基于OFDM調(diào)制技術(shù)的配電自動化通信系統(tǒng)

摘    要：本文提出了一種基于OFDM技術(shù)的配電自動化通信系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：OFDM；配電自動化通信系統(tǒng)；INT51X1；W90N740

引言
配電線載波通信(DLC)不同于原有的高壓系統(tǒng)輸電線載波通信(PLC)方式。PLC一般是兩點(diǎn)之間通過阻波器并結(jié)合濾波器上送和下載高頻信號，傳輸目標(biāo)明確，結(jié)構(gòu)簡單。而DLC則是一對多的通信方式，不設(shè)阻波器，通信信號在10kV及380kV配電網(wǎng)中傳輸，任何一個通信節(jié)點(diǎn)都可以作為信號源和接收器，而變壓器(配變和變電站變壓器)則是信號的天然壁壘。
正交頻分復(fù)用(OFDM)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：⑴頻帶利用率高;⑵抗ISI干擾能力強(qiáng);⑶抗信道衰落;⑷抗噪聲干擾。

系統(tǒng)組成及工作原理
本通信系統(tǒng)以10kV配電線為傳輸媒質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟浴翱偩€＋樹”為主，不同總線段可以互聯(lián)為開環(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遙控信息，根據(jù)確定的算法和控制策略，實現(xiàn)對整個配電網(wǎng)的安全監(jiān)視、自動控制和保護(hù)。通信子站與FTU、TTU等配套使用，分布于配電網(wǎng)各處。
通信子站系統(tǒng)
子站系統(tǒng)主要由INT51X1芯片、W90N740微處理器、電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232、模擬前端(AFE)和耦合器組成。子站系統(tǒng)的原理如圖1所示。
 INT51X1芯片
INT51X1是一個集成的MAC/PHY電力線收發(fā)器。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多路存取(CSMA/CA)方案，并有優(yōu)先權(quán)設(shè)置和自動重復(fù)請求(ARQ)，通過包封裝，支持以太包的可靠傳輸。
INT51X1提供三種接口，即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采用精簡指令系統(tǒng)，是基于ARM7TDMI的32位微控制器。內(nèi)建有兩個以太網(wǎng)MAC控制器0和1，8K的指令緩存和2K的數(shù)據(jù)緩存。通過外部總線接口(EBI)可以與外掛的SDRAM、ROM/SRAM、flash存儲器或I/O互連。通過片內(nèi)以太網(wǎng)MAC控制器0與INT51X1接口，完成RS-232和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。通過片內(nèi)串口UART外接一片MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，即可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的RS-232通信功能，與FTU、TTU等自動化設(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MII(媒介獨(dú)立接口)接口與微控制器相連(見圖2)。MII是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口,提供PowerPacket MAC與IEEE 802.3 以太網(wǎng)MAC控制器之間的互連。MII接口的幀結(jié)構(gòu)如表1所示。
軟件設(shè)計
INT51X1的初始化是通過配置EEPROM(AT93C46)完成的，應(yīng)寫入自己的MAC地址(這個MAC地址是唯一的)。
因為ARM7TDMI是W90N740的內(nèi)核，所以使用ARM7匯編語言編程。實現(xiàn)功能：從RS-232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接收INT51X1數(shù)據(jù)、解包；通過RS-232口送FTU/TTU。
W90N740本身上電初始化，之后，發(fā)送特殊的呼叫信息給主站(64字節(jié)全5)；握手過程完成后即進(jìn)入通信運(yùn)行。
握手過程如下：首先子站對主站廣播(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，填寫本子站通信的目的地址(即發(fā)來回復(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。
任何子站收到其它子站的廣播呼叫信息(由地址辨認(rèn))，均不予理會。此策略可保證電力線正常運(yùn)行條件下，各子站與本總線網(wǎng)上主站的通信。當(dāng)因故障斷電后重新供電時，各子站與本網(wǎng)主站或臨時聯(lián)絡(luò)的其它主站溝通通信，也便于工程安裝。
若子站收到某主站呼叫，應(yīng)將呼叫主站地址寫入本子站目的地址，然后發(fā)出響應(yīng)信息，此后進(jìn)入與該主站的正常通信。此策略能使臨時加入其它主站管理范疇的子站回到本網(wǎng)，或斷電后與原主站恢復(fù)聯(lián)系。

主站系統(tǒng)
主站系統(tǒng)由若干臺通信終端，8/16口HUB和PC機(jī)構(gòu)成。其中通信終端包括RJ-45、RTL8201、W90N740、INT51X1、AFE和耦合器，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以太網(wǎng)MAC控制器0連接，W90N740再經(jīng)以太網(wǎng)MAC控制器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。
每臺通信終端具有電力網(wǎng)上唯一的MAC地址，同時又具有局域網(wǎng)上唯一的IP地址。每個通信終端都作為本網(wǎng)絡(luò)(總線＋樹型)的通信主機(jī)，與最多63個子站進(jìn)行1:N的通信，并對本網(wǎng)子站進(jìn)行管理。在本網(wǎng)內(nèi)，記錄和存儲所有子站的地址，作為發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址。當(dāng)收到來自某子站的廣播呼叫(64字節(jié)全5)時，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子站，即長期(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小時后仍無響應(yīng)則放棄呼叫。
IP機(jī)接收來自各通信終端的IP包，定位IP包的來源。記錄全部子站地址，并明確各子站各處于哪臺通信主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)。這樣能保證下發(fā)數(shù)據(jù)時，能準(zhǔn)確地找到相應(yīng)的通信主機(jī)，再轉(zhuǎn)發(fā)到其下的目的子站。

結(jié)語
本文介紹了一種基于OFDM技術(shù)的配電自動化通信系統(tǒng)。描述了其通信子站、主站部分以及相應(yīng)的硬件電路和軟件方案。通過應(yīng)用INT51X1芯片，可以發(fā)現(xiàn)OFDM技術(shù)應(yīng)用到電力線通信具有很強(qiáng)的優(yōu)越性?！?/P>

參考文獻(xiàn)
1 Intellon.OFDM Communication Primer.1999,3
2 Intellon.INT51X1 Reference Manual Revision 3
3 Winbond.W90N740 Reference Manual. 2003,3