基于OFDM調(diào)制技術的配電自動化通信系統(tǒng)

引言

配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)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(fā)可以延伸到線路上的任一測、控點，所以DLC是最經(jīng)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(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(wǎng)中傳輸，其上裝設的任何一個通信節(jié)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(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問題。

正交頻分復用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一種高效調(diào)制技術，應用于電力線高速數(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;

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(diào)制，調(diào)制后的N個子載波信號相加后同時發(fā)送。由于符號的速率大大減慢，傳輸?shù)臅r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=1overT，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(fā)送信號。

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)絡拓撲以"總線＋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)設置于110kV變電站，收集各10kV線路上全部子站的遙測信息，根據(jù)確定的算法和控制策略，實現(xiàn)對整個配電網(wǎng)的安全監(jiān)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(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(fā)器。利用它，通過電力線就可以進行高速的數(shù)據(jù)通信。INT51X1完全符合HomePlug電力聯(lián)盟工業(yè)標準V1.0.1，采用Intellon專利的PowerPacket OFDM技術。PowerPacket的具體技術參數(shù)如下：

速度14MB/s；頻帶4.3～20.9MHz；OFDM信號調(diào)制，84個載波信道，自動信道適應，前向糾錯；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(huán)境0～70℃。

INT51X1可以在惡劣的電力線通信環(huán)境下達到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(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換。

W90N740微控制器

W90N740[3][4]采用精簡指令系統(tǒng)，是基于ARM7TDMI的32位微控制器。內(nèi)建有兩個以太網(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(nèi)Ethenet MAC Controller 0與INT51X1接口，完成RS232標準數(shù)據(jù)和IEEE802.3標準數(shù)據(jù)的相互轉換。通過片內(nèi)串口UART上外接一片MAX3232電平轉換芯片，即可實現(xiàn)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(tǒng)選用PHY模式,通過MII接口與微控制器相連。MII（Media Independent Interface，媒質(zhì)獨立接口）是一個工業(yè)標準接口,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(nèi)核，使用ARM7匯編語言編程。實現(xiàn)功能：從RS232口接收FTU/TTU數(shù)據(jù)，轉換為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(fā)送呼叫信息64字節(jié)全5），收到回復自己的響應信息（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(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），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(wǎng)上主站的通信。當故障斷電后重新供電時，各子站與本網(wǎng)主站或臨時聯(lián)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(fā)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(wǎng)，或斷電后與原主站恢復聯(lián)系。

主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)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(jīng)Ethenet MAC Controller 1接ETH PHY（RTL8201），從RTL8201引出RJ-45接口，與網(wǎng)絡交換機連接；電力線側則與子站系統(tǒng)類似。

每臺通信終端具有電力網(wǎng)上唯一的MAC地址，同時又具有局域網(wǎng)上唯一的IP地址。每個通信終端都作為本網(wǎng)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(wǎng)子站進行管理。在本網(wǎng)內(nèi)，記錄和存儲所有子站的地址，作為發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址。當收到來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（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(wǎng)絡。這樣能保證下發(fā)數(shù)據(jù)時，可以準確的找到相應的通信主機，再轉發(fā)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(tǒng)，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(fā)現(xiàn)OFDM技術應用到電力線通信具有的很強的優(yōu)越性。