OFDM调制技术的配电自动化通信系统研究

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 AF