基于PLC通信的高压配电在线监测系统设计

马文超

（枣庄科技职业学院，枣庄 277599）

随着工业技术的发展以及人民生活水平的提升，用电量逐渐增长，人们对电力行业提出更高的要求[1]。除此之外，对于供电质量和安全性的要求也更为严格。高压配电作为不可或缺的基础设施，在实际工程中仍存在一定缺陷[2]。

一是供电的可靠性不够高。主要表现在我国地域分布不均衡，部分地区的配电设置较为落后，基础建设较为薄弱，大部分的高压电输送仍采用架空线，布局上呈树枝状结构，达到用户端的供电点较少。

二是高压输送产生的功率损失明显。在偏远地区，电路输送的距离较长，再加上局部布局不够合理，使得整体上的能源损耗较大，相关的维护费用偏高。

三是监测系统不够完善，应用率较低。高压配电的监测功能对于供电的安全性和可靠性有着重要的作用，但是受限于经济发展的不平衡，远距离的监测和控制存在较大困难，对于继电器、变压器的精细化监测与控制水平较低，全面的智能化控制系统尚未有效地应用[3]。四是故障检测效率较低。当出现供电异常时，最短时间内检测出故障点并及时维修，对于经济效益有着重要的影响，而目前的供电系统存在明显的不足，恢复供电的用时较长。为此，本文提出一种基于PLC的高压配电监测系统，旨在有效改善配电监测功能，确保供电的可靠性。

1 系统的整体设计

1.1 控制方案设计

对于高压配电系统，本文采用了西门子生产的中型机PLC S7-300。整个系统的控制方案设计主要基于监测功能的可靠性，如图1所示，在PLC控制下，其通信模块主要有：PLC通信控制主板以及长距离通信单元等两部分。两者依照特定的通信规约共同完成高效的通信功能，但是也有各自的功能特点，其通信接口、工作模式均具有一定的差异性。本文以配电长距离输送模式为例，对PLC通信的组成与控制原理进行分析[4]。

对于监测信号的处理，系统所采用的处理器为ARM7，可有效地实现不同电路信号的数据处理和控制。一般地，可通过总线方式连接来提升各个检测单元与处理器之间的信号传输效率[5]。对于系统中的信道编码，同样由ARM7微处理器控制，可通过软件编程完成信号的分组，从而避免PLC自身通道在高压条件下造成的瞬态干扰，降低误码发生率[6]。本文在系统功能设计的基础上，采用自适应耦合器来实现最佳的耦合参数，有效地提升智能化和可靠性。

图1 系统总体结构

1.2 调制解调功能的设计

调制解调功能是高压配电在线监测系统实现精确信号传输的关键。调制解调模块的基本结构如图2所示，本文主要通过三个步骤实现调制解调功能的设计。一是对于电路的设计，系统采用窄带OFDM调制，即尽量基于衰减小的频段完成信号传递，这样可显著降低PLC信道的频率衰减；二是综合运用变频调制与混频接收技术，确立较高频率的放大器，从而确保系统对于信号接收的敏感度，即实现良好的干扰抑制，增大信号接收的信噪比；三是系统运用信号双向通信技术，此时信号的传输不但可以在PLC信道完成，也可以在复合电路中实现，提升整个信号的中继力。

图2 调制解调模块结构

调制解调的核心技术为FPGA部分的高效运算，也称为FFT/IFFT运算。系统采用专用的调制解调单元实现相关接口的连接以及与处理器之间的数据交换。该单元的基本功能原理如图3所示，整个过程需要通过软件编程完成基本的控制流程，如信道估计、载波选择等，信号的转换依赖于A/D转换器，内部线路均由总线传输。在ARM处理器的工作下，实现并行数据的精确、高效传输。

图3 单元实现原理

1.3 通信规约应用

在基于PLC通信的控制系统中，需要采用专用的通信规约，避免信号出现识别错误，本文所设计的高压配电监测系统采用DNP3.0通信规约[7]。该类型通信规约由IEEE电力工程协会构建，属于开放式通信规约，最早在欧美国家流行和使用，目前在国内也有较为广泛的应用率。

从根本上讲，DNP3.0通信规约属于典型的串行通信协议，不但可以实现节点与节点之间的连接，还能完成单一节点与多个地址之间的通信以及不同地址之间的多点通信。该通信协议具备主动输送功能，即各个子站无需等待相关指令便可以往主站发送信号，提升信号传输效率。除此之外，该通信规约不受硬件设计与选型的干扰，灵活性和自由性非常高，适合后期的系统升级与改进。从内容上分析，DNP3.0通信规约主要包括四个部分内容：数据链路层规约、传输层规约、应用层规约及数据对象库。由于协议中约束的功能非常全面，系统可根据额外要求进一步选用其遥测、遥信和故障数据等功能。

2 系统可靠性分析

2.1 干扰因素分析

高压配电最显著的特点为环境复杂，外界的干扰因素较多，干扰力较强，这对系统的通信有着较为严重的影响。根据实际安装条件可知，整个系统的控制器PLC安装在10kV变电站的出口端部，受到的电流干扰最为显著。对于系统的终端控制器件FTU，其主要设置于柱上的开关内部，受到开关量的干扰明显。而变压器的监测与控制端TTU安装于变压器附近，受变压变化的冲击较大，这对于信号的监测不利。

根据系统的功能设计可知，可靠性和安全性是确保系统正常工作的关键。其中，可靠性主要是指通信稳定、测量误差低、执行机械机构的可靠工作（非误动作和拒动作）。为确保整个监测系统的可靠性，需要采用特定的技术实现干扰抑制或消除，包括原理性和实用性。

根据长期的实践可知，诱发电磁干扰的最关键电子器件为断路器和隔离开关。当它们的执行机构动作时，开关端将瞬间产生巨大的放电电弧，在整个供电回路中都会产生明显的高频震荡，对相关线路，特别是二次回路会产生较大的干扰。开关量变化导致的干扰震荡主要表现在电压的暂态衰减，以脉冲形式释放，可通过有效的手段加以控制。

2.2 抗干扰控制

根据干扰性分析可知，开关量变化引起的火花放电、骤变电压等现象均属于瞬态干扰，作用时间非常短，重复性显著。为此，系统采用增设压敏电阻的方式缓冲其瞬态电流。该种干扰抑制方法能够较大程度地抵消多余瞬态能量，当骤变电压过高时，压敏电阻被导通，回路中近似短路，此时的能量被大大释放。当电压恢复正常时，压敏电阻电压急剧增大，类似断开，不影响其他设备正常运行。基于压敏电阻的抗干扰控制能够实现较快的响应效率，保护效果良好。

3 结语

高压配电在线监测系统的安全性与可靠性对于国内配电网综合水平的提升有着重要的作用，基于PLC的通信手段具有较高的工作效率和良好的控制效果。本文重点分析了系统的控制原理、通信规约的要求以及抗干扰的实现等，具有良好的工程实践意义。