电力通信系统时隙式多通道阻抗测量方法研究

宋新甫,张 磊,陈莉佳,冯 刚

（国网新疆电力有限公司经济技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830002）

1 引言

为了满足电力系统的管理、维修以及运行功能，需要通过信息交换以及传输方式进行任务处理。而电力系统在合理、经济、安全的供发电以及分配电能基础上，还要确保电力质量，处理以及防止系统发生突发故障，所以，就需要对其进行统一调度、集中管理，构建与其相匹配的通信系统。可得出电力通信系统在电力系统内是不可或缺的重要部分，也是实现电网自动化调度以及现代化管理的基础部分，同时还是有效保证经济调度、电网安全的技术手段[1]。

因为电力系统的不容间断性，在运行过程中遇到的突发状况多，要求电力通信调度传输时间迅速快、可靠性高，所以要构建和电力系统安全运行相匹配的专用通信网。而在系统运行内，存在重要意义的变电所以及发电厂，应该确保拥有备用的通信通道，因为变电所和发电厂是电力系统的重要核心，一旦两者其中一方出现重大突发性事故，却没有及时完成通信，会造成严重的后果。现阶段，电力系统的通信方式有4种：音频电缆通信，是由多根互相绝缘的导体，通过特殊方式绞合而成的线束，是用来联系调度载波终端的中间环节，同时，也用于近距离变电所和发电厂间的通信上；光纤通信，采用光波作为传输媒介，利用光导纤维实现通信；微波中继通信，这种通信方式是在视距范围中，以大气作为媒介，实现直线传播的一种通信方式；电力线载波通信，主要是以架空电力线路相导线作为信息传输媒介，实现通信，电力通信系统时隙式多通道阻抗测量方法主要针对电力线载波通信，电力线载波通信是电力通信系统的核心之一，电力通信系统中的每一个数据传输任务都有各自的边缘服务器，主要通过物联网中的采集终端进行数据采集，然后通过电力线载波通信将数据传送到服务器上。同时通信的内容有多种多样，一般都包括：计算机通信、远动与数据信号、系统运行状态的图像信息、远方保护信号、传真等，随着调度自动化以及企业生产管理水平不断提高，传输的内容也在不断增加[2]。

存在电阻、电感以及电容的电路内，对电路起到阻碍作用的叫作阻抗。而在电力通信系统内，同样存在阻抗，使得通信信息不能及时完成传输，影响到系统正常使用，所以需要测量出系统的阻抗，对其进行处理，来增强通信信号[3]，为此本文提出一种电力通信系统时隙式多通道阻抗测量方法，该方法能够有效地测量出电力系统内的阻抗，并且测量精度高、直观性较强。

2 电力通信系统时隙式多通道阻抗测量方法

2.1 测量机理

具体多通道阻抗的测量图像，如图1所示。

图1 系统的测量机理图像

在图1中，通过多通道端口的有源阻抗测量系统来对16个单元相控阵实现数据收集以及迅速测量。

利用系统测量前，要先采用矢量网络分析仪，收集包括线缆以及每个通道幅值的相位数据，再通过系统控制软件进行补偿，以此完成清除因为测量接收通道与电缆的不一致所带来的相位以及增幅影响，产生通道不同性质的校准数据文件，而在实际测量时，通过该校准文件修正每个通道，以确保每个通道幅度相位的一致性，且在电力通信系统测量端面实现端口的校准，存储校准数据的文件，以提供实际测量的应用，提升电力通信系统的可靠性尤为重要。

2.2 电力通信系统的可靠性提升

电力通信网作为电力系统专用网络，包括了多种网络结构以及各种通信设备，而存在于电力系统行业的特色通信服务网络，它主要是以多种类型的监控系统独立运行、多种网络间互通、多种设备共存。

而电力通信系统的可靠性，是受到工作环境、运行方式以及通信设备类型等三个方面因素影响，它主要是基于系统安全可靠性比较薄弱的环节需求，利用高可靠性设备、改善运行环境、自动报警、人工切换、主备用方式、N+1备用以及冗余技术等方式，来提升电力通信系统的可靠性[4]。

不同规模的电网，其变电站的个数也不相同，并且它们是处于互相独立的并联关系。相对于主站的系统来说，通常是利用主、备方式对可靠性水平进行提升，而SDH 环，因为存在良好自愈性以及网络性，它的网络生存性能非常强。不过相对于网络完整性来说，获取大于某规定值的监控子站信息数据个数时，就可以满足需求。

各个元件的可用度为：EMS 的通信接口A9，主站系统A8，ATM 的交换机A7，网桥群A6，SDH 环A5，网桥A4，监控子站A3，控制的装置A2，测量的装置A1。

电力通信系统的子系统，模块1 和模块2 并联之后和模块3、4进行串联，获得子系统X可用度AX，具体公式为：

相对于各并联变电站的完整度需求，在系统内具有n个变电站，如果要求最小接收不少于m个变电站数据，那么获取m/n子系统可用度AY，具体公式为：

其主站系统是两备用的系统，具体主站系统可用度AZ公式为：

经过上述所描述的电力通信系统，它的可用度公式为：

通过上式可以看出，等效之后电力通信系统是串联模型，其中子系统Y和元件由于自愈功能、备用以及冗余而存在比较高的可靠性[5]。

2.3 时隙式多通道的随机多址系统模型

完成电力通信系统的可靠性提升后，通过矢量网络分析仪的内置信号源实现相参设置，引出二路的相参信号，经过功分组件之后，可以形成十六路的相参信号；把形成相参信号与矢量网络分析仪源输入进行连接，利用双定向耦合器以后输出至等待测量的天线单元，再采用双定向耦合器输出实现测量，具体矢量网络分析仪收集参考的接收机以及测量接收机所接收的信号公式为：

通过系统软件以及预先存储的校准数据实现数据处理之后，可以获得相控阵有源端口S的参数矩阵，具体公式为：

多通道阻抗通过将信道带宽分割成独立的多个子信道来提高网络性能，采用多通道阻抗改善了网络性能，利用多通道的随机多址系统模型使多个节点同时在不同信道上传输数据，减少了网络延迟，提高了网络传输的平稳性。固定占用式的时隙式多通道的随机多址系统模型，具体如图2所示。

图2 多用道随机多址的系统模型

假设系统存在N个通道，具有N个优先级，那么优先级排序的方式从低到高为，优先级1，2，…，N，各个优先级用户的个数不限。优先级i每一次到达i个分组，并且固定占用通道1到达通道i的i个通道，i=1，2，…，N。

2.4 系统性能分析

利用多通道端口的有源阻抗测量系统[7]，能够完成16单元的相控阵内单元互偶迅速测试以及数据自动收集，来提供相控阵的天线系统设计以及验证调整。

通过系统软件以及之前存储的校准数据实现数据处理之后，获得相控阵阵内单元的互耦参数矩阵，具体公式为：

通过系统软件以及之前存储的校准数据实现数据处理之后，获得相控阵端口的反射系数矩阵，具体公式为：

经过S参数以及VSWR转换公式，能够获得相控阵阵内的单元端口驻波数据，具体公式为：

设定系统性能如下：

(1) 通道的接入方式是时隙式1-坚持CSMA，假设网络内最大的传输时延是a，而分组长度是单位长度并且是a整数倍。

(2) 假设信道是理想状态下的信道，在信道内没有干扰以及噪声[6]。

(3) 分组到达的过程，是参数G至Poisson的到达过程。

(4) 碰撞的分组会在后面某时刻重新上传，重新上传的分组到达信道过程并没有影响。

通过上述的测量方法完成电力通信系统的多通道阻抗测量。

3 实验结果分析

因为多通道阻抗测量结果、反馈电阻以及标定电阻精度之间存在很大联系，因此在系统内，反馈电阻以及标定电阻都选择比较小的温度系数、精度是0.1%，通过电容和电阻串联方式，作为待测的阻抗，采用本文多通道阻抗测量方法对比惠普4285 型LCR 分析仪的测量结果，验证本文方法的有效性。测量仪的通道1～4 分别利用1kHz、10kHz、50kHz、100kHz[8]，激励不同待测的阻抗。

具体的测量结果如表1所示。

表1 多通道阻抗测量结果对比

通过观察表1看出，测量的相对误差能够确保在1%内，以此说明本文方法可靠性良好，精度较高。

在进行实际测量时，扫描起始频率、点数以及频率的参数，将微处理器收集到的数据利用USB 总线进行实时传输至上位机，然后上位机把数据存储且经过阻抗—频率的曲线显示出来。完成对15kΩ纯电阻的扫频测量(扫描点数250，频率的增量步长为25 000Hz，起始频率的设置是25kHz)，具体如图3所示。

图3 15kΩ的电阻扫频测量结果

在利用30kΩ以及200pF的电容串联构成阻抗实现扫频测量(扫描点数100，频率的增量步长为600Hz，起始频率的设置是25kHz)，具体如图4所示。

图4 30kΩ以及200pF电容串联的测量结果

通过观察图3、4能够看出，测量的结果全是围绕着理论计算值进行上下波动的，而测量的相对误差要小于1%，利用上位机频率—阻抗图能够非常直观地看出某个特定频率下面的阻抗值，以此说明本文方法的测量方法存在较强的直观性。

4 结束语

本文对电力通信系统的多通道测量，测量精度较高，直观性较强，不过随着企业生产的管理以及自动化调度水平的不断提升，需要传输的信息很多，因此，未来本文还需要进一步研究，争取更加精准地测量出系统内的阻抗，对其进行计算，增强通信强度。