中壓配電網(wǎng)電力線載波通信實驗教學(xué)系統(tǒng)

王艷　趙洪山　宋瑋

摘要：為培養(yǎng)電力系統(tǒng)高層次復(fù)合應(yīng)用型人才，教學(xué)團(tuán)隊研發(fā)了一套既適合實驗教學(xué)，又結(jié)合實際電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的中壓配電網(wǎng)電力線載波通信實驗教學(xué)系統(tǒng)。簡介了電力線載波通信技術(shù)，給出了載波通信裝置的硬件結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計，構(gòu)建了一個中壓配電網(wǎng)PLC通信實驗仿真教學(xué)系統(tǒng)。學(xué)生可根據(jù)中壓配電網(wǎng)實際拓?fù)浯罱ㄝd波通信信道模型，設(shè)置通信參數(shù)，測試通信性能指標(biāo)等，以促進(jìn)其理論知識的學(xué)習(xí)，提升實踐動手能力，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；電力線載波通信；硬件電路設(shè)計；實驗教學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0267-02

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，應(yīng)用型專業(yè)人才的培養(yǎng)已經(jīng)成為各高校發(fā)展的必然選擇。華北電力大學(xué)（保定）電力工程系從高等教育大眾化及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)狀出發(fā)，同時結(jié)合電力系統(tǒng)特色，把大力培養(yǎng)社會發(fā)展所需要的高層次復(fù)合應(yīng)用型電力人才作為教學(xué)目標(biāo)之一，注重培養(yǎng)學(xué)生知識復(fù)合、能力復(fù)合、思維復(fù)合以及適應(yīng)社會需要的能力。網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)以其資源共享，高效可靠的特點廣泛應(yīng)用在電力行業(yè)中，成為電力系統(tǒng)通信的重要組成部分，在電網(wǎng)繼電保護(hù)、監(jiān)控及調(diào)度自動化等方面扮演著越來越重要的角色。隨著電力系統(tǒng)中對通信技術(shù)人才要求逐步提高，華北電力大學(xué)（保定）電力工程系將網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)設(shè)定為電氣工程專業(yè)學(xué)生的必修課。網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)作為一門綜合性的科學(xué)，與電路基礎(chǔ)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等有著密切的關(guān)系，是一門理論性、實踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。該課程專業(yè)術(shù)語抽象、內(nèi)容枯燥、基本概念多、協(xié)議多，學(xué)生普遍反映有些知識比較難學(xué)、難懂，加上缺乏對工程實踐的感性認(rèn)識，易出現(xiàn)棄學(xué)的心理。故本教學(xué)團(tuán)隊老師根據(jù)電力系統(tǒng)實際通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，結(jié)合配電網(wǎng)架構(gòu)特點，研發(fā)了一套基于OFDM技術(shù)的中壓配電網(wǎng)電力線載波通信實驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)設(shè)計既適合實驗教學(xué)，又結(jié)合實際應(yīng)用。如載波通信模塊的硬件是按照現(xiàn)場應(yīng)用來進(jìn)行設(shè)計的，載波通信模塊中的軟件不但實現(xiàn)必需的通信功能還增加了學(xué)生實驗測試和設(shè)置功能，同時配電網(wǎng)信道模型學(xué)生可根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙プ约捍罱ā＿@樣的實驗系統(tǒng)不僅使學(xué)生增強(qiáng)了實驗興趣，還提高了動手能力，同時使學(xué)生更多地了解電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中基于電力線載波技術(shù)的通信網(wǎng)的實際電路和系統(tǒng)構(gòu)成。

一、電力線載波通信技術(shù)

電力載波通信PLC（Power line Communication）技術(shù)是電力系統(tǒng)特有的通信方式，是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。其最大特點是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。電力線載波通信由于其成本低，靈活性高，可以適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時運行維護(hù)方便簡單等優(yōu)點，受到了中低壓配電網(wǎng)的極大青睞。隨著新的正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)的快速發(fā)展，PRIME規(guī)范、G3-PLC規(guī)范、ITU-T G.hn規(guī)范及IEEE 1901.2標(biāo)準(zhǔn)的頒布，為PLC技術(shù)的實用化提供了依據(jù)。目前基于多載波調(diào)制方法的電力線載波通信技術(shù)已成為當(dāng)前智能配電網(wǎng)通信技術(shù)的研究熱點。

二、電力線載波通信裝置的研發(fā)

1.電力線載波通信裝置原理框圖。設(shè)備硬件系統(tǒng)整體原理框圖如上圖1所示，主要由電源電路、濾波放大電路、調(diào)制解調(diào)芯片、MCU控制單元、網(wǎng)口、調(diào)試接口、RS232/485接口電路組成。DTU、RTU設(shè)備、PC機(jī)通過網(wǎng)口、調(diào)試接口、RS232/485接口將需要傳送的信息發(fā)送到MCU控制單元，MCU將需要傳送的信息進(jìn)行協(xié)議處理發(fā)送給調(diào)制解調(diào)芯片，調(diào)制解調(diào)芯片將傳送的信息調(diào)制成載波信號，并經(jīng)濾波放大后發(fā)送到耦合設(shè)備，注入到電力線上進(jìn)行傳輸。同時，電力線上傳輸?shù)妮d波信號經(jīng)耦合設(shè)備后傳輸?shù)捷d波設(shè)備上，濾波放大電路濾除線路上的信號噪聲，調(diào)制解調(diào)芯片對信號進(jìn)行解調(diào)，發(fā)送給MCU控制單元，MCU控制單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析處理后通過網(wǎng)口、調(diào)試接口、RS232/485接口發(fā)送到DTU、RTU設(shè)備、PC機(jī)。以此完成信息的雙向通信。

2.電力線載波通信裝置。圖2為本教學(xué)團(tuán)隊實際研發(fā)的載波通信設(shè)備照片。設(shè)備在物理層采用成熟的OFDM技術(shù)和先進(jìn)的編碼調(diào)制技術(shù)構(gòu)建穩(wěn)健的物理層，利用多個正交的子通道抵抗中壓電力線路中的各種干擾，保證通信的可靠性。

三、中壓配網(wǎng)電力線載波通信實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

中壓配網(wǎng)電力線載波通信實驗教學(xué)系統(tǒng)由電力線載波通信裝置主、子模塊和耦合器組成。各通信模塊的硬件構(gòu)成原理相同，可以工作在主從方式下。每個通信模塊均可作為主站或子站。載波信號通信信道的搭建：參考河北省保定市10kV城市配電網(wǎng)線路型號及參數(shù)，分別計算不同線路型號下長度為50m的線路參數(shù)，將每50m線路等效焊接成一個集中參數(shù)的RLC電路型模型，利用多個RLC電路型模型的級聯(lián)來等效一條10kV分布參數(shù)的輸電線路。學(xué)生可根據(jù)實際中壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自行搭建載波信道模型。子載波頻點的選擇：本載波通信裝置的通信帶寬為10kHz-500kHz，共設(shè)有101個可選子頻點，通信通道數(shù)目為18個。在通信帶寬上，學(xué)生可手動選擇固定的18個子載波頻點進(jìn)行載波通信，也可自動輪詢測試所有通信頻點，擇優(yōu)選擇18個最佳子載波信道。通信性能指標(biāo)測試：在主—從通信模式下，學(xué)生可對載波通信裝置的通信性能進(jìn)行測試，包括：數(shù)據(jù)包被正確接收到的個數(shù)、丟失的個數(shù)、重發(fā)次數(shù)以及信號誤碼率、通信速率等都可以在主站的人機(jī)界面上顯示出來。通信參數(shù)的設(shè)置：可設(shè)置的參數(shù)包括通信速率、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)包長度、重發(fā)次數(shù)以及通信模式等。

四、結(jié)束語

根據(jù)電力系統(tǒng)實際通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，結(jié)合配電網(wǎng)架構(gòu)特點，教學(xué)團(tuán)隊研發(fā)了一套基于OFDM技術(shù)的中壓配電網(wǎng)電力線載波通信實驗系統(tǒng)。介紹了電力線載波通信裝置的原理框圖、硬件電路以及系統(tǒng)設(shè)計。該實驗系統(tǒng)設(shè)計既適合實驗教學(xué)，又結(jié)合實際應(yīng)用。通過實驗，使學(xué)生對中壓配電網(wǎng)電力線通信的信道模型、裝置的內(nèi)部構(gòu)成、電路原理有了深刻的理解，不僅促進(jìn)了學(xué)生理論知識的學(xué)習(xí)，還提升了實踐動手能力。既深化了教學(xué)內(nèi)容，又拓寬了學(xué)生的視野，提高了教學(xué)質(zhì)量。由于本實驗教學(xué)系統(tǒng)是結(jié)合實際進(jìn)行開發(fā)的，通過適當(dāng)?shù)男薷木涂蓱?yīng)用于實際中壓配電網(wǎng)中。