基于OFDM低压窄带电力线通信的智能变电站二次设备集成测试系统研究

倪彤辉，罗 蓬，郭浩谦

(1.国网河北省电力有限公司，石家庄 050021；2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄 050021；3.国网河北省电力有限公司邯郸供电分公司，河北 邯郸 057150)

基于OFDM低压窄带电力线通信的智能变电站二次设备集成测试系统研究

倪彤辉1，罗 蓬2，郭浩谦3

(1.国网河北省电力有限公司，石家庄 050021；2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄 050021；3.国网河北省电力有限公司邯郸供电分公司，河北 邯郸 057150)

针对目前智能变电站二次设备跨间隔整组闭环测试在变电站现场难以有效开展的问题，提出了一种基于OFDM低压窄带电力线通信的智能变电站二次设备集成测试方案，并研发了系统软硬件。分析该系统采用电磁暂态计算获取整站正常运行及间隔典型故障的电流电压值，研发专用的高速同步电力线传输通道实现试验数据向各被测间隔的高速同步发送，并开发分布式数据终端实现仿真主站与变电站二次设备的无缝连接，完成二次系统不同范围、不同功能的重点测试。通过实验室仿真以及实际变电站的故障测试，验证了该测试系统的有效性。

智能变电站；电力线通信；OFDM；分布式终端

0 引言

智能变电站是我国智能电网建设的关键环节，和常规变电站相比，IEC61850协议、光纤以太网等先进技术的应用，大幅提升了变电站内部信息交互处理能力，同时也给变电站测试、试验工作带来了相应的难题[1-2]。智能变电站二次设备测试不仅应包括合并单元、智能终端、数字化保护等设备的单元检测，还需要对设备之间的通信、互操作进行全面的系统级检测，对测试平台在多设备运行工况实时仿真模拟、多端口数据并行处理和输出等方面的能力提出了更高的要求[3]。此外，按照国家电网公司智能变电站典型设计要求，220 kV及以上智能变电站间隔层保护装置布置在保护小室，而合并单元、智能终端等过程层设备采取分散就地下放安装。此分布式布局方便了现场设备管理，但由于设备安装距离较远、环境复杂，给试验的接线造成较大困难，特别是跨间隔整组闭环测试在变电站现场难以开展，给变电站二次系统的安全稳定运行带来了巨大隐患。目前，针对该问题的研究已成为行业热点，文献[4]提出了一种变电站二次回路的自动测试方法，但该方法只针对常规站电流电压回路接线正确性进行检查，无法有效开展保护等装置功能及整组动作特性校验。文献[5]将暂态仿真与无线通信技术相结合，设计了二次系统整体仿真测试平台，文献[6]通过无线站域测试系统的同步控制策略研究，解决了分布式实时测试的精确对时问题，然而上述方法均无法解决无线通信作为一种弱传输介质通信本身具有的通信可靠性、实时性差以及有效带宽低等问题。

以下提出了一种基于电力线通信的二次设备集成测试方法，利用电力系统实时仿真技术，模拟各种故障的电磁暂态过程，闭环校验保护动作逻辑，考察二次装置间的互操作和通信网络性能。此外，利用OFDM低压窄带电力线通信技术，将变电站内的站用电线路作为数据传输的天然通道，解决了现场试验中测试和控制数据的跨间隔远距离可靠、高速传输难题，且无需在变电站基建及检修现场敷设大量长测试光纤，设备接线简单灵活、安全性和可靠性强，便于工程实现。

1 总体技术方案

提出一种新的基于电力线通信的智能变电站二次设备集成测试方案，如图1所示。测试系统主要由智能变电站实时仿真器、电力线通信接口装置、站用电线路通道、分布式数据终端等几部分构成。

图1 电力线通信集成测试总体方案

实时仿真器配置有适用于智能变电站不同主接线形式的通用模型参数库，能够模拟变电站正常运行以及各类设备故障、误操作的电磁暂态过程[7]，通过电力线通信接口以及线路通道，将暂态计算的结果以电流、电压采样数据的形式同步发送至各被测变电站间隔，并利用分布式数据终端实现集成测试系统与变电站二次系统间的GOOSE、SV等数据交互，灵活有效的实现站内合并单元、智能终端、保护装置等单装置及整组测试，从而考察单套保护的动作行为以及多套保护的协同配合能力。集成测试系统与真实的智能变电站二次设备共同构成闭环的模拟测试环境。

2 OFDM低压窄带电力线通信系统开发

2.1 系统架构及功能

设计了应用于智能变电站环境的基于正交频分复用(OFDM)的低压电力线(LV-PLC)通信装置，基带系统采用差分正交相移键控(DQPSK)调制方式，并在NI仪器上完成FPGA硬件开发。

该系统中数据信号在串并变换后，分别经过DQPSK调制、IFFT模块转换为OFDM信号，加入循环前缀(Cyclic Prefix，CP)和同步训练序列后发射；接收端先进行同步检测，去除循环前缀，再通过FFT模块、DQPSK解调，还原为接收信号。

在整个测试平台中，电力线通信接口装置负责将仿真主机输出的采样值报文通过电力线发送，同时接收回传的GOOSE报文信息。实际利用的传输物理介质为220 V/380 V站用电力线路，由于该线路在变电站建设过程中已经铺设完成，且接口分布丰富，便于使用。在开展试验过程中，在保护间和一次设备间选用同一站用变下同一物理连接的220 V/380 V电源插孔，分别与电力线通信接口装置以及各数据终端进行连接，即可完成长距离试验数据通道的搭建，同时试验装置的电源供电也可一并解决。

2.2 系统参数

整个通信系统选用低压窄带电力线通信要求的3～500 kHz的频段进行通信[8]，OFDM基本参数为：采样频率1 MHz，子载波间隔1.95 kHz，FFT点数512(长度512 μs)，循环前缀长度128 μs。

在低频段进行通信，直接采用OFDM方式进行基带通信。典型的电力线信道多径时延扩展的均方根为1～10 μs，OFDM循环前缀长度应大于该值，从而有效减少多径效应，这里取码元周期的1/4长度。此外，OFDM信号以基带信号形式传输，还要求IFFT的结果必须为实序列，因此本文采用共轭对称序列，在DQPSK编码后的IFFT输入数据X(k)如式(1)所示，X*(N-k)为共轭对称数据，频率点N/2为零，则传输速率可达480 kb/s。

(1)

2.3 调制技术

由于低压窄带电力线信道的多径效应，信号的幅度和相位会产生频率选择性变化，正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)由于其相位和幅度对不同频率的相应不同将产生较大误差，而相移键控(Phase-Shift Keying，PSK)只采用相位调制，选取差分方式的DQPSK调制，利用信号的相位差减少多径效应的影响，最大程度满足传输速率和抗干扰能力要求。图2和图3分别给出了理想条件下DQPSK信号星座和信号眼。

图2 DQPSK信号星座

图3 DQPSK信号眼

采用DQPSK方式，差分检测系统无须任何信道估计和均衡[9]，可以大大降低系统的复杂性和功耗。同时电力线信道时域变化较慢，在频域会受到窄带噪声的影响，因而基于时域的差分编码更适合电力线通信系统。

2.4 帧同步

信道通信必须通过同步方式确定数据帧起始位置，文献[10]基于恒幅零自相关同步方式，解决传统同步算法在电力线信道出现平坦峰值时的同步问题，改进PLC信道的同步序列。

构建的训练序列由循环前缀和同步序列构成，N为FFT点数，其时域表达式如公式(2)所示。

ak=exp(jπrk2/N)，n=0，1……，N1-1

(2)

其中N1=N/2，r=N1+1。同步检测模块的监测参数R(d)和P(d)如式(3)所示，其中C为IFFT循环前缀长度，r表示接收信号序列，t为训练序列。

(3)

通过增加R(d)和P(d)的长度保证同步训练序列在经过信道后的相关性，提高同步检测模块的性能。度量函数M(d)如式(4)所示，当M(d)大于某个阈值则认为有数据到达。

(4)

3 分布式数据终端开发

在整套测试系统布设过程中，分布式数据终端布置于各待测间隔智能汇控柜旁，通过光纤与变电站合并单元、智能终端等设备相连，将仿真主机通过电力线输出的电流、电压采样数据发送至各间隔合并单元、保护、测控等二次设备，同时回传各间隔GOOSE报文，更新模型中的开关、刀闸位置，并相应调整电流电压输出，实现整个测试过程的闭环。

该数据终端具有IEC 61850-9-2、FT3等数字量采样值输出模式，可对合并单元前后端输出数据进行模拟，根据试验现场设备配置进行输出和接口的选择。数据终端还具有GOOSE状态量通信功能，通过点对点或GOOSE网与保护、智能终端等设备相连，成为间隔层和过程层信息交互的接口。此外，为确保测试系统和二次设备的高度时间一致性，终端还具有精确对时和确定性同步的功能。设计的数据终端硬件结构见图4。

数据终端支持电力线通信收发功能，直接连接到电力线上接收采样值信息，并收发开关量及位置信息，同时完成对装置的供电。

图4 数据终端硬件结构

数据终端硬件支持16个光百兆以太网接口，其中8个用于传送IEC 61850-9-2或FT3格式报文，兼容双母线和3/2接线2种主接线形式。在双母线形式下，线路间隔数据终端提供1u+3i的模拟量输出，母线间隔数据终端提供3u+3u的模拟量输出；在3/2接线方式下，线路间隔数据终端输出4u+4i的模拟量，母线间隔数据终端输出4u+4u的模拟量。另外8个用于传送间隔GOOSE报文。

此外，数据终端和仿真主机支持多种同步方式。仿真主机和终端均配备独立的天基GPS对时系统，通过预留的GPS接口连接对时天线，实现对时；此外，主站和终端各预留一个ST光口，均连接到变电站光B码对时屏柜，和站内对时系统保持同步。不同的无线终端必须同步在10 μs的精度范围内。

4 仿真模拟及变电站现场试验

4.1 OFDM基带系统误码率仿真测试

在实验室搭建典型仿真环境，在OFDM系统理想同步的条件下，加入电力线信道传输噪声模型。IFFT点数取512，通信带宽为3～500 kHz(关闭0～3 kHz子载波)，有效子载波为250。在上述条件下仿真通信误码率随SNR变化情况，结果如图5所示。在信噪比为2～4 dB范围时，传输误码率下降至10-1以内，当信噪比上升至16 dB时，误码率稳定在10-3左右。

4.2 变电站测试试验

采用以上提出的基于电力线通信的二次设备集成测试系，在河北省南部电网某220 kV智能变电站进行了实际性能测试试验。该变电站一次系统规模为：220 kV电压等级双母线接线，2回出线；110 kV单母分段接线；35 kV单母分段接线。利用本集成测试系统搭建变电站模拟测试环境，并采用故障仿真方式对典型间隔典型二次设备进行了性能测试。

图5 OFDM基带传输误码率随信噪比变化曲线

分别模拟变电站正常运行以及发生1号主变压器内部U相接地故障(持续时间0.5 s)、220 kV I母V相瞬时故障时的整站潮流，考察主变压器保护PST-1200U、母线保护PCS-915及相关联二次设备传输及动作的正确性。在变电站实际监控后台观测整个故障过程的电气量变化，读取相关设备动作报文，判断测试系统工作状况。两次故障的录波图分别如图6、7所示。

图6 1号主变内部U相接地故障

试验结果表明，利用仿真测试系统搭建变电站模型，实时输出变电站一次系统正常运行及故障时的高精度电流电压，通过设计开发的电力线传输通道及间隔数据终端，实现集成仿真系统与变电站二次设备的数据交互，满足变电站二次系统整组闭环测试的需求。

图7 220 kV I母V相瞬时故障

5 结束语

以上研究开发了一种基于OFDM低压窄带电力线通信的智能变电站二次设备集成测试系统，该系统将电力系统暂态实时仿真、低压窄带电力线通信、智能二次设备模拟等技术相结合，解决了变电站复杂环境下试验数据的跨间隔、远距离实时稳定传输难题，为智能变电站内包括数字化保护、测控、计量等全面功能提供了整组协同测试环境，可良好应用于智能站基建调试或检修现场。

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Integrated Testing System Research on Secondary Equipment in Smart Substation Based on OFDM Narrow-band Low-voltage Power Line Communication

Ni Tonghui1,Luo Peng2,Guo Haoqian3

(1.State Grid Hebei Electric Power Company Co.Ltd. ,Shijiazhuang 050021,China;2.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China;3.State Grid Hebei Electric Power Company Co.Ltd. Handan Power Supply Branch,Hengshui,057150,China)

According to the problem that the whole closed loop test with span interval cannot be well applied in transformer substation,a novel integrated testing method is proposed for secondary equipment based on OFDM narrow-band low-voltage PLC,and the hardware and software of testing system are developed also.In this system,electromagnetic transient calculation is adopted to get the current and voltage value of substation normal running or malfunction,which is transferred to the tested substation interval by high speed synchronous power line channel,and some distributed terminals are designed to realize the seamless connection between the simulation master station and substation secondary system.This system can realize the integrated testing of different functions of secondary system in smart substation,and the effectiveness of the testing system is proved by laboratory simulation and substation site fault testing.

smart substation;power line communication;OFDM;distributed terminal

2017-10-25

倪彤辉(1976-)，男，高级工程师，主要从事继电保护和电网企业管理工作。

TM73

A

1001-9898(2017)06-0005-04

本文责任编辑：丁 力