嚴中亮

（國網(wǎng)山西省電力公司呂梁供電公司，山西 呂梁 033000）

0 引言

隨著我國城市建設的快速發(fā)展，對電網(wǎng)的要求越來越高，為了滿足城市電網(wǎng)改造工程的需求，城市電網(wǎng)都盡可能地采用環(huán)網(wǎng)柜供電方式。在現(xiàn)有的環(huán)網(wǎng)柜供電方式配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中，所用的通信方式一般有電力線載波、光纖、無線通信、電纜等。每一種通信方式都具有不同的性能和特點，其中電力線載波技術是以電力線自身作為相應的通信媒介，在應用中不需要再重新設置相應的通信通道，受到人們的廣泛關注。目前，國內配電自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡多以光纖為主、通用分組無線服務技術GPRS（general packet radio service) 為輔，這是因為一方面實現(xiàn)光纖全覆蓋需要極大的投資，光纖不能有效覆蓋區(qū)域的所有配電終端；另一方面，受制于市政規(guī)劃，部分區(qū)域無法進行地面開挖、敷設光纜，尤其是一些分支線等偏遠區(qū)域，難以實現(xiàn)光纖覆蓋，所以通常都使用GPRS 通信手段來實現(xiàn)配電網(wǎng)的自動化。

1 配電自動化系統(tǒng)中光纖及GPRS 通信方式

國家電網(wǎng)公司出于信息安全的考慮，不允許使用GPRS 做遙控，尤其從2016 年開始，嚴查使用GPRS 做遙控的違規(guī)行為，這就導致使用GPRS的“三遙”（遙測、遙信、遙控） 功能只能降格為二遙功能使用，合分閘需要人工現(xiàn)場操作，對于習慣了使用遙控進行饋線終端設備或配電開關監(jiān)控終端FTU（feeder terminal unit）、數(shù)據(jù)傳輸設備DTU（data transfer unit） 操作的配網(wǎng)運行人員來講極為不便。環(huán)網(wǎng)柜載波通信可以幫助供電公司實現(xiàn)把光纖無法鋪設區(qū)域的DTU 接入主站，完成DTU 與主站的內網(wǎng)通信，實現(xiàn)“三遙”功能[1]。配電自動化系統(tǒng)中光纖及GPRS 的通信方式如圖1所示。

圖1 配電自動化系統(tǒng)中光纖及GPRS 通信方式示意圖

2 載波通信傳輸原理及主要設備

2.1 環(huán)網(wǎng)柜載波傳輸基本原理

環(huán)網(wǎng)柜載波通信采用的是一主多從模式，即在一個主節(jié)點處安裝主載波設備，在同一條線路的多處從節(jié)點處安裝從載波設備。就環(huán)網(wǎng)柜載波而言，主節(jié)點一般都選擇在能夠連接光網(wǎng)絡單元ONU（optical network unit） 設備的環(huán)網(wǎng)柜中，從載波機安裝在無光纖連接DTU 的環(huán)網(wǎng)柜中。

用于環(huán)網(wǎng)柜載波通信所需的設備主要包括載波機、載波管理機和耦合設備。載波機是實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息與載波信號之間的轉換、實現(xiàn)載波信號的發(fā)送與接收的執(zhí)行設備，分為主、從兩款產品，在主節(jié)點處安裝主載波機，在從節(jié)點處安裝從載波機。主載波機兼有載波管理機功能，用于管理下行多個從節(jié)點與主節(jié)點間的通信，上行可以與主站通信。耦合設備用于將載波機信號耦合到10 kV 電纜的屏蔽層——大地的回路上。環(huán)網(wǎng)柜載波傳輸基本原理如圖2 所示。

圖2 環(huán)網(wǎng)柜載波傳輸基本原理示意圖

2.1.1 通信報文下發(fā)過程

通信報文下發(fā)的過程比較復雜，歸納起來有以下幾個步驟。

a） 主站通過光纖通信下發(fā)報文，下發(fā)的報文被主節(jié)點處的電力線載波通信主機接收到。主機具有協(xié)議轉換功能，轉換后將該報文加上相應從載波機的地址。

b） 加了從載波機地址的報文，主載波機對這些數(shù)字信息進行編碼和調制，變成載波信號，再通過耦合設備將載波信號發(fā)送到10 kV 電纜的屏蔽層——大地回路上。

c） 載波信號沿電纜屏蔽層——大地回路傳輸，通過各個從節(jié)點處的耦合設備傳到各個從載波機上。

d） 從載波機接收到載波信號后，進行解調，并通過對數(shù)據(jù)中從載波機地址的驗證來確認該數(shù)據(jù)是否是發(fā)送給該從節(jié)點的。如果地址不匹配則不進行響應，如果地址匹配則通過數(shù)據(jù)接口將接收到的數(shù)據(jù)傳送給相連的終端設備。這樣終端設備就接收到了主站下發(fā)的報文[2-4]。

2.1.2 通信報文上傳的過程

通信報文上傳的過程比較復雜，歸納起來有以下幾個步驟。

a） 終端設備首先通過數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)信息傳送給相連的從載波機。

b） 從載波機進行編碼、調制，將這些數(shù)據(jù)信息變成載波信號，再通過耦合設備發(fā)送到10 kV電纜屏蔽層與大地回路上。

c） 載波信號傳輸?shù)街鞴?jié)點處，通過耦合設備進入主載波機，并解調成數(shù)字信號。

d） 主載波機再通過光纖通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給主站。

這樣，通過環(huán)網(wǎng)柜載波通信，就實現(xiàn)了主站與終端設備間的下行通信和上行通信[5]。

2.2 載波通信主要設備

電力線載波通信主機用于同從載波機通信，正面右模塊位置放置GPRS 模塊，用于通過網(wǎng)線與主站通信。在環(huán)網(wǎng)柜載波通信系統(tǒng)中，主機是實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)配置、載波鏈路管理、載波通信調度、建立并維護從終端與主站間鏈接的神經(jīng)中樞。1 臺主載波機所能負載的從載波機數(shù)量，以及一個環(huán)網(wǎng)柜載波通信系統(tǒng)的規(guī)模，既取決于載波傳輸速率和傳輸距離，也取決于主機的管理和調度能力。在使用時，將主機安裝在主節(jié)點位置，其下行通過串口與主載波機相連，其上行既可通過GPRS 通信與主站連接，也可通過網(wǎng)口接入光纖來實現(xiàn)與主站的通信。

電力線載波通信機。在環(huán)網(wǎng)柜載波通信系統(tǒng)中，主、從載波機是實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息與載波信號之間的轉換、實現(xiàn)載波信號的發(fā)送與接收的執(zhí)行設備。主、從載波機主要負責載波物理層和鏈路層的連通，將數(shù)據(jù)轉換為載波信號，從一端發(fā)送，在另一端接收，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在沿著中壓電力線上兩點之間的長距離傳輸。主、從載波機致力于與中壓配電網(wǎng)的阻抗匹配，降低線路上同頻信號及各種隨機噪聲、突發(fā)噪聲的干擾，降低載波在線路上的多徑衰減及傳輸衰減，以保障高速、遠距離、高可靠性的載波通信。從載波機位于從節(jié)點，它通過串口與從終端相連，其功能是接收來自從終端的上傳數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉換為載波信號，再通過耦合器發(fā)送到電力線上；同時，從載波機也不斷監(jiān)聽來自電力線的載波信號，將接收到的載波信號轉換為數(shù)據(jù)信息，并通過串口發(fā)送給從終端。因此，從載波機實際上是在從終端與電力線之間起到了數(shù)據(jù)轉換和傳輸?shù)淖饔肹6]。

環(huán)網(wǎng)柜載波耦合器分為一次側和二次側，一次側為長15 cm 的2.5 mm2帶絕緣層的銅芯聚氯乙烯絕緣軟銅線（BVR），線端有銅鼻子（銅鼻子規(guī)格為SC 25-8），同時配有M8 螺絲及相關螺母、墊片。二次側為信號線接線端子，通過8 m 載波信號線與載波機相連，實現(xiàn)載波通信[7]。環(huán)網(wǎng)柜載波耦合器的一次側串聯(lián)接入10 kV 電纜的接地線，二次側連接載波主機或從機。

3 環(huán)網(wǎng)柜載波應用

環(huán)網(wǎng)柜載波是供電公司的專有通信網(wǎng)絡，可以為配電自動化、用電信息采集等數(shù)據(jù)傳輸提供安全、可靠的通道。典型的應用價值有以下幾方面。

a） 實現(xiàn)配電自動化三遙功能。國網(wǎng)家電公司出于信息安全的考慮，在配網(wǎng)自動化中不允許使用GPRS 做遙控，這就導致使用GPRS 的三遙DTU 只能降格為二遙使用，合分閘需要人工現(xiàn)場操作。而環(huán)網(wǎng)柜載波屬于供電公司專網(wǎng)，國網(wǎng)允許通過載波做遙控，因此對于原先使用GPRS 通信的DTU，改用環(huán)網(wǎng)柜載波可以實現(xiàn)完整的三遙功能。

b） 作為光纖通信的有力補充。配電網(wǎng)實現(xiàn)光纖全覆蓋的投入極為巨大，而且部分區(qū)域無法敷設光纜，因此存在大量光纖未能覆蓋的環(huán)網(wǎng)柜、箱變等配電設備。環(huán)網(wǎng)柜載波可為這些設備提供上行通道，還可與供電公司已有的配網(wǎng)光纖網(wǎng)絡無縫銜接[8]。

c） 環(huán)網(wǎng)柜載波同樣也可用于用電信息采集。

以下介紹環(huán)網(wǎng)柜載波的幾種應用場景。應用場景一如圖3 所示，應用場景二如圖4 所示。

圖3 環(huán)網(wǎng)柜載波應用場景一示意圖

圖4 環(huán)網(wǎng)柜載波應用場景二示意圖

應用場景一：中壓載波通信實現(xiàn)光纖續(xù)傳。借助已有光纖接入點，中壓載波可提供光纖斷點續(xù)傳通道，為光纖斷點后端配電終端提供上行通信，實現(xiàn)配用電終端通信全覆蓋。

應用場景二：中壓載波通信解決配電終端無信號問題。針對無線信號盲區(qū)的配電終端，以中壓線路為通信介質，采用載波通信模塊把終端的數(shù)據(jù)傳輸至無線信號覆蓋區(qū)域，再上傳至采集主站，提升終端在線率。

應用場景三（圖略）：中壓線路載波通信全覆蓋。以變電站為單位，結合已有光纖，以中壓電力線（包括架空線路、電纜線路和混合線路） 為通信介質，采用鼎信中壓載波通信方案，實現(xiàn)電網(wǎng)上各種設備互聯(lián)互通，為能源互聯(lián)網(wǎng)提供通信支撐。

應用場景四（圖略）：中壓載波通信實現(xiàn)光纖成環(huán)。針對變電站之間終端通信接入網(wǎng)無法成環(huán)網(wǎng)通信，中壓載波能提供可靠的橋接成環(huán)方案，為電力業(yè)務提供主備用通道，提高通信網(wǎng)絡的業(yè)務支撐能力。

應用場景五（圖略）：中壓載波實現(xiàn)緩動型智能分布式饋線自動化 FA（feeder automation） 通信。中壓載波可以為線路相鄰配電終端的通信提供對等式保護通信網(wǎng)絡，通過分布式控制單元之間故障處理邏輯實現(xiàn)故障隔離和非故障區(qū)域恢復供電的緩動型智能分布式FA。

應用場景六（圖略）：中壓載波實現(xiàn)語音傳輸、圖像傳輸。針對檢修公司進行隧道鋪設配電線路檢修過程中需要不同站點之間的通信，中壓載波可以提供穩(wěn)定可靠的通信通道，實現(xiàn)端到端的實時語音傳輸，也可以為無信號區(qū)域載波調試提供通信手段。針對開關站、配電房的實時狀態(tài)監(jiān)控需求，中壓載波能夠為圖像監(jiān)控提供上行通信信道，實時監(jiān)控站所及線路運行狀態(tài)，為故障診斷與檢修提供決策依據(jù)。

4 現(xiàn)場應用效果

呂梁供電公司試點移民1 號線路環(huán)體線K1 處有光纖，環(huán)體線K2 處無光纖。K2 處的DTU 使用的是GPRS 上行通信?？紤]到現(xiàn)場情況，計劃在K1 處安裝主機，在K2 處安裝從機。在現(xiàn)場勘查中，主要對環(huán)網(wǎng)柜之間的線路距離、實際柜體距離、環(huán)網(wǎng)柜內部耦合器安裝空間、電纜的接地情況、載波機的空間放置等進行勘查。環(huán)網(wǎng)柜之間的空間位置是環(huán)體線K1、K2 的距離，約為240 m。

環(huán)網(wǎng)柜載波使用電纜屏蔽層作為通信介質，主要設備包括主、從載波機和耦合器，通信模式為一主多從，耦合器接在電纜屏蔽層的接地線中，從機借助耦合器將對應DTU 的數(shù)據(jù)經(jīng)電纜屏蔽層傳輸給主機，主機再將數(shù)據(jù)以網(wǎng)線傳輸給ONU，最終通過光纖網(wǎng)絡上傳到配電主站。

環(huán)網(wǎng)柜載波設備安裝簡單、快捷，無需停電，環(huán)網(wǎng)柜載波試點自2019 年7 月中旬調試完成以來，通信穩(wěn)定可靠，無通信中斷事件，實時性完全滿足配電自動化系統(tǒng)的運行指標要求，完全符合《配電自動化系統(tǒng)技術規(guī)范》 DL/T 814—2013標準的要求。表1 為測試數(shù)據(jù)，表1 中響應時間為主站統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

登錄主站調試后，進行遙控實驗，并對比了與光纖、GPRS 通信的遙控預置響應時間，實驗結果如下。

遙控分合閘：對環(huán)網(wǎng)柜K2 備用間隔下發(fā)遙控命令，主站統(tǒng)計響應時間3 s，開關機構可以穩(wěn)定、準確地完成分閘、合閘動作，滿足配網(wǎng)自動化系統(tǒng)技術規(guī)范中系統(tǒng)響應時間規(guī)定的遙控完成時間<5 s 的要求。

表1 2019 年7 月測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

遙控預置對比：對比環(huán)網(wǎng)柜載波與光纖、無線GPRS 通信方式下的遙控預置響應時間，數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2 所示。

表2 環(huán)網(wǎng)柜載波與光纖、無線GPRS 通信方式下的遙控預置響應時間對比

通過遙控預置對比，環(huán)網(wǎng)柜載波與光纖相比，響應時間差別不大，均小于GPRS 響應時間。

綜合以上，環(huán)網(wǎng)柜載波通信完全滿足配電自動化系統(tǒng)運行指標的要求，在配電自動化領域具有很高的應用價值。

5 結束語

供電公司配網(wǎng)自動化建設中存在以下問題：第一，DTU 上行通信主要采用光纖，光纖敷設受市政建設、地理環(huán)境等影響，存在建設投入巨大、維護成本高等問題。第二，由于存在信號盲點，導致城網(wǎng)線路拓撲不能實時更新，線變關系識別困難，影響線損統(tǒng)計，增大了故障定位難度。環(huán)網(wǎng)柜載波通信可以幫助供電公司實現(xiàn)把光纖無法鋪設區(qū)域的DTU 接入主站，完成DTU 與主站的內網(wǎng)通信，實現(xiàn)“三遙”功能。