引言
配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)可采用的通信有光纖、配電載電(DLC：Distribution Line Carrier)、無(wú)線、有線等多種方式。10kV配電線路從變電所出發(fā)可以延伸到線路上的任一測(cè)、控點(diǎn)，所以DLC是最經(jīng)濟(jì)、可靠的通信方式之一，是配電自動(dòng)化的首選通信方式。
正交頻分復(fù)用(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一種高效調(diào)制技術(shù)，應(yīng)用于電力線高速數(shù)字通信，具有以下優(yōu)越性：
⑵抗ISI干擾能力強(qiáng);
?、强剐诺浪ヂ?
本通信系統(tǒng)以10kV配電線為傳輸媒質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?quot;總線+樹(shù)"為主，不同總線段可以互聯(lián)為開(kāi)環(huán)的環(huán)網(wǎng)。系統(tǒng)由通信子站系統(tǒng)和主站系統(tǒng)兩部分組成。主站系統(tǒng)設(shè)置于110kV變電站，收集各10kV線路上全部子站的遙測(cè)信息，根據(jù)確定的算法和控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)的安全監(jiān)視、自動(dòng)控制和保護(hù)。通信子站與FTU，TTU等配套使用，分布于配電網(wǎng)各處。這里先介紹子站系統(tǒng)部分。
通信子站系統(tǒng)
子站系統(tǒng)主要由Intellon公司的INT51X1芯片，華邦公司的W90N740微處理器，電平轉(zhuǎn)換MAX3232、模擬前端(AFE)和耦合器(Coupler)組成。
INT51X1芯片
INT51X1芯片[1][2]是一個(gè)集成的MAC/PHY電力線收發(fā)器。利用它，通過(guò)電力線就可以進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)通信。INT51X1完全符合HomePlug電力聯(lián)盟工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)V1.0.1，采用Intellon專利的POWERPacket OFDM技術(shù)。POWERPacket的具體技術(shù)參數(shù)如下：
速度14MB/s;頻帶4.3～20.9MHz;OFDM信號(hào)調(diào)制，84個(gè)載波信道，自動(dòng)信道適應(yīng)，前向糾錯(cuò);載波調(diào)制方式支持DQPSK、DBPSK、ROBO;讀寫(xiě)方式支持CSMA/CA;符合FCC-15輻射標(biāo)準(zhǔn);通信加密;0.25 m技術(shù)加工;工作頻率100MHz;工作電壓核心電壓2.5V，3.3V/5V輸入輸出電壓;工作環(huán)境0～70℃。
INT51X1可以在惡劣的電力線通信環(huán)境下達(dá)到14Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速度，能夠根據(jù)信道上的信噪比(SNR)選擇可用頻率，抵制深度衰減槽、噪聲和多徑衰落，在低SNR的信道中，不使用導(dǎo)頻就能夠?qū)崿F(xiàn)同步。在INT51X1中，MAC采用具有避免沖突的載波偵聽(tīng)多路存取(CSMA/CA)方案，并有優(yōu)先權(quán)設(shè)置和自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求(ARQ)，通過(guò)包封裝，支持以太包的可靠傳輸。在保證服務(wù)品質(zhì)(QoS)的前題下，為多媒體有效載荷(包括聲音、數(shù)據(jù)、音頻和視頻)提供必需的帶寬。
INT51X1提供三種接口MII/GPSI，USB1.1和以太網(wǎng)口。三種模式分別為USB模式、PHY模式和Host/DTE模式。本系統(tǒng)選擇PHY模式，分別與W90N740和AFE接口，完成以太包和電力包之間的相互轉(zhuǎn)換。
W90N740微控制器
W90N740[3][4]采用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，是基于ARM7TDMI的32位微控制器。內(nèi)建有兩個(gè)以太網(wǎng)MAC控制器0和1，8K的指令緩存和2K的數(shù)據(jù)緩存。通過(guò)外部總線接口(EBI)可以與外掛的SDRAM、ROM/SRAM、flash memory或I/O互連。通過(guò)片內(nèi)Ethenet MAC Controller 0與INT51X1接口，完成RS232標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。通過(guò)片內(nèi)串口UART上外接一片MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的RS232通信功能，與FTU，TTU等自動(dòng)化設(shè)備相連。
INT51X1與W90N740的硬件連接
由于本系統(tǒng)選用PHY模式,通過(guò)MII接口與微控制器相連。MII(Media Independent Interface，媒質(zhì)獨(dú)立接口)是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口,提供POWERPacket MAC與IEEE802.3 以太網(wǎng)MAC控制器之間的互連。
模擬前端(AFE)完成放大和濾波功能，選用8v AFE。
耦合器(Coupler)與10KV電力線耦合。
軟件設(shè)計(jì)
INT51X1的初始化是通過(guò)配置EEPROM(AT93C46)完成的，應(yīng)寫(xiě)入自己的MAC地址(這個(gè)MAC地址是唯一的)。
因?yàn)锳RM7TDMI是W90N740的內(nèi)核，使用ARM7匯編語(yǔ)言編程。實(shí)現(xiàn)功能：從RS232口接收FTU/TTU數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為802.3協(xié)議IP包，經(jīng)MAC發(fā)送給INT51X1;經(jīng)MAC接受INT51X1數(shù)據(jù)，解包，通過(guò)RS232口送FTU/TTU。
W90N740上電后初始化，初始化完成后發(fā)送特殊的呼叫信息給主站(64字節(jié)全5)，握手過(guò)程完成后即進(jìn)入通信運(yùn)行。
握手過(guò)程如下：
首先子站對(duì)主站廣播(發(fā)送呼叫信息64字節(jié)全5)，收到回復(fù)自己的響應(yīng)信息(64字節(jié)全3)后，填寫(xiě)本子站通信的目的地址(即發(fā)來(lái)回復(fù)的主站地址)，進(jìn)入正常通信。若收不到響應(yīng)信息，則每隔1分鐘重復(fù)發(fā)送呼叫信息。
主站系統(tǒng)是由若干臺(tái)通信終端，8/16*換機(jī)(HUB)和PC機(jī)構(gòu)成。其中通信終端包括RJ-45，RTL8201，W90N740，INT51X1，AFE和Coupler，如圖3所示。INT51X1也選用PHY模式，組成ETH-PLC路由器。主機(jī)側(cè)MII接口與W90N740 Ethenet MAC Controller 0連接，W90N740再經(jīng)Ethenet MAC Controller 1接ETH PHY(RTL8201)，從RTL8201引出RJ-45接口，與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接;電力線側(cè)則與子站系統(tǒng)類似。
每臺(tái)通信終端具有電力網(wǎng)上唯一的MAC地址，同時(shí)又具有局域網(wǎng)上唯一的IP地址。每個(gè)通信終端都作為本網(wǎng)絡(luò)(總線+樹(shù)型)的通信主機(jī)，與最多63個(gè)子站進(jìn)行1：N的通信，并對(duì)本網(wǎng)子站進(jìn)行管理。在本網(wǎng)內(nèi)，記錄和存儲(chǔ)所有子站的地址，作為發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址。當(dāng)收到來(lái)自某子站的廣播呼叫(64字節(jié)全5)，則記錄該子站地址，并發(fā)回響應(yīng)(64字節(jié)全3)。此后，與該子站正常通信。(這種情況，該子站也可能不屬于本網(wǎng)。)若失去本站管轄的某個(gè)子站，即長(zhǎng)期(如5分鐘)收不到它的消息，則需要每隔1分鐘呼叫這些子站一次，直到收到相應(yīng)子站的響應(yīng)信息，進(jìn)入正常通信為止。24小時(shí)后仍無(wú)響應(yīng)則放棄呼叫。
IP機(jī)接收來(lái)自各通信終端的IP包，定位IP包的來(lái)源。記錄全部子站地址，并明確各子站各處于哪臺(tái)通信主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)。這樣能保證下發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，可以準(zhǔn)確的找到相應(yīng)的通信主機(jī)，再轉(zhuǎn)發(fā)到其下的目的子站。
結(jié)論
本文介紹了一種基于OFDM技術(shù)的配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)，描述了其通信子站、主站部分和相應(yīng)的硬件電路和軟件方案。通過(guò)介紹INT51X芯片，可以發(fā)現(xiàn)OFDM技術(shù)應(yīng)用到電力線通信具有的很強(qiáng)的優(yōu)越性。