全双工模式10kV配电载波通信技术简介

罗红

摘要：配电载波通信采用电力线作为传输介质，将配电网数据转换成为载波信号，并通过耦合装置将信号耦合到电力线上传送到远方，实现配电网数据通信功能。当前，载波通信在国内很多城市都有着不同规模的应用。随着无源光纤网络通信（EPON）技术在配电自动化的成功应用，配电自动化系统对通信通道质量提出了更高要求，载波通信技术须在现有基础上有所创新和突破，提升各项通信技术指标，以满足配电自动化系统的应用需求。

关键词：配电载波;全双工模式;ACPR；配电自动化随着配电自动化技术发展，以主站或子站集中式为主要馈线自动化实现模式的应用，逐步转向智能分布式、电压-时间型等多种馈线自动化模式共同发展。通信网络技术的发展，也使得配电自动化终端设备与主站系统之间的通信连接关系由过去的RS-232串行接口为主，发展为现在的以太网接口，通信规约则采用IEC104规约。无论采用何种馈线自动化模式，对通信速率、可靠性等指标的要求都有所提高，其中智能分布式馈线自动化还要求管辖区域内的终端设备之间必须具备对等网通信的条件。配电载波通信技术必须顺应这一发展趋势来发展。

1配电载波组网方式现状

以往受技术水平限制及当时的实际需求等因素影响，配电自动化项目对通信通道要求较为宽松，一主多从组网结构的半双工载波通信通道足以满足电力自动化“三遥”功能的需求。远动通信中配电终端设备一般采用RS-232串行结构及非平衡IEC101规约即polling（轮询问答）机制通信规约来实现基本“三遥”的监控功能，甚至在配电变压器监测系统中往往一台主载波机要与数十台从载波机组成大规模配电载波通信网络，轮询周期长达数十分钟。

随着EPON通信技术大规模地应用，人们很自然地拿载波通信技术与之相比较，对载波通信方式有了更高的期望。智能配电网技术的发展方向对通信通道同样提出了更高要求，如通信响应更迅速、通信速率和可靠性更高、支持配电网突发的信息主动发起上传等。

半双工载波通信中每一包数据帧的传输都要求收、发双方进行信号相位同步，一般要耗费几十到数百毫秒的导频时间。配电自动化数据通信大多为50字节左右的短报文，在半双工载波通信传输过程中，大部分时间消耗在建立通信链接的导频阶段，导频时间已成为制约通信效率的最大障碍。

2窄带全双工载波通信技术的展望

采用频分方式在电力线路信号传输媒介中划分独立的逻辑数据传输通道，载波机可以同时接收多路不同频点的载波信号，接收载波信号的同时，能做到以不同频点向外发送载波信号，载波信号的收、发过程相互间不受影响。上述功能是实现全双工模式载波通信的基础，新一代全双工载波机具备了多个独立的载波信号收、发通道，实现了更加灵活的组网应用。

有了全双工模式的载波通信物理层的支持，配电载波通信技术的组网通信方式将会变的更加多样化，功能更加丰富。

2.1 灵活多样的通信组网方式

利用載波机多收多发的通道特性，可建立复杂的通信组网方式，可在一定范围内建立对等通信网络。将它应用于分布式馈线自动化系统中，能够实现DTU设备间的快速信息传递。如下图中，四台DTU设备利用载波通道进行对等通信，四台载波机分别以50KH、58KH、66KH、74KH发送信号，每台载波机的三个接收通道分别接收来自其他三台载波机的信号。

2.2 中继传输方式的革新

中继转发数据时，无需对信号进行解码，不要求一次性接收完整包数据后再做转发处理，可以做到边接信号收边中继转发信号，中继传输延时得到最大限度的减低。

2.3 网管功能实现更容易，且不会对正常通信业务造成影响

其中一个接收通道专用于接收网管数据，网管信息的发送信号与其他通信服务共享一个发信通道，网管数据传输时规定采用一个固定频点载波信号进行数据收、发。独立的网管数据传输通道不影响正常的配电网数据通信业务，是一种极为高效的通信网管解决方案。

2.4 实时在线的通信链接状态，数据传输任务及时响应

通信初始链接时进行一次导频同步，通信链路建立后长期保持链接状态，配电载波智能化网管系统实时跟踪通信链路状况，一旦发生“掉线”，将迅速做出自动链接调整，寻求最优化方案重新接入载波通信网，或在检测到无法修复的通信故障时提供告警信息。

2.5 支持以太网协议数据包透明传输

载波机支持TCP/IP协议，配电终端设备通过以太网接口，利用载波通道，采用网络IEC104规约向主站系统进行数据接入。

2.6 支持大数据流传输

利用网管专用通道，在不影响正常载波通信情况下，对载波设备或配电终端设备进行远程维护、远程调试或远程程序升级。

3关键技术的研发

3.1 多路收、发信号处理通道

多路独立的信号接收通道，可同时接收并处理多路不同频点的载波信号。具有一路或多路载波信号发送通道，载波机发送信号时不能影响来自远方的载波信号接收。多路收、发信号处理过程中包括编码、调制、滤波、解调、解码、纠错等，全部由数字信号处理芯片加以实现。收、发载波信号的频点是可以人工设置，也可交给载波智能化网管系统自动设定。

3.2 载波信号耦合器的改进

从降低应用成本和安装难度等方面考虑，全双工配电载波机将仍然要采用一个信号耦合装置，收、发信号是混合在一起的，进行通道分离后接收电路上的信号经过自发信号抵消处理来削弱自发信号对信号接收通道的影响。

某些类型信号耦合装置效率不高（如卡接式电感耦合器），主要原因是与载波设备收、发信号接口的电路设计不能完全匹配，存在严重的无功损耗，电力线路上却无法获得足够强度的载波信号能量支持远距离传输。配电载波通信信号耦合效率的提升关系到载波工作电源的能源利用率，更加符合节能环保要求，可显著降低载波机功放单元的发热，延长元器件使用寿命，减少因个别元器件老化引起的性能下降和通信故障。耦合效率得到改善后，信号传输距离更广，可尽量避免采用中继通信方式，减少通信时延，降低载波通信频率资源开销。

提升载波信号的耦合效率首先要对传输线特性进行全面分析，通过对载波通道物理传输媒介的分析，有助于了解载波信号在线路中的衰耗过程，如下图所示电缆屏蔽层载波通道的传输线路模型。

考虑到传输线路存在小电感，损耗电阻，电缆与大地之间存在分布电容和漏电电阻（漏电电导，对于高频信号，这些小的参数将影响显著。我们假设单位长得分布电感为L0,单位长度的损耗电阻为R0,单位长的分布电容为C0,单位长度的漏电电导为G0（这些参数也可以结合具体几号尺寸和环境的介电系数，建模获得或通过测试获得）,那么这条传输回路的模型可简化为传输线模式如图所示。

耦合器的磁芯绕组线圈等应看成功放电路的一部分整体分析，电路设计主要考虑避免功放电路中的高频自激振荡做无用功、减小励磁电流带来的无功损耗、采用高磁导率磁芯材料、阻抗匹配设计等方面。载波信号在传输线中要考虑到多径衰落、驻波、回波损耗等传输特性造成的影响，需采取有效措施加以克服。

4结束语

融入了多项新技术的全双工模式载波通信系统将成为光纤通信的重要补充。充分发挥其施工安装方便、投资省、见效快、免维护、通信距离远、可靠性高等优点，非常适合应用于下列场景中：①光纤难以敷设到位的老城区；②光纤通道敷设盲点；③临时性站点；④急于解决通信问题的新建站点；⑤未经架空线入地改造的城市架空线路；⑥城乡结合部等非重要负荷区域；⑦农网远距离架空线路等等场所提供数据接入服务；⑧处于军事演习等特殊区域需要进行无线信号屏蔽的配电线路。随着我国配电网建设步伐的加快，配电载波通信技术在促进配网自动化建造中将大有可为。

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