混合供电线路的载波组网通信关键技术研究

1、混合供电线路的载波组网通信关键技术研究宗明1，汪晓岩2，华斌11 上海市南供电公司 上海市宜山路1651号2 国电自动化研究院 南京市南瑞路8号 邮编210003摘要：本文研究了利用卡接式电感耦合器实现混合线路（架空-电缆）的载波组网通信关键技术，并且通过对混合线路的载波组网现场试验研究，验证了多种混合线路的载波组网的关键技术可靠性与经济性，实验结果显示混合线路载波组网的典型设计方案是经济、便捷和有效的，具有推广应用价值。关键词：混合线路，载波组网通信，卡接式电感耦合设备；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 概述中压载波通信借助电力公司自身的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，可以成为城市配电自动化通信方式的首选方式之一。为此，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。上海城市中压配电网络主要分为有K型（开关站）、P型（环网结构）和W型（户外）三种。其中，针对辐射型配电网结构和环网结构的纯电缆屏蔽层载波通信技术，采用注入式电感

5、耦合方式，目前研究的已经比较成熟。针对环网结构的配电网线路的屏蔽层载波通信，虽然有一些应用，但是，多级分段电缆的屏蔽层载波信号耦合方式，在试验的过程中发现仍然存在许多问题，有待于进一步研究解决。特别是混合线路（架空和电缆混合的线路）的载波组网通信在上海城市中压配电网络中还没有应用成功的案例。因此，本文针对这方面的内容进行重点研究。虽然采用注入式电感耦合方式具有产生的附加耦合衰减小，但是，也存在很多缺点，如需停电安装，损坏了电力电缆原有的接地系统，存在安全隐患。为此，需要研究一些特殊的耦合技术，例如卡接式电感耦合方式，解决复杂供电网络的载波组网通信，特别是解决混合线路（架空和电缆混合的线路）载波

6、组网通信，这种新的耦合方式，能够克服注入式电感耦合方式的缺点，且技术性能指标接近注入式电感耦合方式，本文以卡接式电感耦合方式为主线，研究各种类型的混合线路的载波组网中的关键技术，并且针对试验结果进行深入分析。2 混合线路的接线路模式与载波组网通信的技术难点混合供电线路是指由架空线路和电力电缆连接的混合线路。从目前上海、广州、北京等大城市来看混合线路占有一定数量。混合线路的结构有不同的构成方案，但不外乎有如下几种接线方式：(1) 电厂出线侧有电缆引出，一般由于电厂受布置、地形、出线走廓等限制而形成。(2) 受电端需电缆引入，该结线方式较为普遍，进入城市小区或工矿负荷密集区，架空线路被迫转入地下。

7、(3) 输电线路中段有电缆引出，一般受地形（如道路口）、建筑物或航道、航空等限制。总之，上述三种结线方式，一般来说，电缆长度均不会太长，最长约为5km左右，一般均在几百米左右。就上海城市的混合线路接线方式来说，常常使用架空干线形成环网或有备用放射形网，支线采用电缆线配电；也就是说，变电站通过电力电缆向沿街架空干线供电，进入负荷区时采用电力电缆转入地下连接，这就构成了电缆一架空混合线路供电网络。当负荷区是一个较大的小区或者供电单位时，用电小区或者单位的内部配电站大部分是由辐射供电网络结构或者环网供电网络结构或者二者混合结构构成。因此，针对这种混合网络结构，载波组网通信，需针对不同供电网络结构，采

8、用多个逻辑网络实现载波组网通信。利用电力电缆屏蔽层传输高频载波信号，其信道的传输衰耗将随着频率的升高增加很快。现场测试结果显示，一般情况150kHz以下高频信号，其传输距离具有实用价值。对于中压混合线路的载波组网通信，其信道的传输衰耗更大，实现载波组网通信，其技术难度和复杂性具有更大挑战，目前国内还没有应用成功的案例报道。规结起来，主要难点如下：(1) 混合线路的载波信道传输衰减非常大。电力电缆与架空线直接连接，高额信号在接头处的失配衰耗较大，现场实测数据显示，电力电缆与架空线的过渡阻抗相差约15倍，产生信号发射衰减，此外，电力电缆的传输衰减也较大，直埋电力电缆的每公里传输衰减约为架空线的十几

9、倍。(2) 载波信号耦合衰减非常大。对于混合线路的载波通信，需要针对上述的三种结线方式及组合方式，采用相应的载波信号耦合方式。(3) 载波通信组网难度大。由于多个受电小区或单位来自于同一变电站或者不同变电站，特别是用电小区或者单位的内部配电站较多或者网络结构比较复杂时，载波通信组网就非常困难了，针对这种混合网络结构，载波组网通信，需针对不同供电网络结构，采用多个逻辑网络实现载波组网通信。 3 混合线路载波通信的耦合方式电缆与架空线路的不同组合方式多种多样，有的以架空配电线为主，变电站出来就是架空线路，中间走一段或者若干段地埋电力电缆，然后再上架空线路到配电站。有的从变电站出来就是地埋电力电缆，

10、然后上主干架空配电线路（大部分沿街架设），每到一个供电小区，由架空配电线下地，再通过地埋电力电缆送电到配电站。归纳起来，混合线路接线方式主要有4种情况：1）供电和受电端都采用电缆，而中间有架空电缆的混合线路；2）供电和受电端都采用架空线路，而中间有电缆的混合线路；3）供电端采用电缆线路，而受电端采用架空线路的混合线路；4）供电端采用架空线路，而受电端采用电缆线路的混合线路；在城市市区，混合线路基本上以第一种情况为主，第2，3和4种情况也会出现一些。本文主要研究混合线路载波组网通信关键技术主要针对第一种情况。对于供电和受电端都采用电缆的混合线路，载波组网通信方式主要涉及如下难题：(1) 适合混合

11、线路的载波信号耦合方式，重点研究卡接式电感耦合方式应用于混合线路载波通信所涉及的关键技术。(2) 供电和受电端都采用电缆，且中间有多段架空-电缆的混合线路，但没有分支线路的混合线路（专线线路）载波组网通信技术；(3) 供电和受电端都采用电缆，中间有多段架空-电缆的混合线路，且架空线路存在多条分支供电线路的混合线路载波组网通信技术；3.1 卡接式电感耦合器卡接式电感耦合器是一种载波机与电力电缆的载波信号耦合装置，用一个带有二次绕组的开口高频磁环卡套在电力电缆绝缘护套外面，该二次绕组与载波机的载波输入输出端相连，以电力电缆的芯线和屏蔽层作为一次绕组，利用电磁感应原理，完成载波机与电力电缆的载波信号

12、耦合，实现载波信号的传输。由于卡接式电感耦合器完全不与电力电缆带电部位接触，可以在不停电和不对已投运的电力电缆本身的结构进行任何改动的情况下完成安装，具有安全和安装方便的优点。另外，由于它的耦合机制中包含有电力电缆芯线的作用，所以，不仅适用于纯电力电缆线路，也适用于含有电力电缆和架空电力线的混合线路。卡接式电感耦合器的缺点是，与注入式电感耦合器相比，插入衰减较大。卡接式电感耦合器主要优点是安装原则上不需要停电，既可以应用于纯电力电缆屏蔽层载波通信，也可以应用于混合线路载波组网通信。但是安装方法不相同，应用于纯电力电缆屏蔽层载波通信，卡接式电感耦合器直接卡在电缆屏蔽层上，而应用于混合线路载波组网

13、通信，接地线需要通过卡接式电感耦合器之后再接地。如图1a和1 b所示。图 1a 纯电缆线路末端耦合器安装示意图图 1b 混合线路末端耦合器安装示意图3. 2 辐射形供电网络的载波组网配置方案3.2.1 辐射供电网络的载波组网方式辐射供电网络是典型树状网络，从变电站以树状方式出线供电给配电站，开关站等站点，因此辐射供电网络的载波组网采用以变电站为中心的组网方式，在变电站的出线端安装主载波机，沿着出线寻找相应的配电站或开关站等站点，安置从载波机，这样就可实现“一主带多从”的载波通信网络。图2是一个辐射供电网络的框图，图3是其对应的载波组网配置结构图。 图2 辐射供电网络的载波组网配置结构图图3 纯

14、电缆线路卡接式耦合器在多出线网络中的安装 3.2.2 配置原则a) 一个逻辑网络由一台主载波机带15台从载波机组成。理论上一台主载波机所带从载波机的可支持256台从载波机，但是，为了网络实时性要求，建议一台主载波机带从载波机不要超过16台。b) 一条线路上可存在3个逻辑网络。理论上在一条线路上可以组256个逻辑载波网络，但是，考虑到碰撞监测和相互干扰等因素，建议在一条线路上可以存在不超过4个逻辑网络。当一条线路上存在多个逻辑网络时，逻辑网络之间通信相互不干扰，每个逻辑网络自成系统。如果一条线路上多达上百个通信节点，必须采用多个逻辑网络实现载波组网，否则轮询周期很难满足应用的实时性要求。 c)

15、纯电缆的长度最长8公里。根据现场试验数据的统计分析，采用卡接式电感耦合设备，可靠传输距离可达10公里，但是建议使用时不要超过8公里，如果出现10公里线路，建议与厂家技术人员联系，由厂家技术人员协助完成。d) 分段纯电缆的总长度不要超过5公里，分段数不要超过6段。如果超过6段，建议与厂家技术人员联系，由厂家技术人员协助完成。e) 分支箱原则上不需要处理（如安装高频桥路），如果线路较长，建议在分支箱处安装高频桥接器。f) 在配电站，中间配电站的进出线路要求各安装一个耦合器，如果在该配电站有多条进出线或者需要安装载波机，建议采用阻抗匹配器。g) 在变电站，如果多于2条电缆，建议采用阻抗匹配器。h)在

16、变电站，如果多于2个以上的逻辑网络，或者需要监测从载波工作状态，建议安装载波通信管理机。3.3 环网供电网络框图及其对应的载波组网配置结构图3.3.1 环网供电网络框图及其对应的载波组网方式为了提高供电的可靠性，很多供电网络采用环网供电方式。许多供电网络结构非常复杂，例如环网和辐射结构的混合结构，原则，在分支箱处都安装高频桥接器，在多进出电力电缆处，安装阻抗匹配器，以减少整个载波信道的传输衰减。在配电站的进出电力电缆和连接载波机处，建议安装阻抗匹配器。图4为复杂网络的跨越分支箱高频桥接器和阻抗匹配器安装示意图。图4 复杂网络的跨越分支箱高频桥接器和阻抗匹配器安装示意图 3.3.2 配置原则a)

17、 电电源的环网供电结构，如果环网供电网络上的配电站少于6个，在变电站或者开关站可以安装一台主载波机组成一个逻辑网络。如果环网供电网络上的配电站多于6个，在变电站或者开关站可以安装二台主载波机组成二个逻辑网络。其他较复杂的情况，建议与与厂家技术人员联系，由厂家技术人员协助完成。b) 原则上不需要处理（如安装高频桥路），如果线路较复杂，建议在分支箱处安装高频桥接器。c) 在配电站，在中间的配电站进出线路各安装一个耦合器，如果在该配电站有多条进出线或者需要安装载波机，建议采用阻抗匹配器。d) 在变电站或者开关站，如果用2台主载波机的逻辑网络，建议采用阻抗匹配器。4 典型混合线路的载波组网通信的关键技

18、术试验研究与分析4.1 专线混合线路的载波组网通信关键技术实验研究与分析4.1.1 混合线路特点本试验线路选择上海松江荣乐变电站到明清街1号配电站的一条多段架空-电缆的专线混合线路，中间有二段架空线路且没有分支线路，有三段电缆线路，混合线路总长度达2221m。明清街1号配电站向下经过2级分段电缆向明清街2、3号配电站供电。本项实验研究关键技术是重点解决采用卡接式电感耦合器实现专线混合线路的载波组网通信，此外，荣乐变电站到明清街3号配电站经过1条专线混合线路和2级分段电缆，还需要解决专线混合线路和分段电缆线路混合的载波组网通信难题。4.1.2 关键技术在配电站之间二段电缆，利用二个卡接式电感耦合

19、器实现高频桥路连接，并且利用阻抗匹配器，改善整个载波信道的传输衰减特性。在混合线路的两端电缆处，按照混合线路耦合设备安装方法安装卡接式电感耦合器，见图1b，具体实验方案如图所示。图5 荣乐变电站-明清街1、2、3号配电站载波组网实验方案4.1.3 线路传输衰减测试与分析图 6 荣乐变电站-明清街1号配电站传输电平分布曲线（发送功率电平10dB）图 给出了四种情况下的传输电平曲线：（1） 采用注入式电感耦合器，荣乐变电站到明清街1号配电站的传输衰减分布曲线；（2） 采用卡接式电感耦合器卡接在屏蔽层，荣乐变电站到明清街1号配电站的传输衰减分布曲线；（3） 采用卡接式电感耦合器卡接在电缆芯线上（即卡

20、在屏蔽层外部），荣乐变电站到明清街1号配电站的传输衰减分布曲线；（4） 采用卡接式电感耦合器卡接在电缆芯线上（即卡在屏蔽层外部），荣乐变电站到明清街3号配电站的的传输衰减分布曲线。从图 可以看出，采用卡接式电感耦合器卡接在电缆芯线上（即卡在屏蔽层外部），其传输衰减特性与采用注入式电感耦合器的传输衰减特性非常接近，在70kHz300kHz频段几乎重合，在20kHz70kHz频段，传输衰减两者最大相差20dB，最小相差10dB。4.1.3 测试结果统计分析如表格可以看到，在明清街1号配电站发送了720个数据包，这些数据包经荣乐变电站的PLC-075B的串口自环后，又全部被明清街1号配电站收到。也就

21、是说，在这个回环中，数据通信可靠，没有数据包丢失，无错包。测试记录如下所示：表格1发送包长（Byte）发包间隔（S）发包总长（Byte）正确收包总长（Byte）测试时长（小时）传输正确率1005720007200011004.2 多段架空-电缆且有分支线路的混合线路的载波组网通信关键技术实验与分析4.2.1 线路特点与关键技术该混合线路的网络结构如7所示，其特点是变电站侧电缆较长，达2219m；架空线路也较长，达2562，中间1段电缆非常段，仅有90m，整个线路累计长度为5716m。该线路是1条非常有代表性的混合线路。该混合线路的凸现了长电缆，短电缆和长架空线路综合对载波信道的影响，一般来说，两端电缆较长感应到架空线路上的信号相对较强一些，而长架空线路，特别该架空线路有分支线路，载波信号衰减较大，因此，长短电缆相互影响对混合线路的载波