鄧瑞麒

廣東電網(wǎng)公司江門供電局 廣東 江門 529000

引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中，對于電力能源的需求相對增加，保障電力網(wǎng)絡(luò)的安全運行，是滿足此類需求的必要手段。近年來，隨著電力企業(yè)擴大技術(shù)要素的配置比例，電力系統(tǒng)的運行效率獲得了大幅度提升，與此同時，電力系統(tǒng)對于通信技術(shù)的依賴程度也日益提高。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，要求增強對電力載波通信（Power Line Carrier Communications，PLC）的運用，一方面滿足數(shù)字信號高速傳輸需要，另一方面保障電力系統(tǒng)特有的通信技術(shù)要求。下面先對該技術(shù)的原理做出說明[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音與其他數(shù)據(jù)傳輸。實踐經(jīng)驗表明，對于該技術(shù)的運用已經(jīng)為智能電網(wǎng)的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)，較好地推動了電能計量自動化。進入“十四五”建設(shè)時期后突出了高質(zhì)量發(fā)展主題，擴大了中、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)包括擴頻載波與正交頻分復(fù)用，一方面旨在借助偽隨機編碼調(diào)制傳送信息，另一方面重點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，主要是借助對原始信號的調(diào)制，將信號頻率控制在不同線路傳輸頻帶，借助耦合單元完成信號傳輸，較好地解決多頻率范圍內(nèi)的噪聲干擾。其中，對于原始信號的調(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電壓通過配電變壓器轉(zhuǎn)換為220V低壓后，按照PLC局端→交換機→出口路由器→Internet進行連接。另一方面按照配電柜→用戶電表→PLC Modem→PC機進行連接。此時建立小區(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)的電力用戶關(guān)聯(lián)，無論是工業(yè)用電，還是生活用電，電力用戶的需求始終處于變化狀態(tài)，包括時變性與隨機性。當(dāng)用戶使用時接入負(fù)載種類與大小不同時，電力載波通信也表現(xiàn)為時變性與隨機性，由此也導(dǎo)致了預(yù)測電力用戶需求時的困難。同時，低壓配電網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，會受到客觀環(huán)境因素、主觀電力使用因素的影響，在這種情況下會造成低壓電力載波通信技術(shù)應(yīng)用時的變化特征。

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，會受到噪聲干擾的影響。根據(jù)現(xiàn)階段的研究與實踐經(jīng)驗總結(jié)情況看，此類噪聲類型包括：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)此類干擾噪聲產(chǎn)生影響時，其中的周期脈沖噪聲干擾最強。而且接入用電設(shè)備時的隨機接入與斷開方式會造成突發(fā)性噪聲。與之相比，背景噪聲則分布于整個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，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)載接入與斷開時的隨機性，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

低壓電力線中信號傳輸時，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，信號傳輸時會產(chǎn)生反射現(xiàn)象、諧振現(xiàn)象等，在此過程中會伴隨信號衰減現(xiàn)象。例如，在低壓電力線路上傳輸高頻信號過程中，負(fù)載接入與斷開時，具有明顯的不可預(yù)測性，此時高頻信號會發(fā)生衰減。目前的研究認(rèn)為，在信號傳輸階段發(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，衰減幅度相對較大，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，對于擴頻載波通信技術(shù)、正交頻分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用相對增多，加上電力線載波芯片方面的研發(fā)設(shè)計，共同推動了該技術(shù)在電力系統(tǒng)的運用。

例如，在高壓電力線路中，載波通信技術(shù)的更新速度越來越快，偏遠(yuǎn)變電站中的載波技術(shù)升級也有所增強。隨著該技術(shù)持續(xù)升級，在電力生產(chǎn)、電力營銷、電能計量、電話保護等方面，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，其中的載波通道也保留下來作為備用。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題。除此之外，智能家居方面的綜合布線技術(shù)應(yīng)用相對較多，各類智能家居設(shè)備的集成化程度越來越高，擴大了通信聯(lián)網(wǎng)功能需求，此時，借助家用設(shè)備載波通信通道，能夠?qū)⒅悄懿遄?、自動控制電源、配電網(wǎng)負(fù)荷自動檢查等關(guān)聯(lián)起來，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)用趨勢看，該技術(shù)具有十分明確的現(xiàn)實意義。

4 電力載波通信的具體應(yīng)用

電力載波通信應(yīng)用時因其特征限制，存在諸多問題，為了降低此類影響，通常需要借助專門的電力載波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，在前一個部分，主要通過基于單片機芯片的方式進行設(shè)計，在后一個部分則通過各個模塊的轉(zhuǎn)換與PC端接收實現(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STC89C52（STC公司生產(chǎn)）作為發(fā)送源，通過其中的CMOS8位微控制器進行數(shù)據(jù)計算，可以直接通過Flash存儲器進行編程存儲。考慮到功能集中在數(shù)據(jù)發(fā)送方面，無須配套設(shè)置外部電路，此時僅需要應(yīng)用KQ-130載波模塊，保障TTL電平轉(zhuǎn)換使用即可[5]。從實踐經(jīng)驗看，該模塊工作頻率在120～135kHz，實際波特率與接口波特率分別為100bps、9600bps，模塊中除了用戶定義其1幀連續(xù)發(fā)送長度（1～250字節(jié)）外，不會對多余數(shù)據(jù)進行發(fā)送。而且，在供電電源、絕緣電阻、帶寬、帶外抑制功能、熱門收靈敏度方面，具有相對優(yōu)勢，可以將模塊與GND直接連接，同時將單片機中的TXD、RXD與TX、RX引腳進行交叉連接，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端的AC引腳與低壓電力線進行連接，從而形成“單片機（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”的連接路徑進行連接。其中，USB-TTL（PL2303芯片）模塊主要是將TTL電平信號轉(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)計方面，可以按照“開始→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，則返回到串口發(fā)送數(shù)據(jù)前端進行循環(huán)處理。②當(dāng)1=1不成立時，則結(jié)束流程。在該軟件設(shè)計系統(tǒng)下，應(yīng)用串行接口（Serial Interface）后，能夠借助3根線進行地線、發(fā)送、接收，較好地控制其應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用成本。具體操作時主要是提按照單片機→串行通信接口→KQ-130電力載波模塊完成，其中在進行波特率的參數(shù)設(shè)置時以每秒多少個進行計數(shù)，其他參數(shù)包括數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位，旨在借助數(shù)據(jù)位衡量其實際數(shù)據(jù)位，利用奇偶校驗位進行錯誤檢出，而停止位只用于對單個包最后一位的標(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行模式。在降低傳輸噪聲方面，可以按照MODE引腳接地進行自定義模擬傳輸數(shù)據(jù)噪聲控制。例如，在對“12 34 56”三組數(shù)據(jù)進行傳輸過程中，采用一幀第二個字節(jié)到第n+1個字節(jié)進行傳輸，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，通過系統(tǒng)運行調(diào)試可以較好地實現(xiàn)反復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)功用。

5 結(jié)束語

總之，電力行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級過程中，增強了電力系統(tǒng)的智能性，為了滿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)的原理相對簡單，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，增強對新型電力載波通信技術(shù)的研討與應(yīng)用推廣，為我國新時期電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供技術(shù)支持。