王毅，田富公，葉君，孫洪亮，龍方家

（1.重慶郵電大學，重慶400065；2.國網重慶市電力公司電力科學研究院，重慶401123）

0 引 言

隨著“十一五”窄帶電力線載波通信技術（NPLC）過渡到“十二五”寬帶電力線載波通信技術（BPLC），電力線載波通信技術在國內已取得長足發(fā)展并已廣泛應用于智能電能表的用電信息采集系統(tǒng)中。寬帶電力線載波通信通常采用OFDM技術，占用2 MHz～30 MHz間的頻段，相對于窄帶電力線載波通信具有更高的數據傳輸速率與更加可靠的通信質量，最大通信速率可達2 Mbps以上。寬度載波產品從開發(fā)到商用通常需要經歷規(guī)范定制、產品研發(fā)、實驗室測試、外場測試、實驗網測試及商用網測試六個階段，目前由于條件所限，實驗室測試階段往往只能開展仿真測試，無法開展基于實物的產品級應用測試，這為系統(tǒng)化驗證寬帶載波產品性能帶來不便。解決這一問題需要建立相應測試系統(tǒng)以開展寬帶產品通信與控制等方面的研究。

目前主流電力線信道模擬技術包括三大類，第一類是基于MATLAB或ATP-EMTP等計算機軟件仿真平臺［1-4］，第二類是基于 SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）或FPGA的數字化模擬裝置［5-7］，第三類是搭建外場配電測試網［8-9］?；谲浖抡嫫脚_的模擬技術是目前大多數相關領域研究人員所熱衷的信道模擬技術，其平臺搭建簡便、開發(fā)周期短且無需工程實測，但這種信道模擬技術倚重理論推導與模型導入，無法對電力線拓撲結構的復雜性、負載隨機接入的多變性和噪聲干擾的多樣性進行切合外場實際環(huán)境的模擬?；赟PICE和FPGA的數字化模擬裝置可以通過硬件描述語言和快速并行運算來設計模擬信道的特性，但仍克服不了依賴理論模型、脫離實物的特點。通過搭建實際線纜模擬現場環(huán)境，可以克服以上兩種模擬技術的主要缺點，但其設備龐大，更改難度大，每次測試需重復搭建或前往固定外場，無法滿足實驗室測試的便攜性和靈活性。因此克服以上三種信道模擬技術的缺陷、融合其優(yōu)勢是設計新式信道模擬技術需要參詳的要義。本文介紹的智能配電網全自動載波信道模擬試驗系統(tǒng)即為解決上述需求而設計的。該設備既能準確復現場外電力線信道與噪聲特性，又能靈活配置配電網拓撲結構，提供多接口的寬帶載波終端及負載隨機接入方式，為未來低壓載波通信網建設、實驗室設備測試與評估、用電信息數據高速采集、雙向互動智能用電等諸多方面提供理論研究基礎與實踐方案。

1 智能配電網全自動載波信道模擬試驗系統(tǒng)

1.1 設備架構及原理簡介

智能配電網全自動載波信道模擬試驗系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由低壓電器系統(tǒng)、DELTD可編程控制器、觸摸屏、負載電阻和電能表等電氣元件組成。具有對干線材質、干線距離、支線距離、負載的控制功能，同時具有檢測報警、安全防護功能。能夠實現載波信號設備的自動運行、控制和保護，出現故障時自動聲光報警、自動停機、故障查詢等。觸摸屏能夠實現各種開關狀態(tài)的在線監(jiān)視、修改、調用以及監(jiān)控各設備的工作情況。

圖1 智能配電網全自動模擬試驗系統(tǒng)Fig.1 Automatic simulation test system of intelligent distribution network

按組織架構試驗系統(tǒng)又可分為模擬配電系統(tǒng)和測試主站控制平臺兩部分。

模擬配電系統(tǒng)包括1個進線柜DS-01、5個分支柜DS-02～DS-06、3個電表柜DS-07～DS-09、一個負載柜DS-10，如圖1所示。進線柜是模擬配電系統(tǒng)供電輸入端，主要負責電源接通開關控制及監(jiān)測供電電壓和電流是否穩(wěn)定。分支柜是模擬配電系統(tǒng)的主體部分，負責接受觸摸控制屏的指令并動態(tài)調整線纜長度、材質及網絡拓撲結構。為了實現配電線路的健碩性，將分支柜中的配電網拓撲劃分為固定分支和移動分支，且皆采用三相四線制，各分支干線和支線長度及材質具體如表1所示。固定分支線路結構如圖2（a）所示，8條固定分支線分別位于主干線的不同位置，通過斷路器控制支線與主干的連通，干線上可同時并接多個固定分支。移動分支線路結構如圖2（b）所示，移動分支通過斷路器可與干線上的10處不同連接點連接，干線上每次只可連接一個移動分支。電能表柜和負載柜為模擬配電系統(tǒng)的終端接入系統(tǒng)，DS-07和DS-08兩個電能表柜各設有16個可拆卸的單相電能表插槽，DS-09電能表柜設有3個三相電能表插槽和12個單相電能表插槽，電能表柜槽口可為被測載波模塊和標準載波模塊提供多模塊掛載功能。負載柜中下排是負載插座提供負載隨機接入，各相線在負載柜中均勻分配，上排是兩級空開陣列控制相應插座的供斷電動作。

圖2 固定分支和移動分支配電線路控制原理圖Fig.2 Control schematic diagram of the fixed branch and mobile branch distribution line

表1 固定分支箱和移動分支箱具體配電參數Tab.1 Specific distribution parameters of the fixed branch box and mobile branch box

測試主站控制平臺包括兩個集中器插槽、一臺數據加密機和一臺計算機。計算機用于模擬主站的功能，包括業(yè)務測試指令的下發(fā)、終端實時在線監(jiān)控顯示以及采集數據的收集匯總。數據加密機用于主站與采集終端數據通信的加密操作，確保安全數據通信。兩個集中器用于對終端的單／多網組網及主站與采集終端間的數據轉發(fā)。

1.2 設備電氣參數

（1）配電柜主干線電源：三相380 V／50Hz；

（2）PLC控制柜電源：220 VAC／50Hz；

（3）主干線一：銅芯線 4Φ；35 mm2；距離150 m；主干線二：鋁芯線4Φ；70 mm2；距離1 000 m；

（4）支線距離：5 m；其中4個分支箱具有5 m／15 m／30 m距離可變換；

（5）照明用電：220 V／50Hz；

（6）測試電能表：單相電能表44只，三相電能表3只；

（7）負載：32 kW（本文采用純阻性負載）。

2 系統(tǒng)信道典型傳輸特性

為驗證該系統(tǒng)在不同線纜材質、長度及拓撲結構情況下信道傳輸特性是否與外場供電場景信道特性是否具有一致可比性，本文選擇頻點電壓比較法測量了該系統(tǒng)在500 kHz～20 MHz頻段范圍內信道的衰減特性，即在圖1主站集中器（CCO）端通過耦合器發(fā)送掃頻信號，在負載柜負載插座處通過耦合器接收信號，觀測記錄信號衰減特性，本系統(tǒng)中可自動投切的負載均采用純阻性負載，也可通過外接方式接入容性和感性負載。圖3（a）為銅質和鋁質不同長度干線接5 m單分支線纜的衰減特性，可看出在單分支線纜時衰減量隨干線長度增加而增加，單位長度銅質衰減量較鋁質大些，model是利用電力線多徑模型［10］對實測數據的擬合，從擬合效果可看出信道實測特性曲線能較好匹配理論模型，可為信道理論基礎研究提供有效平臺。圖3（b）為鋁質140 m和900 m干線接入不同數量分支線纜的衰減特性，一個分支的情況是單分支5 m，三個分支的情況是兩個5 m和一個10 m，七個分支的情況是四個5 m和三個10 m。在相同長度干線距離時，接入分支數越多頻率選擇性衰減的頻次越高，衰減量亦越大。圖3（c）給出了銅質75 m和135 m干線接入不同數量分支線纜的衰減特性，一個分支的情況是單分支5 m，四個分支的情況是兩個5 m和兩個10 m，八個分支的情況是四個5 m和四個10 m?？煽闯鲢~質與鋁質多分支衰減特性的變化特征相似，只是在衰減程度上仍較鋁質大。對比一些電力線基礎特性及外場信道實際測試數據［11-15］，可知智能配電網全自動載波信道模擬試驗系統(tǒng)能較好模擬實際配電環(huán)境的信道特性，滿足實驗室模擬場外通信環(huán)境的條件及功能。

圖3 配電試驗系統(tǒng)典型信道衰減特性Fig.3 Typical channel attenuation characteristics of power distribution system

3 系統(tǒng)功能

3.1 系統(tǒng)模擬功能

3.1.1 臺區(qū)運行模式模擬功能

（1）單臺區(qū)模擬：本系統(tǒng)可對單臺區(qū)供電時的情況進行模擬，為變壓器相間共模信號傳輸、信號衰減機理提供研究條件，并可開展對相間共模干擾機理及異頻共模干擾信號的衰減進行研究；

（2）雙臺區(qū)模擬：本系統(tǒng)可對小區(qū)兩個臺區(qū)獨立供電的情況進行模擬，并可實現負載在兩個變壓器之間進行切換。此模式下，信號在平行線纜中傳輸容易發(fā)生信號串臺區(qū)的情況。因此本系統(tǒng)可通過對信號設備控制實現對電纜井中臺區(qū)信號相互串擾情況的模擬功能。

3.1.2 低壓配電模擬功能

（1）供電方式模擬：本系統(tǒng)可提供單相供電、三相三線供電和三相四線供電方式；

（2）配電材質模擬：本系統(tǒng)中的傳輸線路可根據試驗需要，針對商業(yè)用電和普通居民用電，可選擇銅芯和鋁芯線進行模擬；

（3）拓撲結構模擬：本系統(tǒng)通過交流繼電器自動切換裝置，可實現對供電變壓器的選擇，并可對線路材質、線路支點、負載節(jié)點進行自由組合，從而改變線路長度，實現拓撲結構與輸電線路特征參數的改變，以滿足試驗的需求；

（4）控制功能模擬：本系統(tǒng)除不能改變配電變壓器工作狀態(tài)外，其余所有功能均可實現自動控制，包括改變線路材質、長度、修改線路支點、接入負載節(jié)點等所有的功能都可以在觸摸屏上進行操作，操作后屏幕自動顯示改變后狀態(tài)，使用直觀方便，可視性強。另外，控制系統(tǒng)內部設計有軟件安全閉鎖功能，可防止相與地短路與相間短路事故，安全可靠性高；

（5）擴展功能模擬：本系統(tǒng)可支持外接負載接入系統(tǒng)，比如接入諧波設備、變頻設備、單三相交流電機等非線性負載。

3.2 多場景配電模擬功能

由表1可看出，該系統(tǒng)集中器至電能表端或負載端采用銅材質和鋁材質單分支配電方式各有62種，固定分支箱中銅材質和鋁材質多分支配電方式的主干線上各自最多可并接8個分支，每個移動分支箱又有10種不同長度的干線距離可選擇。在全通模式下，系統(tǒng)可實現，4支干線，26分支線同時配電運行模式。豐富的配電模式為模擬場外多種應用場景提供了便利。本文實測了該系統(tǒng)在多種配電模式下的信道特性，對模擬多種外場環(huán)境對應的配電模式進行了分類總結，如表2所示。

3.3 寬帶電力線載波通信測試功能

本系統(tǒng)主要功能是模擬在不同配電環(huán)境下完成寬帶電力線載波通信性能的測試?；就ㄐ判阅軠y試環(huán)節(jié)主要包括型式試驗、出廠檢驗、入網檢驗、到貨驗收、周期巡檢及故障檢測等，驗收環(huán)節(jié)中驗收方對寬帶產品性能的需求選擇靈活，可在綜合組網測試中完成項目檢驗，主要包括：全網組網測試、新增站點入網測試、多網絡組網測試、全網抄表測試、廣播對時測試、搜表功能測試、多節(jié)點事件主動上報測試、本地全網升級。另外，針對外場實際通信業(yè)務功能還可完成寬帶電力線載波高級功能驗證，主要包括：全事件上報、表號自動上報、全網升級、寬窄帶載波混合、電能質量監(jiān)測、實時費控測試、費率時段下發(fā)、停電故障定位?；诒?所歸類的模擬信道配電模式可完成面向農村、城鄉(xiāng)結合部和城區(qū)商業(yè)住戶智能用電寬帶載波產品的性能測試和評估在模擬不同外場環(huán)境進行測試時，可采取相同的測試方法和步驟，但對于測試結果的評價標準應靈活區(qū)別對待，因為不同外場的用戶數量和通信環(huán)境有差異，導致載波通信成功率和延時等指標會有所不同，這也是設計用電信息采集系統(tǒng)雙向互動功能在應用層面差異化對待的底層技術緣由［16］。另外，在相同配電模式下，可比較同種功能不同廠家寬帶產品的性能，供驗收方評估產品性能和擇優(yōu)選擇產品。

表2 多場景模擬功能表Tab.2 Multi scene simulation function table

4 結束語

本文以解決寬帶電力線載波產品性能檢測和驗收為出發(fā)點，分析智能配電網全自動載波信道模擬試驗系統(tǒng)的系統(tǒng)架構、設計原理及功能，通過對系統(tǒng)載波信道的測量與分析比較，論證了實驗室環(huán)境下寬帶電力線載波信道裝置對外場多場景模擬的可行性和靈活性，能完成農村、城鄉(xiāng)結合部、城市商業(yè)住戶載波通信環(huán)境的復現及相應場景寬帶載波測試功能。最后提出寬帶電力線載波產品基本通信性能測試和組網通信測試，克服了基于仿真和現場測試等信道模擬技術面臨的短板和應用瓶頸，為研究人員與驗收人員解決載波產品相關問題提供一條便捷有效的試驗平臺和集成方案。