具有高可靠性的网络化配电载波系统的与实现

具有高可靠性的网络化配电载波系统的研究与实现摘要：本文介绍了新一代电力线载波技术——基于DSP解码的网络化配电载波（NDLC）技术，介绍了华北电力大学四方研究所在这方面的工作。文章讨论了配电载波的特点，分析了NDLC系统的可靠性，提出了提高NDLC系统可靠性的措施及NDLC系统的组网原则，指出经过特殊配置的NDLC系统是可靠的，完全适用于配电自动化的馈线自动化控制功能。NDLC在10kV实际系统的试验运行验证了以上分析的正确性。关键字：网络化配电载波配电自动化通信1

引言配电系统综合自动化是在信息化的基础上，将配电系统在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成，构成完整的自动化系统，实现配电网及其设备正常运行及事故状态下的监测、保护、控制及用电和配电管理的自动化，最终实现以大幅度提高供电可靠性、改善电能质量为目标的对配电系统的在线的、准实时的闭环控制。配电系统的测控终端单元（FTU）在实现配电网保护的同时具有更强大的测量功能，它是馈线保护与RTU的综合，是具有更高信息化程度的馈线保护，FTU实现配电系统的信息采集，配电网通信实现配电系统的信息汇总。通信是配电自动化的关键，也是配电自动化的核心[1]。配电运行、管理功能的综合优化的实现建立在配电系统通信的基础上。光纤通信可靠性高，抗干扰能力强，不受环境条件的影响，可作为语言、数据、图象的传输。但成本较高，灵活性差，当线路没有预先铺设的光纤时需要另行铺设，当线路结构变化时光纤通道也需变动。无线通信广泛地被应用于许多行业，但对于高楼林立的城市配网，这种无线通信的接收信号会受到波传输的影响（绕射能力差），因此往往出现在城市中应用效果不佳的现象。音频有线通信是一种较为经济实用的方式，对通信的布设及各通信端的连接无特殊要求，与光纤相比造价低，易于实施，但容易受环境的影响，尤其是与高压线路同杆共架时高压对通信线的干扰较大[2]。配电载波通信集功率通道和通信通道、能量流与信息流于一体，不受配网结构变化的影响，尤其是基于网络的配电载波支持自由拓扑，具有极大的灵活性，基本不需维护，施工方便快捷，成本较低，通信速率较高，非常适合于中国城网改造的具体情况，是很有前途的配电自动化通信方式。配电系统线路多分支，多变压器及柱上开关可能出现的断点以及线路故障使得配网载波面临许多新问题。其中主要的问题是DLC的可靠性。针对这一问题，华北电力大学四方研究所进行了较深入的研究，经过试验研究与理论分析，目前这些问题基本上得到了澄清和解决，认为网络化的配电载波（NDLC）是完全可以满足配电自动化的要求的。2

电力线载波技术的发展电力线载波通信（Power

Line

Carrier）是电力系统通信的一种主要方式，它始于二十世纪三十年代，至今仍为高压线路的主要通信方式之一。今天作为高压/超高压线路的主保护的高频保护以高压线路载波(Transmission

Line

Carrier)为基本通道，TLC能够在线路故障的情况下可靠工作，并且确保了高频保护在通道问题上的可靠性。九十年代，随着信息产业的发展，西方的科技人员正在努力把PLC应用于Internet，使它成为通信高速公路的主要组成部分之一。在TLC技术逐步成熟的同时，配电载波（Distribution

Line

Carrier）技术也越来越广受青睐，DLC更易于与现代通信技术、测控技术、网络技术相配合。与TLC相比，DLC具有更加广阔喜人的应用前景，尤其是在九十年代末期DLC在技术上、原理上得到重大突破，成为新型的通信热点之一。九十年代末期，世界上几家半导体通讯公司先后推出基于电力线的通信网络，该技术正在快速发展，性能及技术正在向以太网逼近。这使得DLC在民用领域、工业控制领域的应用前景极其鼓舞人心。DLC的技术主要经历了基于锁相环的窄带DLC、基于电力扩频的DLC、基于DSP解码的窄带网络化配电载波（Network

of

Distribution

Line

Carrier—NDLC）三个发展阶段。3

配电网载波通信的特点配电自动化是以计算机网络技术和现代通信技术为基础，它对配电载波要求与传统的高压电力线载波技术有着本质区别。传统的高压线路载波技术以实现长距离的两点通信为目标，为此，在线路两端加设阻波器，在防止区内信号泄漏的同时也避免区外信号及噪声进入本区段。这种点对点的封闭式的通信不适合配电网保护及自动化的要求。配电载波通信的理想模式应当是开放式的计算机网络通信。它以配电网的智能控制装置为网络节点，利用配电线路固有的拓朴结构构成总线网进行通信，是一种基于计算机网络的数字载波技术。这一区别主要表现在配电自动化的载波通信在全网不加设阻波器。因为阻波器的存在将成为配电载波网络化的主要障碍。无阻波器后对通信增加了很多难点。如线路波阻抗不定；配电网分支、T接太多太乱；信号在整个中压电网上乱串；中压电网的干扰不受阻挡地进入通信通道。只要针对配网载波通信的特点分析其通道衰耗特性，并采取相应的特殊措施，提高载波通信的可靠性。网络化的配电载波是可以满足配电网保护及自动化的要求的。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的信号可能出现的衰耗有以下几部分：两个通信节点的终端衰耗，变电站的介入衰耗，分支线路的分支衰耗，10kV/0.4kV配电变压器的泄漏衰耗，电力线的线路衰耗，通信桥路的桥路衰耗，不同传输介质的折射衰耗，线路故障时的故障附加衰耗，恶劣天气下的天气附加衰耗等。其中，变电站的介入衰耗是配电网载波的一种主要衰耗，一般可达10~20dB，变电站出线越多其介入衰耗越大；线路衰耗很小，甚至可以忽略，配电变压器的泄漏衰耗、分支线路的分支衰耗及折射衰耗与其数量有关，可以准确估计[3]。4.2

线路开口的处理配电网运行中，负荷开关、联络开关断开后将导致载波信号传输的高频通道出现开口。对这种情况的处理一般采用搭桥方式。图1（a）是模拟桥，它可以直接构成高频通道；图1（b）是数字桥，它是通过一个节点对接收到的信号进行有选择性的中继实现传输的，它的另一个优点是可以通过软件控制载波节点通信的范围，这一点对于通信系统对节点进行管理是非常必要的。4.3

线路故障时NDLC的可靠性分析在配电线路故障时的NDLC的可靠性分析是确保NDLC可靠性的前提。表1列出在不同耦合方式下的不同故障类型的模传输过程的故障分析及通道的故障附加衰耗分析。比较单相耦合方式和两相耦合方式，显然两相耦合方式的传输效率高于单相耦合方式，尤其是当线路发生单相接地后，两相耦合可以退化为单相耦合，不存在单相耦合中当故障点距离发信节点很近时通道衰耗极大的情况，因此两相耦合方式在充分考虑各种衰耗情况下，完全可能具有高度可靠性，非常适用于馈线自动化的故障隔离与恢复供电。然而对于配电网保护而言，故障隔离、恢复供电都是在线路出口的馈线保护切除故障的情况下进行的，可以得出一下几点结论：(1)绝大多数情况下，故障附加衰耗是很小的。线路停电后，故障点的绝缘恢复，对于传输功率不足1W的NDLC信号没有什么影响。只有当短路点在线路停电后仍未恢复绝缘时故障附加衰耗才较大。(2)变电站的介入衰耗是十分可观的。当线路故障后（大电流故障），线路与变电站断开，该项衰耗为零，这将有利于NDLC的可靠通信。直闻穗(3话)狠信噪比是衡量柳通信的接收能争力的重要指标侮。当线路噪声意很大时某，市NDL格C税的工作必将受赴到影响，也就丰是说线路停电祖后楚，感NDL建C式的接受能力会裹因无噪声的影夏响而有所提高大。菊租英(4竟)双小电流接地故磁障，允许带故灶障运辞行牺2惨小时，这对坦于魔NDL材C绍的影响很大。丑但是相相耦合炮方式可以确保蜂在单相接地故议障终下功NDL写C蝴工作的可靠性好。稳信芹(5换)素当相地耦合方惜式下，单相接挽地故障带据输NDL刚C窑的某一节点距摘离不足载波信劣号波长的四分毒之一时，故障驾附加衰耗很大景；当发生金属武性故障，绝缘份不能恢复时故猛障附加衰耗极兵大；当线路发响生三相断线时泻，故障附加衰休耗为无穷大。化因此必须在通恐信网络上采取渠特殊措施提洒高杆NDL钩C致的可靠性。卫霉页(6挨)戏在了解线路的荷通道衰耗的基狡础上，要有一彻定的裕度以克配服系统运行方于式变化及天气厨变化的影响。振挪丰4.4予哀利用通信网络脾管理提高可靠系性竟从网络结黎构来看，配电乞网可以看作一蒙个自由拓扑的芬总线网。由于抓线路长，分支黑多，几乎不可煤能做到每两个贞节点之间都能每直接相互通信梯；由于节点众峡多，节点的管悟理是一个重要筋的问题。作者亏从通信系统的庆组态、可扩展棵性、传输距离浪及通信节点的手可靠性方面提脸出室NDL蓬C询结构的三个原殊则，以解决电般力线载波通信看中的相关问题钢。粗小（幼1象）饼端在通信结构上凶，采用面向对跳象的设计思想麦面向对象练技术是软件工翼程的重要概念餐，也是分层、注分布式控制的翅重要思想。电茶力系统本身就洗是分层、分布盛式的系统。配真电网更是按变顿电站、馈线、深开关（变压器彼）、负荷分层战分布的。配电朴网每一条馈线拔上的节点丢（醒Nod芝e蝶）组成一个子煌网盖（泄Subne封t头），隶属于同巴一个变电站的钻各馈线子网组扣成一个区域铅（染Domai惭n竖）。于是，配盯电网上的任一顽节点地址均可缎由崭Domai皮n略、私Subne活t乞、凤Nod打e掩三个地址唯一难确定。不同变叉电站之间的节危点由变电站之泼间相联络的联预络开关处的联盾络节点，利用米数字桥相互分兼离，使得隶属平于这两个变电瓣站的节点之间办未经联络节点订的允许不能通至信。一般情况头下，只有隶属域于同一条馈线袖上各节点才可执以且有必要相要互通信，这些格节点相当于被搭封装在一条馈你线里；如果在肚网络重构或其搭他特殊情况下孩，某节点需要罩与其它馈线节铺点、其它变电艇站通信，则必枕须经过联络开俱关处的联络节观点进行。每条醋馈线上的第一蝶子站相当于该最馈线上的子网误管理节点，它突一方面记录着棚该馈线上各子悉站节点的地址猛、性质等信息恶，另一方面承设担了与配电主尾站相连的路由凡器功能。谊提出这一轧思想，目的是滋使得整个系统会具有良好的可跳扩展性。如果竿要增加一个节汤点，只需将其所地址、性质在桂该节点所属馈喊线的第一子站姨注册即可；如灿果要增加一条泄馈线，也只需凤将该馈线的地舌址在该馈线所坡属变电站主站饮注册即可。完辰成这些工作，榴均无须改动已召有的系统的任铺何设施，也无娇须更改已有各粮节点的硬、软递件。对于分步漠、分期进行的圆配电自动化工谋程，这是非常科有意义的。买炎（浇2镜）挪西在通信距离上涛，实现自动设女置中继肝救在厘NDL想C迹系统中中继节读点是必需的。蜻中继节点设置敏的最理想情况乞是由主站自动侦设置。主站通氏过第一子站问抚询某远方子站辞节点多次无应缓答时，自动下惯载定值使喇得中间某个能迟收到问询命令暂的子站节点变棉为中继节点。砍中继节点的硬厦件与普通子站简节点完全一样御，仅仅在软件筋流程中多走了馆一个接收并转猛发信息的功能何模块；由于中努继节点转发的童信息是数字信缓息，因此只会寻带来信号的增诞益不会带来失扫真，并且对于并同一帧报文，闸一个中继节点往只转发一次，版因此也不会过妨多地增加网上易的通信压力。焰这样，只要每役两个最近的节诸点能相互通信都，整网的节点届就能相互通信须，而这一条件龙是很容易满足阁的。撕册（眼3共）钉银在通信可靠性送上，实现节点湾全网漫游为提殃高么NDL住C雕系统的可靠性役可以理解为在龟一个以中压电亲网自由拓扑为丹基础的总线型及局域网上如何分保证节点不丢抚失。每一节点烘在原则上都有器能力与其他任骨意节点通信，港如果变电比站篮A赖的某一节稳点石M咽不能与它所在枕的馈线的通信星管理节晋点叔—铲—顾第一子站通信汽（如因断线等驼原因），网络矿管理中对该节秤点的自检将发派现该节点丢失偿，首先通信管甘理节点试图通毁过自动改变中蒜继重新找到该槽节点未能成功倚，然后该节点刑自己检测到被富丢失，主动向抽它所在馈线的揪联络节点（数固字桥）申请漫碌游，桥节点将仙它的漫游申请福汇报给对侧变浮电仪站各B洲的通信管理节可点，这个通信演管理节点对漫震游来的新节点笋重新注册并通执知配调中心，虎配调中心将通雹知变电扰站较A肤原有的节尼点窝M艇已经漫游到变季电慕站迟B除去了。至此完翁成节点的漫游挨，万NDL捞C分系统通帽过遣“著自啊愈菌”厕实现可靠工作掌。保躲兰5猪招NDL话C满的现场试验绳华北电力蹦大学四方研究流所辆从瓜199比8糟年开始缩对鲜NDL男C津应用与配电系食统综合自动化壮进行了深入的限研究与实践。暖下面介绍在河砖北省唐山担某版10k挖v抵配网完成的一塔次现场试验的受情况。试验采苗用四方珠的势CSDA20本0甩0育配电自动化系艺统酸的剖NDL利C模和足CSF10忧0马配电终端单元饰，网络接线如狭图姻2翠所示：扑辫奔板图久2昌试验网络接岛线图热在试验配盲电网络到中横A响节点为变电站盾节点，变电站待有邻5穷条出线趁，界B圆、安C出、掌D赚、寨E俘节点为线路节捆点，其回中振A倡B令距离当4km马，中间有两段沟电缆各为盒300m段，汗B召C巧距离首2km党，中间有一段伯电缆，长度为朝200m冠，骡C籍D得距离夜3km刺，枯A折E吓间距离为孔2.5km戒，配电网中的狸配电变压器及外线路分支如图尺所示。按上节填的通道分析估盼算骗A煎B浪间的通道衰耗障约昆为熊43d穷B撤，红B漠C屡间的通道衰耗悉约狭为誓17d浑B筛，番C运D瑞间的通道衰耗联约泼为软12d背B锄，星A赠E水间的通道衰耗珍约糊为选30d臭B画。线路噪声情嘉况息为雕20~30d刊B泼。在变电站电与糠FT京U偿之间进行通信注测试，报文长本度楼为吊20byte裹s许。妄表段2争所示为线路正老常工作时的情售况，郊表绵3用所示为线路停痛电后的测试情靠况。仅试验表明村，在线路正常签运行时尤，斩A匠B仓、耍A齐E神之间的通信是室十分理想的捧，染A共C桃之间的通信也钥是可以接受的挨，志A豪D姿之间的通信是琴不成功的，虾当逃B倡点犯为德C怒节点味、吉D式节点进行中继恒后丢A起C惕、恒A炭D押间的通信是理末想的。当线路换的出口断路器静断开时（线路烘没有故障），取由于线路无噪腿声且不存在变作电站的介入衰描耗纽，爸NDL梅C符的工作情况大绝大改善，以上宜所有的通信都嫂是成功的。试族验还表明由于杆电网的不对称私性，相互通信晋的两个节点的第接收情况略有红不同，变电站瓜处的节点效果锹略好。另外的仍试验表明对于梯报文长度量为节10byte