面向宽带载波的全自动低压配电网信道模拟系统*

王毅，田富公，叶君，孙洪亮，龙方家

（1.重庆邮电大学，重庆400065；2.国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123）

0 引 言

随着“十一五”窄带电力线载波通信技术（NPLC）过渡到“十二五”宽带电力线载波通信技术（BPLC），电力线载波通信技术在国内已取得长足发展并已广泛应用于智能电能表的用电信息采集系统中。宽带电力线载波通信通常采用OFDM技术，占用2 MHz～30 MHz间的频段，相对于窄带电力线载波通信具有更高的数据传输速率与更加可靠的通信质量，最大通信速率可达2 Mbps以上。宽度载波产品从开发到商用通常需要经历规范定制、产品研发、实验室测试、外场测试、实验网测试及商用网测试六个阶段，目前由于条件所限，实验室测试阶段往往只能开展仿真测试，无法开展基于实物的产品级应用测试，这为系统化验证宽带载波产品性能带来不便。解决这一问题需要建立相应测试系统以开展宽带产品通信与控制等方面的研究。

目前主流电力线信道模拟技术包括三大类，第一类是基于MATLAB或ATP-EMTP等计算机软件仿真平台［1-4］，第二类是基于 SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）或FPGA的数字化模拟装置［5-7］，第三类是搭建外场配电测试网［8-9］。基于软件仿真平台的模拟技术是目前大多数相关领域研究人员所热衷的信道模拟技术，其平台搭建简便、开发周期短且无需工程实测，但这种信道模拟技术倚重理论推导与模型导入，无法对电力线拓扑结构的复杂性、负载随机接入的多变性和噪声干扰的多样性进行切合外场实际环境的模拟。基于SPICE和FPGA的数字化模拟装置可以通过硬件描述语言和快速并行运算来设计模拟信道的特性，但仍克服不了依赖理论模型、脱离实物的特点。通过搭建实际线缆模拟现场环境，可以克服以上两种模拟技术的主要缺点，但其设备庞大，更改难度大，每次测试需重复搭建或前往固定外场，无法满足实验室测试的便携性和灵活性。因此克服以上三种信道模拟技术的缺陷、融合其优势是设计新式信道模拟技术需要参详的要义。本文介绍的智能配电网全自动载波信道模拟试验系统即为解决上述需求而设计的。该设备既能准确复现场外电力线信道与噪声特性，又能灵活配置配电网拓扑结构，提供多接口的宽带载波终端及负载随机接入方式，为未来低压载波通信网建设、实验室设备测试与评估、用电信息数据高速采集、双向互动智能用电等诸多方面提供理论研究基础与实践方案。

1 智能配电网全自动载波信道模拟试验系统

1.1 设备架构及原理简介

智能配电网全自动载波信道模拟试验系统如图1所示，该系统由低压电器系统、DELTD可编程控制器、触摸屏、负载电阻和电能表等电气元件组成。具有对干线材质、干线距离、支线距离、负载的控制功能，同时具有检测报警、安全防护功能。能够实现载波信号设备的自动运行、控制和保护，出现故障时自动声光报警、自动停机、故障查询等。触摸屏能够实现各种开关状态的在线监视、修改、调用以及监控各设备的工作情况。

图1 智能配电网全自动模拟试验系统Fig.1 Automatic simulation test system of intelligent distribution network

按组织架构试验系统又可分为模拟配电系统和测试主站控制平台两部分。

模拟配电系统包括1个进线柜DS-01、5个分支柜DS-02～DS-06、3个电表柜DS-07～DS-09、一个负载柜DS-10，如图1所示。进线柜是模拟配电系统供电输入端，主要负责电源接通开关控制及监测供电电压和电流是否稳定。分支柜是模拟配电系统的主体部分，负责接受触摸控制屏的指令并动态调整线缆长度、材质及网络拓扑结构。为了实现配电线路的健硕性，将分支柜中的配电网拓扑划分为固定分支和移动分支，且皆采用三相四线制，各分支干线和支线长度及材质具体如表1所示。固定分支线路结构如图2（a）所示，8条固定分支线分别位于主干线的不同位置，通过断路器控制支线与主干的连通，干线上可同时并接多个固定分支。移动分支线路结构如图2（b）所示，移动分支通过断路器可与干线上的10处不同连接点连接，干线上每次只可连接一个移动分支。电能表柜和负载柜为模拟配电系统的终端接入系统，DS-07和DS-08两个电能表柜各设有16个可拆卸的单相电能表插槽，DS-09电能表柜设有3个三相电能表插槽和12个单相电能表插槽，电能表柜槽口可为被测载波模块和标准载波模块提供多模块挂载功能。负载柜中下排是负载插座提供负载随机接入，各相线在负载柜中均匀分配，上排是两级空开阵列控制相应插座的供断电动作。

图2 固定分支和移动分支配电线路控制原理图Fig.2 Control schematic diagram of the fixed branch and mobile branch distribution line

表1 固定分支箱和移动分支箱具体配电参数Tab.1 Specific distribution parameters of the fixed branch box and mobile branch box

测试主站控制平台包括两个集中器插槽、一台数据加密机和一台计算机。计算机用于模拟主站的功能，包括业务测试指令的下发、终端实时在线监控显示以及采集数据的收集汇总。数据加密机用于主站与采集终端数据通信的加密操作，确保安全数据通信。两个集中器用于对终端的单／多网组网及主站与采集终端间的数据转发。

1.2 设备电气参数

（1）配电柜主干线电源：三相380 V／50Hz；

（2）PLC控制柜电源：220 VAC／50Hz；

（3）主干线一：铜芯线 4Φ；35 mm2；距离150 m；主干线二：铝芯线4Φ；70 mm2；距离1 000 m；

（4）支线距离：5 m；其中4个分支箱具有5 m／15 m／30 m距离可变换；

（5）照明用电：220 V／50Hz；

（6）测试电能表：单相电能表44只，三相电能表3只；

（7）负载：32 kW（本文采用纯阻性负载）。

2 系统信道典型传输特性

为验证该系统在不同线缆材质、长度及拓扑结构情况下信道传输特性是否与外场供电场景信道特性是否具有一致可比性，本文选择频点电压比较法测量了该系统在500 kHz～20 MHz频段范围内信道的衰减特性，即在图1主站集中器（CCO）端通过耦合器发送扫频信号，在负载柜负载插座处通过耦合器接收信号，观测记录信号衰减特性，本系统中可自动投切的负载均采用纯阻性负载，也可通过外接方式接入容性和感性负载。图3（a）为铜质和铝质不同长度干线接5 m单分支线缆的衰减特性，可看出在单分支线缆时衰减量随干线长度增加而增加，单位长度铜质衰减量较铝质大些，model是利用电力线多径模型［10］对实测数据的拟合，从拟合效果可看出信道实测特性曲线能较好匹配理论模型，可为信道理论基础研究提供有效平台。图3（b）为铝质140 m和900 m干线接入不同数量分支线缆的衰减特性，一个分支的情况是单分支5 m，三个分支的情况是两个5 m和一个10 m，七个分支的情况是四个5 m和三个10 m。在相同长度干线距离时，接入分支数越多频率选择性衰减的频次越高，衰减量亦越大。图3（c）给出了铜质75 m和135 m干线接入不同数量分支线缆的衰减特性，一个分支的情况是单分支5 m，四个分支的情况是两个5 m和两个10 m，八个分支的情况是四个5 m和四个10 m。可看出铜质与铝质多分支衰减特性的变化特征相似，只是在衰减程度上仍较铝质大。对比一些电力线基础特性及外场信道实际测试数据［11-15］，可知智能配电网全自动载波信道模拟试验系统能较好模拟实际配电环境的信道特性，满足实验室模拟场外通信环境的条件及功能。

图3 配电试验系统典型信道衰减特性Fig.3 Typical channel attenuation characteristics of power distribution system

3 系统功能

3.1 系统模拟功能

3.1.1 台区运行模式模拟功能

（1）单台区模拟：本系统可对单台区供电时的情况进行模拟，为变压器相间共模信号传输、信号衰减机理提供研究条件，并可开展对相间共模干扰机理及异频共模干扰信号的衰减进行研究；

（2）双台区模拟：本系统可对小区两个台区独立供电的情况进行模拟，并可实现负载在两个变压器之间进行切换。此模式下，信号在平行线缆中传输容易发生信号串台区的情况。因此本系统可通过对信号设备控制实现对电缆井中台区信号相互串扰情况的模拟功能。

3.1.2 低压配电模拟功能

（1）供电方式模拟：本系统可提供单相供电、三相三线供电和三相四线供电方式；

（2）配电材质模拟：本系统中的传输线路可根据试验需要，针对商业用电和普通居民用电，可选择铜芯和铝芯线进行模拟；

（3）拓扑结构模拟：本系统通过交流继电器自动切换装置，可实现对供电变压器的选择，并可对线路材质、线路支点、负载节点进行自由组合，从而改变线路长度，实现拓扑结构与输电线路特征参数的改变，以满足试验的需求；

（4）控制功能模拟：本系统除不能改变配电变压器工作状态外，其余所有功能均可实现自动控制，包括改变线路材质、长度、修改线路支点、接入负载节点等所有的功能都可以在触摸屏上进行操作，操作后屏幕自动显示改变后状态，使用直观方便，可视性强。另外，控制系统内部设计有软件安全闭锁功能，可防止相与地短路与相间短路事故，安全可靠性高；

（5）扩展功能模拟：本系统可支持外接负载接入系统，比如接入谐波设备、变频设备、单三相交流电机等非线性负载。

3.2 多场景配电模拟功能

由表1可看出，该系统集中器至电能表端或负载端采用铜材质和铝材质单分支配电方式各有62种，固定分支箱中铜材质和铝材质多分支配电方式的主干线上各自最多可并接8个分支，每个移动分支箱又有10种不同长度的干线距离可选择。在全通模式下，系统可实现，4支干线，26分支线同时配电运行模式。丰富的配电模式为模拟场外多种应用场景提供了便利。本文实测了该系统在多种配电模式下的信道特性，对模拟多种外场环境对应的配电模式进行了分类总结，如表2所示。

3.3 宽带电力线载波通信测试功能

本系统主要功能是模拟在不同配电环境下完成宽带电力线载波通信性能的测试。基本通信性能测试环节主要包括型式试验、出厂检验、入网检验、到货验收、周期巡检及故障检测等，验收环节中验收方对宽带产品性能的需求选择灵活，可在综合组网测试中完成项目检验，主要包括：全网组网测试、新增站点入网测试、多网络组网测试、全网抄表测试、广播对时测试、搜表功能测试、多节点事件主动上报测试、本地全网升级。另外，针对外场实际通信业务功能还可完成宽带电力线载波高级功能验证，主要包括：全事件上报、表号自动上报、全网升级、宽窄带载波混合、电能质量监测、实时费控测试、费率时段下发、停电故障定位。基于表2所归类的模拟信道配电模式可完成面向农村、城乡结合部和城区商业住户智能用电宽带载波产品的性能测试和评估在模拟不同外场环境进行测试时，可采取相同的测试方法和步骤，但对于测试结果的评价标准应灵活区别对待，因为不同外场的用户数量和通信环境有差异，导致载波通信成功率和延时等指标会有所不同，这也是设计用电信息采集系统双向互动功能在应用层面差异化对待的底层技术缘由［16］。另外，在相同配电模式下，可比较同种功能不同厂家宽带产品的性能，供验收方评估产品性能和择优选择产品。

表2 多场景模拟功能表Tab.2 Multi scene simulation function table

4 结束语

本文以解决宽带电力线载波产品性能检测和验收为出发点，分析智能配电网全自动载波信道模拟试验系统的系统架构、设计原理及功能，通过对系统载波信道的测量与分析比较，论证了实验室环境下宽带电力线载波信道装置对外场多场景模拟的可行性和灵活性，能完成农村、城乡结合部、城市商业住户载波通信环境的复现及相应场景宽带载波测试功能。最后提出宽带电力线载波产品基本通信性能测试和组网通信测试，克服了基于仿真和现场测试等信道模拟技术面临的短板和应用瓶颈，为研究人员与验收人员解决载波产品相关问题提供一条便捷有效的试验平台和集成方案。