10kV配電網自動化中電力線載波通信技術的應用

文/劉曉璇

1　引言

電力線載波通信是一種傳播模擬信號或數字信號的通信方法。信號傳輸方法是載波方法，傳輸路徑是電力線。本文選用10kV電力線作為電力線通信通信線路，因為它具有線路資源豐富，成本節約，可靠性高的優點。如果能夠實現電力線載波通信技術在10kV配電網自動化中的廣泛應用，則經濟效益的提高是顯而易見的，是通信領域的一次飛躍。

對于電力載波通信技術在10kV配電網中應用，國內外對此的研究目前主要集中在兩個方面：一個是如何提高電力線的通信速率：另一方面是頻帶1MHz以上的高速PLC如何普及應用到家庭寬帶中。當然，除此之外電力載波技術在10kV電力線的應用中也遇到一些問題，例如由于配電線路模型不統一，電力線噪聲特性、頻率特性以及線路阻抗變化無規律種種原因都會導致信號減弱甚至是耦合失敗的情況；另外調制解調技術的不完善，也嚴重限制了電力載波技術在10kV電力線的大范圍普及應用。就上述問題，本文就10kV輸電線路特點、耦合技術、正交頻分復用技術進行討論。

2　10kV電力線總體信道特點

10kV電力線屬于中壓線路，中壓線路作為電力載波通信的傳輸線路時由于其信道距離長、結構復雜、衰減大，會出現很大的多徑效應和噪聲的影響。中壓電力線上的噪聲和衰減特性隨著傳輸距離、不同分支、不同類型的影響也各不相同。因此，將電力載波通信應用到10kV電力線上必須克服上述不利因素。對此，將10kV電力線傳輸的特點進行總結如下:

（1）信道上兩地之間的負荷特性和負荷大小的不同將直接導致信道上相同的兩點之間的雙線頻率特性產生差異；

（2）在40-500KHz范圍內，頻率特性會出現局部帶通特性，帶寬從幾千赫茲至幾十千赫茲不等，這種頻率特性的局部帶通特性會隨著信號接收點選擇的關系而出現隨機分布的情況；

（3）中壓線路中輸入阻抗、多徑效應、噪聲和信道衰落會受到各類因素影響，例如時間、頻率、位置、分支等等。

因此，在設計中壓PLC系統時，有必要選擇合適的技術來克服噪聲和衰減的影響，結合具體的電路類型和特性，并選擇合適的頻率范圍以確保可靠性和有效性如采用先進的信號傳輸正交頻分復用調制技術的循環前綴的優點是減弱多徑效應對電力線載波通信的影響;采用先進的糾錯編碼技術和映射調制技術，進一步改進中壓電力線載波通信技術設備，抵御背景噪聲，突發噪聲等。

3　耦合技術

10kV電力線配電網結構復雜，其線路的輸入阻抗并不固定總是會隨著頻率、時間和位置而變化。所以在利用中壓線路來實現電力載波通信時的難點在于如何實現任意中壓線路的阻抗匹配。針對不同的中壓線路選擇合適的耦合方式和耦合器，降低阻抗不匹配對通信信號傳輸的影響是至關重要的。

然而由于10kV線路網架結構的復雜性，使得其沒有辦法效仿常規輸電線路那樣進行全面阻波器的安裝，因為T借點分支過多的原因那樣做所需成本實在太大。可若是不安裝阻波器就會嚴重加大阻抗匹配的難度，也會對電力載波通信的穩定產生影響。基于此本文提出一種以犧牲阻抗匹配性能為代價來適應線路側寬范圍的阻抗的耦合技術，這種耦合技術有兩個問題需要重點關注：一個是雖然耦合性能會隨著耦合電容或耦合電感越大而越好，但是相應的會導致電容或電感的隨之增大，這也就加大了對各有特定參數的對地電容電流的影響；另一個是阻抗匹能性能差的問題沒有解決，容易造成噪聲入侵，通信質量變差。

通過具體的實驗，我們可以看到通過耦合器件的信號，在給定頻段（180-400kHz）的功率損耗都在1dB以內，基本上滿足耦合器件對于工頻50Hz信號起阻隔和隔離作用功能；還能滿足高頻載波信號傳輸頻段在10-490kHz之間，工作衰減不大于10dB，滿足信號源內阻和阻抗匹配等中壓電力線阻抗等傳輸需要。

4　通信技術算法

在通信系統中調制技術是其中的關鍵所在，尤其是在電力載波通信應用到10kV輸電線路中時，由于電力載波信道所具有的噪聲特性和頻率特性，使得沒有辦法將之前的各類調制系統中找到一種方法直接應用到PLC通信中。由于電力載波通信的頻率特性，所選調制技術一定要解決嚴重信號衰弱的問題。要解決上述問題，所選用的調制技術必須具有多個載波頻率而且能夠實現數據傳輸速率的自適應調整以及在多個載波頻率上的自適應動態分配，只采用固定頻率的調制技術是無法滿足要求的。然而跳頻技術雖能做到載波頻率的自適應切換，可是其過低的傳輸速率也是無法達到電力載波通信的要求。

基于以上各類調制技術的優缺點發現正交頻分復用作為一種特殊的載波調制技術能夠有效的解決電力載波通信中的頻率特性問題。該技術優勢明顯，其不但能有效地對抗由于多徑效應或其他原因引起的頻率選擇性衰落或窄帶干擾，且與傳統并行數據傳輸相比具有頻譜利用率高的優點。

5　總結

綜上所述，本文基于10kV配電網自動化中電力線載波通信應用詳細分析了其應用過程中的問題以及關鍵技術難點，并對此進行了對應的方案介紹，希望對電力載波在10kV配電網的應用起到幫助。筆者相信，將電力線載波通信技術廣泛的運用于10kV配電網的自動化中，一定可以產生巨大的社會效益，使得現代通信技術邁上一個新的臺階。