宋新甫,張 磊,陳莉佳,馮 剛

（國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830002）

1 引言

為了滿足電力系統(tǒng)的管理、維修以及運行功能，需要通過信息交換以及傳輸方式進行任務(wù)處理。而電力系統(tǒng)在合理、經(jīng)濟、安全的供發(fā)電以及分配電能基礎(chǔ)上，還要確保電力質(zhì)量，處理以及防止系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)故障，所以，就需要對其進行統(tǒng)一調(diào)度、集中管理，構(gòu)建與其相匹配的通信系統(tǒng)?？傻贸鲭娏νㄐ畔到y(tǒng)在電力系統(tǒng)內(nèi)是不可或缺的重要部分，也是實現(xiàn)電網(wǎng)自動化調(diào)度以及現(xiàn)代化管理的基礎(chǔ)部分，同時還是有效保證經(jīng)濟調(diào)度、電網(wǎng)安全的技術(shù)手段[1]。

因為電力系統(tǒng)的不容間斷性，在運行過程中遇到的突發(fā)狀況多，要求電力通信調(diào)度傳輸時間迅速快、可靠性高，所以要構(gòu)建和電力系統(tǒng)安全運行相匹配的專用通信網(wǎng)。而在系統(tǒng)運行內(nèi)，存在重要意義的變電所以及發(fā)電廠，應(yīng)該確保擁有備用的通信通道，因為變電所和發(fā)電廠是電力系統(tǒng)的重要核心，一旦兩者其中一方出現(xiàn)重大突發(fā)性事故，卻沒有及時完成通信，會造成嚴(yán)重的后果?，F(xiàn)階段，電力系統(tǒng)的通信方式有4種：音頻電纜通信，是由多根互相絕緣的導(dǎo)體，通過特殊方式絞合而成的線束，是用來聯(lián)系調(diào)度載波終端的中間環(huán)節(jié)，同時，也用于近距離變電所和發(fā)電廠間的通信上；光纖通信，采用光波作為傳輸媒介，利用光導(dǎo)纖維實現(xiàn)通信；微波中繼通信，這種通信方式是在視距范圍中，以大氣作為媒介，實現(xiàn)直線傳播的一種通信方式；電力線載波通信，主要是以架空電力線路相導(dǎo)線作為信息傳輸媒介，實現(xiàn)通信，電力通信系統(tǒng)時隙式多通道阻抗測量方法主要針對電力線載波通信，電力線載波通信是電力通信系統(tǒng)的核心之一，電力通信系統(tǒng)中的每一個數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)都有各自的邊緣服務(wù)器，主要通過物聯(lián)網(wǎng)中的采集終端進行數(shù)據(jù)采集，然后通過電力線載波通信將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器上。同時通信的內(nèi)容有多種多樣，一般都包括：計算機通信、遠動與數(shù)據(jù)信號、系統(tǒng)運行狀態(tài)的圖像信息、遠方保護信號、傳真等，隨著調(diào)度自動化以及企業(yè)生產(chǎn)管理水平不斷提高，傳輸?shù)膬?nèi)容也在不斷增加[2]。

存在電阻、電感以及電容的電路內(nèi)，對電路起到阻礙作用的叫作阻抗。而在電力通信系統(tǒng)內(nèi)，同樣存在阻抗，使得通信信息不能及時完成傳輸，影響到系統(tǒng)正常使用，所以需要測量出系統(tǒng)的阻抗，對其進行處理，來增強通信信號[3]，為此本文提出一種電力通信系統(tǒng)時隙式多通道阻抗測量方法，該方法能夠有效地測量出電力系統(tǒng)內(nèi)的阻抗，并且測量精度高、直觀性較強。

2 電力通信系統(tǒng)時隙式多通道阻抗測量方法

2.1 測量機理

具體多通道阻抗的測量圖像，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的測量機理圖像

在圖1中，通過多通道端口的有源阻抗測量系統(tǒng)來對16個單元相控陣實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集以及迅速測量。

利用系統(tǒng)測量前，要先采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，收集包括線纜以及每個通道幅值的相位數(shù)據(jù)，再通過系統(tǒng)控制軟件進行補償，以此完成清除因為測量接收通道與電纜的不一致所帶來的相位以及增幅影響，產(chǎn)生通道不同性質(zhì)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件，而在實際測量時，通過該校準(zhǔn)文件修正每個通道，以確保每個通道幅度相位的一致性，且在電力通信系統(tǒng)測量端面實現(xiàn)端口的校準(zhǔn)，存儲校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的文件，以提供實際測量的應(yīng)用，提升電力通信系統(tǒng)的可靠性尤為重要。

2.2 電力通信系統(tǒng)的可靠性提升

電力通信網(wǎng)作為電力系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò)，包括了多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及各種通信設(shè)備，而存在于電力系統(tǒng)行業(yè)的特色通信服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，它主要是以多種類型的監(jiān)控系統(tǒng)獨立運行、多種網(wǎng)絡(luò)間互通、多種設(shè)備共存。

而電力通信系統(tǒng)的可靠性，是受到工作環(huán)境、運行方式以及通信設(shè)備類型等三個方面因素影響，它主要是基于系統(tǒng)安全可靠性比較薄弱的環(huán)節(jié)需求，利用高可靠性設(shè)備、改善運行環(huán)境、自動報警、人工切換、主備用方式、N+1備用以及冗余技術(shù)等方式，來提升電力通信系統(tǒng)的可靠性[4]。

不同規(guī)模的電網(wǎng)，其變電站的個數(shù)也不相同，并且它們是處于互相獨立的并聯(lián)關(guān)系。相對于主站的系統(tǒng)來說，通常是利用主、備方式對可靠性水平進行提升，而SDH 環(huán)，因為存在良好自愈性以及網(wǎng)絡(luò)性，它的網(wǎng)絡(luò)生存性能非常強。不過相對于網(wǎng)絡(luò)完整性來說，獲取大于某規(guī)定值的監(jiān)控子站信息數(shù)據(jù)個數(shù)時，就可以滿足需求。

各個元件的可用度為：EMS 的通信接口A9，主站系統(tǒng)A8，ATM 的交換機A7，網(wǎng)橋群A6，SDH 環(huán)A5，網(wǎng)橋A4，監(jiān)控子站A3，控制的裝置A2，測量的裝置A1。

電力通信系統(tǒng)的子系統(tǒng)，模塊1 和模塊2 并聯(lián)之后和模塊3、4進行串聯(lián)，獲得子系統(tǒng)X可用度AX，具體公式為：

相對于各并聯(lián)變電站的完整度需求，在系統(tǒng)內(nèi)具有n個變電站，如果要求最小接收不少于m個變電站數(shù)據(jù)，那么獲取m/n子系統(tǒng)可用度AY，具體公式為：

其主站系統(tǒng)是兩備用的系統(tǒng)，具體主站系統(tǒng)可用度AZ公式為：

經(jīng)過上述所描述的電力通信系統(tǒng)，它的可用度公式為：

通過上式可以看出，等效之后電力通信系統(tǒng)是串聯(lián)模型，其中子系統(tǒng)Y和元件由于自愈功能、備用以及冗余而存在比較高的可靠性[5]。

2.3 時隙式多通道的隨機多址系統(tǒng)模型

完成電力通信系統(tǒng)的可靠性提升后，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的內(nèi)置信號源實現(xiàn)相參設(shè)置，引出二路的相參信號，經(jīng)過功分組件之后，可以形成十六路的相參信號；把形成相參信號與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀源輸入進行連接，利用雙定向耦合器以后輸出至等待測量的天線單元，再采用雙定向耦合器輸出實現(xiàn)測量，具體矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀收集參考的接收機以及測量接收機所接收的信號公式為：

通過系統(tǒng)軟件以及預(yù)先存儲的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理之后，可以獲得相控陣有源端口S的參數(shù)矩陣，具體公式為：

多通道阻抗通過將信道帶寬分割成獨立的多個子信道來提高網(wǎng)絡(luò)性能，采用多通道阻抗改善了網(wǎng)絡(luò)性能，利用多通道的隨機多址系統(tǒng)模型使多個節(jié)點同時在不同信道上傳輸數(shù)據(jù)，減少了網(wǎng)絡(luò)延遲，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠椒€(wěn)性。固定占用式的時隙式多通道的隨機多址系統(tǒng)模型，具體如圖2所示。

圖2 多用道隨機多址的系統(tǒng)模型

假設(shè)系統(tǒng)存在N個通道，具有N個優(yōu)先級，那么優(yōu)先級排序的方式從低到高為，優(yōu)先級1，2，…，N，各個優(yōu)先級用戶的個數(shù)不限。優(yōu)先級i每一次到達i個分組，并且固定占用通道1到達通道i的i個通道，i=1，2，…，N。

2.4 系統(tǒng)性能分析

利用多通道端口的有源阻抗測量系統(tǒng)[7]，能夠完成16單元的相控陣內(nèi)單元互偶迅速測試以及數(shù)據(jù)自動收集，來提供相控陣的天線系統(tǒng)設(shè)計以及驗證調(diào)整。

通過系統(tǒng)軟件以及之前存儲的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理之后，獲得相控陣陣內(nèi)單元的互耦參數(shù)矩陣，具體公式為：

通過系統(tǒng)軟件以及之前存儲的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理之后，獲得相控陣端口的反射系數(shù)矩陣，具體公式為：

經(jīng)過S參數(shù)以及VSWR轉(zhuǎn)換公式，能夠獲得相控陣陣內(nèi)的單元端口駐波數(shù)據(jù)，具體公式為：

設(shè)定系統(tǒng)性能如下：

(1) 通道的接入方式是時隙式1-堅持CSMA，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最大的傳輸時延是a，而分組長度是單位長度并且是a整數(shù)倍。

(2) 假設(shè)信道是理想狀態(tài)下的信道，在信道內(nèi)沒有干擾以及噪聲[6]。

(3) 分組到達的過程，是參數(shù)G至Poisson的到達過程。

(4) 碰撞的分組會在后面某時刻重新上傳，重新上傳的分組到達信道過程并沒有影響。

通過上述的測量方法完成電力通信系統(tǒng)的多通道阻抗測量。

3 實驗結(jié)果分析

因為多通道阻抗測量結(jié)果、反饋電阻以及標(biāo)定電阻精度之間存在很大聯(lián)系，因此在系統(tǒng)內(nèi)，反饋電阻以及標(biāo)定電阻都選擇比較小的溫度系數(shù)、精度是0.1%，通過電容和電阻串聯(lián)方式，作為待測的阻抗，采用本文多通道阻抗測量方法對比惠普4285 型LCR 分析儀的測量結(jié)果，驗證本文方法的有效性。測量儀的通道1～4 分別利用1kHz、10kHz、50kHz、100kHz[8]，激勵不同待測的阻抗。

具體的測量結(jié)果如表1所示。

表1 多通道阻抗測量結(jié)果對比

通過觀察表1看出，測量的相對誤差能夠確保在1%內(nèi)，以此說明本文方法可靠性良好，精度較高。

在進行實際測量時，掃描起始頻率、點數(shù)以及頻率的參數(shù)，將微處理器收集到的數(shù)據(jù)利用USB 總線進行實時傳輸至上位機，然后上位機把數(shù)據(jù)存儲且經(jīng)過阻抗—頻率的曲線顯示出來。完成對15kΩ純電阻的掃頻測量(掃描點數(shù)250，頻率的增量步長為25 000Hz，起始頻率的設(shè)置是25kHz)，具體如圖3所示。

圖3 15kΩ的電阻掃頻測量結(jié)果

在利用30kΩ以及200pF的電容串聯(lián)構(gòu)成阻抗實現(xiàn)掃頻測量(掃描點數(shù)100，頻率的增量步長為600Hz，起始頻率的設(shè)置是25kHz)，具體如圖4所示。

圖4 30kΩ以及200pF電容串聯(lián)的測量結(jié)果

通過觀察圖3、4能夠看出，測量的結(jié)果全是圍繞著理論計算值進行上下波動的，而測量的相對誤差要小于1%，利用上位機頻率—阻抗圖能夠非常直觀地看出某個特定頻率下面的阻抗值，以此說明本文方法的測量方法存在較強的直觀性。

4 結(jié)束語

本文對電力通信系統(tǒng)的多通道測量，測量精度較高，直觀性較強，不過隨著企業(yè)生產(chǎn)的管理以及自動化調(diào)度水平的不斷提升，需要傳輸?shù)男畔⒑芏?，因此，未來本文還需要進一步研究，爭取更加精準(zhǔn)地測量出系統(tǒng)內(nèi)的阻抗，對其進行計算，增強通信強度。