基于OFDM調制技術的配電自動化通信系統

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�。–SMA/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。