電力載波通信的特征及應(yīng)用意義

鄧瑞麒

廣東電網(wǎng)公司江門(mén)供電局 廣東 江門(mén) 529000

引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中，對(duì)于電力能源的需求相對(duì)增加，保障電力網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行，是滿(mǎn)足此類(lèi)需求的必要手段。近年來(lái)，隨著電力企業(yè)擴(kuò)大技術(shù)要素的配置比例，電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率獲得了大幅度提升，與此同時(shí)，電力系統(tǒng)對(duì)于通信技術(shù)的依賴(lài)程度也日益提高。在這種情況下，為了提高電力供給側(cè)的安全性、有效性、穩(wěn)定性，要求增強(qiáng)對(duì)電力載波通信（Power Line Carrier Communications，PLC）的運(yùn)用，一方面滿(mǎn)足數(shù)字信號(hào)高速傳輸需要，另一方面保障電力系統(tǒng)特有的通信技術(shù)要求。下面先對(duì)該技術(shù)的原理做出說(shuō)明[1]。

1 電力載波通信原理概述

電力載波通信是電力系統(tǒng)中的特殊通信方式，作為一種信息傳輸媒介，適用于低壓、中壓、高壓電力線方面的語(yǔ)音與其他數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于該技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)為智能電網(wǎng)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，較好地推動(dòng)了電能計(jì)量自動(dòng)化。進(jìn)入“十四五”建設(shè)時(shí)期后突出了高質(zhì)量發(fā)展主題，擴(kuò)大了中、低壓電力線方面的載波通信技術(shù)應(yīng)用需求。以低壓電力線載波通信技術(shù)為例，主要是把低壓電力線路當(dāng)成載波傳輸媒介的通信方式。常用技術(shù)包括擴(kuò)頻載波與正交頻分復(fù)用，一方面旨在借助偽隨機(jī)編碼調(diào)制傳送信息，另一方面重點(diǎn)集中在信道相互重疊及正交頻分復(fù)用技術(shù)的傳輸，屬于多載波調(diào)制技術(shù)[2]。

從應(yīng)用原理方面看，主要是借助對(duì)原始信號(hào)的調(diào)制，將信號(hào)頻率控制在不同線路傳輸頻帶，借助耦合單元完成信號(hào)傳輸，較好地解決多頻率范圍內(nèi)的噪聲干擾。其中，對(duì)于原始信號(hào)的調(diào)制包括1次或多次，常用的調(diào)制方案中，包括基于信源、調(diào)制解調(diào)器、耦合單元、低壓電力線的關(guān)聯(lián)調(diào)制，以及基于信宿、調(diào)制解調(diào)器、耦合單元、低壓電力線的關(guān)聯(lián)調(diào)制。例如，在10kV線路中，將樓宇配電間PLC局端與配電柜相連后，一方面將10kV電壓通過(guò)配電變壓器轉(zhuǎn)換為220V低壓后，按照PLC局端→交換機(jī)→出口路由器→Internet進(jìn)行連接。另一方面按照配電柜→用戶(hù)電表→PLC Modem→PC機(jī)進(jìn)行連接。此時(shí)建立小區(qū)內(nèi)的完整低壓電力線載波通信系統(tǒng)，并完成低壓載波通信目標(biāo)。

2 電力載波通信的特征分析

2.1 變化特征

電力系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)以供給側(cè)與需求側(cè)的均衡為首要目標(biāo)，電力網(wǎng)絡(luò)中的低壓電力線路直接與需求側(cè)的電力用戶(hù)關(guān)聯(lián)，無(wú)論是工業(yè)用電，還是生活用電，電力用戶(hù)的需求始終處于變化狀態(tài)，包括時(shí)變性與隨機(jī)性。當(dāng)用戶(hù)使用時(shí)接入負(fù)載種類(lèi)與大小不同時(shí)，電力載波通信也表現(xiàn)為時(shí)變性與隨機(jī)性，由此也導(dǎo)致了預(yù)測(cè)電力用戶(hù)需求時(shí)的困難。同時(shí)，低壓配電網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，會(huì)受到客觀環(huán)境因素、主觀電力使用因素的影響，在這種情況下會(huì)造成低壓電力載波通信技術(shù)應(yīng)用時(shí)的變化特征。

2.2 干擾特征

在低壓電力線路中應(yīng)用電力載波通信技術(shù)時(shí)，會(huì)受到噪聲干擾的影響。根據(jù)現(xiàn)階段的研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)情況看，此類(lèi)噪聲類(lèi)型包括：穩(wěn)定背景噪聲、窄帶干擾噪聲、突發(fā)性噪聲、周期脈沖噪聲。當(dāng)此類(lèi)干擾噪聲產(chǎn)生影響時(shí)，其中的周期脈沖噪聲干擾最強(qiáng)。而且接入用電設(shè)備時(shí)的隨機(jī)接入與斷開(kāi)方式會(huì)造成突發(fā)性噪聲。與之相比，背景噪聲則分布于整個(gè)電力載波通信頻帶之中。

2.3 阻抗特征

按照電力載波通信原理應(yīng)用時(shí)的理論設(shè)想，在最理想的狀態(tài)下，低壓配電網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗，按照頻率的增大而變小。實(shí)際情況是，在低壓配電網(wǎng)中低壓線路輸入阻抗不依照該規(guī)律發(fā)生變化[3]。此時(shí)的變化特征趨于復(fù)雜化。從原因看，主要是低壓線路中連接了各種負(fù)載，在電力線路中產(chǎn)生了共振電路，而且在其數(shù)量較多的時(shí)，共振頻率與接近頻率段方面產(chǎn)生了低阻抗區(qū)域，加上負(fù)載接入與斷開(kāi)時(shí)的隨機(jī)性，共同導(dǎo)致了輸入阻抗大幅度變化現(xiàn)象，由此也形成了電力載波通信技術(shù)輸入阻抗的復(fù)雜性特征。

2.4 衰減特征

低壓電力線中信號(hào)傳輸時(shí)，受到電力載波通信技術(shù)的變化特征、干擾特征、阻抗特征，以及其他客觀、主觀因素影響，信號(hào)傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象、諧振現(xiàn)象等，在此過(guò)程中會(huì)伴隨信號(hào)衰減現(xiàn)象。例如，在低壓電力線路上傳輸高頻信號(hào)過(guò)程中，負(fù)載接入與斷開(kāi)時(shí)，具有明顯的不可預(yù)測(cè)性，此時(shí)高頻信號(hào)會(huì)發(fā)生衰減。目前的研究認(rèn)為，在信號(hào)傳輸階段發(fā)生的衰減與傳輸距離存在關(guān)聯(lián)，而傳輸過(guò)程中的頻率與其衰減幅度直接相關(guān)。當(dāng)遇到反射與諧振時(shí)，衰減幅度相對(duì)較大，衰減特征也比較突出。

3 電力載波通信的應(yīng)用意義

我國(guó)的電力載波通信技術(shù)研究與應(yīng)用起步較晚，但在推廣應(yīng)用后進(jìn)展速度十分迅速。從當(dāng)前應(yīng)用情況看，電力線數(shù)據(jù)傳輸、電力線高速上網(wǎng)、電力調(diào)制解調(diào)技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，對(duì)于擴(kuò)頻載波通信技術(shù)、正交頻分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用相對(duì)增多，加上電力線載波芯片方面的研發(fā)設(shè)計(jì)，共同推動(dòng)了該技術(shù)在電力系統(tǒng)的運(yùn)用。

例如，在高壓電力線路中，載波通信技術(shù)的更新速度越來(lái)越快，偏遠(yuǎn)變電站中的載波技術(shù)升級(jí)也有所增強(qiáng)。隨著該技術(shù)持續(xù)升級(jí)，在電力生產(chǎn)、電力營(yíng)銷(xiāo)、電能計(jì)量、電話保護(hù)等方面，都可以發(fā)揮重大作用[4]。再如，從現(xiàn)有電力通信規(guī)程方面的要求看，站點(diǎn)通信中設(shè)有兩種物理路徑的路由，即使單一光纜通信獲得更新與升級(jí)，其中的載波通道也保留下來(lái)作為備用。尤其在智慧電力、智能電網(wǎng)、微型電網(wǎng)方面，主網(wǎng)通信阻礙因素越來(lái)越多，增加電力載波通信技術(shù)后，能夠較好地解決其中的電力線通信阻礙問(wèn)題。除此之外，智能家居方面的綜合布線技術(shù)應(yīng)用相對(duì)較多，各類(lèi)智能家居設(shè)備的集成化程度越來(lái)越高，擴(kuò)大了通信聯(lián)網(wǎng)功能需求，此時(shí)，借助家用設(shè)備載波通信通道，能夠?qū)⒅悄懿遄?、自?dòng)控制電源、配電網(wǎng)負(fù)荷自動(dòng)檢查等關(guān)聯(lián)起來(lái)，更好地調(diào)度電力使用，確保配電線路與配電調(diào)度主端的通信安全可靠性。所以，從電力載波通信技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、應(yīng)用方向、應(yīng)用趨勢(shì)看，該技術(shù)具有十分明確的現(xiàn)實(shí)意義。

4 電力載波通信的具體應(yīng)用

電力載波通信應(yīng)用時(shí)因其特征限制，存在諸多問(wèn)題，為了降低此類(lèi)影響，通常需要借助專(zhuān)門(mén)的電力載波Modem（調(diào)制或解調(diào)）芯片與外圍電路組成模塊，從而建立電力載波通信系統(tǒng)。以KQ-130電力載波通信系統(tǒng)（如圖1）為例，首先在電力載波通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送與數(shù)據(jù)接收兩大部分，在前一個(gè)部分，主要通過(guò)基于單片機(jī)芯片的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在后一個(gè)部分則通過(guò)各個(gè)模塊的轉(zhuǎn)換與PC端接收實(shí)現(xiàn)。具體如下：

圖1 KQ-130電力載波通信系統(tǒng)示意

①在發(fā)送部分將單片機(jī)STC89C52（STC公司生產(chǎn)）作為發(fā)送源，通過(guò)其中的CMOS8位微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，可以直接通過(guò)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行編程存儲(chǔ)。考慮到功能集中在數(shù)據(jù)發(fā)送方面，無(wú)須配套設(shè)置外部電路，此時(shí)僅需要應(yīng)用KQ-130載波模塊，保障TTL電平轉(zhuǎn)換使用即可[5]。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，該模塊工作頻率在120～135kHz，實(shí)際波特率與接口波特率分別為100bps、9600bps，模塊中除了用戶(hù)定義其1幀連續(xù)發(fā)送長(zhǎng)度（1～250字節(jié)）外，不會(huì)對(duì)多余數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。而且，在供電電源、絕緣電阻、帶寬、帶外抑制功能、熱門(mén)收靈敏度方面，具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，可以將模塊與GND直接連接，同時(shí)將單片機(jī)中的TXD、RXD與TX、RX引腳進(jìn)行交叉連接，完成電源接口（接收與發(fā)送電源）設(shè)置后，直接把作為交流信號(hào)端的AC引腳與低壓電力線進(jìn)行連接，從而形成“單片機(jī)（TXD/RXD/GND）→（TXD/RXD/GND）電力載波模塊（AC）→220V電力線”連接路徑。②在接收部分則主要按照“PC端電腦→USB-TTL（TXD/RXD/GND）→（TXD/RXD/GND）電力載波模塊（AC）→220V電力線”的連接路徑進(jìn)行連接。其中，USB-TTL（PL2303芯片）模塊主要是將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為USB電平，然后將其輸入到PC端的電腦之中。

其次，在軟件設(shè)計(jì)方面，可以按照“開(kāi)始→初始化變量→初始化串口寄存器→串口發(fā)送數(shù)據(jù)→等待發(fā)送完畢→1=1？→結(jié)束”的程序設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)流程。其中存在兩種情況[6]：①當(dāng)1=1成立時(shí)，則返回到串口發(fā)送數(shù)據(jù)前端進(jìn)行循環(huán)處理。②當(dāng)1=1不成立時(shí)，則結(jié)束流程。在該軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)下，應(yīng)用串行接口（Serial Interface）后，能夠借助3根線進(jìn)行地線、發(fā)送、接收，較好地控制其應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用成本。具體操作時(shí)主要是提按照單片機(jī)→串行通信接口→KQ-130電力載波模塊完成，其中在進(jìn)行波特率的參數(shù)設(shè)置時(shí)以每秒多少個(gè)進(jìn)行計(jì)數(shù)，其他參數(shù)包括數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位，旨在借助數(shù)據(jù)位衡量其實(shí)際數(shù)據(jù)位，利用奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行錯(cuò)誤檢出，而停止位只用于對(duì)單個(gè)包最后一位的標(biāo)記。按照透明工作方式與自定義工作模式，劃分出高電平與低電平同步運(yùn)行模式。在降低傳輸噪聲方面，可以按照MODE引腳接地進(jìn)行自定義模擬傳輸數(shù)據(jù)噪聲控制。例如，在對(duì)“12 34 56”三組數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸過(guò)程中，采用一幀第二個(gè)字節(jié)到第n+1個(gè)字節(jié)進(jìn)行傳輸，需要在其前增加“03”，從而在KEIL編程中應(yīng)用串口反復(fù)發(fā)送9600bps下的“03 12 34 56”數(shù)據(jù)。最后，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試可以較好地實(shí)現(xiàn)反復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)功用。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，電力行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中，增強(qiáng)了電力系統(tǒng)的智能性，為了滿(mǎn)足其中不同電力線中的數(shù)據(jù)傳輸需求，要求配套應(yīng)用電力線載波通信技術(shù)。結(jié)合上述初步分析可以看出，電力載波通信技術(shù)的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，其技術(shù)特征集中在可靠性要求高、線路噪聲大、線路阻抗變化大等方面。但是，在低電力線載波通信方面，應(yīng)用前景十分廣闊，具有明確的現(xiàn)實(shí)意義。因而建議在當(dāng)前該技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀良好、應(yīng)用方向越來(lái)越多的情況下，盡可能在吸收傳統(tǒng)電力載波通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)對(duì)新型電力載波通信技術(shù)的研討與應(yīng)用推廣，為我國(guó)新時(shí)期電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支持。