面向?qū)拵лd波的全自動低壓配電網(wǎng)信道模擬系統(tǒng)*

王毅，田富公，葉君，孫洪亮，龍方家

（1.重慶郵電大學(xué)，重慶400065；2.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶401123）

0 引 言

隨著“十一五”窄帶電力線載波通信技術(shù)（NPLC）過渡到“十二五”寬帶電力線載波通信技術(shù)（BPLC），電力線載波通信技術(shù)在國內(nèi)已取得長足發(fā)展并已廣泛應(yīng)用于智能電能表的用電信息采集系統(tǒng)中。寬帶電力線載波通信通常采用OFDM技術(shù)，占用2 MHz～30 MHz間的頻段，相對于窄帶電力線載波通信具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率與更加可靠的通信質(zhì)量，最大通信速率可達(dá)2 Mbps以上。寬度載波產(chǎn)品從開發(fā)到商用通常需要經(jīng)歷規(guī)范定制、產(chǎn)品研發(fā)、實驗室測試、外場測試、實驗網(wǎng)測試及商用網(wǎng)測試六個階段，目前由于條件所限，實驗室測試階段往往只能開展仿真測試，無法開展基于實物的產(chǎn)品級應(yīng)用測試，這為系統(tǒng)化驗證寬帶載波產(chǎn)品性能帶來不便。解決這一問題需要建立相應(yīng)測試系統(tǒng)以開展寬帶產(chǎn)品通信與控制等方面的研究。

目前主流電力線信道模擬技術(shù)包括三大類，第一類是基于MATLAB或ATP-EMTP等計算機(jī)軟件仿真平臺［1-4］，第二類是基于 SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）或FPGA的數(shù)字化模擬裝置［5-7］，第三類是搭建外場配電測試網(wǎng)［8-9］。基于軟件仿真平臺的模擬技術(shù)是目前大多數(shù)相關(guān)領(lǐng)域研究人員所熱衷的信道模擬技術(shù)，其平臺搭建簡便、開發(fā)周期短且無需工程實測，但這種信道模擬技術(shù)倚重理論推導(dǎo)與模型導(dǎo)入，無法對電力線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、負(fù)載隨機(jī)接入的多變性和噪聲干擾的多樣性進(jìn)行切合外場實際環(huán)境的模擬。基于SPICE和FPGA的數(shù)字化模擬裝置可以通過硬件描述語言和快速并行運(yùn)算來設(shè)計模擬信道的特性，但仍克服不了依賴?yán)碚撃Ｐ汀⒚撾x實物的特點。通過搭建實際線纜模擬現(xiàn)場環(huán)境，可以克服以上兩種模擬技術(shù)的主要缺點，但其設(shè)備龐大，更改難度大，每次測試需重復(fù)搭建或前往固定外場，無法滿足實驗室測試的便攜性和靈活性。因此克服以上三種信道模擬技術(shù)的缺陷、融合其優(yōu)勢是設(shè)計新式信道模擬技術(shù)需要參詳?shù)囊x。本文介紹的智能配電網(wǎng)全自動載波信道模擬試驗系統(tǒng)即為解決上述需求而設(shè)計的。該設(shè)備既能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)場外電力線信道與噪聲特性，又能靈活配置配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供多接口的寬帶載波終端及負(fù)載隨機(jī)接入方式，為未來低壓載波通信網(wǎng)建設(shè)、實驗室設(shè)備測試與評估、用電信息數(shù)據(jù)高速采集、雙向互動智能用電等諸多方面提供理論研究基礎(chǔ)與實踐方案。

1 智能配電網(wǎng)全自動載波信道模擬試驗系統(tǒng)

1.1 設(shè)備架構(gòu)及原理簡介

智能配電網(wǎng)全自動載波信道模擬試驗系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由低壓電器系統(tǒng)、DELTD可編程控制器、觸摸屏、負(fù)載電阻和電能表等電氣元件組成。具有對干線材質(zhì)、干線距離、支線距離、負(fù)載的控制功能，同時具有檢測報警、安全防護(hù)功能。能夠?qū)崿F(xiàn)載波信號設(shè)備的自動運(yùn)行、控制和保護(hù)，出現(xiàn)故障時自動聲光報警、自動停機(jī)、故障查詢等。觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)各種開關(guān)狀態(tài)的在線監(jiān)視、修改、調(diào)用以及監(jiān)控各設(shè)備的工作情況。

圖1 智能配電網(wǎng)全自動模擬試驗系統(tǒng)Fig.1 Automatic simulation test system of intelligent distribution network

按組織架構(gòu)試驗系統(tǒng)又可分為模擬配電系統(tǒng)和測試主站控制平臺兩部分。

模擬配電系統(tǒng)包括1個進(jìn)線柜DS-01、5個分支柜DS-02～DS-06、3個電表柜DS-07～DS-09、一個負(fù)載柜DS-10，如圖1所示。進(jìn)線柜是模擬配電系統(tǒng)供電輸入端，主要負(fù)責(zé)電源接通開關(guān)控制及監(jiān)測供電電壓和電流是否穩(wěn)定。分支柜是模擬配電系統(tǒng)的主體部分，負(fù)責(zé)接受觸摸控制屏的指令并動態(tài)調(diào)整線纜長度、材質(zhì)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)配電線路的健碩性，將分支柜中的配電網(wǎng)拓?fù)鋭澐譃楣潭ǚ种Ш鸵苿臃种В医圆捎萌嗨木€制，各分支干線和支線長度及材質(zhì)具體如表1所示。固定分支線路結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，8條固定分支線分別位于主干線的不同位置，通過斷路器控制支線與主干的連通，干線上可同時并接多個固定分支。移動分支線路結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，移動分支通過斷路器可與干線上的10處不同連接點連接，干線上每次只可連接一個移動分支。電能表柜和負(fù)載柜為模擬配電系統(tǒng)的終端接入系統(tǒng)，DS-07和DS-08兩個電能表柜各設(shè)有16個可拆卸的單相電能表插槽，DS-09電能表柜設(shè)有3個三相電能表插槽和12個單相電能表插槽，電能表柜槽口可為被測載波模塊和標(biāo)準(zhǔn)載波模塊提供多模塊掛載功能。負(fù)載柜中下排是負(fù)載插座提供負(fù)載隨機(jī)接入，各相線在負(fù)載柜中均勻分配，上排是兩級空開陣列控制相應(yīng)插座的供斷電動作。

圖2 固定分支和移動分支配電線路控制原理圖Fig.2 Control schematic diagram of the fixed branch and mobile branch distribution line

表1 固定分支箱和移動分支箱具體配電參數(shù)Tab.1 Specific distribution parameters of the fixed branch box and mobile branch box

測試主站控制平臺包括兩個集中器插槽、一臺數(shù)據(jù)加密機(jī)和一臺計算機(jī)。計算機(jī)用于模擬主站的功能，包括業(yè)務(wù)測試指令的下發(fā)、終端實時在線監(jiān)控顯示以及采集數(shù)據(jù)的收集匯總。數(shù)據(jù)加密機(jī)用于主站與采集終端數(shù)據(jù)通信的加密操作，確保安全數(shù)據(jù)通信。兩個集中器用于對終端的單／多網(wǎng)組網(wǎng)及主站與采集終端間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 設(shè)備電氣參數(shù)

（1）配電柜主干線電源：三相380 V／50Hz；

（2）PLC控制柜電源：220 VAC／50Hz；

（3）主干線一：銅芯線 4Φ；35 mm2；距離150 m；主干線二：鋁芯線4Φ；70 mm2；距離1 000 m；

（4）支線距離：5 m；其中4個分支箱具有5 m／15 m／30 m距離可變換；

（5）照明用電：220 V／50Hz；

（6）測試電能表：單相電能表44只，三相電能表3只；

（7）負(fù)載：32 kW（本文采用純阻性負(fù)載）。

2 系統(tǒng)信道典型傳輸特性

為驗證該系統(tǒng)在不同線纜材質(zhì)、長度及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況下信道傳輸特性是否與外場供電場景信道特性是否具有一致可比性，本文選擇頻點電壓比較法測量了該系統(tǒng)在500 kHz～20 MHz頻段范圍內(nèi)信道的衰減特性，即在圖1主站集中器（CCO）端通過耦合器發(fā)送掃頻信號，在負(fù)載柜負(fù)載插座處通過耦合器接收信號，觀測記錄信號衰減特性，本系統(tǒng)中可自動投切的負(fù)載均采用純阻性負(fù)載，也可通過外接方式接入容性和感性負(fù)載。圖3（a）為銅質(zhì)和鋁質(zhì)不同長度干線接5 m單分支線纜的衰減特性，可看出在單分支線纜時衰減量隨干線長度增加而增加，單位長度銅質(zhì)衰減量較鋁質(zhì)大些，model是利用電力線多徑模型［10］對實測數(shù)據(jù)的擬合，從擬合效果可看出信道實測特性曲線能較好匹配理論模型，可為信道理論基礎(chǔ)研究提供有效平臺。圖3（b）為鋁質(zhì)140 m和900 m干線接入不同數(shù)量分支線纜的衰減特性，一個分支的情況是單分支5 m，三個分支的情況是兩個5 m和一個10 m，七個分支的情況是四個5 m和三個10 m。在相同長度干線距離時，接入分支數(shù)越多頻率選擇性衰減的頻次越高，衰減量亦越大。圖3（c）給出了銅質(zhì)75 m和135 m干線接入不同數(shù)量分支線纜的衰減特性，一個分支的情況是單分支5 m，四個分支的情況是兩個5 m和兩個10 m，八個分支的情況是四個5 m和四個10 m。可看出銅質(zhì)與鋁質(zhì)多分支衰減特性的變化特征相似，只是在衰減程度上仍較鋁質(zhì)大。對比一些電力線基礎(chǔ)特性及外場信道實際測試數(shù)據(jù)［11-15］，可知智能配電網(wǎng)全自動載波信道模擬試驗系統(tǒng)能較好模擬實際配電環(huán)境的信道特性，滿足實驗室模擬場外通信環(huán)境的條件及功能。

圖3 配電試驗系統(tǒng)典型信道衰減特性Fig.3 Typical channel attenuation characteristics of power distribution system

3 系統(tǒng)功能

3.1 系統(tǒng)模擬功能

3.1.1 臺區(qū)運(yùn)行模式模擬功能

（1）單臺區(qū)模擬：本系統(tǒng)可對單臺區(qū)供電時的情況進(jìn)行模擬，為變壓器相間共模信號傳輸、信號衰減機(jī)理提供研究條件，并可開展對相間共模干擾機(jī)理及異頻共模干擾信號的衰減進(jìn)行研究；

（2）雙臺區(qū)模擬：本系統(tǒng)可對小區(qū)兩個臺區(qū)獨立供電的情況進(jìn)行模擬，并可實現(xiàn)負(fù)載在兩個變壓器之間進(jìn)行切換。此模式下，信號在平行線纜中傳輸容易發(fā)生信號串臺區(qū)的情況。因此本系統(tǒng)可通過對信號設(shè)備控制實現(xiàn)對電纜井中臺區(qū)信號相互串?dāng)_情況的模擬功能。

3.1.2 低壓配電模擬功能

（1）供電方式模擬：本系統(tǒng)可提供單相供電、三相三線供電和三相四線供電方式；

（2）配電材質(zhì)模擬：本系統(tǒng)中的傳輸線路可根據(jù)試驗需要，針對商業(yè)用電和普通居民用電，可選擇銅芯和鋁芯線進(jìn)行模擬；

（3）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模擬：本系統(tǒng)通過交流繼電器自動切換裝置，可實現(xiàn)對供電變壓器的選擇，并可對線路材質(zhì)、線路支點、負(fù)載節(jié)點進(jìn)行自由組合，從而改變線路長度，實現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與輸電線路特征參數(shù)的改變，以滿足試驗的需求；

（4）控制功能模擬：本系統(tǒng)除不能改變配電變壓器工作狀態(tài)外，其余所有功能均可實現(xiàn)自動控制，包括改變線路材質(zhì)、長度、修改線路支點、接入負(fù)載節(jié)點等所有的功能都可以在觸摸屏上進(jìn)行操作，操作后屏幕自動顯示改變后狀態(tài)，使用直觀方便，可視性強(qiáng)。另外，控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計有軟件安全閉鎖功能，可防止相與地短路與相間短路事故，安全可靠性高；

（5）擴(kuò)展功能模擬：本系統(tǒng)可支持外接負(fù)載接入系統(tǒng)，比如接入諧波設(shè)備、變頻設(shè)備、單三相交流電機(jī)等非線性負(fù)載。

3.2 多場景配電模擬功能

由表1可看出，該系統(tǒng)集中器至電能表端或負(fù)載端采用銅材質(zhì)和鋁材質(zhì)單分支配電方式各有62種，固定分支箱中銅材質(zhì)和鋁材質(zhì)多分支配電方式的主干線上各自最多可并接8個分支，每個移動分支箱又有10種不同長度的干線距離可選擇。在全通模式下，系統(tǒng)可實現(xiàn)，4支干線，26分支線同時配電運(yùn)行模式。豐富的配電模式為模擬場外多種應(yīng)用場景提供了便利。本文實測了該系統(tǒng)在多種配電模式下的信道特性，對模擬多種外場環(huán)境對應(yīng)的配電模式進(jìn)行了分類總結(jié)，如表2所示。

3.3 寬帶電力線載波通信測試功能

本系統(tǒng)主要功能是模擬在不同配電環(huán)境下完成寬帶電力線載波通信性能的測試。基本通信性能測試環(huán)節(jié)主要包括型式試驗、出廠檢驗、入網(wǎng)檢驗、到貨驗收、周期巡檢及故障檢測等，驗收環(huán)節(jié)中驗收方對寬帶產(chǎn)品性能的需求選擇靈活，可在綜合組網(wǎng)測試中完成項目檢驗，主要包括：全網(wǎng)組網(wǎng)測試、新增站點入網(wǎng)測試、多網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)測試、全網(wǎng)抄表測試、廣播對時測試、搜表功能測試、多節(jié)點事件主動上報測試、本地全網(wǎng)升級。另外，針對外場實際通信業(yè)務(wù)功能還可完成寬帶電力線載波高級功能驗證，主要包括：全事件上報、表號自動上報、全網(wǎng)升級、寬窄帶載波混合、電能質(zhì)量監(jiān)測、實時費(fèi)控測試、費(fèi)率時段下發(fā)、停電故障定位。基于表2所歸類的模擬信道配電模式可完成面向農(nóng)村、城鄉(xiāng)結(jié)合部和城區(qū)商業(yè)住戶智能用電寬帶載波產(chǎn)品的性能測試和評估在模擬不同外場環(huán)境進(jìn)行測試時，可采取相同的測試方法和步驟，但對于測試結(jié)果的評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)靈活區(qū)別對待，因為不同外場的用戶數(shù)量和通信環(huán)境有差異，導(dǎo)致載波通信成功率和延時等指標(biāo)會有所不同，這也是設(shè)計用電信息采集系統(tǒng)雙向互動功能在應(yīng)用層面差異化對待的底層技術(shù)緣由［16］。另外，在相同配電模式下，可比較同種功能不同廠家寬帶產(chǎn)品的性能，供驗收方評估產(chǎn)品性能和擇優(yōu)選擇產(chǎn)品。

表2 多場景模擬功能表Tab.2 Multi scene simulation function table

4 結(jié)束語

本文以解決寬帶電力線載波產(chǎn)品性能檢測和驗收為出發(fā)點，分析智能配電網(wǎng)全自動載波信道模擬試驗系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計原理及功能，通過對系統(tǒng)載波信道的測量與分析比較，論證了實驗室環(huán)境下寬帶電力線載波信道裝置對外場多場景模擬的可行性和靈活性，能完成農(nóng)村、城鄉(xiāng)結(jié)合部、城市商業(yè)住戶載波通信環(huán)境的復(fù)現(xiàn)及相應(yīng)場景寬帶載波測試功能。最后提出寬帶電力線載波產(chǎn)品基本通信性能測試和組網(wǎng)通信測試，克服了基于仿真和現(xiàn)場測試等信道模擬技術(shù)面臨的短板和應(yīng)用瓶頸，為研究人員與驗收人員解決載波產(chǎn)品相關(guān)問題提供一條便捷有效的試驗平臺和集成方案。