基于PLC通信的高壓配電在線監測系統設計

馬文超

（棗莊科技職業學院，棗莊 277599）

隨著工業技術的發展以及人民生活水平的提升，用電量逐漸增長，人們對電力行業提出更高的要求[1]。除此之外，對于供電質量和安全性的要求也更為嚴格。高壓配電作為不可或缺的基礎設施，在實際工程中仍存在一定缺陷[2]。

一是供電的可靠性不夠高。主要表現在我國地域分布不均衡，部分地區的配電設置較為落后，基礎建設較為薄弱，大部分的高壓電輸送仍采用架空線，布局上呈樹枝狀結構，達到用戶端的供電點較少。

二是高壓輸送產生的功率損失明顯。在偏遠地區，電路輸送的距離較長，再加上局部布局不夠合理，使得整體上的能源損耗較大，相關的維護費用偏高。

三是監測系統不夠完善，應用率較低。高壓配電的監測功能對于供電的安全性和可靠性有著重要的作用，但是受限于經濟發展的不平衡，遠距離的監測和控制存在較大困難，對于繼電器、變壓器的精細化監測與控制水平較低，全面的智能化控制系統尚未有效地應用[3]。四是故障檢測效率較低。當出現供電異常時，最短時間內檢測出故障點并及時維修，對于經濟效益有著重要的影響，而目前的供電系統存在明顯的不足，恢復供電的用時較長。為此，本文提出一種基于PLC的高壓配電監測系統，旨在有效改善配電監測功能，確保供電的可靠性。

1 系統的整體設計

1.1 控制方案設計

對于高壓配電系統，本文采用了西門子生產的中型機PLC S7-300。整個系統的控制方案設計主要基于監測功能的可靠性，如圖1所示，在PLC控制下，其通信模塊主要有：PLC通信控制主板以及長距離通信單元等兩部分。兩者依照特定的通信規約共同完成高效的通信功能，但是也有各自的功能特點，其通信接口、工作模式均具有一定的差異性。本文以配電長距離輸送模式為例，對PLC通信的組成與控制原理進行分析[4]。

對于監測信號的處理，系統所采用的處理器為ARM7，可有效地實現不同電路信號的數據處理和控制。一般地，可通過總線方式連接來提升各個檢測單元與處理器之間的信號傳輸效率[5]。對于系統中的信道編碼，同樣由ARM7微處理器控制，可通過軟件編程完成信號的分組，從而避免PLC自身通道在高壓條件下造成的瞬態干擾，降低誤碼發生率[6]。本文在系統功能設計的基礎上，采用自適應耦合器來實現最佳的耦合參數，有效地提升智能化和可靠性。

圖1 系統總體結構

1.2 調制解調功能的設計

調制解調功能是高壓配電在線監測系統實現精確信號傳輸的關鍵。調制解調模塊的基本結構如圖2所示，本文主要通過三個步驟實現調制解調功能的設計。一是對于電路的設計，系統采用窄帶OFDM調制，即盡量基于衰減小的頻段完成信號傳遞，這樣可顯著降低PLC信道的頻率衰減；二是綜合運用變頻調制與混頻接收技術，確立較高頻率的放大器，從而確保系統對于信號接收的敏感度，即實現良好的干擾抑制，增大信號接收的信噪比；三是系統運用信號雙向通信技術，此時信號的傳輸不但可以在PLC信道完成，也可以在復合電路中實現，提升整個信號的中繼力。

圖2 調制解調模塊結構

調制解調的核心技術為FPGA部分的高效運算，也稱為FFT/IFFT運算。系統采用專用的調制解調單元實現相關接口的連接以及與處理器之間的數據交換。該單元的基本功能原理如圖3所示，整個過程需要通過軟件編程完成基本的控制流程，如信道估計、載波選擇等，信號的轉換依賴于A/D轉換器，內部線路均由總線傳輸。在ARM處理器的工作下，實現并行數據的精確、高效傳輸。

圖3 單元實現原理

1.3 通信規約應用

在基于PLC通信的控制系統中，需要采用專用的通信規約，避免信號出現識別錯誤，本文所設計的高壓配電監測系統采用DNP3.0通信規約[7]。該類型通信規約由IEEE電力工程協會構建，屬于開放式通信規約，最早在歐美國家流行和使用，目前在國內也有較為廣泛的應用率。

從根本上講，DNP3.0通信規約屬于典型的串行通信協議，不但可以實現節點與節點之間的連接，還能完成單一節點與多個地址之間的通信以及不同地址之間的多點通信。該通信協議具備主動輸送功能，即各個子站無需等待相關指令便可以往主站發送信號，提升信號傳輸效率。除此之外，該通信規約不受硬件設計與選型的干擾，靈活性和自由性非常高，適合后期的系統升級與改進。從內容上分析，DNP3.0通信規約主要包括四個部分內容：數據鏈路層規約、傳輸層規約、應用層規約及數據對象庫。由于協議中約束的功能非常全面，系統可根據額外要求進一步選用其遙測、遙信和故障數據等功能。

2 系統可靠性分析

2.1 干擾因素分析

高壓配電最顯著的特點為環境復雜，外界的干擾因素較多，干擾力較強，這對系統的通信有著較為嚴重的影響。根據實際安裝條件可知，整個系統的控制器PLC安裝在10kV變電站的出口端部，受到的電流干擾最為顯著。對于系統的終端控制器件FTU，其主要設置于柱上的開關內部，受到開關量的干擾明顯。而變壓器的監測與控制端TTU安裝于變壓器附近，受變壓變化的沖擊較大，這對于信號的監測不利。

根據系統的功能設計可知，可靠性和安全性是確保系統正常工作的關鍵。其中，可靠性主要是指通信穩定、測量誤差低、執行機械機構的可靠工作（非誤動作和拒動作）。為確保整個監測系統的可靠性，需要采用特定的技術實現干擾抑制或消除，包括原理性和實用性。

根據長期的實踐可知，誘發電磁干擾的最關鍵電子器件為斷路器和隔離開關。當它們的執行機構動作時，開關端將瞬間產生巨大的放電電弧，在整個供電回路中都會產生明顯的高頻震蕩，對相關線路，特別是二次回路會產生較大的干擾。開關量變化導致的干擾震蕩主要表現在電壓的暫態衰減，以脈沖形式釋放，可通過有效的手段加以控制。

2.2 抗干擾控制

根據干擾性分析可知，開關量變化引起的火花放電、驟變電壓等現象均屬于瞬態干擾，作用時間非常短，重復性顯著。為此，系統采用增設壓敏電阻的方式緩沖其瞬態電流。該種干擾抑制方法能夠較大程度地抵消多余瞬態能量，當驟變電壓過高時，壓敏電阻被導通，回路中近似短路，此時的能量被大大釋放。當電壓恢復正常時，壓敏電阻電壓急劇增大，類似斷開，不影響其他設備正常運行。基于壓敏電阻的抗干擾控制能夠實現較快的響應效率，保護效果良好。

3 結語

高壓配電在線監測系統的安全性與可靠性對于國內配電網綜合水平的提升有著重要的作用，基于PLC的通信手段具有較高的工作效率和良好的控制效果。本文重點分析了系統的控制原理、通信規約的要求以及抗干擾的實現等，具有良好的工程實踐意義。