OFDM調(diào)制技術(shù)的配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)研究

引言

配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)可采用的通信有光纖、配電載電(DLC：Distribution Line Carrier)、無(wú)線、有線等多種方式。10kV配電線路從變電所出發(fā)可以延伸到線路上的任一測(cè)、控點(diǎn)，所以DLC是最經(jīng)濟(jì)、可靠的通信方式之一，是配電自動(dòng)化的首選通信方式。

配電線載波通信（DLC）不同于電力系統(tǒng)原有的高壓系統(tǒng)輸電線載波通信(PLC：POWER Line Carrier)方式。PLC一般是兩點(diǎn)之間通過(guò)阻波器和結(jié)合濾波器上送和下載高頻信號(hào)，傳輸目標(biāo)明確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。而DLC則是一對(duì)多的通信方式，不設(shè)阻波器，通信信號(hào)在10kV及380kV配電網(wǎng)中傳輸，其上裝設(shè)的任何一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都可以作為信號(hào)源和接收器，而變壓器（配變和變電站變壓器）則是信號(hào)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(wǎng)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(guān)問(wèn)題。

正交頻分復(fù)用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一種高效調(diào)制技術(shù)，應(yīng)用于電力線高速數(shù)字通信，具有以下優(yōu)越性：

⑴頻帶利用率高;

⑵抗ISI干擾能力強(qiáng);

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(shù)據(jù)由串行傳輸轉(zhuǎn)換為并行傳輸, 采用頻率上等間隔的N個(gè)子載波分別進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的N個(gè)子載波信號(hào)相加后同時(shí)發(fā)送。由于符號(hào)的速率大大減慢，傳輸?shù)臅r(shí)間大大延長(zhǎng)，因而提高了抗多徑衰落，抗時(shí)延擴(kuò)展的能力，減少了符號(hào)間干擾影響，并且通過(guò)選擇載波間隔（△f=1overT，其中，T為符號(hào)周期）使這些子載波在整個(gè)符號(hào)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(wú)失真的復(fù)原發(fā)送信號(hào)。

系統(tǒng)組成及工作原理

本通信系統(tǒng)以10kV配電線為傳輸媒質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟钥偩€＋樹為主，不同總線段可以互聯(lián)為開環(huán)的環(huán)網(wǎng)。系統(tǒng)由通信子站系統(tǒng)和主站系統(tǒng)兩部分組成。主站系統(tǒng)設(shè)置于110kV變電站，收集各10kV線路上全部子站的遙測(cè)信息，根據(jù)確定的算法和控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)的安全監(jiān)視、自動(dòng)控制和保護(hù)。通信子站與FTU，TTU等配套使用，分布于配電網(wǎng)各處。這里先介紹子站系統(tǒng)部分。

通信子站系統(tǒng)

子站系統(tǒng)主要由Intellon公司的INT51X1芯片，華邦公司的W90N740微處理器，電平轉(zhuǎn)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(gè)集成的MAC/PHY電力線收發(fā)器。利用它，通過(guò)電力線就可以進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)通信。INT51X1完全符合HomePlug電力聯(lián)盟工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)V1.0.1，采用Intellon專利的POWERPacket OFDM技術(shù)。POWERPacket的具體技術(shù)參數(shù)如下：

速度14MB/s；頻帶4.3～20.9MHz；OFDM信號(hào)調(diào)制，84個(gè)載波信道，自動(dòng)信道適應(yīng)，前向糾錯(cuò)；載波調(diào)制方式支持DQPSK、DBPSK、ROBO；讀寫方式支持CSMA/CA；符合FCC-15輻射標(biāo)準(zhǔn)；通信加密；0.25 m技術(shù)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(huán)境0～70℃。

INT51X1可以在惡劣的電力線通信環(huán)境下達(dá)到14Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速度，能夠根據(jù)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(dǎo)頻就能夠?qū)崿F(xiàn)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(yōu)先權(quán)設(shè)置和自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求（ARQ），通過(guò)包封裝，支持以太包的可靠傳輸。在保證服務(wù)品質(zhì)（QoS）的前題下，為多媒體有效載荷（包括聲音、數(shù)據(jù)、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(wǎng)口。三種模式分別為USB模式、PHY模式和Host/DTE模式。本系統(tǒng)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(zhuǎn)換。

W90N740微控制器

W90N740[3][4]采用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，是基于ARM7TDMI的32位微控制器。內(nèi)建有兩個(gè)以太網(wǎng)MAC控制器0和1，8K的指令緩存和2K的數(shù)據(jù)緩存。通過(guò)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(guò)片內(nèi)Ethenet MAC Controller 0與INT51X1接口，完成RS232標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。通過(guò)片內(nèi)串口UART上外接一片MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的RS232通信功能，與FTU，TTU等自動(dòng)化設(shè)備相連。

INT51X1與W90N740的硬件連接

由于本系統(tǒng)選用PHY模式,通過(guò)MII接口與微控制器相連。MII（Media Independent Interface，媒質(zhì)獨(dú)立接口）是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口,提供POWERPacket MAC與IEEE802.3 以太網(wǎng)MAC控制器之間的互連。

MII接口的幀結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

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

因?yàn)锳RM7TDMI是W90N740的內(nèi)核，使用ARM7匯編語(yǔ)言編程。實(shí)現(xiàn)功能：從RS232口接收FTU/TTU數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為802.3協(xié)議IP包，經(jīng)MAC發(fā)送給INT51X1；經(jīng)MAC接受INT51X1數(shù)據(jù)，解包，通過(guò)RS232口送FTU/TTU。

W90N740上電后初始化，初始化完成后發(fā)送特殊的呼叫信息給主站（64字節(jié)全5），握手過(guò)程完成后即進(jìn)入通信運(yùn)行。

握手過(guò)程如下：

首先子站對(duì)主站廣播（發(fā)送呼叫信息64字節(jié)全5），收到回復(fù)自己的響應(yīng)信息（64字節(jié)全3）后，填寫本子站通信的目的地址（即發(fā)來(lái)回復(fù)的主站地址），進(jìn)入正常通信。若收不到響應(yīng)信息，則每隔1分鐘重復(fù)發(fā)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(rèn)），均不予理會(huì)。此策略可保證電力線正常運(yùn)行條件下，各子站與本總線網(wǎng)上主站的通信。當(dāng)故障斷電后重新供電時(shí)，各子站與本網(wǎng)主站或臨時(shí)聯(lián)絡(luò)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(yīng)將呼叫主站地址寫入本子站目的地址，然后發(fā)出響應(yīng)信息，此后進(jìn)入與該主站的正常通信。此策略能使臨時(shí)加入其它主站管理范疇的子站回到本網(wǎng)，或斷電后與原主站恢復(fù)聯(lián)系。

主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)是由若干臺(tái)通信終端，8/16*換機(jī)（HUB）和PC機(jī)構(gòu)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(jī)側(cè)MII接口與W90N740 Ethenet MAC Controller 0連接，W90N740再經(jīng)Ethenet MAC Controller 1接ETH PHY（RTL8201），從RTL8201引出RJ-45接口，與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接；電力線側(cè)則與子站系統(tǒng)類似。

每臺(tái)通信終端具有電力網(wǎng)上唯一的MAC地址，同時(shí)又具有局域網(wǎng)上唯一的IP地址。每個(gè)通信終端都作為本網(wǎng)絡(luò)（總線＋樹型）的通信主機(jī)，與最多63個(gè)子站進(jìn)行1：N的通信，并對(duì)本網(wǎng)子站進(jìn)行管理。在本網(wǎng)內(nèi)，記錄和存儲(chǔ)所有子站的地址，作為發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址。當(dāng)收到來(lái)自某子站的廣播呼叫（64字節(jié)全5），則記錄該子站地址，并發(fā)回響應(yīng)（64字節(jié)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(wǎng)。）若失去本站管轄的某個(gè)子站，即長(zhǎng)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(yīng)子站的響應(yīng)信息，進(jìn)入正常通信為止。24小時(shí)后仍無(wú)響應(yīng)則放棄呼叫。

IP機(jī)接收來(lái)自各通信終端的IP包，定位IP包的來(lái)源。記錄全部子站地址，并明確各子站各處于哪臺(tái)通信主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)。這樣能保證下發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，可以準(zhǔn)確的找到相應(yīng)的通信主機(jī)，再轉(zhuǎn)發(fā)到其下的目的子站。

結(jié)論

本文介紹了一種基于OFDM技術(shù)的配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)，描述了其通信子站、主站部分和相應(yīng)的硬件電路和軟件方案。通過(guò)介紹INT51X芯片，可以發(fā)現(xiàn)OFDM技術(shù)應(yīng)用到電力線通信具有的很強(qiáng)的優(yōu)越性。

發(fā)布者：小宇