PLC载波通信在电缆线路改造中的应用

吉懿

（国网宁夏吴忠供电公司，宁夏 吴忠751100）

在对电力企业电网进行改造的过程中，由于受到架空线路走廊以及周围景观的限制，大部分电力线路均改为了电缆线路形式。在较为狭窄的街道当中，由于缺少电力开关站作为电力负荷分配的供给站，因此供电无法得到保障，同时供电分配信息也无法准确地传递，成为当前限制电力企业发展的一大难题[1]。而通过将10 kV环网柜引入到这一环节当中，将其作为电缆线路的关键节点，能够在配电节点当中，起到分段、联络等作用。因此，10 kV 环网柜由于具备上述应用优势，在各大电力企业中得到广泛使用。电力企业中配电通信网通常采用光纤通信方式（EPON），但由于在光纤终端通信接入网建设过程中，常常会出现部分老旧配电线路采用直埋方式、电缆管道塌陷等问题产生，进一步造成市政掘路手续办理困难、光缆敷设难度大、投资成本高等一系列问题[2]。同时，电力企业的无线公网（主要包括GPRS/3G/4G）虽然可以作为配电自动化的辅助通信方式，但也存在信号不稳定、安全性弱等问题，严重影响着电力企业的发展，因此针对上述问题通过结合PLC载波通信技术，可有效为上述两种通信技术提供补充。基于此，本文开展PLC载波通信在10 kV环网柜电缆线路改造中的应用研究。

1 电力企业10 kV 环网柜通信模块分析

1.1 电力企业10 kV 环网柜通信组成分析

环网柜是电力企业中常见的输配电气设备，其最主要的作用是将各个环网线路相互连接，提升线路整体的供电可靠性。环网柜在电力企业环网当中作用位置不同，其分类上存在较大差异[3]。当前环网柜类型主要包括：联络环网柜、入线环网柜、出线环网柜。用于实现环网柜通信模块的主要设备包括载波机、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[4]。主载波机兼有载波管理机功能，是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。图1 为环网柜通信传输的基本原理示意图。

图1 环网柜通信传输的基本原理示意图

通过环网柜的使用不仅可以实现对电力企业各个线路的互供，保证在正常运行环境下联络断开，当发生某一变电站停电时，可以迅速将停电的变电站联络合上，通过另一个变电站为其提供供电负荷。

1.2 PLC载波通信在10 kV环网柜中的应用条件

PLC 载波通信技术可充分应用到10 kV 环网柜中，主要原因是由于PLC 载波通信技术具备以下特征。

第一，PLC 载波通信采用透明传输方式，可支持配电自动化中IEC 101、104 等规约类型数据的传输。

第二，PLC载波通信带宽可达到2.4 kbit/s以上，能够满足配电自动化的数据传输需求和实时性要求。

第三，PLC 载波通信是一种有线通信方式，且通信信道为供电公司自有，可以有效保证通信可靠性。

第四，PLC 载波通信中采用的各类设备均可以支持配电终端的加密报文，保证配电自动化通信数据安全性。

第五，经过PLC 载波通信多年在其他各个领域中的应用经验积累和探索，目前采用的各类设备均能够满足户外运行要求，满足工业级设计。

综上所述，PLC 载波通信能够满足涉及10 kV环网柜配电业务的各方面要求。

2 基于PLC 载波通信的10 kV 环网柜电缆线路改造方法

2.1 10 kV环网柜电缆线路通信结构组成

基于PLC 载波通信的10 kV 环网柜电缆线路改造后的通信结构组成主要包括通信主机、通信从机和耦合器。针对具体线路，可采用一主一从的组合形式，在10 kV 环网柜中安装通信主机，主机通过光纤通信形式与主站进行通信传输，在环网柜分支箱当中安装通信从机，从机通过铜屏蔽层实现主机与PLC载波通信[5]。图2为10 kV环网柜电缆线路通信结构组成示意图。

图2 10 kV环网柜电缆线路通信结构组成示意图

主机安装节点设有ONU，主机通过网线与ONU相连，接入光纤网络，实现通信。从机安装在线路中光纤未分支节点，通过网线与分支箱中的DTU进行连接，实时读取DTU数据并通过信号线传输至耦合器，耦合器将接收到的信号发送至电缆屏蔽层上，传输至主节点耦合器，再通过信号线传输至主机[6]。环网柜通信耦合器安装主、从节点的一次侧，通常安装在环网柜的一次室或电缆井中。本次试点主、从节点一次室空间较小，选择安装在电缆井汇中。按照上述方式组成的10 kV 环网柜电缆线路通信结构更加灵活，根据不同用电用户对供电需求的实际参数，可随时插入到环网柜当中[7]。同时能够更加灵活地接入电源，满足情况更加特殊的地区，如多电源复杂配电环境的用电需要和供电标准[8]。除此之外，上述组成方式在后续新的环网柜接入时，可直接将其连接在环网结构当中，与传统电缆线路相比更容易实现扩建，不会受到建设规模的限制。

2.2 基于PLC载波通信的供配电信号传输

在利用10 kV 环网柜电缆线路对供配电信号进行传输，为解决传统线路在传输过程中存在信号不稳定、容易产生误差等问题，结合PLC载波通信技术对其进行改造。对供配电信号传输前，首先需要对其参数进行设定，保证供配电通信信号的传输量能够充分满足调节识别要求，并对供配电信号进行处理，使其具备正确的信号标注方式[9]。识别过程中的信号主要是针对由电力企业变电总站产生的供配电信号。因此，需要在PLC当中对信号的频率范围进行设定，以此保证识别过程的针对性。本文采用的识别方式，是将供配电信号统一化处理为中频信号，即信号的载波频率与采集频率的比值控制在1/2的定值，将采集速率设置为75.5 kHz，则载波的频率值为1/2的75.5 kHz。识别过程中还可能会产生的识别误差通常在±4.3%的符号速率范围以内[10]。因此，针对这一问题，在对产生的供配电信号中的载波频率上随机增加±12.5%的符号速率随机值，实现对供配电信号频率采集的校正[11]。其次，再根据载噪比范围等其它供配电信号采集要求，对供配电信号各项参数指标进行设定，载波频设定在75.5/2±δkHz范围内，（δ表示为供配电信号在传输过程中的频率偏移数值）；符号速率设定在2.48～24.58 kHz范围内；载噪比设定在2.4～17.5 dB范围内。

利用PLC 载波通信，将供配电信号连续降半分割到相应的层上。PLC 载波通信可将其看作一个滤波装置，通过该装置将供配电信号在传输过程中携带的噪声等干扰因素进行过滤，将传输的信号以4～20 mA 模拟电流的形式传送到对应的通信从机中，并根据该电流的大小判断传输的具体内容[12]。同时，在传输过程中，通过PLC载波通信还需要在其中增加D/A 转换模块，将模拟信号类型的供配电信号转换为数字码，再在接收后，将数字码转换为模拟信号。

3 实验论证分析

3.1 实验条件

选择青铜峡公司中滩变电站535 唐源Ⅱ线陈俊安置区1 号环网柜与1H-1 号分支箱之间开展10 kV环网柜电缆线路改造通信试点研究。试点现场数据如表1所示。

表1 试点现场数据表

按照上述试点现场数据表，对实验环境进行布置，并分别将改造前的10 kV环网柜电缆线路与改造后的线路，应用于该试点当中。利用主站“三遥”调试设备对两种线路的具体通信情况进行记录，对比改造前的电缆线路与改造后的电缆线路通信成功率。

3.2 实验结果与分析

将“三遥”调试设备显示器当中的数据截图，分别记录4 月24 日五个不同时间段范围内的实际累积通信次数，并将改造前的电缆线路通信次数与改造后的电缆线路通信次数与实际累积通信次数进行对比，绘制成如表2 所示的改造前与改造后电缆线路通信结果对比表。

改造前后10 kV 环网柜电缆线路的通信成功率可通过完成通信次数与实际累积通信次数的比值得出。因此，通过实验结果可以看出，经过青铜峡供电公司的实际运行，改造后的10 kV 环网柜电缆线路可以保证通信成功率达100%，而改造前的电缆线路完成通信次数明显少于改造后，并且改造前的线路完成次数不符合电力企业对10 kV 环网柜的运行需求。同时，在改造后的电缆线路运行过程中，满足信息安全要求三遥通信，遥信响应时间、遥控预置时间通过三遥调试设备显示器截图显示均在1 s以内，完全符合配电自动化业务的实时性要求，具备推广条件。

表2 改造前与改造后电缆线路通信结果对比表

除此之外，改造后的10 kV 环网柜电缆线路具备良好的经济效益和社会效益。采用PLC载波通信方式，平均每个站点PLC 设备采购费用大约为0.9万元，但其不用敷设光缆，平均每个点节省光缆采购及光缆施工费用大约1 万元，以市区约1000 个点计算，大约节省投资1000 万元。此外后期运维中，不存在光缆外力破坏等中断的风险，降低了后期运维费用。解决了配网“三遥”站点可靠通信问题，使大量具有“三遥”功能却因通信安全问题造成只能实现“二遥”的站点，通过PLC 转变为“三遥”站点，变相节省了投资，提高配电网络可靠性，减少了配电运维人员工作量，具有良好的社会效益。此外借助电缆屏蔽层的PLC通信方式，可对电力电缆屏蔽层进行在线实时检测，及时发现电缆故障隐患，减少事故的发生，提高电缆运行稳定性。

4 结束语

本文针对传统10 kV 环网柜电缆线路在通信过程中存在信号不稳定等问题，结合PLC载波通信技术对其进行改造，同时电力企业实际运行效果得出，改造后的电缆线路可以充分满足电力企业对10 kV环网柜的应用要求，并有效提高电力企业的经济效益和社会效益。本文改造后的电缆线路中，环网柜是作为电缆线路的节点存在，接线更加灵活，操作更加方便。同时在实际应用中应当注意，在组成电缆线路结构时，应当预留出多条回路，方便后续电网规模扩大时，对其进行扩展。并且，相关人员在对环网柜进行操作时，应当严格按照其指示信号进行检查。对于存在压力开关的环网柜，还应当在出现压力不足时，严格按照相关要求操作，保证环网柜运行的稳定性与安全性。