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基于OFDM调制技术的配电自动化通信系统研究

时间:11-30 来源:互联网 点击:
  引言

  配电网自动化系统可采用的通信有光纤、配电载电(DLC:Distribution Line Carrier)、无线、有线等多种方式。10kV配电线路从变电所出发可以延伸到线路上的任一测、控点,所以DLC是最经济、可靠的通信方式之一,是配电自动化的首选通信方式。

  配电线载波通信(DLC)不同于电力系统原有的高压系统输电线载波通信(PLC:Power Line Carrier)方式。PLC一般是两点之间通过阻波器和结合滤波器上送和下载高频信号,传输目标明确,结构简单。而DLC则是一对多的通信方式,不设阻波器,通信信号在10kV及380kV配电网中传输,其上装设的任何一个通信节点都可以作为信号源和接收器,而变压器(配变和变电站变压器)则是信号的天然壁垒。配电线信道具有高噪声、阻抗变化范围大、损耗大等特性,所以以配电网电力线作为通信媒介比高压输电线困难得多,利用配电线载波通信需要解决一系列相关问题。

  正交频分复用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种高效调制技术,应用于电力线高速数字通信,具有以下优越性:

  ⑴频带利用率高;

  ⑵抗ISI干扰能力强;

  ⑶抗信道衰落;

  ⑷抗噪声干扰。

  OFDM基本原理

  OFDM的基本原理是将编码后的数据由串行传输转换为并行传输, 采用频率上等间隔的N个子载波分别进行调制,调制后的N个子载波信号相加后同时发送。由于符号的速率大大减慢,传输的时间大大延长,因而提高了抗多径衰落,抗时延扩展的能力,减少了符号间干扰影响,并且通过选择载波间隔(△f=1overT,其中,T为符号周期)使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交性。在接收端利用载波间的正交性能保证无失真的复原发送信号。

  系统组成及工作原理

  本通信系统以10kV配电线为传输媒质,网络拓扑以"总线+树"为主,不同总线段可以互联为开环的环网。系统由通信子站系统和主站系统两部分组成。主站系统设置于110kV变电站,收集各10kV线路上全部子站的遥测信息,根据确定的算法和控制策略,实现对整个配电网的安全监视、自动控制和保护。通信子站与FTU,TTU等配套使用,分布于配电网各处。这里先介绍子站系统部分。

  通信子站系统

  子站系统主要由Intellon公司的INT51X1芯片,华邦公司的W90N740微处理器,电平转换MAX3232、模拟前端(AFE)和耦合器(Coupler)组成。

  INT51X1芯片

  INT51X1芯片[1][2]是一个集成的MAC/PHY电力线收发器。利用它,通过电力线就可以进行高速的数据通信。INT51X1完全符合HomePlug电力联盟工业标准V1.0.1,采用Intellon专利的PowerPacket OFDM技术。PowerPacket的具体技术参数如下:

  速度14MB/s;频带4.3~20.9MHz;OFDM信号调制,84个载波信道,自动信道适应,前向纠错;载波调制方式支持DQPSK、DBPSK、ROBO;读写方式支持CSMA/CA;符合FCC-15辐射标准;通信加密;0.25 m技术加工;工作频率100MHz;工作电压核心电压2.5V,3.3V/5V输入输出电压;工作环境0~70℃。

  INT51X1可以在恶劣的电力线通信环境下达到14Mbps的数据传输速度,能够根据信道上的信噪比(SNR)选择可用频率,抵制深度衰减槽、噪声和多径衰落,在低SNR的信道中,不使用导频就能够实现同步。在INT51X1中,MAC采用具有避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA/CA)方案,并有优先权设置和自动重复请求(ARQ),通过包封装,支持以太包的可靠传输。在保证服务品质(QoS)的前题下,为多媒体有效载荷(包括声音、数据、音频和视频)提供必需的带宽。

  INT51X1提供三种接口MII/GPSI,USB1.1和以太网口。三种模式分别为USB模式、PHY模式和Host/DTE模式。本系统选择PHY模式,分别与W90N740和AFE接口,完成以太包和电力包之间的相互转换。

  W90N740微控制器

  W90N740[3][4]采用精简指令系统,是基于ARM7TDMI的32位微控制器。内建有两个以太网MAC控制器0和1,8K的指令缓存和2K的数据缓存。通过外部总线接口(EBI)可以与外挂的SDRAM、ROM/SRAM、flash memory或I/O互连。通过片内Ethenet MAC Controller 0与INT51X1接口,完成RS232标准数据和IEEE802.3标准数据的相互转换。通过片内串口UART上外接一片MAX3232电平转换芯片,即可实现标准的RS232通信功能,与FTU,TTU等自动化设备相连。

  INT51X1与W90N740的硬件连接

  由于本系统选用PHY模式,通过MII接口与微控制器相连。MII(Media Independent Interface,媒质独立接口)是一个工业标准接口,提供PowerPacket MAC与IEEE802.3 以太网MAC控制器之间的互连。

  MII接口的帧结构如下:

  模拟前端(AFE)完成放大和滤波功能,选用8v AFE。

  耦合器(Coupler)与10KV电力线耦合。

  软件设计

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