载波通信技术及方案.docx
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载波通信技术及方案
载波通信技术及方案
1.1.1技术特点
配电线载波通信是一种利用配电线路进行信号的传输的传统的技术，其优点是具有投资小，见效快，是电力专网，灵活且安全。
10kV配电载波通道的传输特性较恶劣，这表现在：
（1）通道衰耗变化剧烈：
与输电线路相比，10kV通道虽然传输半径不大，大多不超过10km，但是，由于配电网在变电站侧一般不装设阻波器，变电站的各条出线实际上是总线型连接，引起的衰耗大。
另外10kV线路状况复杂，架空线、地埋电缆特性阻抗相差很大，每公里衰耗值也相差许多，对于架空线、地埋电缆混合敷设的线路，衰耗情况更严重一些。
10kV通道的衰耗特性是影响载波数据传输的重要原因。
（2）干扰严重：
10kV载波通道的干扰主要有背景噪声和尖脉冲干扰，其来源很多，设备开关切换产生的脉冲干扰、用电设备产生的噪声以及电力线耦合的外界电磁波等。
在这样恶劣的环境下进行数据传输，要保证实时性要求，必须要物理层调制技术及链路技术的协调配合，才能保证误码率的要求。
多年来载波技术并没在在配网通信中大规模的应用，主要的难点问题是：
a）在速率在配网自动化应用中已经可以满足要求，但是可靠性不高；
b）配电线路恶劣，造成通信误码；
c）开关开合造成通信故障；
d）线路拓扑结构的变化，载波机不能适应，从而带来运行维护上很多麻烦。
目前的配网载波技术在以下几个方面作多不少的改进：
a）丰富耦合和中继的方式，减小线路中的开关开合对通信信道带来的影响。
b）设计性能优异的调制解调程序和模拟前端部件，提高物理层通信的可靠性。
c）通过网络协议的设计，提高通信的可靠性，延长通信的距离，适应网络拓扑结构以及线路情况的变化。
d）通过网管程序的设计，提高系统对于网络设备的配置管理和监测控制的能力。
目前使用于城市配网应用的载波技术主要是电缆屏蔽线载波通信，根据在上海供电局的配网方式调研中，可以看到目前电缆屏蔽线载波的应用效果还比较好。
具体建设规模可见附件二。
在佛山供电局的载波测试中选用了两家公司，分别是南瑞国网南京自动化研究院水情水调及环境监测研究所（以下简称南瑞水情所PLC-075）、许继昌南通信设备有限公司（以下简称许继西门子），并选用了这两家目前已有应用的产品。
利用地下电力电缆的屏蔽层传输配电自动化信息数据，信号耦合方式有两种：
卡接式电感耦合方式或者接入式电感耦合方式。
卡接式电感耦合方式具有安装方便、价格低廉的优点，适用于各种地埋电缆。
采用这种方式要求地埋电缆的屏蔽层两端接地，且中间不能直接接地，如果中间有电缆接头，可通过电感接地。
这样，对工频信号，其相当于直接接地，而对PLC-075的工作频带内的信号，其相当于通过高阻接地。
采用这种耦合方式时，耦合衰减比较大，数据传输距离一般不超过5公里。
PLC-075电力线数据传输装置采用卡接式电感耦合方式时，每个节点只需要一个电感耦合器。
接入式电感耦合方式和卡接式电感耦合方式一样适用于地埋电力电缆。
不同的是，电感耦合器的需要串接到电力电缆的屏蔽层，即初端一个接头接电力电缆的屏蔽层，另一个接头接地。
采用这种耦合方式时，耦合衰减比较小，信号传输距离一般大于5公里。
PLC-075电力线数据传输装置采用接入式电感耦合方式时，每个节点需要一个电感耦合器。
总结配网载波的技术特点：
1）载波传输带宽
载波信号的传输频带为60KHz-130KHz，传输带宽为4KHz；在该传输频带上可以开16个并行传输通道，每个通道的有效传输速率为2400bps，每通道可以用一点多址的方式时分复用。
2）技术亮点（安全性）
采用了离散多载波调制、格状编码调制、回波抵消、自适应均衡、前向纠错、线路编码、码分多址、噪声平衡处理等多项先进技术，解决了包括下列问题在内的诸多难题：
Ø由于配电网运行方式灵活，用户负荷投切存在随机性，造成线路阻抗的不稳定性；
Ø线路负载变化随机性很强；
Ø配电网分叉、“T”接点太多，信号在注入同一条母线的线路后衰耗严重；
Ø由电力系统、用户设备引起的干扰全部进入配电载波通信网；
Ø雷雨高低温等恶劣环境引起整机和通信线路参量变化。
Ø该型配电电力线多址通信终端机还克服以往载波通信的点对点模式，采用网络化总线结构，实现了一对多的数据传输。
3）通道建立时间≤300ms
4）组网方式
根据配电网的线路分布结构特点，一个变电站有多条母线，每个母线作为一个子群，通过主通信机与终端通信机进行数据传输，在变电站将各条母线数据进行汇集，并通过光纤、电缆、公网或专网主用数据通道与中心机房进行信息传输。
具体通信方式有：
（1）点对点方式，可全双工使用，规约有CDT、101、DL/T645、DNP3等多种规约。
（2）主从方式：
一主多从，使用轮询规约，如101、DL/T645、DNP3等多种规约。
（3）混合方式：
为提供整个系统的通信容量和数据的响应速度，以上海为例，在配电站到变电站使用一主多从的轮询规约101规约，在变电站到局端采用点对点方式的CDT规约。
逻辑组网方式：
a）点对点：
主设备和从设备之间可以实现全双工的点对点直接通信，如下图所示
b）点对多点：
一段总线网络中可以存在一台主设备和若干个从设备，目前在试点的一般为8到10个左右，如下图所示。
主设备可以通过广播的方式利用下行信道向所有从设备发送信息。
从设备在利用上行信道向主设备发送信息的时候，可以随时进行发送。
为了避免同时发送信号时产生的信道争用问题，在从设备向主设备发送信息的时候使用了CSMA/CA的网络协议，避免冲突的出现，提高共享信道的利用率。
物理组网方式：
配电网的结构是多变的，在配电网上存在大量的线路开关和断路器，它们的通断很有可能改变配电网的物理拓扑结构。
这些结构对于通信系统而言是非常重要的，配电网物理拓扑结构的改变对通信信道的各种参数的影响是巨大的。
这里列出了几种可能的配电网物理拓扑结构，但可能不是全部。
无分支的总线型
有分支的总线型
环型
有分支的环型
1.1.2产品支持情况
南瑞水情所：
PLC-075B/C以及配套的卡接式电感耦合器与许继西门子：
DCS3000BU以及配套的CDI电感耦合器（卡接式）的产品性能比较见以上两家的产品性能在测试报告中有详细的描述，参见附件四。
此外，以另外几款产品来说明配电载波相关特点。
Ø中科大鲁能集成科技有限公司DLC-2100电力线多址数字通信机产品，目前
已有1千多套产品在挂网运行。
组网方式：
一点多址通讯方式，根据配电网的线路分布结构特点，一个变电站有多条母线，每个母线作为一个子群，通过主通信机与终端通信机进行数据传输，在变电站将各条母线上采集终端的数据进行汇集，并通过光纤、电缆、专网主用数据通道与中心机房进行信息传输。
DLC-2100电力线多址数字通信机产品性能指标：
指标名称
性 能 参 数
数据通信接口
RS-232或RS-485通信接口。
终端通信机拥有4通道，可按照时分复用方式带4个采集控制终端。
数据传输速率
有效传输速率600bps，端口传输速率可选600、1200、2400bps。
无中继传输距离
10KV、35KV为20km，
传输误码率
10KV，35KV线路上传输误码率≤10-5。
适用电压等级
35KV、10KV、380V以及6KV。
传输带宽
4KHZ。
发送功率
<1W
工作电压
交流110-400V，直流24±5V或48±10V。
接收灵敏度
接收灵敏度≤400uV
输出标称阻抗
75Ω
工作模式
异步半双工工作模式。
耦合方式
架空电线采用电容耦合，支持相相耦合和相地（B相）耦合，直埋电缆采用电感耦合。
温度特性
普通型：
-10℃～+65℃，低温型：
-40℃～+65℃
防雷特性
结合设备进线避雷器（晶闸管）、结合设备出线避雷器（真空放电管）和电力线多址数字通信机屏蔽电缆线进线避雷器（氧化锌）3重防雷措施。
在10KV配变进线还有主避雷器。
通道容量
一条母线上可以开16个并行传输通道，每个通道的有效传输速率为600BPS，每个通道可以用一点多址的方式时分复用，开16个通道时一条母线的最低有效通信速率为9600bps。
设计使用寿命
采用工业级电子元器件，部分电子元器件采用军用级，板件高度集成化设计，确保产品稳定可靠，产品MTBF为10年。
Ø国网南京自动化研究院通信技术研究所的一款研发的配网载波产品：
DPLC-X1X2X3X4（以下称为DPLC-XXXX）提供了数据速率为4.8kbps的用户数据接口，利用配电线为信号传输媒质，为用户提供高速、可靠、透明、实时的数据传输业务。
产品的命名为DPLC-X1X2X3X4，其命名规则和含义具体意义如下表：
X1
调制方式编号
1
窄带
2
OFDM
3
扩频通信
X2
软硬件版本
0～9
逐步更新
X3
主从站
0
主站
1
从站
X4
结构编号
0～9
逐步更新
DPLC-XXXX技术指标
据了解南瑞正在研发的新产品的还有以下点：
支持固定带宽的通信，多频带并发优收的通信和动态频率自适应选择的通信三种通信方式。
1）固定带宽下的通信
在40~500kHz的范围内任意选择一段频率，实现通信。
我们一般选择70kHz~130kHz。
这个通信频带是约定好的。
2）多频带并发优收的通信
使用多个频带，发送同样的信息，在接收的时候选择信道条件好的、能够正确收到数据的频带通信。
这些通信频带也是约定好的。
3）动态频率自适应选择的通信方式。
这种方式事先不约定好通信频带，发送端通过发送训练序列，让接收端得知频带的情况，选择情况最好的频带，并通知发送端，完成频率自适应选择，然后就可以使用选择好的频带进行信号传输了。
这样的训练和频带选择机制不是经常进行的，而是在某种特定的情况下被触发，例如，通信失败两次以上。
Ø四方研究所于1998年底，推出以数字信号处理（DSP）解码技术为核心
的窄带多频NDLC（Network-basedDistributionLineCarrier）技术的CSDA2000的NDLC电力线通信系统。
CSDA2000的NDLC通信按区域组网（DOMAIN,SUBNET）,在一个区域内，其中一个节点作为第一子站（FIRSTNODE）,其余为子站（NODE）。
主
站与子站仅仅是功能上有区别：
第一子站负责与配电通信子站相联系，进而与控制中心联系。
而子站负责同终端设备，如FTU、TTU、电度表等联系。
为了确保通道的可靠性，所有节点都作为通道冗余备份，当线路断线或出现其它通道损坏情况时，应力争确保NDLC的可靠性。
主要技术参数：
频率范围：
A频段：
70kHz～95kHz
C频段：
115kHz～140kHz
以上频段内同时设置双频工作
调制方式：
双频窄带调制
中压传输范围：
10kV架空线路无中继时最大传输10km
中压传输速率：
1200BPS、2400BPS（缺省）、4800BPS、9600BPS
传输介质：
10kV电力电缆及架空线
规约：
采用广播、轮询、事件驱动规约、透明传输
发射最大功率：
小于1W（0.5W）
对用户的规约支持：
支持LONWORKS；支持CSDA2000规约；支持透明传输，报文长度不大于108bytes
通道冗余备用
网络通信自检、网络通信管理
NDLC系统的元件：
SDC100载波单元。
该单元对外提供RS232、RS485、LonWorks网络多种接口。
SDC100的发信功率为0.5W，能够在通道衰耗50dB的工况下长期正常工作，当线路的通道衰耗55dB时丢包率为30%,可以工作，但需要考虑一定的措施。
SDC100直接支持网络七层协议，能够以电力线网架结构为基础，构成总线式网络。
NDLC系统的电感耦合设备：
LC100、LC200，适用于电缆馈线线路、长度超过100米的变电站出线电缆等情况。
电感耦合器LC100和LC200的区别在于LC100的发信节点侧的特性阻抗是6欧姆，直接与SDC100模块就地连接，而LC200的发信节点侧的特性阻抗为75欧姆，可以经过75欧姆的高频电缆引导变电站或其他远方地点，SDC100模块可以与LC200电感耦合器分开安装。
1.1.3载波方式
2008年1月初与上海供电局就配网自动化通信通道的解决方案进行了交流，重点考察了沪东分公司的黄埔小区的配网通信解决方案，调研详情参见附件二。
上海市配网建设中在最初的试点工作中，主要采用光纤通信；目前采用了混合通信方式，即以现有的基本覆盖了35kv及以上变电所的电力通信（主要是光通信SDH网络）为骨干；在10kV配网监控上，对实时监控采用电力部门自己建设的通信通道。
根据《上海电力公司10kV配电网自动化技术原则》和黄浦小区的具体情况，系统中通信通道有如下几种形式。
●实时监控
实时监控通信通道有如下几种：
1.载波，根据10kV电缆线路的走向，规划、构建载波通信链路，上层安装主载波（位于35kV变电站或10kV大型配电站），下层安装从载波。
一般一个主载波下的从载波数量在8个以内，主载波汇总所属从载波的监控内容，即主载波作为一个虚拟的RTU而存在，而从载波可认为是该虚拟RTU的一个测控单元。
主载波和主站间的通信通道使用后述几种之一。
2.网络，通过35kV变电站或10kV大型配电站内的实时网络（交换网络或以SDH2M口与主站网络直接连接的网络），使用终端服务器，将主载波接入主站系统的采集工作站（前置机）。
3.SDH串口，通过使用35kV变电站或10kV大型配电站的SDH串口（或使用光纤收发器直接使用光纤），将主载波接入连接在主站系统采集工作站上的终端服务器，从而接入采集工作站。
4.音频电缆，通过音频电缆（通常是现有的），使用专用电力Modem，将主载波接入连接在主站系统采集工作站上的终端服务器，从而接入采集工作站。
实时监控通信的通信规约以部颁CDT规约为主，对于主载波与主站间的通信，当容量不够时（YC大于256或YX大于512），使用部颁101规约。
●准实时监控
准实时监控通信通道使用公共无线网络（如GPRS或CDMA）。
准实时监控通信的通信规约使用针对无线通信环境进行简化的部颁101规约。
上海市供电公司在2002年选择了西门子公司、ABB公司、中科大鲁能公司作为中压数字载波机供应商进行了一年的挂网运行对比试验，探索电力通讯解决方案，最终确定采用中压数字载波机作为10kv自动化的通讯设备。
在“十一五”规划中计划投入七亿资金实施中压数字载波解决10kv自动化的通讯问题。
✧沪东黄埔小区配网自动化通信方案：
黄浦小区地处上海市中心，在0.9平方公里的地域范围内，对2座K型站和16座P型站、28条10kV母线、63条10kV电缆线路、19台10kV所变的监控。
根据10kV电缆线路的走向，规划、构建载波通信链路，上层安装主载波（位于35kV变电站或10kV大型配电站），下层安装从载波。
一般一个主载波下的从载波数量在8个以内，主载波汇总所属从载波的监控内容，即主载波作为一个虚拟的RTU而存在，而从载波可认为是该虚拟RTU的一个测控单元。
主载波和主站间的通信通道：
基于黄浦小区目前的电力通信网络状况，各配电站的数据通道可选择：
“网络—载波”、“SDH串口—载波”、“音频电缆—载波”三种通信模式。
1.1.4配电载波方式
07年6月佛山供电局组织了两家具有代表性的中压载波通信设备生产厂家南瑞国网南京自动化研究院水情水调及环境监测研究所（简称南瑞水情所）、许继昌南通信设备有限公司（简称许继西门子）进行了试验。
具体内容参见附件五。
[测试设备]
南瑞水情所：
PLC-075B/C以及配套的卡接式电感耦合器
许继西门子：
DCS3000BU以及配套的CDI电感耦合器（卡接式）
设备性能主要参数对比：
指标名称
PLC-075B/C性能参数
DCS3000性能参数
数据通信接口
RS-232/RS-485
RS232/RS485
载波数据传输速率
600bps～7.5kbps
Max.19.2kbps
串口数据传输率
38.4kbps
38.4kbps
传输误码率
＜10-5
无对应指标
适用电压等级
35kV、10kV、6kV、380V、220V
6~24kV
载波频率范围
20kHz～80kHz、95kHz～125kHz、100kHz～420kHz
9到148.5kHz
传输距离
无中继传输距离
架空电力线：
>10km
地埋电力电缆：
>2km
电缆可到5km
架空线可至10km
调制方式
差分码移键控
多频载波OFDM
标称输出阻抗
不平衡75欧姆
平衡600欧姆
通信协议控制规约
主－从通信协议、101规约、CDT规约
IEC60870-5-101非平衡标准
网络最大寻址单元
支持16个逻辑网络以及每个网络256个节点的多网络组网通信
255个。
其中最多可连接RTU数量，取决于信息总量，没有连接DCS网络的主站BU可接115个；子站或单个的主站为50个。
工作电源
DC：
24V/110V
AC：
110V/220V
DC：
48V/110V
AC：
110V/220V
功率消耗
45W
典型值<32W
平均无故障时间
无对应指标
相对于40摄氏度温度
DC－变量：
28,56年
AC－变量：
28,83年
环境温度
-25℃～+65℃
-25℃～55℃
最大相对湿度100%
最大绝对湿度£29g/m3
无凝露及结冻及结霜
[测试内容]
a）耦合设备本体测试
安装便利性：
卡接式耦合器更便于工程施工
安全性：
卡接式的方式进行安装，无须停电即可施工
耦合效果:
由于两家产品耦合采用的匹配阻抗不一样，所以高频通道测试结果仅做参考。
b）载波传输设备本体测试
安全性：
DCS3000在电气安全方面提供的数据更完善，接地点也做的较规范。
载波机单机性能参数：
由于实际现场受耦合干扰信号的影响,暂没得出实测值。
c）传输能力测试
点对点报文传输丢包率和收包正确率：
PLC-075设备通过了测试并基本符合要求。
DCS3000设备在混合线路和工频干扰较大的线路无法通过测试。
点对点报文传输时延：
PLC-075设备由主站轮询从站的时延基本在300ms以内（测试软件中有等待判断命令是否传输完成，因此增加了固定延迟200ms）。
点对多点报文传输丢包率和收包正确率：
PLC-075设备在3条试验线路上均进行了测试并基本符合要求。
SIEMENS的设备原理决定了测试只能分段进行，在混合线路和工频干扰较大的线路无法通过测试。
点对多点报文传输时延：
PLC-075设备由主站轮询从站的时延基本在300ms以内（测试软件中有等待判断命令是否传输完成，因此增加了固定延迟200ms），在设置中继工作模式时，平均延迟在500ms以内。
d）组网能力测试
同一条线路多个逻辑网络运行能力：
PLC-075B/C自身组成的两套逻辑网络可以在一条线路上正常并行运行，但传输时延有所增加，每增加一个并行的逻辑网络，延迟大概增加一倍。
DCS3000可以组成两套逻辑网络互不干扰，延迟受的影响较小。
PLC-075B/C与DCS3000设备并行运行时，由于DCS3000的发信功率较小，PLC-075B/C的信号作为较大的噪声干扰使DCS3000受影响较大。
电网故障处理能力：
由于不具备试验条件，暂时无法模拟测试该项结果
载波通信网络故障处理能力:
PLC-075是牺牲了传输级数保证了各从站设备传输的相互独立，若增加传输级数，须增加中继并牺牲一定的传输时延作为代价。
DCS3000是牺牲了从站传输的独立性保证了传输级数，若需要改善从站传输的独立性，则需要牺牲原来在传输级数上的优势。
配电自动化仿真系统中传输能力:
PLC-075B/C的相关测试都是在底层串口测试通过的情况下再用模拟101规约的发包软件模拟发包测试的，经过测试满足要求。
DCS3000不是完全透明的传输，本身要对数据包进行解析，由于从站BU必须要接收到有效的101规约或者DNP3.0规约的数据包才能返回响应，因此在从站BU无法连接真实的FTU终端时，无有效的测试软件能进行相应测试。
e）其他特点比较
PLC-075安装好硬件设备之后，在软件方面设置比较简单，主要是对网络地址和本机地址进行一个拨码开关的设置，其他的设置一般都不需要人工进行操作。
设备会自动根据线路的情况调整传输所用的载波频率，并自动调整选择传输性能最好的通道。
DCS3000安装好硬件设备之后，在软件方面设置比较复杂，要手动设置与FTU相关参数、网络地址和本机地址；另外对于传输信道频率的选择也要手动进行频率扫描，然后再设置一个频扫结果最好的频段作为信道；当线路状况改变导致原有信道性能下降时，还有手动重新扫频并设定新的频段作为信道。
其优点是可以看到信道实际情况，有利于对通道故障进行分析判断，缺点是需要对操作软件设置的人员进行比较详细的培训。
PLC-075在串联传输级数上有一定的限制，由于本身正常工作时是不采取中继形式，因此考虑到耦合衰减的叠加，一般串联级数最多到4级。
但是在线路衰耗较大时，也可以牺牲延迟时间来实现中继传输。
DCS3000由于本身工作是采用逐级中继再生的传输方式，因此串联级数较多，一个主BU最多连接255个网络节点，作为中继部分的从BU最多达115个，单独一条馈线最多接50个从BU。
但是根据SIEMENS的一个经验数据，255个节点是按平均每个节点接一个FTU，其中传送的数据包含5个模拟量和10个数字量。
因此在组网时还要考虑到信息点总量的限制问题。
[测试结论]
南瑞水情所的PLC-075B/C：
1、耦合方式采用电感耦合方式，高频通道技术指标满足其载波设备使用需求，全过程安装不需要一次设备停电，安装简单、方便。
对于架空线、电缆混合线路和有工频干扰线路，高频通道信号衰落较大，但基本可满足通信需求。
为提高高频通道质量，保证通信可靠性，建议采用中继级联方式或一次设备停电后采用电容相地耦合方式解决。
2、载波设备通过各项测试，通道为透明传输通道，支持IEC870-5-101通讯规约，可满足配电终端、通讯子站等自动化系统设备使用需求。
许继西门子的DCS3000：
1、耦合方式采用电感耦合方式，高频通道技术指标满足其载波设备使用需求，全过程安装不需要一次设备停电，安装简单、方便。
对于架空线、电缆混合线路和工频干扰线路，高频通道信号衰落导致不能通信，需一次设备停电后采用电容相地耦合方式解决。
2、载波设备基本通过各项测试，通道为非透明传输通道，支持IEC870-5-101通讯规约，但未能通过仿真试验，需要接配电终端等真实设备进行验证（本次试验条件所限，没有进行试验）。
由于其通道的非透明性，需要结合配电终端、通信子站等自动化系统设备联调开通通道。
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