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。
关键词：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。
　　(3)信噪比是衡量通信的接收能力的重要指标。当线路噪声很大时，NDLC的工作必将受到影响，也就是说线路停电后，NDLC的接受能力会因无噪声的影响而有所提高。
　　(4)小电流接地故障，允许带故障运行2小时，这对于NDLC的影响很大。但是相相耦合方式可以确保在单相接地故障下NDLC工作的可靠性。
　　(5)当相地耦合方式下，单相接地故障据NDLC的某一节点距离不足载波信号波长的四分之一时，故障附加衰耗很大；当发生金属性故障，绝缘不能恢复时故障附加衰耗极大；当线路发生三相断线时，故障附加衰耗为无穷大。因此必须在通信网络上采取特殊措施提高NDLC的可靠性。
　　(6)在了解线路的通道衰耗的基础上，要有一定的裕度以克服系统运行方式变化及天气变化的影响。
　　4.4 利用通信网络管理提高可靠性
　　从网络结构来看，配电网可以看作一个自由拓扑的总线网。由于线路长，分支多，几乎不可能做到每两个节点之间都能直接相互通信；由于节点众多，节点的管理是一个重要的问题。作者从通信系统的组态、可扩展性、传输距离及通信节点的可靠性方面提出NDLC结构的三个原则，以解决电力线载波通信中的相关问题。
　　（1） 在通信结构上，采用面向对象的设计思想
　　面向对象技术是软件工程的重要概念，也是分层、分布式控制的重要思想。电力系统本身就是分层、分布式的系统。配电网更是按变电站、馈线、开关（变压器）、负荷分层分布的。配电网每一条馈线上的节点（Node）组成一个子网（Subnet），隶属于同一个变电站的各馈线子网组成一个区域（Domain）。于是，配电网上的任一节点地址均可由Domain、Subnet、Node三个地址唯一确定。不同变电站之间的节点由变电站之间相联络的联络开关处的联络节点，利用数字桥相互分离，使得隶属于这两个变电站的节点之间未经联络节点的允许不能通信。一般情况下，只有隶属于同一条馈线上各节点才可以且有必要相互通信，这些节点相当于被封装在一条馈线里；如果在网络重构或其他特殊情况下，某节点需要与其它馈线节点、其它变电站通信，则必须经过联络开关处的联络节点进行。每条馈线上的第一子站相当于该馈线上的子网管理节点，它一方面记录着该馈线上各子站节点的地址、性质等信息，另一方面承担了与配电主站相连的路由器功能。
　　提出这一思想，目的是使得整个系统具有良好的可扩展性。如果要增加一个节点，只需将其地址、性质在该节点所属馈线的第一子站注册即可；如果要增加一条馈线，也只需将该馈线的地址在该馈线所属变电站主站注册即可。完成这些工作，均无须改动已有的系统的任何设施，也无须更改已有各节点的硬、软件。对于分步、分期进行的配电自动化工程，这是非常有意义的。
　　（2） 在通信距离上，实现自动设置中继
　　在NDLC系统中中继节点是必需的。中继节点设置的最理想情况是由主站自动设置。主站通过第一子站问询某远方子站节点多次无应答时，自动下载定值使得中间某个能收到问询命令的子站节点变为中继节点。中继节点的硬件与普通子站节点完全一样，仅仅在软件流程中多走了一个接收并转发信息的功能模块；由于中继节点转发的信息是数字信息，因此只会带来信号的增益不会带来失真，并且对于同一帧报文，一个中继节点只转发一次，因此也不会过多地增加网上的通信压力。这样，只要每两个最近的节点能相互通信，整网的节点就能相互通信，而这一条件是很容易满足的。
　　（3） 在通信可靠性上，实现节点全网漫游
　　提高NDLC系统的可靠性可以理解为在一个以中压电网自由拓扑为基础的总线型局域网上如何保证节点不丢失。每一节点在原则上都有能力与其他任意节点通信，如果变电站A的某一节点M不能与它所在的馈线的通信管理节点——第一子站通信（如因断线等原因），网络管理中对该节点的自检将发现该节点丢失，首先通信管理节点试图通过自动改变中继重新找到该节点未能成功，然后该节点自己检测到被丢失，主动向它所在馈线的联络节点（数字桥）申请漫游，桥节点将它的漫游申请汇报给对侧变电站B的通信管理节点，这个通信管理节点对漫游来的新节点重新注册并通知配调中心，配调中心将通知变电站A原有的节点M已经漫游到变电站B去了。至此完成节点的漫游，NDLC系统通过“自愈”实现可靠工作。
　　5 NDLC的现场试验
　　华北电力大学四方研究所从1998年开始对NDLC应用与配电系统综合自动化进行了深入的研究与实践。下面介绍在河北省唐山某10kv配网完成的一次现场试验的情况。试验采用四方的CSDA2000配电自动化系统的NDLC和CSF100配电终端单元，网络接线如图2所示：

　　 图2 试验网络接线图
　　在试验配电网络中A节点为变电站节点，变电站有5条出线，B、C、D、E节点为线路节点，其中AB距离4km，中间有两段电缆各为300m，BC距离2km，中间有一段电缆，长度为200m，CD距离3km，AE间距离为2.5km，配电网中的配电变压器及线路分支如图所示。按上节的通道分析估算AB间的通道衰耗约为43dB，BC间的通道衰耗约为17dB，CD间的通道衰耗约为12dB，AE间的通道衰耗约为30dB。线路噪声情况为20~30dB。在变电站与FTU之间进行通信测试，报文长度为20bytes。表2所示为线路正常工作时的情况，表3所示为线路停电后的测试情况。

　　试验表明，在线路正常运行时，AB、AE之间的通信是十分理想的，AC之间的通信也是可以接受的，AD之间的通信是不成功的，当B点为C节点、D节点进行中继后AC、AD间的通信是理想的。当线路的出口断路器断开时（线路没有故障），由于线路无噪声且不存在变电站的介入衰耗，NDLC的工作情况大大改善，以上所有的通信都是成功的。试验还表明由于电网的不对称性，相互通信的两个节点的接收情况略有不同，变电站处的节点效果略好。另外的试验表明对于报文长度为10bytes和25bytes的两种情况的通信效果是一样的。试验证明NDLC的通道是可以从理论估算的，经过特殊考虑的NDLC是可靠的。NDLC是一种自由拓扑的、网络化的、可靠性高、灵活性强、广泛适用的通信方式，将是非常适合配电自动化的通信方式。
　　6 结论
　　配电自动化的关键是通信，研制一种适合我国配电网实际情况的通信方式具有重要意义。基于DSP解码的电力线通信是完全不同于传统电力线载波的新技术，尤其是与现场总线相结合的网络化电力线载波技术，具有高度灵活性，是一种非常理想的通信方式。本文讨论了建立具有高可靠性的NDLC系统的原则及措施，提出在充分了解并准确估算配电系统的通道衰耗的情况下，利用网络管理实现具有自愈功能的NDLC系统。经10kV实际系统的试验运行表明NDLC系统具有很高的可靠性，完全适用于配电自动化的控制功能。