基于PLC通信的高壓配電在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

馬文超

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，棗莊 277599）

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及人民生活水平的提升，用電量逐漸增長，人們對電力行業(yè)提出更高的要求[1]。除此之外，對于供電質(zhì)量和安全性的要求也更為嚴(yán)格。高壓配電作為不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，在實際工程中仍存在一定缺陷[2]。

一是供電的可靠性不夠高。主要表現(xiàn)在我國地域分布不均衡，部分地區(qū)的配電設(shè)置較為落后，基礎(chǔ)建設(shè)較為薄弱，大部分的高壓電輸送仍采用架空線，布局上呈樹枝狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到用戶端的供電點較少。

二是高壓輸送產(chǎn)生的功率損失明顯。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，電路輸送的距離較長，再加上局部布局不夠合理，使得整體上的能源損耗較大，相關(guān)的維護(hù)費用偏高。

三是監(jiān)測系統(tǒng)不夠完善，應(yīng)用率較低。高壓配電的監(jiān)測功能對于供電的安全性和可靠性有著重要的作用，但是受限于經(jīng)濟發(fā)展的不平衡，遠(yuǎn)距離的監(jiān)測和控制存在較大困難，對于繼電器、變壓器的精細(xì)化監(jiān)測與控制水平較低，全面的智能化控制系統(tǒng)尚未有效地應(yīng)用[3]。四是故障檢測效率較低。當(dāng)出現(xiàn)供電異常時，最短時間內(nèi)檢測出故障點并及時維修，對于經(jīng)濟效益有著重要的影響，而目前的供電系統(tǒng)存在明顯的不足，恢復(fù)供電的用時較長。為此，本文提出一種基于PLC的高壓配電監(jiān)測系統(tǒng)，旨在有效改善配電監(jiān)測功能，確保供電的可靠性。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計

1.1 控制方案設(shè)計

對于高壓配電系統(tǒng)，本文采用了西門子生產(chǎn)的中型機PLC S7-300。整個系統(tǒng)的控制方案設(shè)計主要基于監(jiān)測功能的可靠性，如圖1所示，在PLC控制下，其通信模塊主要有：PLC通信控制主板以及長距離通信單元等兩部分。兩者依照特定的通信規(guī)約共同完成高效的通信功能，但是也有各自的功能特點，其通信接口、工作模式均具有一定的差異性。本文以配電長距離輸送模式為例，對PLC通信的組成與控制原理進(jìn)行分析[4]。

對于監(jiān)測信號的處理，系統(tǒng)所采用的處理器為ARM7，可有效地實現(xiàn)不同電路信號的數(shù)據(jù)處理和控制。一般地，可通過總線方式連接來提升各個檢測單元與處理器之間的信號傳輸效率[5]。對于系統(tǒng)中的信道編碼，同樣由ARM7微處理器控制，可通過軟件編程完成信號的分組，從而避免PLC自身通道在高壓條件下造成的瞬態(tài)干擾，降低誤碼發(fā)生率[6]。本文在系統(tǒng)功能設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)耦合器來實現(xiàn)最佳的耦合參數(shù)，有效地提升智能化和可靠性。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 調(diào)制解調(diào)功能的設(shè)計

調(diào)制解調(diào)功能是高壓配電在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)精確信號傳輸?shù)年P(guān)鍵。調(diào)制解調(diào)模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，本文主要通過三個步驟實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)功能的設(shè)計。一是對于電路的設(shè)計，系統(tǒng)采用窄帶OFDM調(diào)制，即盡量基于衰減小的頻段完成信號傳遞，這樣可顯著降低PLC信道的頻率衰減；二是綜合運用變頻調(diào)制與混頻接收技術(shù)，確立較高頻率的放大器，從而確保系統(tǒng)對于信號接收的敏感度，即實現(xiàn)良好的干擾抑制，增大信號接收的信噪比；三是系統(tǒng)運用信號雙向通信技術(shù)，此時信號的傳輸不但可以在PLC信道完成，也可以在復(fù)合電路中實現(xiàn)，提升整個信號的中繼力。

圖2 調(diào)制解調(diào)模塊結(jié)構(gòu)

調(diào)制解調(diào)的核心技術(shù)為FPGA部分的高效運算，也稱為FFT/IFFT運算。系統(tǒng)采用專用的調(diào)制解調(diào)單元實現(xiàn)相關(guān)接口的連接以及與處理器之間的數(shù)據(jù)交換。該單元的基本功能原理如圖3所示，整個過程需要通過軟件編程完成基本的控制流程，如信道估計、載波選擇等，信號的轉(zhuǎn)換依賴于A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部線路均由總線傳輸。在ARM處理器的工作下，實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)的精確、高效傳輸。

圖3 單元實現(xiàn)原理

1.3 通信規(guī)約應(yīng)用

在基于PLC通信的控制系統(tǒng)中，需要采用專用的通信規(guī)約，避免信號出現(xiàn)識別錯誤，本文所設(shè)計的高壓配電監(jiān)測系統(tǒng)采用DNP3.0通信規(guī)約[7]。該類型通信規(guī)約由IEEE電力工程協(xié)會構(gòu)建，屬于開放式通信規(guī)約，最早在歐美國家流行和使用，目前在國內(nèi)也有較為廣泛的應(yīng)用率。

從根本上講，DNP3.0通信規(guī)約屬于典型的串行通信協(xié)議，不但可以實現(xiàn)節(jié)點與節(jié)點之間的連接，還能完成單一節(jié)點與多個地址之間的通信以及不同地址之間的多點通信。該通信協(xié)議具備主動輸送功能，即各個子站無需等待相關(guān)指令便可以往主站發(fā)送信號，提升信號傳輸效率。除此之外，該通信規(guī)約不受硬件設(shè)計與選型的干擾，靈活性和自由性非常高，適合后期的系統(tǒng)升級與改進(jìn)。從內(nèi)容上分析，DNP3.0通信規(guī)約主要包括四個部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約、傳輸層規(guī)約、應(yīng)用層規(guī)約及數(shù)據(jù)對象庫。由于協(xié)議中約束的功能非常全面，系統(tǒng)可根據(jù)額外要求進(jìn)一步選用其遙測、遙信和故障數(shù)據(jù)等功能。

2 系統(tǒng)可靠性分析

2.1 干擾因素分析

高壓配電最顯著的特點為環(huán)境復(fù)雜，外界的干擾因素較多，干擾力較強，這對系統(tǒng)的通信有著較為嚴(yán)重的影響。根據(jù)實際安裝條件可知，整個系統(tǒng)的控制器PLC安裝在10kV變電站的出口端部，受到的電流干擾最為顯著。對于系統(tǒng)的終端控制器件FTU，其主要設(shè)置于柱上的開關(guān)內(nèi)部，受到開關(guān)量的干擾明顯。而變壓器的監(jiān)測與控制端TTU安裝于變壓器附近，受變壓變化的沖擊較大，這對于信號的監(jiān)測不利。

根據(jù)系統(tǒng)的功能設(shè)計可知，可靠性和安全性是確保系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。其中，可靠性主要是指通信穩(wěn)定、測量誤差低、執(zhí)行機械機構(gòu)的可靠工作（非誤動作和拒動作）。為確保整個監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，需要采用特定的技術(shù)實現(xiàn)干擾抑制或消除，包括原理性和實用性。

根據(jù)長期的實踐可知，誘發(fā)電磁干擾的最關(guān)鍵電子器件為斷路器和隔離開關(guān)。當(dāng)它們的執(zhí)行機構(gòu)動作時，開關(guān)端將瞬間產(chǎn)生巨大的放電電弧，在整個供電回路中都會產(chǎn)生明顯的高頻震蕩，對相關(guān)線路，特別是二次回路會產(chǎn)生較大的干擾。開關(guān)量變化導(dǎo)致的干擾震蕩主要表現(xiàn)在電壓的暫態(tài)衰減，以脈沖形式釋放，可通過有效的手段加以控制。

2.2 抗干擾控制

根據(jù)干擾性分析可知，開關(guān)量變化引起的火花放電、驟變電壓等現(xiàn)象均屬于瞬態(tài)干擾，作用時間非常短，重復(fù)性顯著。為此，系統(tǒng)采用增設(shè)壓敏電阻的方式緩沖其瞬態(tài)電流。該種干擾抑制方法能夠較大程度地抵消多余瞬態(tài)能量，當(dāng)驟變電壓過高時，壓敏電阻被導(dǎo)通，回路中近似短路，此時的能量被大大釋放。當(dāng)電壓恢復(fù)正常時，壓敏電阻電壓急劇增大，類似斷開，不影響其他設(shè)備正常運行?；趬好綦娮璧目垢蓴_控制能夠?qū)崿F(xiàn)較快的響應(yīng)效率，保護(hù)效果良好。

3 結(jié)語

高壓配電在線監(jiān)測系統(tǒng)的安全性與可靠性對于國內(nèi)配電網(wǎng)綜合水平的提升有著重要的作用，基于PLC的通信手段具有較高的工作效率和良好的控制效果。本文重點分析了系統(tǒng)的控制原理、通信規(guī)約的要求以及抗干擾的實現(xiàn)等，具有良好的工程實踐意義。