中压配电网电力线载波通信实验教学系统

王艳　赵洪山　宋玮

摘要：为培养电力系统高层次复合应用型人才，教学团队研发了一套既适合实验教学，又结合实际电力系统通信网络的中压配电网电力线载波通信实验教学系统。简介了电力线载波通信技术，给出了载波通信装置的硬件结构及电路设计，构建了一个中压配电网PLC通信实验仿真教学系统。学生可根据中压配电网实际拓扑搭建载波通信信道模型，设置通信参数，测试通信性能指标等，以促进其理论知识的学习，提升实践动手能力，实现教学目标。

关键词：配电网；电力线载波通信；硬件电路设计；实验教学系统

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）17-0267-02

随着社会经济的发展，应用型专业人才的培养已经成为各高校发展的必然选择。华北电力大学（保定）电力工程系从高等教育大众化及社会经济发展的现状出发，同时结合电力系统特色，把大力培养社会发展所需要的高层次复合应用型电力人才作为教学目标之一，注重培养学生知识复合、能力复合、思维复合以及适应社会需要的能力。网络与通信技术以其资源共享，高效可靠的特点广泛应用在电力行业中，成为电力系统通信的重要组成部分，在电网继电保护、监控及调度自动化等方面扮演着越来越重要的角色。随着电力系统中对通信技术人才要求逐步提高，华北电力大学（保定）电力工程系将网络与通信技术设定为电气工程专业学生的必修课。网络与通信技术作为一门综合性的科学，与电路基础、电子技术、通讯技术、计算机技术等有着密切的关系，是一门理论性、实践性和应用性很强的课程。该课程专业术语抽象、内容枯燥、基本概念多、协议多，学生普遍反映有些知识比较难学、难懂，加上缺乏对工程实践的感性认识，易出现弃学的心理。故本教学团队老师根据电力系统实际通信网络的应用，结合配电网架构特点，研发了一套基于OFDM技术的中压配电网电力线载波通信实验系统。该实验系统设计既适合实验教学，又结合实际应用。如载波通信模块的硬件是按照现场应用来进行设计的，载波通信模块中的软件不但实现必需的通信功能还增加了学生实验测试和设置功能，同时配电网信道模型学生可根据实际网络拓扑去自己搭建。这样的实验系统不仅使学生增强了实验兴趣，还提高了动手能力，同时使学生更多地了解电力系统通信网络中基于电力线载波技术的通信网的实际电路和系统构成。

一、电力线载波通信技术

电力载波通信PLC（Power line Communication）技术是电力系统特有的通信方式，是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。其最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。电力线载波通信由于其成本低，灵活性高，可以适应各种网络结构，同时运行维护方便简单等优点，受到了中低压配电网的极大青睐。随着新的正交频分复用（OFDM）调制技术的快速发展，PRIME规范、G3-PLC规范、ITU-T G.hn规范及IEEE 1901.2标准的颁布，为PLC技术的实用化提供了依据。目前基于多载波调制方法的电力线载波通信技术已成为当前智能配电网通信技术的研究热点。

二、电力线载波通信装置的研发

1.电力线载波通信装置原理框图。设备硬件系统整体原理框图如上图1所示，主要由电源电路、滤波放大电路、调制解调芯片、MCU控制单元、网口、调试接口、RS232/485接口电路组成。DTU、RTU设备、PC机通过网口、调试接口、RS232/485接口将需要传送的信息发送到MCU控制单元，MCU将需要传送的信息进行协议处理发送给调制解调芯片，调制解调芯片将传送的信息调制成载波信号，并经滤波放大后发送到耦合设备，注入到电力线上进行传输。同时，电力线上传输的载波信号经耦合设备后传输到载波设备上，滤波放大电路滤除线路上的信号噪声，调制解调芯片对信号进行解调，发送给MCU控制单元，MCU控制单元对数据进行协议解析处理后通过网口、调试接口、RS232/485接口发送到DTU、RTU设备、PC机。以此完成信息的双向通信。

2.电力线载波通信装置。图2为本教学团队实际研发的载波通信设备照片。设备在物理层采用成熟的OFDM技术和先进的编码调制技术构建稳健的物理层，利用多个正交的子通道抵抗中压电力线路中的各种干扰，保证通信的可靠性。

三、中压配网电力线载波通信实验教学系统的设计

中压配网电力线载波通信实验教学系统由电力线载波通信装置主、子模块和耦合器组成。各通信模块的硬件构成原理相同，可以工作在主从方式下。每个通信模块均可作为主站或子站。载波信号通信信道的搭建：参考河北省保定市10kV城市配电网线路型号及参数，分别计算不同线路型号下长度为50m的线路参数，将每50m线路等效焊接成一个集中参数的RLC电路型模型，利用多个RLC电路型模型的级联来等效一条10kV分布参数的输电线路。学生可根据实际中压配电网拓扑结构自行搭建载波信道模型。子载波频点的选择：本载波通信装置的通信带宽为10kHz-500kHz，共设有101个可选子频点，通信通道数目为18个。在通信带宽上，学生可手动选择固定的18个子载波频点进行载波通信，也可自动轮询测试所有通信频点，择优选择18个最佳子载波信道。通信性能指标测试：在主—从通信模式下，学生可对载波通信装置的通信性能进行测试，包括：数据包被正确接收到的个数、丢失的个数、重发次数以及信号误码率、通信速率等都可以在主站的人机界面上显示出来。通信参数的设置：可设置的参数包括通信速率、数据内容、数据包长度、重发次数以及通信模式等。

四、结束语

根据电力系统实际通信网络的应用，结合配电网架构特点，教学团队研发了一套基于OFDM技术的中压配电网电力线载波通信实验系统。介绍了电力线载波通信装置的原理框图、硬件电路以及系统设计。该实验系统设计既适合实验教学，又结合实际应用。通过实验，使学生对中压配电网电力线通信的信道模型、装置的内部构成、电路原理有了深刻的理解，不仅促进了学生理论知识的学习，还提升了实践动手能力。既深化了教学内容，又拓宽了学生的视野，提高了教学质量。由于本实验教學系统是结合实际进行开发的，通过适当的修改就可应用于实际中压配电网中。