基于屏蔽层通信的环网柜载波技术研究

严中亮

（国网山西省电力公司吕梁供电公司，山西 吕梁 033000）

0 引言

随着我国城市建设的快速发展，对电网的要求越来越高，为了满足城市电网改造工程的需求，城市电网都尽可能地采用环网柜供电方式。在现有的环网柜供电方式配电网自动化系统中，所用的通信方式一般有电力线载波、光纤、无线通信、电缆等。每一种通信方式都具有不同的性能和特点，其中电力线载波技术是以电力线自身作为相应的通信媒介，在应用中不需要再重新设置相应的通信通道，受到人们的广泛关注。目前，国内配电自动化系统的通信网络多以光纤为主、通用分组无线服务技术GPRS（general packet radio service) 为辅，这是因为一方面实现光纤全覆盖需要极大的投资，光纤不能有效覆盖区域的所有配电终端；另一方面，受制于市政规划，部分区域无法进行地面开挖、敷设光缆，尤其是一些分支线等偏远区域，难以实现光纤覆盖，所以通常都使用GPRS 通信手段来实现配电网的自动化。

1 配电自动化系统中光纤及GPRS 通信方式

国家电网公司出于信息安全的考虑，不允许使用GPRS 做遥控，尤其从2016 年开始，严查使用GPRS 做遥控的违规行为，这就导致使用GPRS的“三遥”（遥测、遥信、遥控） 功能只能降格为二遥功能使用，合分闸需要人工现场操作，对于习惯了使用遥控进行馈线终端设备或配电开关监控终端FTU（feeder terminal unit）、数据传输设备DTU（data transfer unit） 操作的配网运行人员来讲极为不便。环网柜载波通信可以帮助供电公司实现把光纤无法铺设区域的DTU 接入主站，完成DTU 与主站的内网通信，实现“三遥”功能[1]。配电自动化系统中光纤及GPRS 的通信方式如图1所示。

图1 配电自动化系统中光纤及GPRS 通信方式示意图

2 载波通信传输原理及主要设备

2.1 环网柜载波传输基本原理

环网柜载波通信采用的是一主多从模式，即在一个主节点处安装主载波设备，在同一条线路的多处从节点处安装从载波设备。就环网柜载波而言，主节点一般都选择在能够连接光网络单元ONU（optical network unit） 设备的环网柜中，从载波机安装在无光纤连接DTU 的环网柜中。

用于环网柜载波通信所需的设备主要包括载波机、载波管理机和耦合设备。载波机是实现数据信息与载波信号之间的转换、实现载波信号的发送与接收的执行设备，分为主、从两款产品，在主节点处安装主载波机，在从节点处安装从载波机。主载波机兼有载波管理机功能，用于管理下行多个从节点与主节点间的通信，上行可以与主站通信。耦合设备用于将载波机信号耦合到10 kV 电缆的屏蔽层——大地的回路上。环网柜载波传输基本原理如图2 所示。

图2 环网柜载波传输基本原理示意图

2.1.1 通信报文下发过程

通信报文下发的过程比较复杂，归纳起来有以下几个步骤。

a） 主站通过光纤通信下发报文，下发的报文被主节点处的电力线载波通信主机接收到。主机具有协议转换功能，转换后将该报文加上相应从载波机的地址。

b） 加了从载波机地址的报文，主载波机对这些数字信息进行编码和调制，变成载波信号，再通过耦合设备将载波信号发送到10 kV 电缆的屏蔽层——大地回路上。

c） 载波信号沿电缆屏蔽层——大地回路传输，通过各个从节点处的耦合设备传到各个从载波机上。

d） 从载波机接收到载波信号后，进行解调，并通过对数据中从载波机地址的验证来确认该数据是否是发送给该从节点的。如果地址不匹配则不进行响应，如果地址匹配则通过数据接口将接收到的数据传送给相连的终端设备。这样终端设备就接收到了主站下发的报文[2-4]。

2.1.2 通信报文上传的过程

通信报文上传的过程比较复杂，归纳起来有以下几个步骤。

a） 终端设备首先通过数据接口将数据信息传送给相连的从载波机。

b） 从载波机进行编码、调制，将这些数据信息变成载波信号，再通过耦合设备发送到10 kV电缆屏蔽层与大地回路上。

c） 载波信号传输到主节点处，通过耦合设备进入主载波机，并解调成数字信号。

d） 主载波机再通过光纤通信将数据发送给主站。

这样，通过环网柜载波通信，就实现了主站与终端设备间的下行通信和上行通信[5]。

2.2 载波通信主要设备

电力线载波通信主机用于同从载波机通信，正面右模块位置放置GPRS 模块，用于通过网线与主站通信。在环网柜载波通信系统中，主机是实现系统参数配置、载波链路管理、载波通信调度、建立并维护从终端与主站间链接的神经中枢。1 台主载波机所能负载的从载波机数量，以及一个环网柜载波通信系统的规模，既取决于载波传输速率和传输距离，也取决于主机的管理和调度能力。在使用时，将主机安装在主节点位置，其下行通过串口与主载波机相连，其上行既可通过GPRS 通信与主站连接，也可通过网口接入光纤来实现与主站的通信。

电力线载波通信机。在环网柜载波通信系统中，主、从载波机是实现数据信息与载波信号之间的转换、实现载波信号的发送与接收的执行设备。主、从载波机主要负责载波物理层和链路层的连通，将数据转换为载波信号，从一端发送，在另一端接收，实现数据在沿着中压电力线上两点之间的长距离传输。主、从载波机致力于与中压配电网的阻抗匹配，降低线路上同频信号及各种随机噪声、突发噪声的干扰，降低载波在线路上的多径衰减及传输衰减，以保障高速、远距离、高可靠性的载波通信。从载波机位于从节点，它通过串口与从终端相连，其功能是接收来自从终端的上传数据，并将数据转换为载波信号，再通过耦合器发送到电力线上；同时，从载波机也不断监听来自电力线的载波信号，将接收到的载波信号转换为数据信息，并通过串口发送给从终端。因此，从载波机实际上是在从终端与电力线之间起到了数据转换和传输的作用[6]。

环网柜载波耦合器分为一次侧和二次侧，一次侧为长15 cm 的2.5 mm2带绝缘层的铜芯聚氯乙烯绝缘软铜线（BVR），线端有铜鼻子（铜鼻子规格为SC 25-8），同时配有M8 螺丝及相关螺母、垫片。二次侧为信号线接线端子，通过8 m 载波信号线与载波机相连，实现载波通信[7]。环网柜载波耦合器的一次侧串联接入10 kV 电缆的接地线，二次侧连接载波主机或从机。

3 环网柜载波应用

环网柜载波是供电公司的专有通信网络，可以为配电自动化、用电信息采集等数据传输提供安全、可靠的通道。典型的应用价值有以下几方面。

a） 实现配电自动化三遥功能。国网家电公司出于信息安全的考虑，在配网自动化中不允许使用GPRS 做遥控，这就导致使用GPRS 的三遥DTU 只能降格为二遥使用，合分闸需要人工现场操作。而环网柜载波属于供电公司专网，国网允许通过载波做遥控，因此对于原先使用GPRS 通信的DTU，改用环网柜载波可以实现完整的三遥功能。

b） 作为光纤通信的有力补充。配电网实现光纤全覆盖的投入极为巨大，而且部分区域无法敷设光缆，因此存在大量光纤未能覆盖的环网柜、箱变等配电设备。环网柜载波可为这些设备提供上行通道，还可与供电公司已有的配网光纤网络无缝衔接[8]。

c） 环网柜载波同样也可用于用电信息采集。

以下介绍环网柜载波的几种应用场景。应用场景一如图3 所示，应用场景二如图4 所示。

图3 环网柜载波应用场景一示意图

图4 环网柜载波应用场景二示意图

应用场景一：中压载波通信实现光纤续传。借助已有光纤接入点，中压载波可提供光纤断点续传通道，为光纤断点后端配电终端提供上行通信，实现配用电终端通信全覆盖。

应用场景二：中压载波通信解决配电终端无信号问题。针对无线信号盲区的配电终端，以中压线路为通信介质，采用载波通信模块把终端的数据传输至无线信号覆盖区域，再上传至采集主站，提升终端在线率。

应用场景三（图略）：中压线路载波通信全覆盖。以变电站为单位，结合已有光纤，以中压电力线（包括架空线路、电缆线路和混合线路） 为通信介质，采用鼎信中压载波通信方案，实现电网上各种设备互联互通，为能源互联网提供通信支撑。

应用场景四（图略）：中压载波通信实现光纤成环。针对变电站之间终端通信接入网无法成环网通信，中压载波能提供可靠的桥接成环方案，为电力业务提供主备用通道，提高通信网络的业务支撑能力。

应用场景五（图略）：中压载波实现缓动型智能分布式馈线自动化 FA（feeder automation） 通信。中压载波可以为线路相邻配电终端的通信提供对等式保护通信网络，通过分布式控制单元之间故障处理逻辑实现故障隔离和非故障区域恢复供电的缓动型智能分布式FA。

应用场景六（图略）：中压载波实现语音传输、图像传输。针对检修公司进行隧道铺设配电线路检修过程中需要不同站点之间的通信，中压载波可以提供稳定可靠的通信通道，实现端到端的实时语音传输，也可以为无信号区域载波调试提供通信手段。针对开关站、配电房的实时状态监控需求，中压载波能够为图像监控提供上行通信信道，实时监控站所及线路运行状态，为故障诊断与检修提供决策依据。

4 现场应用效果

吕梁供电公司试点移民1 号线路环体线K1 处有光纤，环体线K2 处无光纤。K2 处的DTU 使用的是GPRS 上行通信。考虑到现场情况，计划在K1 处安装主机，在K2 处安装从机。在现场勘查中，主要对环网柜之间的线路距离、实际柜体距离、环网柜内部耦合器安装空间、电缆的接地情况、载波机的空间放置等进行勘查。环网柜之间的空间位置是环体线K1、K2 的距离，约为240 m。

环网柜载波使用电缆屏蔽层作为通信介质，主要设备包括主、从载波机和耦合器，通信模式为一主多从，耦合器接在电缆屏蔽层的接地线中，从机借助耦合器将对应DTU 的数据经电缆屏蔽层传输给主机，主机再将数据以网线传输给ONU，最终通过光纤网络上传到配电主站。

环网柜载波设备安装简单、快捷，无需停电，环网柜载波试点自2019 年7 月中旬调试完成以来，通信稳定可靠，无通信中断事件，实时性完全满足配电自动化系统的运行指标要求，完全符合《配电自动化系统技术规范》 DL/T 814—2013标准的要求。表1 为测试数据，表1 中响应时间为主站统计数据。

登录主站调试后，进行遥控实验，并对比了与光纤、GPRS 通信的遥控预置响应时间，实验结果如下。

遥控分合闸：对环网柜K2 备用间隔下发遥控命令，主站统计响应时间3 s，开关机构可以稳定、准确地完成分闸、合闸动作，满足配网自动化系统技术规范中系统响应时间规定的遥控完成时间<5 s 的要求。

表1 2019 年7 月测试数据统计

遥控预置对比：对比环网柜载波与光纤、无线GPRS 通信方式下的遥控预置响应时间，数据统计如表2 所示。

表2 环网柜载波与光纤、无线GPRS 通信方式下的遥控预置响应时间对比

通过遥控预置对比，环网柜载波与光纤相比，响应时间差别不大，均小于GPRS 响应时间。

综合以上，环网柜载波通信完全满足配电自动化系统运行指标的要求，在配电自动化领域具有很高的应用价值。

5 结束语

供电公司配网自动化建设中存在以下问题：第一，DTU 上行通信主要采用光纤，光纤敷设受市政建设、地理环境等影响，存在建设投入巨大、维护成本高等问题。第二，由于存在信号盲点，导致城网线路拓扑不能实时更新，线变关系识别困难，影响线损统计，增大了故障定位难度。环网柜载波通信可以帮助供电公司实现把光纤无法铺设区域的DTU 接入主站，完成DTU 与主站的内网通信，实现“三遥”功能。