具有高可靠性的網(wǎng)絡(luò)化配電載波系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)_secret

1、具有高可靠性的網(wǎng)絡(luò)化配電載波系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)摘 要：本文介紹了新一代電力線載波技術(shù)基于DSP解碼的網(wǎng)絡(luò)化配電載波（NDLC）技術(shù)，介紹了華北電力大學(xué)四方研究所在這方面的工作。文章討論了配電載波的特點(diǎn)，分析了NDLC系統(tǒng)的可靠性，提出了提高NDLC系統(tǒng)可靠性的措施及NDLC系統(tǒng)的組網(wǎng)原則，指出經(jīng)過特殊配置的NDLC系統(tǒng)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(shí)際系統(tǒng)的試驗(yàn)運(yùn)行驗(yàn)證了以上分析的正確性。關(guān)鍵字：網(wǎng)絡(luò)化配電載波 配電自動化 通信1引言 配電系統(tǒng)綜合自動化是在信息化的基礎(chǔ)上，將配電系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)、配電網(wǎng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和地理圖形進(jìn)行信息集成，

2、構(gòu)成完整的自動化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)及其設(shè)備正常運(yùn)行及事故狀態(tài)下的監(jiān)測、保護(hù)、控制及用電和配電管理的自動化，最終實(shí)現(xiàn)以大幅度提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量為目標(biāo)的對配電系統(tǒng)的在線的、準(zhǔn)實(shí)時的閉環(huán)控制。配電系統(tǒng)的測控終端單元（FTU）在實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)保護(hù)的同時具有更強(qiáng)大的測量功能，它是饋線保護(hù)與RTU的綜合，是具有更高信息化程度的饋線保護(hù)，F(xiàn)TU實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的信息采集，配電網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的信息匯總。通信是配電自動化的關(guān)鍵，也是配電自動化的核心1。配電運(yùn)行、管理功能的綜合優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)建立在配電系統(tǒng)通信的基礎(chǔ)上。光纖通信可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，不受環(huán)境條件的影響，可作為語言、數(shù)據(jù)、圖象的傳輸。但成本較高，靈

3、活性差，當(dāng)線路沒有預(yù)先鋪設(shè)的光纖時需要另行鋪設(shè)，當(dāng)線路結(jié)構(gòu)變化時光纖通道也需變動。無線通信廣泛地被應(yīng)用于許多行業(yè)，但對于高樓林立的城市配網(wǎng)，這種無線通信的接收信號會受到波傳輸?shù)挠绊懀ɡ@射能力差），因此往往出現(xiàn)在城市中應(yīng)用效果不佳的現(xiàn)象。音頻有線通信是一種較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式，對通信的布設(shè)及各通信端的連接無特殊要求，與光纖相比造價低，易于實(shí)施，但容易受環(huán)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(wǎng)結(jié)構(gòu)變化的影響，尤其是基于網(wǎng)絡(luò)的配電載波支持自由拓?fù)?，具有極大的靈活性，基本不需維護(hù)，施工方便快捷，成本較低，通信速率較高

4、，非常適合于中國城網(wǎng)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(tǒng)線路多分支，多變壓器及柱上開關(guān)可能出現(xiàn)的斷點(diǎn)以及線路故障使得配網(wǎng)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(xué)四方研究所進(jìn)行了較深入的研究，經(jīng)過試驗(yàn)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(rèn)為網(wǎng)絡(luò)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(shù)的發(fā)展電力線載波通信（PowerLineCarrier）是電力系統(tǒng)通信的一種主要方式，它始于二十世紀(jì)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(hù)的高頻保護(hù)以高壓線路載波(Tr

5、ansmissionLineCarrier)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(hù)在通道問題上的可靠性。九十年代，隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，西方的科技人員正在努力把PLC應(yīng)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(shù)逐步成熟的同時，配電載波（DistributionLineCarrier）技術(shù)也越來越廣受青睞，DLC更易于與現(xiàn)代通信技術(shù)、測控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相配合。與TLC相比，DLC具有更加廣闊喜人的應(yīng)用前景，尤其是在九十年代末期DLC在技術(shù)上、原理上得到重大突破，成為新型的通信熱點(diǎn)之一。九十年代末期，世界上幾家半導(dǎo)體通訊公司先后推出基于電

6、力線的通信網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)正在快速發(fā)展，性能及技術(shù)正在向以太網(wǎng)逼近。這使得DLC在民用領(lǐng)域、工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景極其鼓舞人心。DLC的技術(shù)主要經(jīng)歷了基于鎖相環(huán)的窄帶DLC、基于電力擴(kuò)頻的DLC、基于DSP解碼的窄帶網(wǎng)絡(luò)化配電載波（NetworkofDistributionLineCarrierNDLC）三個發(fā)展階段。 3配電網(wǎng)載波通信的特點(diǎn) 配電自動化是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)為基礎(chǔ)，它對配電載波要求與傳統(tǒng)的高壓電力線載波技術(shù)有著本質(zhì)區(qū)別。傳統(tǒng)的高壓線路載波技術(shù)以實(shí)現(xiàn)長距離的兩點(diǎn)通信為目標(biāo)，為此，在線路兩端加設(shè)阻波器，在防止區(qū)內(nèi)信號泄漏的同時也避免區(qū)外信號及噪聲進(jìn)入本區(qū)段。這種點(diǎn)對點(diǎn)的封閉

7、式的通信不適合配電網(wǎng)保護(hù)及自動化的要求。配電載波通信的理想模式應(yīng)當(dāng)是開放式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信。它以配電網(wǎng)的智能控制裝置為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，利用配電線路固有的拓樸結(jié)構(gòu)構(gòu)成總線網(wǎng)進(jìn)行通信，是一種基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字載波技術(shù)。這一區(qū)別主要表現(xiàn)在配電自動化的載波通信在全網(wǎng)不加設(shè)阻波器。因?yàn)樽璨ㄆ鞯拇嬖趯⒊蔀榕潆娸d波網(wǎng)絡(luò)化的主要障礙。無阻波器后對通信增加了很多難點(diǎn)。如線路波阻抗不定；配電網(wǎng)分支、T接太多太亂；信號在整個中壓電網(wǎng)上亂串；中壓電網(wǎng)的干擾不受阻擋地進(jìn)入通信通道。只要針對配網(wǎng)載波通信的特點(diǎn)分析其通道衰耗特性，并采取相應(yīng)的特殊措施，提高載波通信的可靠性。網(wǎng)絡(luò)化的配電載波是可以滿足配電網(wǎng)保護(hù)及自動化的要求的。

8、 4提高NDLC可靠性的措施 4.1NDLC的通道衰耗3由于NDLC不采用阻波器，NDLC的信號可能出現(xiàn)的衰耗有以下幾部分：兩個通信節(jié)點(diǎn)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(zhì)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(wǎng)載波的一種主要衰耗，一般可達(dá)1020dB，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(shù)量有關(guān)，可以準(zhǔn)確估計(jì)3。 4.2線路開口的處理配電網(wǎng)運(yùn)行中，負(fù)荷開關(guān)、

9、聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開后將導(dǎo)致載波信號傳輸?shù)母哳l通道出現(xiàn)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(gòu)成高頻通道；圖1（b）是數(shù)字橋，它是通過一個節(jié)點(diǎn)對接收到的信號進(jìn)行有選擇性的中繼實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)?，它的另一個優(yōu)點(diǎn)是可以通過軟件控制載波節(jié)點(diǎn)通信的范圍，這一點(diǎn)對于通信系統(tǒng)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(dāng)線路發(fā)生單相接地后，

10、兩相耦合可以退化為單相耦合，不存在單相耦合中當(dāng)故障點(diǎn)距離發(fā)信節(jié)點(diǎn)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(fù)供電。然而對于配電網(wǎng)保護(hù)而言，故障隔離、恢復(fù)供電都是在線路出口的饋線保護(hù)切除故障的情況下進(jìn)行的，可以得出一下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)絕大多數(shù)情況下，故障附加衰耗是很小的。線路停電后，故障點(diǎn)的絕緣恢復(fù)，對于傳輸功率不足1W的NDLC信號沒有什么影響。只有當(dāng)短路點(diǎn)在線路停電后仍未恢復(fù)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(dāng)線路故障后（大電流故障），線路與變電站斷開，該項(xiàng)衰耗為零，這將有利于ND

11、LC的可靠通信。(3)信噪比是衡量通信的接收能力的重要指標(biāo)。當(dāng)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(yùn)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(dāng)相地耦合方式下，單相接地故障據(jù)NDLC的某一節(jié)點(diǎn)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(dāng)發(fā)生金屬性故障，絕緣不能恢復(fù)時故障附加衰耗極大；當(dāng)線路發(fā)生三相斷線時，故障附加衰耗為無窮大。因此必須在通信網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)上，要有

12、一定的裕度以克服系統(tǒng)運(yùn)行方式變化及天氣變化的影響。4.4利用通信網(wǎng)絡(luò)管理提高可靠性從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，配電網(wǎng)可以看作一個自由拓?fù)涞目偩€網(wǎng)。由于線路長，分支多，幾乎不可能做到每兩個節(jié)點(diǎn)之間都能直接相互通信；由于節(jié)點(diǎn)眾多，節(jié)點(diǎn)的管理是一個重要的問題。作者從通信系統(tǒng)的組態(tài)、可擴(kuò)展性、傳輸距離及通信節(jié)點(diǎn)的可靠性方面提出NDLC結(jié)構(gòu)的三個原則，以解決電力線載波通信中的相關(guān)問題。（1）在通信結(jié)構(gòu)上，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想面向?qū)ο蠹夹g(shù)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(tǒng)本身就是分層、分布式的系統(tǒng)。配電網(wǎng)更是按變電站、饋線、開關(guān)（變壓器）、負(fù)荷分層分布的。配電網(wǎng)每一條饋線上的節(jié)點(diǎn)（Nod

13、e）組成一個子網(wǎng)（Subnet），隸屬于同一個變電站的各饋線子網(wǎng)組成一個區(qū)域（Domain）。于是，配電網(wǎng)上的任一節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)由變電站之間相聯(lián)絡(luò)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)處的聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，利用數(shù)字橋相互分離，使得隸屬于這兩個變電站的節(jié)點(diǎn)之間未經(jīng)聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)才可以且有必要相互通信，這些節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于被封裝在一條饋線里；如果在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)或其他特殊情況下，某節(jié)點(diǎn)需要與其它饋線節(jié)點(diǎn)、其它變電站通信，則必須經(jīng)過聯(lián)絡(luò)開關(guān)處的聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。每條饋線上的第一子站相當(dāng)于該饋線上的子網(wǎng)管理節(jié)點(diǎn)，它一方面記錄著該饋

14、線上各子站節(jié)點(diǎn)的地址、性質(zhì)等信息，另一方面承擔(dān)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(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。如果要增加一個節(jié)點(diǎn)，只需將其地址、性質(zhì)在該節(jié)點(diǎn)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(tǒng)的任何設(shè)施，也無須更改已有各節(jié)點(diǎn)的硬、軟件。對于分步、分期進(jìn)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(shí)現(xiàn)自動設(shè)置中繼在NDLC系統(tǒng)中中繼節(jié)點(diǎn)是必需的。中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)置的最理想情況是由主站自動設(shè)置。主站通過第一子站問詢某遠(yuǎn)方子站節(jié)點(diǎn)多次無應(yīng)答時，自動下載定值使得中間某個能收到問詢

15、命令的子站節(jié)點(diǎn)變?yōu)橹欣^節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)的硬件與普通子站節(jié)點(diǎn)完全一樣，僅僅在軟件流程中多走了一個接收并轉(zhuǎn)發(fā)信息的功能模塊；由于中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的信息是數(shù)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(jié)點(diǎn)只轉(zhuǎn)發(fā)一次，因此也不會過多地增加網(wǎng)上的通信壓力。這樣，只要每兩個最近的節(jié)點(diǎn)能相互通信，整網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)就能相互通信，而這一條件是很容易滿足的。（3）在通信可靠性上，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)全網(wǎng)漫游提高NDLC系統(tǒng)的可靠性可以理解為在一個以中壓電網(wǎng)自由拓?fù)錇榛A(chǔ)的總線型局域網(wǎng)上如何保證節(jié)點(diǎn)不丟失。每一節(jié)點(diǎn)在原則上都有能力與其他任意節(jié)點(diǎn)通信，如果變電站A的某一節(jié)點(diǎn)M不能與它所在的饋線的通信管理節(jié)點(diǎn)第一子

16、站通信（如因斷線等原因），網(wǎng)絡(luò)管理中對該節(jié)點(diǎn)的自檢將發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)丟失，首先通信管理節(jié)點(diǎn)試圖通過自動改變中繼重新找到該節(jié)點(diǎn)未能成功，然后該節(jié)點(diǎn)自己檢測到被丟失，主動向它所在饋線的聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（數(shù)字橋）申請漫游，橋節(jié)點(diǎn)將它的漫游申請匯報給對側(cè)變電站B的通信管理節(jié)點(diǎn)，這個通信管理節(jié)點(diǎn)對漫游來的新節(jié)點(diǎn)重新注冊并通知配調(diào)中心，配調(diào)中心將通知變電站A原有的節(jié)點(diǎn)M已經(jīng)漫游到變電站B去了。至此完成節(jié)點(diǎn)的漫游，NDLC系統(tǒng)通過“自愈”實(shí)現(xiàn)可靠工作。5NDLC的現(xiàn)場試驗(yàn)華北電力大學(xué)四方研究所從1998年開始對NDLC應(yīng)用與配電系統(tǒng)綜合自動化進(jìn)行了深入的研究與實(shí)踐。下面介紹在河北省唐山某10kv配網(wǎng)完成的一次現(xiàn)場試驗(yàn)的情

17、況。試驗(yàn)采用四方的CSDA2000配電自動化系統(tǒng)的NDLC和CSF100配電終端單元，網(wǎng)絡(luò)接線如圖2所示：圖2試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)接線圖在試驗(yàn)配電網(wǎng)絡(luò)中A節(jié)點(diǎn)為變電站節(jié)點(diǎn)，變電站有5條出線，B、C、D、E節(jié)點(diǎn)為線路節(jié)點(diǎn)，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(wǎng)中的配電變壓器及線路分支如圖所示。按上節(jié)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2030dB。在變電站與FTU之間進(jìn)行通信測試，報文長度為20

18、bytes。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(yàn)表明，在線路正常運(yùn)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(dāng)B點(diǎn)為C節(jié)點(diǎn)、D節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼后AC、AD間的通信是理想的。當(dāng)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(yàn)還表明由于電網(wǎng)的不對稱性，相互通信的兩個節(jié)點(diǎn)的接收情況略有不同，變電站處的節(jié)點(diǎn)效果略好。另外的試驗(yàn)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(yàn)證明NDLC的通道是可以從理論估算的，經(jīng)過特殊考慮的NDLC是可靠的。NDLC是一種自由拓?fù)涞?、網(wǎng)絡(luò)化的、可靠性高、靈活性強(qiáng)、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(jié)論配電自動化的關(guān)鍵是通信，研制一種適合我國配電網(wǎng)實(shí)際情況的通信方式具有重要意義。基于DSP解碼的電力線通信是完全不同于傳統(tǒng)電力線載波的新技術(shù)，尤其是與現(xiàn)場總線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)化電力線載波技術(shù)，具有高度靈活性，是一種非常理想的