电力线高速通信技术（精选8篇）
电力线高速通信技术 篇1
0 引言
双向互动是新一代智能电网实现用发电机制市场化、应急能力坚强化、节能减排常规化的基础保障[1,2]。利用电力线本身完成信息交互任务的高速窄带电力线通信(high-speed narrowband power line communication,HNPLC),以其在技术实现成本、通信传输速率和系统复杂度等方面的优势,成为实现智能电网双向互动功能的理想选择[3,4]。已有的HNPLC组网和路由机制均面向以供电侧为主导的传统应用场景,难以适应双向互动的交互需求。因此,为更好地应对双向互动新挑战,需要结合HNPLC底层技术和信道特性,深入发掘HNPLC网络层对传输效率和通信可靠性的影响[5,6],研究并实现符合双向互动应用需求的网络层组网与路由机制。
双向互动的理念是将传统的基于电力公司主导的用发电消费方式进一步拓展为结合用户侧分布式能源和需求响应自动控制的平衡、高效、交互式电力应用方式[7]。这种互动应用的双向性,本质上需要通信网具备更加灵活、稳健的链路连通能力,同时考虑到HNPLC信道的时变性,因此选择具有最佳网络联结度进而能最大限度地保障网络连通性的组网拓扑更能满足双向互动HNPLC的应用需求。而目前HNPLC网络中通常采用树状/分簇[8,9]的组网拓扑,也有考虑一定信道时变特征的人工蛛网[10]拓扑,但这些拓扑由于面向集总式管理,因而对可用链路进行了裁剪,摒弃了通信链路的冗余可为网络稳定性带来的提升,无法很好地满足双向互动对网络可靠性和传输灵活性的需求。G3 PLC使用了Mesh组网拓扑[11],但其组网机制首先要完成确保单跳链路可靠性的动态频谱分配(DSM)信息的交互,故会产生大量的信令和时序开销,影响系统效率。
路由机制是指网络节点进行多跳传输时对路径的选择过程,是制约网络性能的核心因素。面向双向互动的HNPLC路由机制不仅需要满足交互应用需求,还应为网络传输的有效性、均衡性和可靠性提供保障。目前有多种HNPLC路由方法:当网络中节点的地址按预先定义好的地址段/域进行分配时,节点信息的传输依靠对目的地址中节点分簇标识号的解析进行传输,无需进行路径计算,如基于树状/分簇拓扑的地址解析路由方法[12];当节点拥有整个网络的拓扑及信道信息,数据传输时根据网络信息计算最佳传输路径,并将路由信息包含在数据包中一同传输的路由方法称为源路由方法,如基于蚁群或鱼群的路由方法[13];分布式路由是网络中的节点分别进行路由的选择、计算与存储,如G3PLC[14,15]。其中,地址预分配的路由方法适用于信道条件较好的专线专网通信,在信道条件较为繁杂的HNPLC网络中其运行效果不佳[16];源路由方式能选择最优路径进行数据传输,但其控制开销大、网络的灵活性及延展性较差,不能很好地适应双向互动需求[17];分布式路由的路径信息存储于各个节点中,其计算过程也由各个节点分摊,网络的适应性好,但应避免路由环的产生[18,19]。针对HNPLC的资源情况、网络拓扑和信道条件,为满足双向互动路由机制的鲁棒性、可靠性和均衡性需求,在HNPLC系统中使用分布式按需路由机制[11],并对核心的路由代价计算方法进行慎重选择。
本文系统性地开展了对双向互动HNPLC组网与路由机制的研究。首先针对实际的HNPLC网络,从理论上说明Mesh组网拓扑的高可靠性;考虑到组网有效性,将HNPLC的介质访问控制(MAC)层DSM信息交互过程与网络层交互过程相结合,设计了高效率的跨层交互组网机制;使用扩展的邻居表实现了一种综合考虑各方面因素的基于组合权重的低复杂度双向路由代价计算方法,并设计了双向互动的分布式按需路由机制。将本文的路由机制与跳数最少[18]和通信距离最短[20]的路由机制进行性能对比,验证所述机制的有效性;分别采用Mesh、树状和人工蛛网的组网拓扑构建双向互动HNPLC网络,验证所设计路由机制的适用性和Mesh组网的优越性。
1 跨层交互组网
由于电力线信道中时变的噪声和用户负载会引起链路质量的改变[21,22],因而为保障电力企业与用户侧健壮、灵活的链路联结,面向智能电网双向互动的HNPLC系统需要在网络层提供具有最佳连通能力的组网拓扑,以及高效、便捷的跨层交互组网机制来确保通信网络的应变能力和传输效率。
1.1 组网拓扑
通信网理论中常用无向图的联结性[23]来描述通信拓扑的可靠性,联结性越好,通信可靠性越高。图的联结度(connectivity)和结合度(cohesion)均可作为通信网联结性的量度标准,两者具有如下关系并收敛于同一上限值:
式中:E为图的边数;V为节点数。
因此,寻求具有较高联结度上限的拓扑结构作为新一代双向互动HNPLC的组网拓扑,是确保网络可靠性的一个良好选择。 下面针对实际的HNPLC网络,分别研究树状/分簇拓扑、人工蛛网拓扑和Mesh拓扑的网络可靠性。
图1(a)给出一个实际HNPLC网络物理拓扑。依据实际电力线信道特性和链路服务质量(QoS)需求,对网络进行组网测试,得到树状、人工蛛网和Mesh组网的通信拓扑分别见图1(b),(c),(d)。
其中,组网拓扑图的连线仅表示通信链路,不指示通信距离或链路质量信息。不同颜色的链路代表不同的组网等级:绿、红、蓝、紫分别代表第1,2,3,4级。计算3种组网通信拓扑的联结度上限值,分别为1.928 6,3.714 3,11.857 1,其中Mesh组网的联结度远大于前两种,其组网节点间具有同等的传输等级,允许网内选取任意节点进行路由。可见,Mesh组网具备更加优良的联结可靠性和传输灵活性,能够最大限度地满足双向互动HNPLC网络的连通、应变和均衡性需求。
1.2 跨层交互组网的实现
形成具有高联结性的通信网拓扑,更需考虑组网机制的实现开销。在已有的HNPLC规范中,为确保网络层信息传输的可靠性,通常在网络层交互前,节点首先使用MAC层命令帧完成DSM信息互换,建立起底层可靠通信后再进行网络层操作。显然,这是以传输效率换取通信可靠性。实际上,如果将网络层与MAC层的信息交互过程相结合,将大大减少机制实现时的信令和时序开销。
本文设计实现的跨层交互组网机制,利用MAC层帧头中预留的标志位,定义其置位或清零状态来标识传输帧的帧尾是否携带了DSM信息,进而节省交互开销。图2(a),(b)分别给出了所设计的跨层交互组网机制和G3PLC组网机制[11,24]的时序图。从组网交互的对比中可以看出,跨层交互能大大节省交互所需的时序和信令开销。事实上,除了组网过程,跨层交互思想也可应用在数据传输过程中来一并完成DSM信息的传输,进一步减少不必要的组包开销。从理论上说,跨层的联合交互过程可节省高达40%的时序和信令开销。
2 双向互动分布式按需路由
双向互动的HNPLC分布式按需路由机制是确保智能电网信息交互性能的重要因素。双向交互要求路由机制能够克服通信链路的时变性、非对称性甚至单向性影响[18,19],同时兼顾HNPLC的系统资源和通信效率,路由机制还需综合考虑链路质量、实现复杂度及路由有效性等问题。
已有的分布式按需路由,要么默认了链路的双向、对称性,缺乏对HNPLC单向链路的辨别;要么使用单一的代价计算方法,而无法保证路由质量。本节基于跨层交互中实时更新的扩展邻居表,一方面有效避开HNPLC单向链路,另一方面利用扩展表中记录的正、反双向DSM信息,提出一种综合型双向路由代价计算方法,并基于分布式按需路由的实现策略进行最佳传输路径的选择,从而保障双向互动HNPLC网络良好的传输性能。
2.1 扩展邻居表
本文使用3个信息表和3个路由信息帧来实现双向互动HNPLC分布式按需路由机制。3个信息表分别为:邻居表(neighbor table,NT)、路由表(routing table,RT)和路由请求表(route request table,RreqT);3个路由信息帧分别为:路由请求信息(RREQ)、路由应答信息(RREP)和路由错误信息(RERR)。其中,RT和RreqT以及3 个路由信息帧由节点的网络层维护,其功能和结构与6LoWPAN[14]和G3PLC[11]类似,仅需对路由代价计算方法做相应调整。
邻居表是HNPLC系统中用于记录并确保点到点可靠链路的信息表,其存储的信息主要由底层管理实体进行维护,可被节点的任意功能层读取和调用[25]。邻居表中通常记录了DSM信息,即与邻居节点可靠通信所需的调制和载波信息,以及信息的有效期。为有效掌握HNPLC网络中的非对称双向链路信息并进一步指示本节点与邻居节点的链路状态,本文对NT的每条记录进行了扩展,形成的扩展邻居表包括邻居节点地址域、发送时使用的DSM信息域、反向DSM信息域和单向链路标志域。其中,反向DSM信息域记录了需要回传给邻居节点的DSM信息及该信息的有效期。由于HNPLC节点会始终利用前导序列对接收帧进行DSM信息计算,因此这里仅需扩展内存对反向DSM信息进行存储,而不增加任何的计算工作量。扩展的“单向链路标志域”相应地定义了3种链路状态:(1)能收到该邻居节点的发送帧,但反向链路待考察;(2)能收到该邻居节点的发送帧,但反向链路无应答,即单向链路;(3)双向链路。
扩展邻居表的信息需要更新与维护。节点在收到任意邻居节点的发送帧时,都会相应地更新对应条目。同时,在上文的节点组网机制中已经提到,定义MAC帧头中预留的标志位,可将需要回传的DSM信息附加在交互帧中发送出去,而无需为每个DSM信息单独开辟交互过程,从而有效节省信息搜集所需的信令和时序开销。若DSM信息的有效期即将耗尽,则可利用MAC帧头中的TMR(ToneMapRequest)标志位要求回传相应的DSM更新信息[11]。
2.2 综合型路由代价
路由代价(route cost,RC)的构造方法是影响路由质量的关键,双向互动的路由代价应兼顾收、发双向的链路信息;对网络路由质量的宏观把握,则应均衡地处理和协调各个节点的中继业务量;对时变信道的感知与监测,则应充分结合和利用HNPLC底层实现技术。
满足双向互动需求的HNPLC综合型路由代价由通信节点间链路代价(link cost,LC)的累加和构成。在繁杂的HNPLC信道环境中,为了保证网络整体的路由质量,链路代价函数需要对双向信道条件、传输速率以及负荷均衡性进行综合考虑。实际上,由于HNPLC系统中已普遍使用DSM[22],且基于扩展NT和跨层交互策略,邻居节点间的双向DSM信息得到实时的更新与存储,因此网络层可方便地获得相应的传输指示信息。
这里提出一种基于组合权重的低复杂度双向链路代价计算表达式:
式中:CL为链路代价;Mmax和Nmax分别为HNPLC底层规范所允许的最大调制阶数和最大的可用子载波数,其乘积MmaxNmax即为理想信道环境下链路可达的最大传输速率的表征量;MTX,MRX和NTX,NRX分别为DSM算法给出的物理层正交频分复用(OFDM)调制时应采用的调制阶数和可用子载波数,下标TX和RX分别标识链路传输的两个方向;L为节点邻居表中活跃节点的个数,它间接表征了节点被选为中继节点时可能承载的传输负荷程度,该参量用于平衡和协调节点的传输业务量;θ 为归一化系数,用于确保后一项的取值与前一项具有相同的数量级水平;α 和β分别为速率因子和负荷因子,用于分配、调整链路代价中速率表征量和负荷条件所占的比重。
等式右边的第1项为双向链路的质量信息,它是结合了信道条件和相应QoS或误码率要求的链路传输速率的表征。在本文的路由机制中,只有双向链路才会被选作路由路径,因此相应的双向链路信息总是存在的。当确定了底层规范后,该项中表征量的最大乘积为一确定值,如Mmax=3,Nmax=96[26,27]。
2.3 双向互动分布式按需路由机制的实现
双向互动路由机制的实现核心是利用3个信息表完成对3种路由信息帧的生成、处理及转发,从而分布式地选取最佳路径。节点对RREQ和RREP的处理过程即可清晰地描述所述机制的实现过程。本文设计的双向互动HNPLC分布式按需路由机制的实现流程如图3所示。
该机制一方面使用单向链路标志,有效确保了路由的双向连通性;另一方面使用跨层更新的扩展邻居表,高效、快捷地完成双向链路代价的计算。
如图3(a)所示,节点收到RREQ信息帧后,首先对扩展NT进行更新,结合相应记录判断收到RREQ的链路是否为单向链路。若为单向链路,则直接丢弃RREQ;否则就判断自身是否为RREQ的目标节点。若本身是RREQ的目标节点,且RreqT中无相同记录,则对路由表和路由请求表进行更新,并回复RREP;若本身是目标节点且RreqT中已有相同记录,则考察该RREQ的综合路由代价情况,仅当该RREQ的路由代价较小时,节点更新RT和RreqT并回复RREP,否则就丢弃RREQ。若节点本身并非RREQ的目标节点,则利用RreqT对具有相同标识号的RREQ进行单次处理,以避免引起网络风暴[28]。
节点对RREP的处理如图3(b)所示。 收到RREP后节点首先更新扩展NT,接着判断RT和RreqT中是否有相应记录,若无则直接丢弃RREP;若有则存储综合路由代价较小的邻居节点信息。当自身不为RREP的目标节点时,则转发RREP。
3 性能验证
使用图1(a)所示的实际HNPLC网络对本文提出的面向双向互动应用需求的组网和路由机制进行性能验证。网络中各节点的底层均使用了基于OFDM的DSM算法,具体实现方法及详细参数见课题组已有的底层研究成果[22,29]。仿真中用到的主要底层参数如下:数据包长度为12~127B;数据包平均到达间隔所占的符号长度为400;单位时隙所占的符号长度为2;物理层快速傅里叶变换(IFFT)点数为256;可用子载波总数为96;物理层前导序列所占的符号长度为9.5;物理层帧控制头所占的符号长度为7;循环前缀点数为30;升余弦滚降点数为8;采样频率为1.2 MHz;重叠的采样点数为8;调制阶数为1,2,3。
考虑到双向互动HNPLC网络所覆盖的通信区域中,不同分支可能具有不同的信道特性进而表现出相互差异的路由或传输性能,且即使是同一区域的链路在不同时间也可能具有不同的信道特性。因此,为确保性能评价的普适性并兼顾仿真的可行性,将图1(a)的实际HNPLC网络按分支情况划分为4个区域,其中节点1,2归于最右侧的区域。这样,遍历各个区域进行性能仿真,即可较好地模拟各种信道条件下的性能验证情况,即仿真时确保随机进行的收、发操作遍历各个区域,则可在一定程度上确保性能验证的普适性与随机性。
3.1 双向互动分布式按需路由机制的性能验证
采用图1(d)的HNPLC Mesh组网,将本文提出的最小化综合路由代价的双向互动路由机制与传统的跳数最少和通信距离最短的路由机制进行性能对比,验证所设计路由机制的性能。注意,HNPLC网络中节点的通信距离绝非两节点的欧式距离,而是通信节点间的电力线铺设距离。由于实际电力线通信网络中节点间电力线的铺设距离一般难以准确获知,而其又与链路的信道质量紧密相关,因此,实际中通常使用实时估计的信道质量作为传输路径的选择依据[30]。 在本文的仿真验证中,由于实际HNPLC网络的铺设距离和信道条件均已测得,因此通信距离准则与信道质量准则是等价的。
图4示例了3种路由机制下节点22 到节点9的通信路径,其中红线使用所述的综合代价最小化的路由机制;蓝线使用距离最短的路由机制;紫线使用跳数最少路由机制。3种路由机制下选择的路径跳数均为6,通信传输距离分别为44,37和39,综合路由代价分别为1 347,1 483和1 500(α∶β=1∶1)。
在收发节点完成路径的选择后,即可对3种路由机制下的网络传输性能进行对比、评价。
1)网络的平均传输速率
令发送信息的源节点遍历具有不同信道条件的4个区域,接收节点在整个网络内随机选择,得到3种路由机制下网络的平均速率如图5(a)所示。图中横坐标标识的4种情况分别表示源节点位于4个具有不同信道条件的分支区域。由图可见,使用本文设计的综合路由代价最小化的路由机制能显著提高双向互动HNPLC网络的平均传输速率,蒙特卡洛仿真的计算结果显示,网络的平均传输速率可比最少跳数路由和最短距离路由机制分别提高35.52%和38.31%。
2)负荷均衡性
网络的负荷均衡性受路由机制影响,反映了网络业务量井喷时可能造成的传输拥塞程度,是路由性能的重要指标。负荷均衡性好,意味着有更多的节点分担繁忙的传输任务,而不至于使业务量集中于少数中继节点,从而缓解延时、拥塞甚至丢包情况。通常用统计得到的网络中各节点作为中继次数的标准差(或方差)来表征网络的负荷均衡性。标准差越小,则负荷均衡性越好。图5(b)给出了当发送节点遍历各种信道条件,接收节点随机选取时,3种路由机制下网络节点中继次数的标准差。从图中可清晰地看出,本文设计的路由机制具有最小的中继次数标准差,能较好地平衡网络内各个节点的业务量,网络的负荷均衡性好。
3)通信成功率
HNPLC通信链路具有非对称性甚至存在单向链路。本文设计的路由机制在路径选择时能有效避开单向链路,选择双向链路进行路由。当网络中突发产生单向链路时,所述路由机制能迅速找到Mesh拓扑中的其他双向链路完成通信。图5(c)给出了当单向链路存在于具有不同信道条件的各个区域时,3种机制下的网络通信成功率对比。其中,仅所述的路由机制考虑了单向链路的影响,其他两种机制均未考虑。由图可见,在所述路由机制仍能保持100%的通信成功率时,单向链路的存在已使另外两种路由机制下的通信成功率有明显下滑。
3.2 Mesh组网拓扑的双向互动HNPLC网络性能验证
采用本文设计的双向互动分布式按需路由机制,考察组网时分别形成Mesh拓扑、人工蛛网拓扑和树状拓扑3种情况下,实际HNPLC网络的通信传输性能。这一方面能进一步验证所述路由机制的灵活性、适用性,另一方面也能证实Mesh组网拓扑为双向互动HNPLC网络所带来的性能提升。
1)网络的平均传输速率
仍然使发送节点遍历各种信道条件,接收节点随机选取,比较组网形成3种通信拓扑时双向互动网络的平均传输速率,如图6(a)所示。
由图可见,本文提出的综合路由代价最小化的路由机制适用于各种通信拓扑,其中,Mesh组网拓扑能为双向互动HNPLC路由机制提供最好的网络连接灵活性,因而可使网络获得最高的平均传输速率;而树状拓扑由于链路的唯一性使整个网络无法很好地适应时变信道和双向互动需求,因此网络的平均速率最低;蛛网拓扑提供了一定程度上的可选链路,网络获得的平均传输速率居中。
2)负荷均衡性
比较不同信道条件下3种组网拓扑对网络负荷均衡性的影响,仿真结果如图6(b)所示。从图中可以看出,使用Mesh组网时,网络中各节点的传输任务能得到更加灵活的调度和配置,统计得到的传输中节点的中继次数标准差最小,网络的负荷均衡性最好。而树状通信拓扑的链路唯一性使得节点间传输路径固定,节点中继次数的标准差最大。蛛网通信拓扑的负荷均衡性位于Mesh通信拓扑和树状通信拓扑之间。
3)网络对单向链路的容忍度
由于双向互动路由机制中考虑了单向链路问题,因此这里需要考察使用不同组网拓扑时实际HNPLC网络对单向链路的容忍程度。使用蒙特卡洛仿真分别考察HNPLC网络中存在1~20条位置随机的单向链路情况下网络的通信成功率,如图6(c)所示。需要注意的是,图6(c)的横坐标不再指示4个分支区域,该图的标号1~4标识网络中随机存在1~5,6~10,11~15,16~20条单向链路的情况。从图中可以看出,即使实际HNPLC通信网拓扑中存在高达15 条位置随机的单向链路,使用Mesh组网的双向互动网络仍能保持100% 的通信成功率;而使用人工蛛网组网时,若拓扑中存在少于5条的单向链路,则网络能保持全连通性,大于5条时则无法确保网络的连通性;对于树状组网,由于其拓扑链路的唯一性,因此任何单向链路都将导致某些节点间的通信中断。
4 结语
本文研究了满足智能电网双向互动应用需求的HNPLC组网和路由机制。本文首先验证了Mesh组网拓扑的高联结度,接着利用MAC帧头的预留标志位并有效结合网络层和MAC层的信息交互过程,设计实现了能显著节省信令和时序开销的跨层交互组网机制。在路由机制的实现中,本文利用交互更新的扩展邻居表有效地避开单向链路,给出一种综合考虑双向信道质量、传输速率及负荷均衡性的综合路由代价计算方法,设计了代价最小的分布式路由机制。
在实际的HNPLC网络中验证了所述双向互动HNPLC路由机制在网络传输速率、负荷均衡性及通信成功率方面的优越性,并进一步证实了使用Mesh组网的双向互动HNPLC网络比使用树状和人工蛛网组网具有更为出色的通信性能。
摘要：为使高速窄带电力线通信(HNPLC)满足智能电网的双向互动需求,结合HNPLC的底层技术,设计实现了具有低信令、低时序开销的跨层交互组网机制和具有双向互动功能且综合代价最小化的分布式按需路由机制。在实际的HNPLC网络中对面向双向互动的组网和路由机制进行性能验证。计算机仿真结果表明,所提出的路由机制比传统方法具有更快的传输速率、更好的负荷均衡性和更高的通信成功率;与树状拓扑或人工蛛网拓扑相比,采用Mesh拓扑能使双向互动HNPLC网络更具优越性。
关键词：双向互动,高速窄带电力线通信,跨层交互组网,双向互动分布式按需路由,非对称单向链路,负荷均衡性
电力线高速通信技术 篇2
关键词：高速公路 电力自动化系统 信息平台 应用
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-082-02
高速公路的建设，加快了我国城市的发展，大规模地扩建城市通道及高速公路，在经济上是不可行的，人们必须设法学会更加有效地利用现有的公路。电力自动化公路是通过电力监控，形成的电力网络化系统，然后将监控设备和智能电控设备集中于自动化系统中，实现了高速公路自动化系统的管理模式。在这种科学的管理机制下，能够提高高速公路的服务水平，同时也将高速公路的整体效应充分的体现出来。
1 主要研究内容和关键技术
企业信息化管理工作内容之一就是在信息技术保障下的企业运作的管理，也就是借助信息技术的支持实现企业的现代化管理模式，从而提升企业的效益，增加企业的竞争优势，在日益激烈的市场竞争中占据有利地位。企业信息技术为企业的运作提供支持时，需要建立具有针对性的不同的信息系统，从而为企业的正常运作提供支持和保障。具体来说，首先可以采取信息系统对企业内部的员工、原材料以及相关的技术等企业运作所必须的要素进行统一管理，从而有效的控制成本，提高效益；其次，可以借助信息系统针对产品周期所涉及到的订单、原材料采购、研究开发、生产以及相关的维护等各个环节进行控制和管理，以保证产品质量，赢取客户的口碑；再有就是用信息系统对企业进行战略、决策、制度制定、考核等发展目标和规划进行管理，以实现企业管理水平的提高。
主要研究内容是利用通信系统的传输作用，结合电力自动化系统的信息平台，在每条公路上实现电力监控，将各沿线内的服务区、收费站、供电设备等统一管理，进而提高高速公路全段的管理水平，在供配电所和收费站等，不用人为的操作就能够实现安全的运行，很大程度上节省了劳动力，提高了运行的效率。
高速公路通信系统是电力自动化实现的强有力的支撑条件，通过接入SDH光纤网络，建立安全可靠、综合性能高的自动化网络系统，在这种系统的控制下将沿线内的监控设备以及电力设备全部有机的结合起来，实现高速公路运行的全自动化管理的模式，降低运营成本，很大程度上提升了通信网络的使用效率，成为高速公路的信息业务平台，做到“N网合一”的效果。
2 主要实施方案
2.1 系统构成
高速公路的电力自动化控制系统可以分为中心控制层、分站控制层和现场设备控制层。在系统通信接收的组成上一般上采用太网结构和现场总线相结合的形式。监控中心控制层通过在太网结构的作用下，给各管理所、服务区等提供10/100Mbps与太网接口互联；分站控制层采用RS485/232的现场总线与各现场控制单元实现通信；现场设备控制层也是采用RS485/232现场总线与控制设备实现远程的遥控与数据的采集。
在硬件系统的组成主要包括以下几种：
（1）10KV系统微机保护测控一体化装置。在这种系统的作用下能够实现通讯、故障录波、监测等多种自动化功能。在系统的运行中能够对电气各设备进行参数的测量，还可以用于非电量保护、三段电流保护等系统的保护中。
（2）400V系统低压微机测控装置。主要实现了零序过电流保护、低电压以及控制回路断线等系统功能。对于不同系统的保护也起到一定的作用。
（3）直流屏和UPS通信模块。主要是通过32路采集通道对各出现开关的电流量进行动态的采集。
（4）干变式变压器监控单元。在这种设备的监控下，能够实现对变压器冷却风的状态以及变压器的温度进行实时的检测，保证了系统功能正常的运转。
（5）PLC是电力自动化的重要控制组成。在PLC的控制系统建立上所消耗的时间并不是很长，而且在PLC的操作界面上能够简单明了指示给用户，给使用者的操作上带来很大的便捷。同时在PLC系统中每个模块都安装了故障检测系统，通过监视器可以准确的判断故障的位置。通过PLC的软件编写能够对照明回路和远程的开关设备进行控制。
2.2 各控制层的设计
（1）监控中心控制层主要由计算机网络设备、服务设备以及各相关软件等组成。主要负责的部位包括电力自动控制站、照明控制站以及通风控制站等，使用了通信软件、数据库软件以及组态软件等。
（2）各分站控制层主要是由计算机网络、各分站服务器以及相关软件组成。在各分站服务区和收费站上只需要装置一台太网交换机就可以实现系统的功能。在软件的设备上要根据现场所需，提供相应的通信软件或者系统操作软件等。
（3）现场控制层主要是由通信控制器、智能仪表以及区域控制机等组成。在通信控制器和区域控制机上都是通过可编程控制器实现系统功能的，选取不同类别的I/O模块，对现场的设备进行了动态的监控和检测。
2.3 系统功能
高速公路电力自动化系统实现了对全段路的供配电系统、服务设备、监控设备等数据的动态采集，对远程设备也能够实现遥控检测，各控制层的功能为：
（1）监控中心层是电力自动化系统的重要组成部分，所以具有对历史数据采集、远程遥测，能够对系统进行及时的维护，管理系统的重要数据，对整个系统的运行情况都能够实时的监控。
（2）各分站控制层主要是在各区域内实现数据工程量值的轉换，在监控中心的授权下完成遥信遥测等功能，对网络节点以及安全参数的设定，能够实时的监控区域内系统的运行状态，检查操作过程等。
（3）现场设备控制层主要是处理远程的通信数据，在I/O模块的作用下，实现了数据的接收和发送，同时利用各种仪器表和PLC控制设备对系统各参数进行采集。
3 实际的应用效果
在现在的高速公路管理上都是实行分段管理制，很大程度上提高了管理的效率。在传统的收费站以各配电所需要二四小时的值班人员，这种管理模式的成本比较高，而且浪费了大量的劳动力，现在的多网合一的管理模式，打破了传统的按功能和区域划分的管理模式，保证了高速公路的安全、可靠性运行。比如用一条公路为例，在高速公路沿线上配有一个服务区、监控中心以及养护工区，两个隧道管理所，四个收费站，一天按四班，三个操作人员来计算，需要监控中心管理人员8人，值班电工每处一人，四班轮流就需要36人，隧道管理所需要16人，如果采取全段管理的模式，值班电工就需要12人，最多能够减少管理人员将近30人，按企业每年给员工五万元支付来计算，每年就节约120多万元，这就在人员的使用上就减少了百万元的成本。在杭州绕城的高速公路上实施电力自动化的改造项目，分别在黄鹤山隧道的洞口设置10KV的配电所，同时也安装了红外线探测仪、网络监控摄像等，可以实现对现场设施的远程监控、遥测等功能，保证了在无人看守情况下系统的正常运行。
总而言之，实现高速公路的电气自动化，不是要扩建新的路段，而是要学会利用现有的公路去改造，通过利用计算机技术、网络技术以及数据库管理等多种技术，对高速公路沿线内的收费站、配电所以及服务区等状态实现了动态的监测和无人值守，提高了工作效率。随着自动化技术和计算机技术的不断发展，高速公路电气自动化能够为国家和企业节省很多资金，创造巨大的经济价值。
参考文献：
[1] 马世平，许建华.基于工业以太网的高速公路隧道配电自动化系统[J].公路交通技术，2006（04）.
[2] 李锐，王大荣.PLC在合巢芜高速公路隧道的运用[J].中国交通信息产业，2007（08）.
浅谈高速铁路电力远动技术的应用 篇3
高速铁路能否正常安全的运行,可与很多因素有关,电力运行是其中极其重要的因素,铁路电力是铁路安全的基础,其由分布在铁路沿线的变配电所、自动闭塞电力线路以及车站变配电装置等组成,主要以线状供电网络向铁路沿线各种负荷供电。
目前,计算机技术已经广泛应用到各行各业,高速铁路电力远动技术正是应用了计算机技术,实现了网络通信技术专业技术的应用[1],完成了对铁路沿线配电所与车站变配电设施以及电力线路综合自动化监控的系统,其可以有效调节高速铁路的运行存在的多个缺陷,为铁路的正常运行提供相应的动力保证与技术支持。
二、高速铁路电力远动系统的系统结构分析
高速铁路电力远动系统的系统结构主要是由安装在铁路调度中心的电力远动调度主站和现场的被控站与通信系统组成,首先,调度主站是整个铁路电力远动系统的主要组成部分,也是调度人员和电力远动系统交互的重要接口部分,其性能的好坏,与整个电力远动系统的运行效果有着直接的关系;其次,被控站包括变配电所综合自动化系统和通信信号电源监控装置以及贯通线分断开关自动监控装置[2];通信系统也占据极其重要的位置,铁路电力远动系统中,调度主站和被控站之间、调度主站和铁路综合信息系统之间的信息交换以及数据传输,都是通过数据通信网来实现的。
三、高速铁路电力远动技术的应用
高速铁路电力远动系统是一种具备高压电流与电压互感器的电力系统,是区别于其他有线系统,除此之外,其还具备较多的特殊功能,如:电力系统对于供电系统是否安全以及供电质量是否良好都可以进行实时的监控,对故障的发生率大大降低,同时也为处理应急故障提供了极其有利的技术支持;高速铁路的远动控制系统与其他的普通铁路系统相比较,前者有着很大的差异性,高铁的远动控制体系设有一级与贯通高低压设备的配电装置,然而普通的铁路远动控制系统则不具备此装置,除此之外,系统的高压设备与低压设备的监控内容也有着较大差异,高压设备监控的主要是电力设备的运行状态,低压设备监控的主要内容则是各路电流与电压的测量,其有着本质性的差异;通常不同的电力系统的供电方式也会有所差异,高铁远动控制电流系统所应用的供电方式主要为接力式的供电方式,电力的排列顺序也有差异,大部分的供电线路都有基本的防护系统,这样在出现事故时,能够第一时间做到速断保护以及过流保护,此类对于保证线路的完整运行,减少故障发生的可能性都有着非常明显的主要作用。
第二,线路的安全性一直是值得关注的一部分,在线路出现障碍时,其会自动完成速断保护,此情况出现后,若要重新实现线路正常运行,则备用所进行自动投入装置动作或者是主动所会进行自动重合闸动作,这时,各故障点的开关只有一次电流通过,而故障点的另外一侧无一次电流经过,通常,现有的备用所与主动所均能在线路有故障时自动完成速断保护,而且能够实现一次重合闸与备自投,其也是备用所与主动所最基本的功能所在,故障分为很多种[3],都是线路出现永久性故障时,备用所与主动所完成的操作动作与顺序也是不一样的,但最终的线路重合与备自投之后肯定会加上跳开,在设置重合闸的位置的一端的故障点必然会有两次电流通过,另外一侧只有一次通过。
第三,在线路的某个段现在永久性的短路时,主送所的一侧会对故障第一时间得到感应并尽快的完成速断保护,之后备用所在完成自投之后会加速跳开,这是每个位置的开关均能感知到一次电流的通过,但是,各个故障点所感知到的电流时间会随着时间的延迟而有所差别,因此,其具有一定的延迟性与差异性,所以,在线路出现故障时,要对每个路段的开关站的高压电流值完成实时测量并作出标记。
四、总结
高速铁路电力远动技术代表着高速铁路的发展方向,是高速铁路朝着自动化方向的发展的有力保障,高速铁路电力供电系统采用远动技术,不仅可以增强供电的可靠性,而且可以大大减少维护检修的工作量,目前,随着国内高速铁路电力远动技术的应用与日渐完善,对远动技术的发展与应用也有了相应的研究与分析,铁路电力的研究是应用整个铁路运输及发展的重中之重,高速铁路的正常运行需要技术的支持,更需要电力的保障。
参考文献
[1]刘福全,基于电力远动技术供电段电力自动化分析[J],魅力中国,2015(12)
[2]孙立功,铁路电力远动技术的工程应用及分析[J],今日文摘,2016(01)
电力线高速通信技术 篇4
电力系统在受到扰动后,能凭借系统自身固有的能力和其他设备的作用,恢复到原始稳态运行方式,或者达到新的稳态运行方式。保证电力系统稳定是电力系统正常运行的必要条件,只有在电力系统稳定的条件下,电力系统才能向各类用户提供符合质量要求的电能。
在电力系统可能发生的故障中,对电力系统运行和电力设备危害最大,且概率最大的首推短路故障。短路故障指正常运行情况以外的相与相之间或相与地( 或中性线) 之间的接通[1]。
产生短路故障的主要原因是电力设备绝缘损坏。常见的有:雷击过电压或操作过电压引起绝缘子、绝缘套管表面闪络( 电弧放电) ; 由于绝缘材料老化等原因,在过电压甚至在正常电压下发生绝缘介质击穿; 风、雪、地震等自然灾害以及鼠、鸟等动物跨接裸露导体造成短路[2]。
在电力系统运行过程中所发生的故障类型按时间的长短可分为永久性故障以及瞬时性故障两种。电力系统永久性故障指的是故障长期存在并稳定于某个状态。电力系统瞬时性故障则指的是电力系统在运行过程中出现短时性不稳定运行的故障。
目前我国研发生产的电力系统微机保护或其他装置主要是针对电力系统的永久性故障。对于电力系统的瞬时性故障由于缺乏对电气模拟量的有效高速同步采集而常常采用自动重合闸的方式进行提高供电可靠性,这种方式体现了无法实现高速采样并通过算法检测出电力设备绝缘状态的无奈[3]。
我国在电力系统中对电气模拟量信号的采集,无论是大规模使用的微机保护采样系统还是数字化变电站中使用的采样系统,每个工频周期的采样率基本都小于200点/周波,也就是说在电力系统中,能被现有的采样技术采集到的有效谐波次数一般不会超过40次。而根据实际的工程实践以及采样定理的研究发现,在采样率为200点/周波的情况下,装置能够分辨的最高谐波次数不会超过20次谐波,采样点数少将无法获取瞬时性故障的有用信息[4]。
因此随着电子科技的不断发展,高速AD转换芯片、高速采样控制器也越来越多的应用到电力系统中。
针对上述情况提出了适用于电力系统高速同步采样系统的软硬件技术。该技术采用FPGA控制高速AD采样转换芯片并在FPGA内部开辟双口RAM[5],这样保证了FPGA + AD转换整个系统的稳定性并且降低了整个系统硬件成本。目前该技术已经广泛应用于弧光检测、绝缘监察、雷击过电压检测以及小电流接地选线等领域。
1 电力系统中高速采样系统的硬件设计
1. 1 互感器
目前微机保护或其他监测电力系统电气量的主要设备还是互感器,互感器主要分为电磁式电压互感器、电磁式电流互感器。由于电磁式互感器在传变电气模拟量时有磁饱和、相角误差大、能量损耗大等缺点注定不适用于瞬时性故障的电气量检测,也不适用高速信号的检测。
要实现高速信号的传变,必须使用有源器件并且避免上述传统的电磁式互感器的缺点。霍尔传感器、罗氏线圈正好可以满足要求。电流的测量可采用罗氏线圈,而电压的测量可使用霍尔传感器。
罗氏线圈( Rogowski线圈) 又叫电流测量线圈、微分电流传感器,是一个均匀缠绕在非铁磁性材料商的环形线圈。输出信号时电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路,就可以真实还原输入电流。该线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和、几乎没有相位误差的特点,其可广泛应用于继电保护,可控硅整流,变频调速,绝缘监测、雷电信号采集等场合。罗氏线圈具有以下特点:
( 1) 适用电流范围大,无饱和;
( 2) 具有良好的线性度;
( 3) 带宽范围大;
( 4) 无二次开路危险;
( 5) 过流能力强;
( 6) 不易受外界电磁干扰;
( 7) 低功耗、重量轻、安装方便。
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔传感器具有以下优点:
( 1) 霍尔传感器可以测量任意波形的电压;
( 2) 原边电路与副边电路之间有良好的电气隔离;
( 3) 线性度好;
( 4) 带宽范围大;
( 5) 测量范围大;
( 6) 过载能力强;
1. 2 AD 转换芯片
在电力系统中由于被测电气量比较多,装置研发生产厂家往往从成本考虑会使用串行接口且位数较低的AD转换芯片,在使用这类AD转换芯片时需在前级增加多路转换开关。由于AD为串行数据接口,速度上不可能做到很快,再加上多路转换开关,要想实现高速采样系统是不可能的。
AD转换芯片是采用6通道同步采样16位并行数据接口芯片———AD7656。该芯片具有以下特点:
( 1) 片内集成6个16位250 ksps的ADC;
( 2) 6个真双极性、高阻抗模拟输入;
( 3) 高速并行数据接口。
AD7656主要应用于电力线路监控和测量系统及仪表和控制系统中。AD7656的功能框图如图1所示。
1. 3 高速采样系统的控制器
以往控制AD转换芯片的控制器多为CPU。CPU通过通用I / O管脚与AD芯片的控制信号相连来控制AD转换芯片。在低速采样系统中,由于采集的信息量较小,CPU能够分身对AD芯片进行控制,但当在大容量、高速的采集系统中时,CPU将会无暇来控制AD芯片了。
因此在电力系统中为了实现高速采样系统,必须采用单独的控制器来控制AD芯片,在本设计中,作者使用ALTERA公司生产的FPGA来对AD芯片进行控制,并且在FPGA内部开辟了双口RAM实现对数据的缓存作用。这样做的目的可做到降低成本的、提高可靠性。
1. 4 高速采样系统硬件总构成
电力系统中的高速采样系统由上述三部分组成,整体硬件构成图如图2所示。
2 电力系统中高速采样系统的软件设计
由于高速采样系统的硬件主要是用FPGA控制的,因此高速采样系统的软件将采用目前国际上比较流行的可编程硬件描述语言Verilog HDL进行编写的。高速采样系统的软件实现主要包括: 基准定时采样系统、A/D转换控制系统、双口RAM控制系统、中断产生系统等。
基准定时采样系统是实现对电力系统电气信号同步采样的系统基准,当FPGA检测到基准定时采样系统信号到来时,FPGA才启动A/D转换控制系统、双口RAM控制系统、中断产生系统等。基准定时采样系统可有另一控制器产生或GPS时间信号。
AD转换控制系统,FPGA的I / O管脚连接到A / D转换芯片的转换、读数据等信号线上,当检测到基准定时采样系统后将控制A/D芯片的所有通道进行同步高速采样。
双口RAM控制系统,在FPGA内部开辟两片双口RAM区,这两片双口RAM之间将采用乒乓切换的方式进行存储数据。FPGA的I / O管脚与其内部的双口RAM的一端地址总线、控制总线、数据总线相连,实现FPGA控制双口RAM将A/D转换芯片传输过来的数据按一定的地址空间存放,当一个双口RAM存满数据后,FPGA将会把AD传输过来的数据存放到另一片双口RAM中,这样可保证大容量数据的缓存[6]。
FPGA控制双口RAM在一定的地址空间内存放数据完成后,FPGA将会产生一个中断信号,该中断信号与CPU的外部中断源相连接,当CPU检测到该中断信号有效后,CPU将释放数据总线、地址总线、控制总线来读取双口RAM中缓存的数据。当CPU读取双口RAM的第一个地址中的数据时,FPGA将会收回中断信号,使该片双口RAM准备好进行下一次的数据缓存。高速采样系统的软件控制框图如图3所示。
软件代码省略。
3 仿真分析及实例分析
当电力系统中的两相信号线处于亚击穿状态时所产生的信号最高频率在10 k Hz,根据采样定理及实际工程实践,要想采集到10 k Hz的信号,A/D的采样频率必须要达到70 k Hz,因此按照工频周期计算采样频率的话则为1 400点每周波。在FPGA中设置采样时间间隔为1 ms,采用A/D转换芯片为16位AD,则1 ms的时间间隔将得到的采样数据为nx70x16bit = 3 360 bit( 式中“n”代表的是n路模拟信号输入通道数) ,在电力系统中n一般不会超过16,因此在电力系统中1 ms的采样时间间隔所得到的采样数据位数为: 16x70x16 bit = 17 920 bit[7]。
FPGA采样控制的设置: A / D转换时间为最长为70 μs,可设置为35 μs为转换时间,35 μs数据读取时间。AD7656的时序控制图如图4所示。
AD7656的时序时间表1所示。
由图4及表1可以看出,采用AD7656转换芯片足以满足采样70 k Hz的模拟量信号。
根据FPGA控制AD7656的引脚框图可编写软件程序,并进行仿真测试,测试结果图5所示。
通过仿真波形以及AD7656的时序波形可以看出,AD7656的控制程序能够实现对AD7656的有效控制。
实际采样输出的波形如图6所示。
4 结束语
大量的试验结果及现场运行表明,在电力系统中采用高速采样软硬件系统将能检测到以前没有注意到的信号,并对电力系统的稳定运行提供安全保障。
本文是在硬件及软件实现的基础上完成的,分析了电力系统中高速采样的重要性以及可行性。经过分析可得出以下结论:
( 1) 高速采样系统能够使CPU或控制系统更好的得到电力系统故障瞬间所发生的一些暂态信息,从而使得电力系统能更好的安全、稳定的运行。
( 2) 同步高速采样系统能够准确的反映电力系统整体电气量的变化,从而能使值班人员或专业人员比较好的分析电力系统的运行信息,提早找出电力系统的薄弱环节。
( 3) 高速采样系统在电力系统中的应用将会对电力系统的故障类型分析提供准确的支撑。
鉴于以上优点,我们强烈建议在电力系统中采用高速同步采样系统。
摘要：随着电子科技的不断发展以及新算法的不断提出,高速采样在电力系统中的应用越来越受到重视。分析了用FPGA控制高速AD采样转换器的高速同步采样硬件的可行性,并且分析了用Verilog HDL硬件描述语言实现高速采样系统的软件实现方法,在此基础上还分析了高速采样系统对电力系统中的高次谐波的采集的可行性,在现场运行的装置录波数据中验证了采用FPGA+AD实现高速同步采样的可行性。
电力线高速通信技术 篇5
2014年7月17日, 国网重庆市电力公司大容量骨干光传输网络建设通过国家电网公司的可研评审, 即将进入实施阶段。
为满足“十二五”期间重庆智能电网、信息灾备中心、客户服务中心等业务需求, 重庆电力加强信息通信大容量骨干光传输网建设, 提高电网安全控制和信息化水平, 打造重庆电网信息通信“高速公路”。
该项目预计投资约4 000万元, 建设范围涉及重庆电力所属供电分公司、供电子公司及直属支撑单位等共计36个通信站点。项目建成后, 重庆电力主干通信网带宽将具备400 G传输能力, 供电分公司和直属支撑单位综合数据网通信带宽将提升至10 Gbps, 供电子公司将达到1 Gbps, 彻底打通主干通信网的“经脉”, 为未来重庆电力办公自动化、营销、营业厅监控、变电站视频监控、信息外网等业务应用提供强有力的支撑, 同时也为大颗粒调度数据网互联通道 (155 Mbps) 提供充裕的带宽。
电力系统高速数据采集系统设计 篇6
电力系统高速数据采集系统是一种应用在电力系统实时采集电能质量情况的一种采集装置。目前所采用的AD转换器件不能同步转换六路信号, 所测结果之间有一定的延迟性[1]。针对以上缺点, 现采用DSP2812和AD7656相结合的方法, 所用的AD7656具有的六路同步采样特性, 克服了测量结果之间延迟的缺点, 使得测量精度高。以上优点弥补了目前录波器的缺陷, 达到了目前应用的要求。
1 电力系统高速数据采集系统结构原理
电力系统的三相电压和电流通过滤波器滤去高频干扰信号和低频漂移信号, 经过滤波的电压和电流信号通过电压传感器和电流传感器按一定的比例转成适合AD7656采样的小幅值电压信号, 然后DSP TMS320F2812控制AD7656将六路模拟量转换成数字量, 并从AD7656读取6路数据并存储在存储器中, 利用相关算法对所采数据进行分析, 计算相关参数。
2 系统硬件设计
2.1 数据采集处理模块硬件电路设计
高速数据采集模块采用以DSP TMS320F2812为控制核心, 模数转换芯片采用AD7656芯片, 系统实现12.8KHz的采样频率, DSP采用FFT算法对电力系统电压和电流进行各次谐波的分析, 计算出功率、有效值等参数, 并将采集数据存储在存储器中。
2.2 AD7656采样电路设计
高速数据采样电路采用ADI公司推出的6通道、高集成度、16bit逐次逼近型AD7656, AD7656的并行数据口DB0-DB15与相连DSP的GPIOA0～15 IO端口, 作为数据传输口;AD7656的CONVST A、C O N V ST、C O N V ST C三个端口与D SP的GP IO B 0相连, 作为AD7656的6路同时采样启动控制口;AD7656的/CS端口与DSP的GPIOB1端口相连作为AD7656的片选控制口;AD7656的/RD与DSP的GPIOB2端口相连作为读控制口;AD7656的BUSY端口与DSP的GPIOB3端口与相连, 用来检测AD转换是否结束。
2.3 DSP TMS320F2812最小系统设计
本系统采用电源管理芯片T P S 7 3 H D 3 0 1给D S P供电, TPS73HD301的输入电压为5V, 输出电压为3.3V和1.9V, 两种电压分别经过相应的滤波电路供给D S P, D S P的R E S E T管角与TPS73HD301的RESET管角直接相连。本系统时钟电路采用DSP内部晶体振荡器电路, 外接晶体的工作频率50MHz, DSP内部具有一个可编程的锁相倍频电路, 根据实际系统时钟频率要求对其编程设置, 实现频率设置。
2.4 DSP与存储器的连接
本文所选的数据存储器采用SST公司的SST25VF040超捷推出的SPI接口的闪存, 它是一块低功耗FLASH, 存储容量为4MByte, 电源电压为2.7V至3.6V, 其可以直接和DSP相连。DSP的SPIA口的接收和发送端与其SI和SO口相连, 来进行数据传输, GIPIO27和GIPIO28分别用来对存储器的片选和读写进行控制。
3 系统软件件设计
3.1 谐波分析算法
本文数据分析算法采用快速傅立叶变换, 快速傅氏变换是离散傅氏变换的快速算法, 它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性, 对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。
设X (m) 为M项的复数序列, 由DFT变换可知任意一X (n) 的计算都需要M次复数乘法和M-1次复数加法, 一次复数乘法等于两次实数加法和四次实数乘法, 一次复数加法相当于两次实数加法, 即使把一次复数加法和一次复数乘法定义成一次“运算”, 那么求出N项复数序列的X (n) , 即M点变换大约就需要M2次运算。当M=1024点甚至更多的时候, 需要M2=1048576次运算, 利用周期性和对称性, 把一个M项序列 (设M=2k, k为正整数) , 分为两个M/2项的子序列, 每个M/2点DFT变换需要M2/2次运算, 再用M次运算把两个M/2点的DFT变换组合成一个M点的DFT变换。这样变换以后, 总的运算次数就变成M+2 (M/2) 2=M+M 2/2。继续上面的例子, M=1024时, 总的运算次数就变成了525312次, 节省了大约50%的运算量。而如果我们将这种“一分为二”的思想不断进行下去, 直到分成两两一组的D FT运算单元, 那么M点的D FT变换就只需要Mlog2M次的运算, M在1024点时, 运算量仅有10240次, 是先前的直接算法的1%, 点数越多, 运算量的节约就越大, 这就是FFT的优越性。TI已经为DSP提供创建好的FFT库函数, 其具体的实现方法会在软件部分进行详细介绍。
3.2 主程序设计
系统初始化完成后, DSPF2812控制AD7656进行数据采集, 六路数据采集完成后, DSP进行FFT运算分析出各次谐波分量, 对采集的六路数据进行分析, 包括有效值、频谱分析、平均值和最大值等参数, 并将分析的相关数据以及原始数据存储在存储器中, 按此程序不断采集并存储在存储器中。
4 结语
本文设计出了一种基于DSP和ZigBee无线通信模块的新型油田油井电力监测系统。系统运算速度快, 采集精度高, 设备移动方便, 组网灵活, 运行稳定可靠, 应用前景比较好。
摘要：设计了一种基于DSP与AD7656的电力系统高速数据采集系统。分析了DSP与高速AD相结合的方案原理及其在电力系统高速数据采集系统的应用方法, 介绍了硬件结构原理, 给出硬件设计框图和软件流程图, 并研制出电力系统高速数据采集系统。
关键词：高速数据采集系统,TMS320F2812,AD7656
参考文献
[1]应崇福.基于DSP的故障录波器设计.北京:自动化技术与应用, 2008, 27 (6) :76-78.
电力线高速通信技术 篇7
高铁电力供电系统的主要施工内容有10k V配电所电源线路架设、10k V配电所设备安装调试、贯通电缆敷设、箱变安装、补偿设备安装、设备接地、隧道照明、站场照明等。笔者结合参与高铁电力系统施工的经历, 将与高铁电力系统相关的接口进行汇总, 提出对接口管理的几点建议。
1 高铁电力系统相关接口
高铁电力系统的接口主要分为内部接口和外部接口, 内部接口主要是四电系统内的通信、信号、信息、牵引供电和电力供电系统之间的接口, 外部接口是指四电系统范围外各专业与电力供电系统之间的接口, 主要包括:站场、线路、路基、桥梁、隧道、轨道等专业, 以及与地方政府、供电部门等接口。
1.1 外部接口
1.1.1 与地方供电部门的接口
高铁电力专业按照地方供电部门要求办理10k V配电所外部电源的报装手续, 包括提供设计文件进行供电方案勘察、设计图审查;设备选型必须符合供电部门的要求并提供相关资料报审;工程开工前向供电部门提交开工报告, 在施工过程中, 对入网设备安装及隐蔽工程掩埋前, 必须提前报供电部门进行中间检查, 检查合格后方可进行后续施工;工程竣工后申请供电部门进行竣工验收, 验收合格后办理供用电合同, 安装计量电表。
1.1.2 与地方政府部门的接口
在开工前, 主动与相关政府主管部门取得联系, 办理及申报工程的相关手续, 保证工程的顺利开展。在施工中, 不可避免的要和城市管理部门 (如公安、交通、供电、供水、环保等) 展开协作, 共同管理。如在城市道路上方施工, 必须在路上做好防护, 并通知交通管理部门, 做好准备工作并请交通部门协助做好防护工作, 必要时用旗帜, 防护牌、防护桩等做好防护。在桥上施工时, 必须有防止工具、材料坠落的措施, 安全员必须在现场检查, 不得有工器具坠落现象。如在施工中发生安全事故, 按照有关法律规定及时向当地政府报告。在外部电源开工前, 要向市政规划部门申请办理规划许可, 在施工中, 不可避免产生占地、树木砍伐、青苗赔偿等项目, 必须与地方政府加强沟通, 办理相关手续, 避免产生纠纷。
1.1.3 与高铁线路、路基、桥梁、隧道施工单位接口
1) 电缆槽道预留。
为电力专业预留的电缆槽道尺寸必须满足设计要求, 弯曲角度为了满足电力电缆敷设要求一般不小于120度。隧道与路基、隧道与桥梁、桥梁与路基之间连接处电缆槽道要贯通, 在路基连接处设置手孔;路基段为电缆引上引下设置有侧引电缆槽道;电缆槽道及手孔内设置排水孔, 防止电缆被水浸泡。
2) 电缆过轨管、手孔及电缆井预留。
一般在路基段所有通信基站、直放站、信号中继站及所有区间牵引供电、电力供电专业的所、亭位置均设置过轨电缆保护管;在车站、隧道内按照设计位置设置过轨管。过轨管的材质、尺寸一定要符合设计要求, 因为有的过轨管内穿单根单芯电缆, 为防止产生涡流一定不能埋设钢管。过轨管接头按照设计要求连接方式连接, 不能使用焊接方式, 这样在电缆敷设时焊渣易划破电缆。在过轨管埋设时在管内预设铁丝或钢丝, 并将管口暂时密封, 防止灌入水、混凝土及杂物, 影响电缆穿管。每处过轨管两侧均设置手孔井, 用于电缆穿管及预留。
3) 锯齿孔及电缆爬架预留。
在桥梁区段, 桥梁专业为电力专业在桥梁接头处预留电缆上下桥锯齿孔, 在对应桥墩上预埋滑槽, 用于安装电缆桥架。
1.1.4 与站房房建单位接口
站房房建单位为变配电所设备安装提供预埋件、室内电缆槽道、电缆桥架、设备运输通道、预留电缆通道孔洞等。
1.2 高铁电力专业内部接口
1.2.1 与牵引供电系统接口
1) 为牵引供电变电所、分区所、A T所提供10k V电源, 一般在牵引所亭附近设置一台带环网柜的箱式变电站或杆架式变压器, 需沟通10k V电缆敷设路径、电缆头安装固定方式、接地方式等工作。
2) 为接触网开关提供电源, 接触网开关位置距牵引所亭较近的, 电源取自变电所亭交流盘, 如距离较远的, 电源取自较近的电力箱式变电站。
1.2.2 与通信、信号系统接口
为通信、信号专业基站、中继站、直放站等设备提供交流电源。通信专业为电力SC A D A系统提供远动通道。
1.2.3 与防灾系统接口
为防灾系统提供交流电源。
1.2.4 与四电房屋房建单位接口
房建单位为电力专业提供箱式变电站安装基础、预埋变配电所设备安装预埋件、预留沟槽管洞, 在施工中协商设备安装通道、安装顺序等。电力专业为房建专业照明、动力设备提供电源。
2 高铁电力系统接口的特点
高铁电力供电系统为所有铁路设施供电 (不包括牵引供电) , 因此与铁路的各个系统均有电力供应的联系。
在高铁施工前期与铁路线路、路基、桥梁、隧道等施工单位的接口居多, 电力专业接口工程与土建施工中的大型项目比较, 都是比较细小、繁琐的工程, 如与需求单位相互沟通不到位就容易被忽视。在工程后期, 主要接口为四电内部接口, 电力专业向通信、信号、防灾、牵引供电等专业提供调试电源, 通信专业为电力SC A D A远动调试提供通信通道。
各个接口专业同时交叉施工, 互相制约, 这就要求各接口之间充分沟通, 提前做好施工组织安排。
3 做好电力供电接口工程的建议
3.1 设置专职接口管理人员
鉴于铁路电力供电系统接口的复杂性、特殊性, 在项目管理机构中设置接口经理及接口工程师。这类人员不仅要有电力专业的知识, 还要对接口相关专业知识有一定的了解, 最好是有接口管理经验人员。
3.2 明确接口边界, 明确各自职责
在工程开工前, 与建设单位、设计单位、监理单位及相关接口单位沟通, 明确接口边界、接口任务, 确定接口管理方法, 提前制定接口管理流程、接口矩阵和接口进度表, 提出界定工作分担与每个接口责任方职责, 制定控制与管理接口工程实施的流程, 提出接口问题的解决方案, 监控、协调接口计划的实施, 验证接口问题的解决效果。
3.3 加强接口交接确认
为了使接口管理责任明晰, 在接口交接时接收方对移交方的工程或工序, 必须填写相应的“质量检查与确认记录表”, 交接双方及监理单位共同签字确认。例如土建单位移交电缆槽道、锯齿孔、过轨管, 房建单位移交设备预埋件, 电力专业向相关设备供电, 通信专业提供通信通道等等。
3.4 加强接口设计资料审核对接
在开工前电力专业主动与接口单位核对接口设计资料, 避免设计文件出现偏差, 影响双方后续工作。将电力专业的需求进行详细说明, 介绍接口工程的功能及对电力专业的影响, 使接口双方能互相了解对方的施工流程及工序, 便于沟通。
3.5 重点关注易发生变化的接口工程
电力专业接口工程中易发生变化的部分主要为:因征地原因箱式变电站位置改移引起对应锯齿孔、过轨管等位置改移, 因设备安装方式、位置变化造成预留的沟槽管洞改动等。因此类变动受外界环境影响造成, 只能在施工中加强沟通, 及时修正。
3.6 建设单位合理组织进行交叉施工
电力专业施工从始至终均存在交叉施工, 在铁路沿线敷设电缆时, 线路专业正在进行桥面系工程、铺轨工程, 通信、信号专业也在敷设光电缆, 接触网专业在组立支柱、架设接触网;在变配电所施工时房建单位进行室内装修等。进入联调联试阶段, 电力SC A D A系统调试需要停电, 通信专业调试通道不能停电。诸如此类交叉施工几乎每天都有, 互相影响施工进度。因此建设单位要合理安排各专业施工进度, 施工单位调整施工工序、施工时间段, 避免相互影响。
4 结语
高铁电力系统接口均是比较细小、容易被忽视的细节工程, 但又是一个与各个系统均有联系的关键部位, 接口工程能否按期、优质的完成, 是保障高铁电力系统能否按期送电, 是保障整个高铁项目能否按期联调联试及开通运营的前提。因此需要接口参与方加强对接沟通, 根据各自专业特点, 统筹兼顾, 合理安排工序, 做好接口管理工作, 为各专业施工衔接更紧密、施工更顺畅做出贡献, 为高铁项目按期开通运营奠定基础。
参考文献
电力线高速通信技术 篇8
一、电力监控系统概述
电力监控系统在结构上充当着一种“中心处理器”的作用, 它通过对各个变电所、各种设备进行数据收集与储存在数据库里的数据进行分析处理, 随后根据数据制定相应的控制方案以及命令发送给数据来源处。具体的结构组成是依靠系统通信功能方式获得数据的主控工作站, 该工作站隶属于监控中心, 其负责的任务是整合、处理数据并且用图形的方式显示出来。监控中心实现了对各个变电所、配电房等监控;而外场监控部位则是对供电状态的设备利用通信系统来进行数据采集与传输, 包括对高压开关、变压器、保护测控部位、外场的监控设备等数据与信号进行收集。
电力监控系统就是为值班人员方便快捷的提供关于供电系统的有关数据, 为处理突发情况更是得心应手, 同时在必要的时候值班管理人员可以通过远程遥控系统进行对突发情况的处理和改变设备的运行状态。系统地功能远不止这些, 例如高压开关的各种数据会在数据运算处理后有必要的措施保护, 还对系统分析处理后的信息进行保存等。利用电力监控系统地完美、自动、高效的功能加之专业技术人员的参与, 实现了对电力系统地宏观与微观并行调控, 这一过程非常的自动化、全面化、综合化, 能够安全可靠地保证整个系统的正常运行。
二、高速公路应用电力监控系统的分析
2.1运用在高速公路的电力监控系统的结构组成
组成高速公路电力监控系统是复杂的, 同时也是由一些专业性的元素结构组成的。
首先是电力监控中心工作站, 它的功能主要是从网络上入手, 对电网进行整体的监控, 并且根据数据的收集来分析它的运行, 控制和被监控, 从而达到收费站和服务区、隧道等达到优化运行的目的。采用以光纤为传输介质的工业以太网通信方式将现场各智能设备连接起来, 对高速公路上使用的电力站点、场所进行有效控制与管理, 真正做到其“中心处理器”的作用。为了协调整体与局部之间运用的关系, 还具有模拟电力设备的各种运行状态, 以及对突发事故和一些问题应对措施, 从而保障高速公路安全有效地正常运营。
其次是变电站中的电力监控仪表和终端设备, 控制和数据采集、记录短路和故障信息、具有重合闸和电流保护的装置对电力元件的工作, 主要依靠安装有智能电量传感器、智能综合保护器、智能电力仪表的变电站中各个进出线开关的电力监控终端设备上。它们的作用是非常重要的, 下面就变电站的一些方面的监控来说明细节。高压柜的电源进出保护线, 能够实现过流保护、缺相保护、速断保护等, 同时还可以对线路的三相电压电流、有功/无功功率、频率等进行检测和运用遥信与遥控功能。自身附带有保护装置的变压器, 它的功能是温度检测和控制, 利用这样的功能, 可以对其线圈的温度进行测定, 风机是否启动和检测的温度与设定的极限温度有关系。同时, 配置给变压器的进出线保护单元, 对变压器的进出线回路进行检测以及遥控。低压柜出线是针对收费站与监控设备和隧道照明回路等遥测与遥控单元。对于它们的控制, 特别是隧道照明回路和通风控制系统, 可以通过对子系统的控制进行相应的功能响应。同时还有低压柜的分段开关、柴油的发电机出线, 高速公路电力监控系统的通讯网, 这儿就不一一叙述了。
最后是电力监控系统软件, 有了软件的介入帮助, 操作人员就算没有掌握太多的电脑专业知识也能够进行操作, 这是对系统操作人员最大的帮助。其中该软件的功能有多种, 主要是遥控功能、遥测功能、遥信监视功能、数据处理功能、报表功能和在线自检和抗干扰功能。遥控功能又可以分为单独控制和程序控制、开关闭锁控制, 它们都是在对远程进行控制;遥测功能是对电流和电压、功率因素的测量, 然后通过数据采集、处理后送到控制站;遥信监视功能是分别针对正常运行中的监视和紧急事故发生后的监视;数据处理是拥有对脉冲量以及模拟量的校准与验证。除了上述的功能之外, 该系统还具备有其他的一些主要功能, 比如抵抗软件侵害能力、试验和调度软件能力、检查各个模块的工作状态能力等;同时也具备有一些其他辅助功能, 譬如全部监控系统中的扩充能力和在线整修与改编能力, 所涉及的一些图形工具和用户界面环境等一些其他辅助功能, 都是所需要考虑的系统因素之一。监控软件真正实现人机交互功能, 对整个高速公路监控管理的图形化。
除了上述具体的高速公路电力监控系统的一些构成, 还有光纤传输通道、网络通信控制器。这五个方面的组成, 它们所拥有的功能是相辅相成的, 也是保证电力监控系统正常运行的前提。
2.2分析高速公路的监控需求以及展望
监控的需求在高速公路上的利用, 在运营实际中的维护与整体把控上有着举足轻重的地位。首先关系到正常运作的收费系统, 虽然随着高速公路在稳定可靠且高效运行的联网收费系统下展开, 但是如果就供电源异常停电的问题要在短时间内被解决, 没有一个整体性的电力监控系统的存在, 没有监控的高效集中性, 就不会有稳定运行的设备, 更不会实现科学的管理, 最后对高速公路效率上的管理也是不尽人意。所以对于高速公路的有效监控和管理问题, 监控需求就明显了不少;其次是对传统的高成本而低效率的收费站配电房人员管理制度进行技术上的改革, 有效解决成本维护和能源节俭的经济成本问题;最后是对故障解决的效率需求, 监控结合计算机的数据分析能力能够快速有效发现故障并且解决故障, 避免了人力资源的浪费和提高了处理故障的效率。以上的三方面的监控需求分析, 是从高速公路上的效率和工作状况上考虑的。
电力监控系统从功能上进行展望, 可以根据发展中的业务进行对系统的规模扩容, 能够达到和客户进行功能上的互动等功能。未来的监控展望, 必须要要达到“应用型”的目标, 能够实现便捷化和多功能性的效果。对于近些年研发的以信息技术和道路、车三者密切统一的智能交通系统, 既能保证安全的交通又能提高运行效率, 这将会是未来监控系统利用的一大亮点。
三、结语
高速公路电力监控系统成为标准的前提是在融合了通信光纤技术与自动化技术、计算机技术、智能化的电器设备的各种成熟应用。充分了解当前的高速公路电力监控的状态、以及电力设备的应用情况和仪表, 并且进行大量的认真调研和分析, 解决了当时高速公路中的供电配送系统的分散不可靠的问题, 为高速公路的通信与收费系统、监控系统得到正常稳定的运行, 做出了技术上的保障。
参考文献
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