王毅，田富公，葉君，孫洪亮，龍方家

（1.重慶郵電大學(xué)，重慶400065；2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)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(shù)（NPLC）過(guò)渡到“十二五”寬帶電力線載波通信技術(shù)（BPLC），電力線載波通信技術(shù)在國(guó)內(nèi)已取得長(zhǎng)足發(fā)展并已廣泛應(yīng)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(shù)，占用2 MHz～30 MHz間的頻段，相對(duì)于窄帶電力線載波通信具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率與更加可靠的通信質(zhì)量，最大通信速率可達(dá)2 Mbps以上。寬度載波產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)到商用通常需要經(jīng)歷規(guī)范定制、產(chǎn)品研發(fā)、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、外場(chǎng)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)網(wǎng)測(cè)試及商用網(wǎng)測(cè)試六個(gè)階段，目前由于條件所限，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段往往只能開(kāi)展仿真測(cè)試，無(wú)法開(kāi)展基于實(shí)物的產(chǎn)品級(jí)應(yīng)用測(cè)試，這為系統(tǒng)化驗(yàn)證寬帶載波產(chǎn)品性能帶來(lái)不便。解決這一問(wèn)題需要建立相應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)以開(kāi)展寬帶產(chǎn)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(shù)包括三大類，第一類是基于MATLAB或ATP-EMTP等計(jì)算機(jī)軟件仿真平臺(tái)［1-4］，第二類是基于 SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）或FPGA的數(shù)字化模擬裝置［5-7］，第三類是搭建外場(chǎng)配電測(cè)試網(wǎng)［8-9］?；谲浖抡嫫脚_(tái)的模擬技術(shù)是目前大多數(shù)相關(guān)領(lǐng)域研究人員所熱衷的信道模擬技術(shù)，其平臺(tái)搭建簡(jiǎn)便、開(kāi)發(fā)周期短且無(wú)需工程實(shí)測(cè)，但這種信道模擬技術(shù)倚重理論推導(dǎo)與模型導(dǎo)入，無(wú)法對(duì)電力線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、負(fù)載隨機(jī)接入的多變性和噪聲干擾的多樣性進(jìn)行切合外場(chǎng)實(shí)際環(huán)境的模擬?；赟PICE和FPGA的數(shù)字化模擬裝置可以通過(guò)硬件描述語(yǔ)言和快速并行運(yùn)算來(lái)設(shè)計(jì)模擬信道的特性，但仍克服不了依賴?yán)碚撃Ｐ?、脫離實(shí)物的特點(diǎn)。通過(guò)搭建實(shí)際線纜模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，可以克服以上兩種模擬技術(shù)的主要缺點(diǎn)，但其設(shè)備龐大，更改難度大，每次測(cè)試需重復(fù)搭建或前往固定外場(chǎng)，無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的便攜性和靈活性。因此克服以上三種信道模擬技術(shù)的缺陷、融合其優(yōu)勢(shì)是設(shè)計(jì)新式信道模擬技術(shù)需要參詳?shù)囊x。本文介紹的智能配電網(wǎng)全自動(dòng)載波信道模擬試驗(yàn)系統(tǒng)即為解決上述需求而設(shè)計(jì)的。該設(shè)備既能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)場(chǎng)外電力線信道與噪聲特性，又能靈活配置配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供多接口的寬帶載波終端及負(fù)載隨機(jī)接入方式，為未來(lái)低壓載波通信網(wǎng)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備測(cè)試與評(píng)估、用電信息數(shù)據(jù)高速采集、雙向互動(dòng)智能用電等諸多方面提供理論研究基礎(chǔ)與實(shí)踐方案。

1 智能配電網(wǎng)全自動(dòng)載波信道模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 設(shè)備架構(gòu)及原理簡(jiǎn)介

智能配電網(wǎng)全自動(dòng)載波信道模擬試驗(yàn)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(fù)載電阻和電能表等電氣元件組成。具有對(duì)干線材質(zhì)、干線距離、支線距離、負(fù)載的控制功能，同時(shí)具有檢測(cè)報(bào)警、安全防護(hù)功能。能夠?qū)崿F(xiàn)載波信號(hào)設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行、控制和保護(hù)，出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)聲光報(bào)警、自動(dòng)停機(jī)、故障查詢等。觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的在線監(jiān)視、修改、調(diào)用以及監(jiān)控各設(shè)備的工作情況。

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

按組織架構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)又可分為模擬配電系統(tǒng)和測(cè)試主站控制平臺(tái)兩部分。

模擬配電系統(tǒng)包括1個(gè)進(jìn)線柜DS-01、5個(gè)分支柜DS-02～DS-06、3個(gè)電表柜DS-07～DS-09、一個(gè)負(fù)載柜DS-10，如圖1所示。進(jìn)線柜是模擬配電系統(tǒng)供電輸入端，主要負(fù)責(zé)電源接通開(kāi)關(guān)控制及監(jiān)測(cè)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(fù)責(zé)接受觸摸控制屏的指令并動(dòng)態(tài)調(diào)整線纜長(zhǎng)度、材質(zhì)及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)配電線路的健碩性，將分支柜中的配電網(wǎng)拓?fù)鋭澐譃楣潭ǚ种Ш鸵苿?dòng)分支，且皆采用三相四線制，各分支干線和支線長(zhǎng)度及材質(zhì)具體如表1所示。固定分支線路結(jié)構(gòu)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(guò)斷路器控制支線與主干的連通，干線上可同時(shí)并接多個(gè)固定分支。移動(dòng)分支線路結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，移動(dòng)分支通過(guò)斷路器可與干線上的10處不同連接點(diǎn)連接，干線上每次只可連接一個(gè)移動(dòng)分支。電能表柜和負(fù)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(gè)電能表柜各設(shè)有16個(gè)可拆卸的單相電能表插槽，DS-09電能表柜設(shè)有3個(gè)三相電能表插槽和12個(gè)單相電能表插槽，電能表柜槽口可為被測(cè)載波模塊和標(biāo)準(zhǔn)載波模塊提供多模塊掛載功能。負(fù)載柜中下排是負(fù)載插座提供負(fù)載隨機(jī)接入，各相線在負(fù)載柜中均勻分配，上排是兩級(jí)空開(kāi)陣列控制相應(yīng)插座的供斷電動(dòng)作。

圖2 固定分支和移動(dòng)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(dòng)分支箱具體配電參數(shù)Tab.1 Specific distribution parameters of the fixed branch box and mobile branch box

測(cè)試主站控制平臺(tái)包括兩個(gè)集中器插槽、一臺(tái)數(shù)據(jù)加密機(jī)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)用于模擬主站的功能，包括業(yè)務(wù)測(cè)試指令的下發(fā)、終端實(shí)時(shí)在線監(jiān)控顯示以及采集數(shù)據(jù)的收集匯總。數(shù)據(jù)加密機(jī)用于主站與采集終端數(shù)據(jù)通信的加密操作，確保安全數(shù)據(jù)通信。兩個(gè)集中器用于對(duì)終端的單／多網(wǎng)組網(wǎng)及主站與采集終端間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 設(shè)備電氣參數(shù)

（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(gè)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(cè)試電能表：?jiǎn)蜗嚯娔鼙?4只，三相電能表3只；

（7）負(fù)載：32 kW（本文采用純阻性負(fù)載）。

2 系統(tǒng)信道典型傳輸特性

為驗(yàn)證該系統(tǒng)在不同線纜材質(zhì)、長(zhǎng)度及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況下信道傳輸特性是否與外場(chǎng)供電場(chǎng)景信道特性是否具有一致可比性，本文選擇頻點(diǎn)電壓比較法測(cè)量了該系統(tǒng)在500 kHz～20 MHz頻段范圍內(nèi)信道的衰減特性，即在圖1主站集中器（CCO）端通過(guò)耦合器發(fā)送掃頻信號(hào)，在負(fù)載柜負(fù)載插座處通過(guò)耦合器接收信號(hào)，觀測(cè)記錄信號(hào)衰減特性，本系統(tǒng)中可自動(dòng)投切的負(fù)載均采用純阻性負(fù)載，也可通過(guò)外接方式接入容性和感性負(fù)載。圖3（a）為銅質(zhì)和鋁質(zhì)不同長(zhǎng)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(shí)衰減量隨干線長(zhǎng)度增加而增加，單位長(zhǎng)度銅質(zhì)衰減量較鋁質(zhì)大些，model是利用電力線多徑模型［10］對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合，從擬合效果可看出信道實(shí)測(cè)特性曲線能較好匹配理論模型，可為信道理論基礎(chǔ)研究提供有效平臺(tái)。圖3（b）為鋁質(zhì)140 m和900 m干線接入不同數(shù)量分支線纜的衰減特性，一個(gè)分支的情況是單分支5 m，三個(gè)分支的情況是兩個(gè)5 m和一個(gè)10 m，七個(gè)分支的情況是四個(gè)5 m和三個(gè)10 m。在相同長(zhǎng)度干線距離時(shí)，接入分支數(shù)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(zhì)75 m和135 m干線接入不同數(shù)量分支線纜的衰減特性，一個(gè)分支的情況是單分支5 m，四個(gè)分支的情況是兩個(gè)5 m和兩個(gè)10 m，八個(gè)分支的情況是四個(gè)5 m和四個(gè)10 m?？煽闯鲢~質(zhì)與鋁質(zhì)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(zhì)大。對(duì)比一些電力線基礎(chǔ)特性及外場(chǎng)信道實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)［11-15］，可知智能配電網(wǎng)全自動(dòng)載波信道模擬試驗(yàn)系統(tǒng)能較好模擬實(shí)際配電環(huán)境的信道特性，滿足實(shí)驗(yàn)室模擬場(chǎng)外通信環(huán)境的條件及功能。

圖3 配電試驗(yàn)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(tái)區(qū)運(yùn)行模式模擬功能

（1）單臺(tái)區(qū)模擬：本系統(tǒng)可對(duì)單臺(tái)區(qū)供電時(shí)的情況進(jìn)行模擬，為變壓器相間共模信號(hào)傳輸、信號(hào)衰減機(jī)理提供研究條件，并可開(kāi)展對(duì)相間共模干擾機(jī)理及異頻共模干擾信號(hào)的衰減進(jìn)行研究；

（2）雙臺(tái)區(qū)模擬：本系統(tǒng)可對(duì)小區(qū)兩個(gè)臺(tái)區(qū)獨(dú)立供電的情況進(jìn)行模擬，并可實(shí)現(xiàn)負(fù)載在兩個(gè)變壓器之間進(jìn)行切換。此模式下，信號(hào)在平行線纜中傳輸容易發(fā)生信號(hào)串臺(tái)區(qū)的情況。因此本系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)信號(hào)設(shè)備控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜井中臺(tái)區(qū)信號(hào)相互串?dāng)_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(zhì)模擬：本系統(tǒng)中的傳輸線路可根據(jù)試驗(yàn)需要，針對(duì)商業(yè)用電和普通居民用電，可選擇銅芯和鋁芯線進(jìn)行模擬；

（3）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模擬：本系統(tǒng)通過(guò)交流繼電器自動(dòng)切換裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)供電變壓器的選擇，并可對(duì)線路材質(zhì)、線路支點(diǎn)、負(fù)載節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自由組合，從而改變線路長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與輸電線路特征參數(shù)的改變，以滿足試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，包括改變線路材質(zhì)、長(zhǎng)度、修改線路支點(diǎn)、接入負(fù)載節(jié)點(diǎn)等所有的功能都可以在觸摸屏上進(jìn)行操作，操作后屏幕自動(dòng)顯示改變后狀態(tài)，使用直觀方便，可視性強(qiáng)。另外，控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)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(kuò)展功能模擬：本系統(tǒng)可支持外接負(fù)載接入系統(tǒng)，比如接入諧波設(shè)備、變頻設(shè)備、單三相交流電機(jī)等非線性負(fù)載。

3.2 多場(chǎng)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(fù)載端采用銅材質(zhì)和鋁材質(zhì)單分支配電方式各有62種，固定分支箱中銅材質(zhì)和鋁材質(zhì)多分支配電方式的主干線上各自最多可并接8個(gè)分支，每個(gè)移動(dòng)分支箱又有10種不同長(zhǎng)度的干線距離可選擇。在全通模式下，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)，4支干線，26分支線同時(shí)配電運(yùn)行模式。豐富的配電模式為模擬場(chǎng)外多種應(yīng)用場(chǎng)景提供了便利。本文實(shí)測(cè)了該系統(tǒng)在多種配電模式下的信道特性，對(duì)模擬多種外場(chǎng)環(huán)境對(duì)應(yīng)的配電模式進(jìn)行了分類總結(jié)，如表2所示。

3.3 寬帶電力線載波通信測(cè)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(cè)試?；就ㄐ判阅軠y(cè)試環(huán)節(jié)主要包括型式試驗(yàn)、出廠檢驗(yàn)、入網(wǎng)檢驗(yàn)、到貨驗(yàn)收、周期巡檢及故障檢測(cè)等，驗(yàn)收環(huán)節(jié)中驗(yàn)收方對(duì)寬帶產(chǎn)品性能的需求選擇靈活，可在綜合組網(wǎng)測(cè)試中完成項(xiàng)目檢驗(yàn)，主要包括：全網(wǎng)組網(wǎng)測(cè)試、新增站點(diǎn)入網(wǎng)測(cè)試、多網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)測(cè)試、全網(wǎng)抄表測(cè)試、廣播對(duì)時(shí)測(cè)試、搜表功能測(cè)試、多節(jié)點(diǎn)事件主動(dòng)上報(bào)測(cè)試、本地全網(wǎng)升級(jí)。另外，針對(duì)外場(chǎng)實(shí)際通信業(yè)務(wù)功能還可完成寬帶電力線載波高級(jí)功能驗(yàn)證，主要包括：全事件上報(bào)、表號(hào)自動(dòng)上報(bào)、全網(wǎng)升級(jí)、寬窄帶載波混合、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)費(fèi)控測(cè)試、費(fèi)率時(shí)段下發(fā)、停電故障定位。基于表2所歸類的模擬信道配電模式可完成面向農(nóng)村、城鄉(xiāng)結(jié)合部和城區(qū)商業(yè)住戶智能用電寬帶載波產(chǎn)品的性能測(cè)試和評(píng)估在模擬不同外場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可采取相同的測(cè)試方法和步驟，但對(duì)于測(cè)試結(jié)果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)靈活區(qū)別對(duì)待，因?yàn)椴煌鈭?chǎng)的用戶數(shù)量和通信環(huán)境有差異，導(dǎo)致載波通信成功率和延時(shí)等指標(biāo)會(huì)有所不同，這也是設(shè)計(jì)用電信息采集系統(tǒng)雙向互動(dòng)功能在應(yīng)用層面差異化對(duì)待的底層技術(shù)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(chǎn)品的性能，供驗(yàn)收方評(píng)估產(chǎn)品性能和擇優(yōu)選擇產(chǎn)品。

表2 多場(chǎng)景模擬功能表Tab.2 Multi scene simulation function table

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以解決寬帶電力線載波產(chǎn)品性能檢測(cè)和驗(yàn)收為出發(fā)點(diǎn)，分析智能配電網(wǎng)全自動(dòng)載波信道模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計(jì)原理及功能，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)載波信道的測(cè)量與分析比較，論證了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下寬帶電力線載波信道裝置對(duì)外場(chǎng)多場(chǎng)景模擬的可行性和靈活性，能完成農(nóng)村、城鄉(xiāng)結(jié)合部、城市商業(yè)住戶載波通信環(huán)境的復(fù)現(xiàn)及相應(yīng)場(chǎng)景寬帶載波測(cè)試功能。最后提出寬帶電力線載波產(chǎn)品基本通信性能測(cè)試和組網(wǎng)通信測(cè)試，克服了基于仿真和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等信道模擬技術(shù)面臨的短板和應(yīng)用瓶頸，為研究人員與驗(yàn)收人員解決載波產(chǎn)品相關(guān)問(wèn)題提供一條便捷有效的試驗(yàn)平臺(tái)和集成方案。