基于臺(tái)區(qū)變壓器兩端光纖通信的農(nóng)網(wǎng)配電線載波數(shù)據(jù)通信

引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，城鄉(xiāng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)一體化的格局在各級(jí)縣市區(qū)逐步形成，居民生活質(zhì)量得到很大提升。配電網(wǎng)在我們的生活中發(fā)揮著不可忽視的作用。電是現(xiàn)代社會(huì)運(yùn)行的動(dòng)力，但我國許多農(nóng)村地區(qū)，依然存在用電不暢、用電太貴等問題，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民群眾生活水平的提高。1998 年以前 [1]，農(nóng)村“三電現(xiàn)象”（人情電權(quán)力電、關(guān)系電）和“三亂現(xiàn)象”（亂收費(fèi)、亂加價(jià)、亂攤派大量存在，同時(shí)農(nóng)村電力設(shè)備普遍老化，線損耗電巨大，不僅導(dǎo)致農(nóng)村生活安全隱患的增多，而且作為不必要的電力運(yùn)行成本攤派到農(nóng)村電價(jià)中，在一定程度上加大了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)因此農(nóng)村電網(wǎng)變得越來越重要[2-4]，不僅很大程度上提高了農(nóng)村居民的生活質(zhì)量，且對(duì)我們的科學(xué)發(fā)展及社會(huì)經(jīng)濟(jì)都產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。隨著社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)工作的全面開展，國網(wǎng)公司提出了“新農(nóng)村、新電力、新服務(wù)”的發(fā)展戰(zhàn)略，進(jìn)一步提高農(nóng)村電氣化水平，并要求以科技為支撐，進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃提升裝備科技含量[5-8]，形成結(jié)構(gòu)優(yōu)化、布局合理、技術(shù)適用供電質(zhì)量高、電能損耗小的農(nóng)村電網(wǎng)。農(nóng)網(wǎng)發(fā)展不僅關(guān)系到農(nóng)電體制改革和農(nóng)村電力市場的完善，且關(guān)系到政府威信、企業(yè)誠信、民心所向，牽動(dòng)著城鄉(xiāng)電價(jià)、農(nóng)民負(fù)擔(dān)，及農(nóng)村群眾生產(chǎn)生活水平與農(nóng)村電氣化事業(yè)發(fā)展等，對(duì)于開拓農(nóng)村消費(fèi)市場促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有十分重要的意義

當(dāng)前的電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行都依賴于通信網(wǎng)絡(luò)目前，配電網(wǎng)跨接變壓器數(shù)據(jù)通信方式主要為無線通信跨接變壓器通信方式 [9,10] 和數(shù)據(jù)網(wǎng)線跨接變壓器通信方式 [11]。雖然這些通信方式可實(shí)現(xiàn)變壓器之間的通信傳輸，但往往在實(shí)際運(yùn)行過程中存在一些問題。無線通信跨接方式受環(huán)境影響大可靠性差 ；網(wǎng)線直連跨接方式有被 10kV中壓擊穿短路變壓器中壓側(cè)與低壓側(cè)的風(fēng)險(xiǎn) [12-14]。針對(duì)這些問題，文中提出了一種基于臺(tái)區(qū)變壓器兩端光纖通信的農(nóng)網(wǎng)配電線載波數(shù)據(jù)通信方式，通過光電轉(zhuǎn)換裝置將信號(hào)從變壓器低壓側(cè)傳遞到變壓器中壓側(cè)，再經(jīng)中壓電力線載波將信號(hào)從無GPRS信號(hào)的臺(tái)區(qū)傳輸?shù)接?GPRS信號(hào)的臺(tái)區(qū)，這種通信方式能夠適應(yīng)長距離通信，且信息容量相對(duì)較大，具有較高的傳遞質(zhì)量和抗干擾能力，傳輸速度也能夠滿足電網(wǎng)需求，實(shí)現(xiàn)無信號(hào)臺(tái)區(qū)信息的有效通信

1 基本原理

為降低臺(tái)區(qū)中壓側(cè) 10 kV 電壓擊穿通信設(shè)備，直接傳入低壓側(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，在臺(tái)區(qū)高壓側(cè)與低壓側(cè)分開供電，臺(tái)區(qū)低壓側(cè)直接供電給配變監(jiān)測計(jì)量終端及擴(kuò)展模塊，配變監(jiān)測計(jì)量終端擴(kuò)展模塊與電力線載波裝置之間采用光纖通信，保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與實(shí)時(shí)性，通過光電轉(zhuǎn)換裝置將電信號(hào)與光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再將數(shù)據(jù)信息傳送到電力線載波裝置中，載波裝置由中壓側(cè)的電壓互感器供電；該傳輸過程是可逆的，將以上過程逆向傳輸（逆向過程中配變監(jiān)測計(jì)量終端有 GPRS 信號(hào)模塊），可將信號(hào)傳送到有 GPRS 信號(hào)的臺(tái)區(qū)位置?？缗_(tái)區(qū)配變數(shù)據(jù)通信裝置系統(tǒng)原理如圖 1 所示

圖1 跨臺(tái)區(qū)配變數(shù)據(jù)通信裝置系統(tǒng)原理框圖

該系統(tǒng)的通信在臺(tái)區(qū)配變低壓側(cè)到低壓線路后一段架空線路上進(jìn)行。其目的在于監(jiān)測低壓線路中后段，即監(jiān)測末端的電壓電流是否正常，是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)。前后之間的通信由電力線載波完成，由后面的低壓線路綜合監(jiān)測終端向前面位于配變低壓側(cè)的配變監(jiān)測計(jì)量終端擴(kuò)展模塊傳輸數(shù)據(jù)

臺(tái)區(qū)配變 ：臺(tái)區(qū)是指（一臺(tái)變壓器的供電范圍或區(qū)域，臺(tái)區(qū)配變?yōu)槟骋还╇妳^(qū)域的配電變壓器

配變監(jiān)測計(jì)量終端：無信號(hào)臺(tái)區(qū)的配變監(jiān)測計(jì)量終端不含 GPRS 信號(hào)模塊，有信號(hào)臺(tái)區(qū)的配變監(jiān)測計(jì)量終端包含 GPRS 信號(hào)模塊

配變監(jiān)測計(jì)量終端擴(kuò)展裝置 ：配變監(jiān)測計(jì)量終端擴(kuò)展模塊與配變監(jiān)測計(jì)量終端之間通過 485 或 232 接口實(shí)現(xiàn)通信。配變監(jiān)測計(jì)量終端擴(kuò)展模塊由載波通信模塊、控制器、電源組成，其 220 V 電源接自配變監(jiān)測計(jì)量終端的電源端子。配變監(jiān)測計(jì)量終端擴(kuò)展模塊需完成如下功能

比較并判斷低壓線路綜合監(jiān)測終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，當(dāng)配變低壓側(cè)缺相，即某一電壓、電流為 0，而其他兩相正常時(shí)預(yù)警，并將判斷結(jié)果（預(yù)警結(jié)果）發(fā)給配變監(jiān)測計(jì)量終端，由其傳回局方系統(tǒng)

比較判斷時(shí)，若配變低壓側(cè)某相電壓正常，但電流為 0 且與之對(duì)應(yīng)相序后面的電壓、電流數(shù)據(jù)均為 0，則可判定該相導(dǎo)線斷線，并向配變監(jiān)測計(jì)量終端發(fā)送判斷結(jié)果，以示預(yù)警這時(shí)，后面低壓線路綜合監(jiān)測終端發(fā)送過來的電壓電流為零值，由非斷線相序發(fā)送，即零值數(shù)據(jù)的相序因無電由無線模塊把斷電瞬間的數(shù)據(jù)發(fā)給另外有電的相序

在正常情況下，后面的低壓線路綜合監(jiān)測終端會(huì)將三線電壓、三相電流數(shù)據(jù)傳輸過來

需要有過壓保護(hù)、過欠流保護(hù)、過欠壓保護(hù)、雷電保護(hù)功能。其中過壓、過流需要在軟件里設(shè)置閾值，當(dāng)超過該設(shè)定閾值時(shí)，則啟動(dòng)保護(hù)功能。

光電轉(zhuǎn)換裝置 ：實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。

2 具體實(shí)施

首先臺(tái)區(qū)變壓器低壓側(cè)（即臺(tái)區(qū)變壓器右側(cè)）提供電壓給配變監(jiān)測計(jì)量終端（無 GPRS 信號(hào)模塊），然后將數(shù)據(jù)信息傳送給配變監(jiān)測計(jì)量終端擴(kuò)展裝置（含低壓載波模塊），經(jīng)電 /光轉(zhuǎn)換裝置將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再經(jīng)光纖傳遞，由光 / 電轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)據(jù)信息傳送到中壓電力線載波裝置中；由于臺(tái)區(qū)變壓器低壓側(cè)無法直接對(duì)中壓電力線載波裝置供電，因此采取 10 kV 電壓互感器（PT）供電 ；有 GPRS 信號(hào)臺(tái)區(qū)接收信號(hào)過程為無 GPRS 信號(hào)臺(tái)區(qū)傳遞信號(hào)的逆過程，臺(tái)區(qū)配變裝置系統(tǒng)電氣圖如圖 2 所示。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，在桂林局城南分局采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測量草底村配電變壓器低壓側(cè)三相電壓、三相電流羅馬街配電變壓器低壓側(cè)原三相電壓、三相電流，以及羅馬街配變接收到草底村配變低壓側(cè)的三相電壓、三相電流。測量結(jié)果分別見表 1、表 2 所列

表 1 為草底村配變低壓側(cè)與羅馬街配變低壓側(cè)電壓集中后臺(tái)匯總表?？梢钥闯?，A 相的草底村配變低壓側(cè)電壓為225.5 V，與羅馬街配變接收到的草底村配變低壓側(cè) A 相電壓相差 0.1 V ；B 相草底村配變低壓側(cè)電壓為 227.2 V，與羅馬街配變接收到的草底村配變低壓側(cè) B 相電壓相差 0.2 V ；C 相草底村配變低壓側(cè)電壓為 230.7 V，與羅馬街配變接收到的草底村配變低壓側(cè) C 相電壓相差 0.1 V，草底村配變低壓側(cè)三相電壓與羅馬街配變接收到的草底村配變低壓側(cè)三相電壓誤差很小，可忽略不計(jì)

表 2為草底村配變低壓側(cè)與羅馬街配變低壓側(cè)電流集中后臺(tái)匯總表。A相羅馬街配變接收到的草底村配變低壓側(cè)電流為151.323A，與草底村配變低壓側(cè)電流相差 0.044A；B 相羅馬街配變接收到的草底村配變低壓側(cè)電流為 138.135A，與草底村配變低壓側(cè)電流相差 0.078A；C 相羅馬街配變接收到的草底村配變低壓側(cè)電流為 185.568A，與草底村配變低壓側(cè)電流相差 0.006 A ；草底村配變低壓側(cè)三相電壓、三相電流以及羅馬街配變接收到的草底村配變低壓側(cè)三相電壓、三相電流誤差很小，在可控范圍內(nèi)。可見，在一定范圍內(nèi)采用本文方法可大幅提高信息的傳輸效率，確保信息完整傳輸，實(shí)現(xiàn)了草底村配變到羅馬街配變之間信息的高效通信

4 結(jié) 語

目前采用的農(nóng)村配電網(wǎng)電力線載波通信方式存在無法避免的外在干擾因素，影響通信傳輸過程，降低了傳輸可靠性在實(shí)際傳輸過程中，載波通信會(huì)被臺(tái)區(qū)變壓器阻隔，導(dǎo)致傳輸中斷，無法完整實(shí)現(xiàn)電力線載波通信從低壓載波到中壓載波本文方法有效解決了這些問題，通過光電轉(zhuǎn)換裝置將信號(hào)從變壓器低壓側(cè)傳遞到變壓器中壓側(cè)，再經(jīng)中壓電力線載波將信號(hào)從無GPRS 信號(hào)的臺(tái)區(qū)傳輸?shù)接?GPRS 信號(hào)的臺(tái)區(qū)，實(shí)現(xiàn)無手機(jī)信號(hào)臺(tái)區(qū)信息的有效通信，大幅提高了可靠性與傳輸效率，實(shí)時(shí)性良好