式主要有4種情況：1）供電和受電端都采用電纜，而中間有架空電纜的混合線路；2）供電和受電端都采用架空線路，而中間有電纜的混合線路；3）供電端采用電纜線路，而受電端采用架空線路的混合線路；4）供電端采用架空線路，而受電端采用電纜線路的混合線路；在城市市區(qū)，混合線路基本上以第一種情況為主，第2，3和4種情況也會(huì)出現(xiàn)一些。本文主要研究混合線路載波組網(wǎng)通信關(guān)鍵技術(shù)主要針對第一種情況。對于供電和受電端都采用電纜的混合線路，載波組網(wǎng)通信方式主要涉及如下難題：(1) 適合混合

11、線路的載波信號(hào)耦合方式，重點(diǎn)研究卡接式電感耦合方式應(yīng)用于混合線路載波通信所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。(2) 供電和受電端都采用電纜，且中間有多段架空-電纜的混合線路，但沒有分支線路的混合線路（專線線路）載波組網(wǎng)通信技術(shù)；(3) 供電和受電端都采用電纜，中間有多段架空-電纜的混合線路，且架空線路存在多條分支供電線路的混合線路載波組網(wǎng)通信技術(shù)；3.1 卡接式電感耦合器卡接式電感耦合器是一種載波機(jī)與電力電纜的載波信號(hào)耦合裝置，用一個(gè)帶有二次繞組的開口高頻磁環(huán)卡套在電力電纜絕緣護(hù)套外面，該二次繞組與載波機(jī)的載波輸入輸出端相連，以電力電纜的芯線和屏蔽層作為一次繞組，利用電磁感應(yīng)原理，完成載波機(jī)與電力電纜的載波信號(hào)

12、耦合，實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)的傳輸。由于卡接式電感耦合器完全不與電力電纜帶電部位接觸，可以在不停電和不對已投運(yùn)的電力電纜本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改動(dòng)的情況下完成安裝，具有安全和安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于它的耦合機(jī)制中包含有電力電纜芯線的作用，所以，不僅適用于純電力電纜線路，也適用于含有電力電纜和架空電力線的混合線路?？ń邮诫姼旭詈掀鞯娜秉c(diǎn)是，與注入式電感耦合器相比，插入衰減較大?？ń邮诫姼旭詈掀髦饕獌?yōu)點(diǎn)是安裝原則上不需要停電，既可以應(yīng)用于純電力電纜屏蔽層載波通信，也可以應(yīng)用于混合線路載波組網(wǎng)通信。但是安裝方法不相同，應(yīng)用于純電力電纜屏蔽層載波通信，卡接式電感耦合器直接卡在電纜屏蔽層上，而應(yīng)用于混合線路載波組網(wǎng)

13、通信，接地線需要通過卡接式電感耦合器之后再接地。如圖1a和1 b所示。圖 1a 純電纜線路末端耦合器安裝示意圖圖 1b 混合線路末端耦合器安裝示意圖3. 2 輻射形供電網(wǎng)絡(luò)的載波組網(wǎng)配置方案3.2.1 輻射供電網(wǎng)絡(luò)的載波組網(wǎng)方式輻射供電網(wǎng)絡(luò)是典型樹狀網(wǎng)絡(luò)，從變電站以樹狀方式出線供電給配電站，開關(guān)站等站點(diǎn)，因此輻射供電網(wǎng)絡(luò)的載波組網(wǎng)采用以變電站為中心的組網(wǎng)方式，在變電站的出線端安裝主載波機(jī)，沿著出線尋找相應(yīng)的配電站或開關(guān)站等站點(diǎn)，安置從載波機(jī)，這樣就可實(shí)現(xiàn)“一主帶多從”的載波通信網(wǎng)絡(luò)。圖2是一個(gè)輻射供電網(wǎng)絡(luò)的框圖，圖3是其對應(yīng)的載波組網(wǎng)配置結(jié)構(gòu)圖。 圖2 輻射供電網(wǎng)絡(luò)的載波組網(wǎng)配置結(jié)構(gòu)圖圖3 純

14、電纜線路卡接式耦合器在多出線網(wǎng)絡(luò)中的安裝 3.2.2 配置原則a) 一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)由一臺(tái)主載波機(jī)帶15臺(tái)從載波機(jī)組成。理論上一臺(tái)主載波機(jī)所帶從載波機(jī)的可支持256臺(tái)從載波機(jī)，但是，為了網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求，建議一臺(tái)主載波機(jī)帶從載波機(jī)不要超過16臺(tái)。b) 一條線路上可存在3個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)。理論上在一條線路上可以組256個(gè)邏輯載波網(wǎng)絡(luò)，但是，考慮到碰撞監(jiān)測和相互干擾等因素，建議在一條線路上可以存在不超過4個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一條線路上存在多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)時(shí)，邏輯網(wǎng)絡(luò)之間通信相互不干擾，每個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)自成系統(tǒng)。如果一條線路上多達(dá)上百個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，必須采用多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)載波組網(wǎng)，否則輪詢周期很難滿足應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求。 c)

15、純電纜的長度最長8公里。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，采用卡接式電感耦合設(shè)備，可靠傳輸距離可達(dá)10公里，但是建議使用時(shí)不要超過8公里，如果出現(xiàn)10公里線路，建議與廠家技術(shù)人員聯(lián)系，由廠家技術(shù)人員協(xié)助完成。d) 分段純電纜的總長度不要超過5公里，分段數(shù)不要超過6段。如果超過6段，建議與廠家技術(shù)人員聯(lián)系，由廠家技術(shù)人員協(xié)助完成。e) 分支箱原則上不需要處理（如安裝高頻橋路），如果線路較長，建議在分支箱處安裝高頻橋接器。f) 在配電站，中間配電站的進(jìn)出線路要求各安裝一個(gè)耦合器，如果在該配電站有多條進(jìn)出線或者需要安裝載波機(jī)，建議采用阻抗匹配器。g) 在變電站，如果多于2條電纜，建議采用阻抗匹配器。h)在

16、變電站，如果多于2個(gè)以上的邏輯網(wǎng)絡(luò)，或者需要監(jiān)測從載波工作狀態(tài)，建議安裝載波通信管理機(jī)。3.3 環(huán)網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)框圖及其對應(yīng)的載波組網(wǎng)配置結(jié)構(gòu)圖3.3.1 環(huán)網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)框圖及其對應(yīng)的載波組網(wǎng)方式為了提高供電的可靠性，很多供電網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)供電方式。許多供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，例如環(huán)網(wǎng)和輻射結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)，原則，在分支箱處都安裝高頻橋接器，在多進(jìn)出電力電纜處，安裝阻抗匹配器，以減少整個(gè)載波信道的傳輸衰減。在配電站的進(jìn)出電力電纜和連接載波機(jī)處，建議安裝阻抗匹配器。圖4為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的跨越分支箱高頻橋接器和阻抗匹配器安裝示意圖。圖4 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的跨越分支箱高頻橋接器和阻抗匹配器安裝示意圖 3.3.2 配置原則a)

17、 電電源的環(huán)網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)，如果環(huán)網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)上的配電站少于6個(gè)，在變電站或者開關(guān)站可以安裝一臺(tái)主載波機(jī)組成一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)。如果環(huán)網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)上的配電站多于6個(gè)，在變電站或者開關(guān)站可以安裝二臺(tái)主載波機(jī)組成二個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)。其他較復(fù)雜的情況，建議與與廠家技術(shù)人員聯(lián)系，由廠家技術(shù)人員協(xié)助完成。b) 原則上不需要處理（如安裝高頻橋路），如果線路較復(fù)雜，建議在分支箱處安裝高頻橋接器。c) 在配電站，在中間的配電站進(jìn)出線路各安裝一個(gè)耦合器，如果在該配電站有多條進(jìn)出線或者需要安裝載波機(jī)，建議采用阻抗匹配器。d) 在變電站或者開關(guān)站，如果用2臺(tái)主載波機(jī)的邏輯網(wǎng)絡(luò)，建議采用阻抗匹配器。4 典型混合線路的載波組網(wǎng)通信的關(guān)鍵技

18、術(shù)試驗(yàn)研究與分析4.1 專線混合線路的載波組網(wǎng)通信關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究與分析4.1.1 混合線路特點(diǎn)本試驗(yàn)線路選擇上海松江榮樂變電站到明清街1號(hào)配電站的一條多段架空-電纜的專線混合線路，中間有二段架空線路且沒有分支線路，有三段電纜線路，混合線路總長度達(dá)2221m。明清街1號(hào)配電站向下經(jīng)過2級分段電纜向明清街2、3號(hào)配電站供電。本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究關(guān)鍵技術(shù)是重點(diǎn)解決采用卡接式電感耦合器實(shí)現(xiàn)專線混合線路的載波組網(wǎng)通信，此外，榮樂變電站到明清街3號(hào)配電站經(jīng)過1條專線混合線路和2級分段電纜，還需要解決專線混合線路和分段電纜線路混合的載波組網(wǎng)通信難題。4.1.2 關(guān)鍵技術(shù)在配電站之間二段電纜，利用二個(gè)卡接式電感耦合

19、器實(shí)現(xiàn)高頻橋路連接，并且利用阻抗匹配器，改善整個(gè)載波信道的傳輸衰減特性。在混合線路的兩端電纜處，按照混合線路耦合設(shè)備安裝方法安裝卡接式電感耦合器，見圖1b，具體實(shí)驗(yàn)方案如圖所示。圖5 榮樂變電站-明清街1、2、3號(hào)配電站載波組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)方案4.1.3 線路傳輸衰減測試與分析圖 6 榮樂變電站-明清街1號(hào)配電站傳輸電平分布曲線（發(fā)送功率電平10dB）圖 給出了四種情況下的傳輸電平曲線：（1） 采用注入式電感耦合器，榮樂變電站到明清街1號(hào)配電站的傳輸衰減分布曲線；（2） 采用卡接式電感耦合器卡接在屏蔽層，榮樂變電站到明清街1號(hào)配電站的傳輸衰減分布曲線；（3） 采用卡接式電感耦合器卡接在電纜芯線上（即卡

20、在屏蔽層外部），榮樂變電站到明清街1號(hào)配電站的傳輸衰減分布曲線；（4） 采用卡接式電感耦合器卡接在電纜芯線上（即卡在屏蔽層外部），榮樂變電站到明清街3號(hào)配電站的的傳輸衰減分布曲線。從圖 可以看出，采用卡接式電感耦合器卡接在電纜芯線上（即卡在屏蔽層外部），其傳輸衰減特性與采用注入式電感耦合器的傳輸衰減特性非常接近，在70kHz300kHz頻段幾乎重合，在20kHz70kHz頻段，傳輸衰減兩者最大相差20dB，最小相差10dB。4.1.3 測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析如表格可以看到，在明清街1號(hào)配電站發(fā)送了720個(gè)數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包經(jīng)榮樂變電站的PLC-075B的串口自環(huán)后，又全部被明清街1號(hào)配電站收到。也就

21、是說，在這個(gè)回環(huán)中，數(shù)據(jù)通信可靠，沒有數(shù)據(jù)包丟失，無錯(cuò)包。測試記錄如下所示：表格1發(fā)送包長（Byte）發(fā)包間隔（S）發(fā)包總長（Byte）正確收包總長（Byte）測試時(shí)長（小時(shí)）傳輸正確率1005720007200011004.2 多段架空-電纜且有分支線路的混合線路的載波組網(wǎng)通信關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)與分析4.2.1 線路特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)該混合線路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如7所示，其特點(diǎn)是變電站側(cè)電纜較長，達(dá)2219m；架空線路也較長，達(dá)2562，中間1段電纜非常段，僅有90m，整個(gè)線路累計(jì)長度為5716m。該線路是1條非常有代表性的混合線路。該混合線路的凸現(xiàn)了長電纜，短電纜和長架空線路綜合對載波信道的影響，一般來說，兩端電纜較長感應(yīng)到架空線路上的信號(hào)相對較強(qiáng)一些，而長架空線路，特別該架空線路有分支線路，載波信號(hào)衰減較大，因此，長短電纜相互影響對混合線路的載波