载波通信技术及方案.docx

1、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。10 kV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，10 kV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10 kV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。10 kV通道的衰耗特性是影响载波数据传输的重要原因。

2、（2）干扰严重：10 kV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

3、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

4、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

5、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、

6、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：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；线路负载变化随机性很强；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；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；雷雨高低温等恶劣环境引起整机和通信线路参量变化。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 300ms4)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

7、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

8、，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

9、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：DCS3000 BU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。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

10、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20 km，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10km地埋电力电缆：2km电缆可到5 km架空线可至10 km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

11、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IEC 60870-5-101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/220VDC： 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

12、29 g / 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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、。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

18、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。