配电网载波通信与链路接入技术
>陈麟书，周涛，余涛
（许继昌南通信设备有限公司，河南许昌461000）　
1　引言
　　随着国家电力制度改革的逐步深入，配电自动化系统将在国内得到越来越广泛的应用，在集计算机技术、通信技术、信息处理于一身的配电网自动化系统中，通信技术占有相当重要的位置。从总体上说，配电网自动化系统由主站、子站和采集终端三大部分组成。配电网通信系统要完成主站———子站，子站———采集终端这两大区域的数据通信任务，整体框架如图1所示。这两部分对通信要求是不一样的，主站———子站之间的通信，站点少，数据量大，对实时性要求相对较低，传输速率要求较高，一般采用高速以太网和SDH通信系统实现；子站———FTU之间的通信，即本文论述的主要内容，其站点较多，数据量相对较少，对实时性、可靠性有比较高的要求，目前采用的主要通信方式有：有线MODEM方式、无线数传电台、光纤MODEM方式、电力线载波方式。

　　电力线载波方式充分利用电力线资源，无需另外铺设通道，便于施工安装，是一种比较好的通信方式。以往的配电载波通信机，沿袭传统的电力线载波机的框架，其功能类似透明MODEM，相当OSI七层网络模式中的物理层功能，在实际工程应用中，对于较远的传输距离，架空线和地埋电缆混合敷设、分支线较多等复杂的配电网络，单纯依靠物理层技术很难合理地解决这些问题。随着计算机通信技术的发展，局域网技术取得了突飞猛进的发展，局域网技术的一个基本功能就是在保证数据传输正确性的同时，有效地拓展通信范围。如何利用成熟的局域网技术，提高配电载波通信机的性能，成为人们关注的一个新问题。本文试图从局域网的角度来看待配电通信载波机，认为其应具有OSI模式中的物理层和链路层功能。以期对传输距离，网络结构复杂等问题的解决有所帮助。
　　从局域网的角度看，子站和FTU之间的通信相当于局域网中节点的一主多从之间的通信，其拓扑结构看似星形结构，但是由于每条出线都是通过变电站母线相连，所以其实质是总线结构，对于总线型的配电载波通信，如何针对配电载波通道的特点，采用何种链路接入方式，在下文中予以分析。
2　配电载波通道的特性
　　10kV配电载波通道的传输特性十分恶劣，这表现在：（1）通道衰耗变化剧烈，绝对值很大；（2）干扰严重，主要是背景噪声和尖脉冲干扰。
　　10kV通道虽然传输半径不大，一般不超过10km，但是，由于配电网在变电站侧一般不装设阻波器，变电站的各条出线实际上是总线型连接，由此　　而引起的衰耗十分大，资料表明，由于变电站的介入而引起的衰耗一般为20～30dB，最大为55dB^［2］。另外10kV线路状况复杂，架空线、地埋电缆特性阻抗相差很大，每公里衰耗值也相差许多，对于架空线、地埋电缆混合敷设的线路，衰耗情况更严重一些。国内众多生产厂家的研制经验表明10kV通道的衰耗特性是影响载波数据传输的重要原因，这是在配电载波通信设备中，要引入局域网技术的主要原因之一。
　　10kV载波通道的干扰是十分严重的。主要是背景噪声和尖脉冲干扰，其来源很多，设备开关切换产生的脉冲干扰、用电设备产生的噪声以及电力线耦合的外界电磁波等，影响最大的是尖脉冲，其频谱范围很宽，且幅度较高^［2］。据国外有关资料报道，其严重时尖脉冲可比背景噪声幅值高40dB^［3］。在这样恶劣的环境下进行数据传输，要保证实时性要求，必须要物理层调制技术及链路技术的协调配合，才能保证误码率的要求。
3　介质接入控制技术
　　依据局域网理论，子站———FTU之间的通信，是总线介质共享通信。挂在共享介质上的各个节点之间要实现通信，首先要解决共享通信介质使用权的分配问题，这就是常说的接入控制，介质接入技术总体上可分为：随机接入技术和查询技术，这也是目前使用较多的两大类介质接入技术。
3．1　随机接入技术
　　影响较大的有ALOHA和CSMA接入技术。
ALOHA的基本思想很简单，一个节点如果有数据要发送，它可以在任何时间发送。这样，当有多个站要发送数据时，不可避免地会在通道上产生冲撞，造成发送失败。为了解决这个问题，人们提出了许多改进方案，CSMA／CD就是其中一种，目前应用广泛的以太网局域网就采用这种接入技术，CSMA／CD的字面意思是“载波侦听多址接入／冲撞检测”，它的基本思想是：一个节点在发送数据前，先侦听通道上是否有数据传送，如果有就随机地等待一段时间，继续侦听，直到通道空闲，再开始传送数据。假若有两个以上的节点同时“侦听”到通道空闲，同时开始传送数据，就会引起冲撞，这时，要发送数据的各站，各自等待一段随机时间，这段随机时间对于每个节点是不一样的。随后，发送数据的这个节点一面发送数据、一面侦听通道，看是否有新的“冲撞”产生。若检测到有“冲撞”产生，则继续发送数据一小段时间以通知总线上的各点“通道上有冲撞产生，停止发送数据，”这称之为总线干预，干预之后，便放弃这次发送。延迟一段时间，待通道空闲之后，重发数据。
3．2　查询接入技术
　　应用较多的有令牌环和令牌总线技术^［1］。令牌环和令牌总线的接入技术使用一种特殊的命令帧———令牌来控制节点的接入和信息的发送。当所有的节点都没有数据要发送时，令牌（特殊的命令帧）就在环网或总线上漫游。假如有一个节点要发送数据（或传输命令，它也是一种数据类型），它必须要等待令牌在自己站点经过时，将令牌帧中的特殊字节改变，并且把自己要传送的数据附在令牌中成为数据帧或控制帧发往环网或总线。这是令牌环和令牌总线接入技术的共同特点。令牌环接入技术要求局域网在物理结构上是一环形闭合结构，令牌总线接入技术是在一总线形的物理结构上，组成一逻辑上的闭合环状结构。这种拓扑结构的差异，造成令牌环和令牌总线在令牌的管理节点的接入和删除等网络管理方面的诸多差异。
3．2．1　令牌环接入技术
　　假设有A、B、C、D四个节点组成一环形闭合网_［1］，令牌及数据的传递过程如下：


　　一开始，四个节点都没有数据要发送，空闲令牌由B节点流向A节点（如图2所示），此时A节点有数据要发送，它把空闲令牌改为忙令牌，并把自己要发往到C节点的数据附上，形成数据帧发送到环网。再由A节点传送到D节点（如图3所示），D节点将环网上的数据帧全部接收，发现目的地址不是自己的，而是别的节点的，它将这数据帧再发送到环网上由D到C（如图4所示），C节点从环网上接收到一数据，发现是发送给自己的数据，就将数据复制下来，填写上接收确认的字节，将数据帧重新发到环网上，A节点接收后，发现自己发送的数据已被C节点正确地接收，收回数据帧，重新将空闲令牌发回环网上。

3．2．2　令牌总线接入技术
　　令牌总线中，令牌及数据的传递与令牌环接入技术非常相似，只不过其物理结构上的总线形，使其又具有自己传输的特点，这就是：（1）令牌总线局域网在物理上是一个总线网，在逻辑上却是一个环形网，如图5所示，A、B、C、D、E五个节点链接上形成一逻辑环。（2）令牌的传递次序与站的物理位置无关，例如在图5中所示的，可按照A→C→B→E→D→A……的顺序传递。与令牌环相比，令牌总线具有接入方便的优点。


4　三种接入方式比较
　　随机接入技术中CSMA／CD是目前局域网技术中应用最广的一种。以太网就是采用这种接入方式，它具有协议简单，实现方便的特点。其接入控制的方式，见缝插针，传输速率是局域网技术中最快的一种，然而其无链接、无确认的传输特性、传输时延的不确定性，以及载波通道中的碰撞检测技术实现起来还比较复杂等特点，适合于传输对实时性要求不高的，数据量大的文件性及管理性数据，如可用在配电网通信系统中的配电子站和主站之间的通信。但不适合于对可靠性、实时性要求高的子站—FTU之间的配电载波通信。
　　令牌环、令牌总线局域网具有可预计的传输时延，可实现应答确认服务。数据在网上运行一周，回到原发送站时，原发送站对数据进行检查，如果正确，就收回数据，释放令牌；如果发现数据有误，则重新发送，这样，它就具有很高的可靠性。这对尖脉冲干扰严重，数据量不大，可靠性要求极高的子站—FTU通信系统来说，是十分必要的。另外，令牌型局域网都具有中继的功能，它有助于克服配电网载波通道衰耗大的技术难题，在工程实践中，不必因为线路长、衰耗大，考虑如何放置中继器的问题，从而简化网络设计，有效地拓展传输距离。所以在配电网子站—FTU载波通信系统中采用令牌接入技术是一种比较好的策略。Siemens公司DCS－3000配电载波通信设备，将OFDM技术与局域网技术结合起来，极大地提高了通信设备对配电网络的适应性，引起了人们广泛的关注。
5　结束语
　　通信设备网络化[1][2]下一页