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基于OFDM调制技术的配电自动化通信系统
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Distribution Automation Communication System Based
on OFDM Technology
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武汉大学电气工程学院 鄢菁 殷小贡
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摘 要:OFDM是一种高效的、在电力线通信中比较理想的调制技术。文中提出了一种基于OFDM技术的配电自动化通信系统。
关键字:OFDM；配电自动化通信系统；INT51X1；W90N740
引言
配电网自动化系统可采用的通信有光纤、配电载电(DLC：Distribution Line Carrier)、无线、有线等多种方式。10kV配电线路从变电所出发可以延伸到线路上的任一测、控点，所以DLC是最经济、可靠的通信方式之一，是配电自动化的首选通信方式。
配电线载波通信（DLC）不同于电力系统原有的高压系统输电线载波通信(PLC：Power Line Carrier)方式。PLC一般是两点之间通过阻波器和结合滤波器上送和下载高频信号，传输目标明确，结构简单。而DLC则是一对多的通信方式，不设阻波器，通信信号在10kV及380kV配电网中传输，其上装设的任何一个通信节点都可以作为信号源和接收器，而变压器（配变和变电站变压器）则是信号的天然壁垒。配电线信道具有高噪声、阻抗变化范围大、损耗大等特性，所以以配电网电力线作为通信媒介比高压输电线困难得多，利用配电线载波通信需要解决一系列相关问题。
正交频分复用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种高效调制技术，应用于电力线高速数字通信，具有以下优越性：
⑴频带利用率高;
⑵抗ISI干扰能力强;
⑶抗信道衰落;
⑷抗噪声干扰。
OFDM基本原理
OFDM的基本原理是将编码后的数据由串行传输转换为并行传输, 采用频率上等间隔的N个子载波分别进行调制，调制后的N个子载波信号相加后同时发送。由于符号的速率大大减慢，传输的时间大大延长，因而提高了抗多径衰落，抗时延扩展的能力，减少了符号间干扰影响，并且通过选择载波间隔（△f=1\overT，其中，T为符号周期）使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交性。在接收端利用载波间的正交性能保证无失真的复原发送信号。
系统组成及工作原理
本通信系统以10kV配电线为传输媒质，网络拓扑以"总线＋树"为主，不同总线段可以互联为开环的环网。系统由通信子站系统和主站系统两部分组成。主站系统设置于110kV变电站，收集各10kV线路上全部子站的遥测信息，根据确定的算法和控制策略，实现对整个配电网的安全监视、自动控制和保护。通信子站与FTU，TTU等配套使用，分布于配电网各处。这里先介绍子站系统部分。
通信子站系统
子站系统主要由Intellon公司的INT51X1芯片，华邦公司的W90N740微处理器，电平转换MAX3232、模拟前端（AFE）和耦合器（Coupler）组成。子站系统的原理框图如图1所示。
图1子站系统原理图（略）
INT51X1芯片
INT51X1芯片[1][2]是一个集成的MAC/PHY电力线收发器。利用它，通过电力线就可以进行高速的数据通信。INT51X1完全符合HomePlug电力联盟工业标准V1.0.1，采用Intellon专利的PowerPacket
OFDM技术。PowerPacket的具体技术参数如下：
速度14MB/s；频带4.3～20.9MHz；OFDM信号调制，84个载波信道，自动信道适应，前向纠错；载波调制方式支持DQPSK、DBPSK、ROBO；读写方式支持CSMA/CA；符合FCC-15辐射标准；通信加密；0.25
m技术加工；工作频率100MHz；工作电压核心电压2.5V，3.3V/5V输入输出电压；工作环境0～70℃。
INT51X1可以在恶劣的电力线通信环境下达到14Mbps的数据传输速度，能够根据信道上的信噪比（SNR）选择可用频率，抵制深度衰减槽、噪声和多径衰落，在低SNR的信道中，不使用导频就能够实现同步。在INT51X1中，MAC采用具有避免冲突的载波侦听多路存取（CSMA/CA）方案，并有优先权设置和自动重复请求（ARQ），通过包封装，支持以太包的可靠传输。在保证服务品质（QoS）的前题下，为多媒体有效载荷（包括声音、数据、音频和视频）提供必需的带宽。
INT51X1提供三种接口MII/GPSI，USB1.1和以太网口。三种模式分别为USB模式、PHY模式和Host/DTE模式。本系统选择PHY模式，分别与W90N740和AFE接口，完成以太包和电力包之间的相互转换。
W90N740微控制器
W90N740[3][4]采用精简指令系统，是基于ARM7TDMI的32位微控制器。内建有两个以太网MAC控制器0和1，8K的指令缓存和2K的数据缓存。通过外部总线接口(EBI)可以与外挂的SDRAM、ROM/SRAM、flash
memory或I/O互连。通过片内Ethenet MAC Controller 0与INT51X1接口，完成RS232标准数据和IEEE802.3标准数据的相互转换。通过片内串口UART上外接一片MAX3232电平转换芯片，即可实现标准的RS232通信功能，与FTU，TTU等自动化设备相连。
INT51X1与W90N740的硬件连接
由于本系统选用PHY模式,通过MII接口与微控制器相连。MII（Media Independent Interface，媒质独立接口）是一个工业标准接口,提供PowerPacket
MAC与IEEE802.3 以太网MAC控制器之间的互连。
图2 INT51X1与W90N740通过MII接口连接图（略）
MII接口的帧结构如下：
模拟前端（AFE）完成放大和滤波功能，选用8v AFE。
耦合器（Coupler）与10KV电力线耦合。
软件设计
INT51X1的初始化是通过配置EEPROM（AT93C46）完成的，应写入自己的MAC地址（这个MAC地址是唯一的）。
因为ARM7TDMI是W90N740的内核，使用ARM7汇编语言编程。实现功能：从RS232口接收FTU/TTU数据，转换为802.3协议IP包，经MAC发送给INT51X1；经MAC接受INT51X1数据，解包，通过RS232口送FTU/TTU。
W90N740上电后初始化，初始化完成后发送特殊的呼叫信息给主站（64字节全5），握手过程完成后即进入通信运行。
握手过程如下：
首先子站对主站广播（发送呼叫信息64字节全5），收到回复自己的响应信息（64字节全3）后，填写本子站通信的目的地址（即发来回复的主站地址），进入正常通信。若收不到响应信息，则每隔1分钟重复发送呼叫信息。
任何子站收到其它子站的广播呼叫信息（由地址辨认），均不予理会。此策略可保证电力线正常运行条件下，各子站与本总线网上主站的通信。当故障断电后重新供电时，各子站与本网主站或临时联络的其它主站沟通通信，便于工程安装。
若子站收到某主站呼叫，应将呼叫主站地址写入本子站目的地址，然后发出响应信息，此后进入与该主站的正常通信。此策略能使临时加入其它主站管理范畴的子站回到本网，或断电后与原主站恢复联系。
主站系统
主站系统是由若干台通信终端，8/16口交换机（HUB）和PC机构成。其中通信终端包括RJ-45，RTL8201，W90N740，INT51X1，AFE和Coupler，如图3所示。INT51X1也选用PHY模式，组成ETH-PLC路由器。主机侧MII接口与W90N740
Ethenet MAC Controller 0连接，W90N740再经Ethenet MAC Controller 1接ETH PHY（RTL8201），从RTL8201引出RJ-45接口，与网络交换机连接；电力线侧则与子站系统类似。
每台通信终端具有电力网上唯一的MAC地址，同时又具有局域网上唯一的IP地址。每个通信终端都作为本网络（总线＋树型）的通信主机，与最多63个子站进行1：N的通信，并对本网子站进行管理。在本网内，记录和存储所有子站的地址，作为发送数据的目的地址。当收到来自某子站的广播呼叫（64字节全5），则记录该子站地址，并发回响应（64字节全3）。此后，与该子站正常通信。（这种情况，该子站也可能不属于本网。）若失去本站管辖的某个子站，即长期（如5分钟）收不到它的消息，则需要每隔1分钟呼叫这些子站一次，直到收到相应子站的响应信息，进入正常通信为止。24小时后仍无响应则放弃呼叫。
图3主站系统通信终端（略）
IP机接收来自各通信终端的IP包，定位IP包的来源。记录全部子站地址，并明确各子站各处于哪台通信主机所在的网络。这样能保证下发数据时，可以准确的找到相应的通信主机，再转发到其下的目的子站。
结论
本文介绍了一种基于OFDM技术的配电自动化通信系统，描述了其通信子站、主站部分和相应的硬件电路和软件方案。通过介绍INT51X芯片，可以发现OFDM技术应用到电力线通信具有的很强的优越性。
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