PLC載波通信在電纜線路改造中的應用

吉懿

（國網寧夏吳忠供電公司，寧夏 吳忠751100）

在對電力企業電網進行改造的過程中，由于受到架空線路走廊以及周圍景觀的限制，大部分電力線路均改為了電纜線路形式。在較為狹窄的街道當中，由于缺少電力開關站作為電力負荷分配的供給站，因此供電無法得到保障，同時供電分配信息也無法準確地傳遞，成為當前限制電力企業發展的一大難題[1]。而通過將10 kV環網柜引入到這一環節當中，將其作為電纜線路的關鍵節點，能夠在配電節點當中，起到分段、聯絡等作用。因此，10 kV 環網柜由于具備上述應用優勢，在各大電力企業中得到廣泛使用。電力企業中配電通信網通常采用光纖通信方式（EPON），但由于在光纖終端通信接入網建設過程中，常常會出現部分老舊配電線路采用直埋方式、電纜管道塌陷等問題產生，進一步造成市政掘路手續辦理困難、光纜敷設難度大、投資成本高等一系列問題[2]。同時，電力企業的無線公網（主要包括GPRS/3G/4G）雖然可以作為配電自動化的輔助通信方式，但也存在信號不穩定、安全性弱等問題，嚴重影響著電力企業的發展，因此針對上述問題通過結合PLC載波通信技術，可有效為上述兩種通信技術提供補充。基于此，本文開展PLC載波通信在10 kV環網柜電纜線路改造中的應用研究。

1 電力企業10 kV 環網柜通信模塊分析

1.1 電力企業10 kV 環網柜通信組成分析

環網柜是電力企業中常見的輸配電氣設備，其最主要的作用是將各個環網線路相互連接，提升線路整體的供電可靠性。環網柜在電力企業環網當中作用位置不同，其分類上存在較大差異[3]。當前環網柜類型主要包括：聯絡環網柜、入線環網柜、出線環網柜。用于實現環網柜通信模塊的主要設備包括載波機、載波管理機和耦合設備。載波機是實現數據信息與載波信號之間的轉換、實現載波信號的發送與接收的執行設備，分為主、從兩款產品，在主節點處安裝主載波機，在從節點處安裝從載波機[4]。主載波機兼有載波管理機功能，是用于管理下行多個從節點與主節點間的通信，上行可以與主站通信。耦合設備用于將載波機信號耦合到10 kV電纜的屏蔽層——大地的回路上。圖1 為環網柜通信傳輸的基本原理示意圖。

圖1 環網柜通信傳輸的基本原理示意圖

通過環網柜的使用不僅可以實現對電力企業各個線路的互供，保證在正常運行環境下聯絡斷開，當發生某一變電站停電時，可以迅速將停電的變電站聯絡合上，通過另一個變電站為其提供供電負荷。

1.2 PLC載波通信在10 kV環網柜中的應用條件

PLC 載波通信技術可充分應用到10 kV 環網柜中，主要原因是由于PLC 載波通信技術具備以下特征。

第一，PLC 載波通信采用透明傳輸方式，可支持配電自動化中IEC 101、104 等規約類型數據的傳輸。

第二，PLC載波通信帶寬可達到2.4 kbit/s以上，能夠滿足配電自動化的數據傳輸需求和實時性要求。

第三，PLC 載波通信是一種有線通信方式，且通信信道為供電公司自有，可以有效保證通信可靠性。

第四，PLC 載波通信中采用的各類設備均可以支持配電終端的加密報文，保證配電自動化通信數據安全性。

第五，經過PLC 載波通信多年在其他各個領域中的應用經驗積累和探索，目前采用的各類設備均能夠滿足戶外運行要求，滿足工業級設計。

綜上所述，PLC 載波通信能夠滿足涉及10 kV環網柜配電業務的各方面要求。

2 基于PLC 載波通信的10 kV 環網柜電纜線路改造方法

2.1 10 kV環網柜電纜線路通信結構組成

基于PLC 載波通信的10 kV 環網柜電纜線路改造后的通信結構組成主要包括通信主機、通信從機和耦合器。針對具體線路，可采用一主一從的組合形式，在10 kV 環網柜中安裝通信主機，主機通過光纖通信形式與主站進行通信傳輸，在環網柜分支箱當中安裝通信從機，從機通過銅屏蔽層實現主機與PLC載波通信[5]。圖2為10 kV環網柜電纜線路通信結構組成示意圖。

圖2 10 kV環網柜電纜線路通信結構組成示意圖

主機安裝節點設有ONU，主機通過網線與ONU相連，接入光纖網絡，實現通信。從機安裝在線路中光纖未分支節點，通過網線與分支箱中的DTU進行連接，實時讀取DTU數據并通過信號線傳輸至耦合器，耦合器將接收到的信號發送至電纜屏蔽層上，傳輸至主節點耦合器，再通過信號線傳輸至主機[6]。環網柜通信耦合器安裝主、從節點的一次側，通常安裝在環網柜的一次室或電纜井中。本次試點主、從節點一次室空間較小，選擇安裝在電纜井匯中。按照上述方式組成的10 kV 環網柜電纜線路通信結構更加靈活，根據不同用電用戶對供電需求的實際參數，可隨時插入到環網柜當中[7]。同時能夠更加靈活地接入電源，滿足情況更加特殊的地區，如多電源復雜配電環境的用電需要和供電標準[8]。除此之外，上述組成方式在后續新的環網柜接入時，可直接將其連接在環網結構當中，與傳統電纜線路相比更容易實現擴建，不會受到建設規模的限制。

2.2 基于PLC載波通信的供配電信號傳輸

在利用10 kV 環網柜電纜線路對供配電信號進行傳輸，為解決傳統線路在傳輸過程中存在信號不穩定、容易產生誤差等問題，結合PLC載波通信技術對其進行改造。對供配電信號傳輸前，首先需要對其參數進行設定，保證供配電通信信號的傳輸量能夠充分滿足調節識別要求，并對供配電信號進行處理，使其具備正確的信號標注方式[9]。識別過程中的信號主要是針對由電力企業變電總站產生的供配電信號。因此，需要在PLC當中對信號的頻率范圍進行設定，以此保證識別過程的針對性。本文采用的識別方式，是將供配電信號統一化處理為中頻信號，即信號的載波頻率與采集頻率的比值控制在1/2的定值，將采集速率設置為75.5 kHz，則載波的頻率值為1/2的75.5 kHz。識別過程中還可能會產生的識別誤差通常在±4.3%的符號速率范圍以內[10]。因此，針對這一問題，在對產生的供配電信號中的載波頻率上隨機增加±12.5%的符號速率隨機值，實現對供配電信號頻率采集的校正[11]。其次，再根據載噪比范圍等其它供配電信號采集要求，對供配電信號各項參數指標進行設定，載波頻設定在75.5/2±δkHz范圍內，（δ表示為供配電信號在傳輸過程中的頻率偏移數值）；符號速率設定在2.48～24.58 kHz范圍內；載噪比設定在2.4～17.5 dB范圍內。

利用PLC 載波通信，將供配電信號連續降半分割到相應的層上。PLC 載波通信可將其看作一個濾波裝置，通過該裝置將供配電信號在傳輸過程中攜帶的噪聲等干擾因素進行過濾，將傳輸的信號以4～20 mA 模擬電流的形式傳送到對應的通信從機中，并根據該電流的大小判斷傳輸的具體內容[12]。同時，在傳輸過程中，通過PLC載波通信還需要在其中增加D/A 轉換模塊，將模擬信號類型的供配電信號轉換為數字碼，再在接收后，將數字碼轉換為模擬信號。

3 實驗論證分析

3.1 實驗條件

選擇青銅峽公司中灘變電站535 唐源Ⅱ線陳俊安置區1 號環網柜與1H-1 號分支箱之間開展10 kV環網柜電纜線路改造通信試點研究。試點現場數據如表1所示。

表1 試點現場數據表

按照上述試點現場數據表，對實驗環境進行布置，并分別將改造前的10 kV環網柜電纜線路與改造后的線路，應用于該試點當中。利用主站“三遙”調試設備對兩種線路的具體通信情況進行記錄，對比改造前的電纜線路與改造后的電纜線路通信成功率。

3.2 實驗結果與分析

將“三遙”調試設備顯示器當中的數據截圖，分別記錄4 月24 日五個不同時間段范圍內的實際累積通信次數，并將改造前的電纜線路通信次數與改造后的電纜線路通信次數與實際累積通信次數進行對比，繪制成如表2 所示的改造前與改造后電纜線路通信結果對比表。

改造前后10 kV 環網柜電纜線路的通信成功率可通過完成通信次數與實際累積通信次數的比值得出。因此，通過實驗結果可以看出，經過青銅峽供電公司的實際運行，改造后的10 kV 環網柜電纜線路可以保證通信成功率達100%，而改造前的電纜線路完成通信次數明顯少于改造后，并且改造前的線路完成次數不符合電力企業對10 kV 環網柜的運行需求。同時，在改造后的電纜線路運行過程中，滿足信息安全要求三遙通信，遙信響應時間、遙控預置時間通過三遙調試設備顯示器截圖顯示均在1 s以內，完全符合配電自動化業務的實時性要求，具備推廣條件。

表2 改造前與改造后電纜線路通信結果對比表

除此之外，改造后的10 kV 環網柜電纜線路具備良好的經濟效益和社會效益。采用PLC載波通信方式，平均每個站點PLC 設備采購費用大約為0.9萬元，但其不用敷設光纜，平均每個點節省光纜采購及光纜施工費用大約1 萬元，以市區約1000 個點計算，大約節省投資1000 萬元。此外后期運維中，不存在光纜外力破壞等中斷的風險，降低了后期運維費用。解決了配網“三遙”站點可靠通信問題，使大量具有“三遙”功能卻因通信安全問題造成只能實現“二遙”的站點，通過PLC 轉變為“三遙”站點，變相節省了投資，提高配電網絡可靠性，減少了配電運維人員工作量，具有良好的社會效益。此外借助電纜屏蔽層的PLC通信方式，可對電力電纜屏蔽層進行在線實時檢測，及時發現電纜故障隱患，減少事故的發生，提高電纜運行穩定性。

4 結束語

本文針對傳統10 kV 環網柜電纜線路在通信過程中存在信號不穩定等問題，結合PLC載波通信技術對其進行改造，同時電力企業實際運行效果得出，改造后的電纜線路可以充分滿足電力企業對10 kV環網柜的應用要求，并有效提高電力企業的經濟效益和社會效益。本文改造后的電纜線路中，環網柜是作為電纜線路的節點存在，接線更加靈活，操作更加方便。同時在實際應用中應當注意，在組成電纜線路結構時，應當預留出多條回路，方便后續電網規模擴大時，對其進行擴展。并且，相關人員在對環網柜進行操作時，應當嚴格按照其指示信號進行檢查。對于存在壓力開關的環網柜，還應當在出現壓力不足時，嚴格按照相關要求操作，保證環網柜運行的穩定性與安全性。