OFDM調制技術的配電自動化通信系統

2019-11-03 10:00:44

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武漢大學電氣工程學院鄢菁殷小貢

　　引言

　　配電網自動化系統可采用的通信有光纖、配電載電(DLC：Distribution Line Carrier)、無線、有線等多種方式。10kV配電線路從變電所出發可以延伸到線路上的任一測、控點，所以DLC是最經濟、可靠的通信方式之一，是配電自動化的首選通信方式。

　　配電線載波通信（DLC）不同于電力系統原有的高壓系統輸電線載波通信(PLC：Power Line Carrier)方式。PLC一般是兩點之間通過阻波器和結合濾波器上送和下載高頻信號，傳輸目標明確，結構簡單。而DLC則是一對多的通信方式，不設阻波器，通信信號在10kV及380kV配電網中傳輸，其上裝設的任何一個通信節點都可以作為信號源和接收器，而變壓器（配變和變電站變壓器）則是信號的天然壁壘。配電線信道具有高噪聲、阻抗變化范圍大、損耗大等特性，所以以配電網電力線作為通信媒介比高壓輸電線困難得多，利用配電線載波通信需要解決一系列相關問題。

　　正交頻分復用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一種高效調制技術，應用于電力線高速數字通信，具有以下優越性：

　　⑴頻帶利用率高;

　　⑵抗ISI干擾能力強;

　　⑶抗信道衰落;

　　⑷抗噪聲干擾。

　　OFDM基本原理

　　OFDM的基本原理是將編碼后的數據由串行傳輸轉換為并行傳輸, 采用頻率上等間隔的N個子載波分別進行調制，調制后的N個子載波信號相加后同時發送。由于符號的速率大大減慢，傳輸的時間大大延長，因而提高了抗多徑衰落，抗時延擴展的能力，減少了符號間干擾影響，并且通過選擇載波間隔（△f=1/overT，其中，T為符號周期）使這些子載波在整個符號周期上保持頻譜的正交性。在接收端利用載波間的正交性能保證無失真的復原發送信號。

　　系統組成及工作原理

　　本通信系統以10kV配電線為傳輸媒質，網絡拓撲以"總線＋樹"為主，不同總線段可以互聯為開環的環網。系統由通信子站系統和主站系統兩部分組成。主站系統設置于110kV變電站，收集各10kV線路上全部子站的遙測信息，根據確定的算法和控制策略，實現對整個配電網的安全監視、自動控制和保護。通信子站與FTU，TTU等配套使用，分布于配電網各處。這里先介紹子站系統部分。

　　通信子站系統

　　子站系統主要由Intellon公司的INT51X1芯片，華邦公司的W90N740微處理器，電平轉換MAX3232、模擬前端（AFE）和耦合器（Coupler）組成。

　　INT51X1芯片

　　INT51X1芯片[1][2]是一個集成的MAC/PHY電力線收發器。利用它，通過電力線就可以進行高速的數據通信。INT51X1完全符合HomePlug電力聯盟工業標準V1.0.1，采用Intellon專利的PowerPacket OFDM技術。PowerPacket的具體技術參數如下：

　　速度14MB/s；頻帶4.3～20.9MHz；OFDM信號調制，84個載波信道，自動信道適應，前向糾錯；載波調制方式支持DQPSK、DBPSK、ROBO；讀寫方式支持CSMA/CA；符合FCC-15輻射標準；通信加密；0.25 m技術加工；工作頻率100MHz；工作電壓核心電壓2.5V，3.3V/5V輸入輸出電壓；工作環境0～70℃。

　　INT51X1可以在惡劣的電力線通信環境下達到14Mbps的數據傳輸速度，能夠根據信道上的信噪比（SNR）選擇可用頻率，抵制深度衰減槽、噪聲和多徑衰落，在低SNR的信道中，不使用導頻就能夠實現同步。在INT51X1中，MAC采用具有避免沖突的載波偵聽多路存取（CSMA/CA）方案，并有優先權設置和自動重復請求（ARQ），通過包封裝，支持以太包的可靠傳輸。在保證服務品質（QoS）的前題下，為多媒體有效載荷（包括聲音、數據、音頻和視頻）提供必需的帶寬。

　　INT51X1提供三種接口MII/GPSI，USB1.1和以太網口。三種模式分別為USB模式、PHY模式和Host/DTE模式。本系統選擇PHY模式，分別與W90N740和AFE接口，完成以太包和電力包之間的相互轉換。

　　W90N740微控制器

　　W90N740[3][4]采用精簡指令系統，是基于ARM7TDMI的32位微控制器。內建有兩個以太網MAC控制器0和1，8K的指令緩存和2K的數據緩存。通過外部總線接口(EBI)可以與外掛的SDRAM、ROM/SRAM、Flash memory或I/O互連。通過片內Ethenet MAC Controller 0與INT51X1接口，完成RS232標準數據和IEEE802.3標準數據的相互轉換。通過片內串口UART上外接一片MAX3232電平轉換芯片，即可實現標準的RS232通信功能，與FTU，TTU等自動化設備相連。

　　INT51X1與W90N740的硬件連接

　　由于本系統選用PHY模式,通過MII接口與微控制器相連。MII（Media Independent Interface，媒質獨立接口）是一個工業標準接口,提供PowerPacket MAC與IEEE802.3 以太網MAC控制器之間的互連。

　　MII接口的幀結構如下：

　　模擬前端（AFE）完成放大和濾波功能，選用8v AFE。

　　耦合器（Coupler）與10KV電力線耦合。

　　軟件設計

　　INT51X1的初始化是通過配置EEPROM（AT93C46）完成的，應寫入自己的MAC地址（這個MAC地址是唯一的）。

　　因為ARM7TDMI是W90N740的內核，使用ARM7匯編語言編程。實現功能：從RS232口接收FTU/TTU數據，轉換為802.3協議IP包，經MAC發送給INT51X1；經MAC接受INT51X1數據，解包，通過RS232口送FTU/TTU。

　　W90N740上電后初始化，初始化完成后發送特殊的呼叫信息給主站（64字節全5），握手過程完成后即進入通信運行。

　　握手過程如下：

　　首先子站對主站廣播（發送呼叫信息64字節全5），收到回復自己的響應信息（64字節全3）后，填寫本子站通信的目的地址（即發來回復的主站地址），進入正常通信。若收不到響應信息，則每隔1分鐘重復發送呼叫信息。

　　任何子站收到其它子站的廣播呼叫信息（由地址辨認），均不予理會。此策略可保證電力線正常運行條件下，各子站與本總線網上主站的通信。當故障斷電后重新供電時，各子站與本網主站或臨時聯絡的其它主站溝通通信，便于工程安裝。

　　若子站收到某主站呼叫，應將呼叫主站地址寫入本子站目的地址，然后發出響應信息，此后進入與該主站的正常通信。此策略能使臨時加入其它主站管理范疇的子站回到本網，或斷電后與原主站恢復聯系。

　　主站系統

　　主站系統是由若干臺通信終端，8/16口交換機（HUB）和PC機構成。其中通信終端包括RJ-45，RTL8201，W90N740，INT51X1，AFE和Coupler，如圖3所示。INT51X1也選用PHY模式，組成ETH-PLC路由器。主機側MII接口與W90N740 Ethenet MAC Controller 0連接，W90N740再經Ethenet MAC Controller 1接ETH PHY（RTL8201），從RTL8201引出RJ-45接口，與網絡交換機連接；電力線側則與子站系統類似。

　　每臺通信終端具有電力網上唯一的MAC地址，同時又具有局域網上唯一的IP地址。每個通信終端都作為本網絡（總線＋樹型）的通信主機，與最多63個子站進行1：N的通信，并對本網子站進行管理。在本網內，記錄和存儲所有子站的地址，作為發送數據的目的地址。當收到來自某子站的廣播呼叫（64字節全5），則記錄該子站地址，并發回響應（64字節全3）。此后，與該子站正常通信。（這種情況，該子站也可能不屬于本網。）若失去本站管轄的某個子站，即長期（如5分鐘）收不到它的消息，則需要每隔1分鐘呼叫這些子站一次，直到收到相應子站的響應信息，進入正常通信為止。24小時后仍無響應則放棄呼叫。

　　IP機接收來自各通信終端的IP包，定位IP包的來源。記錄全部子站地址，并明確各子站各處于哪臺通信主機所在的網絡。這樣能保證下發數據時，可以準確的找到相應的通信主機，再轉發到其下的目的子站。

　　結論

　　本文介紹了一種基于OFDM技術的配電自動化通信系統，描述了其通信子站、主站部分和相應的硬件電路和軟件方案。通過介紹INT51X芯片，可以發現OFDM技術應用到電力線通信具有的很強的優越性。

　　
摘自　賽迪網

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