基于OFDM調制技術(shù)的配電自動(dòng)化通信系統

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

引言
配電線(xiàn)載波通信(DLC)不同于原有的高壓系統輸電線(xiàn)載波通信(PLC)方式。PLC一般是兩點(diǎn)之間通過(guò)阻波器并結合濾波器上送和下載高頻信號，傳輸目標明確，結構簡(jiǎn)單。而DLC則是一對多的通信方式，不設阻波器，通信信號在10kV及380kV配電網(wǎng)中傳輸，任何一個(gè)通信節點(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。
正交頻分復用(OFDM)是一種高效調制技術(shù)，應用于電力線(xiàn)高速數字通信具有以下優(yōu)越性：⑴頻帶利用率高;⑵抗ISI干擾能力強;⑶抗信道衰落;⑷抗噪聲干擾。

系統組成及工作原理
本通信系統以10kV配電線(xiàn)為傳輸媒質(zhì)，網(wǎng)絡(luò )拓撲以“總線(xiàn)＋樹(shù)”為主，不同總線(xiàn)段可以互聯(lián)為開(kāi)環(huán)的環(huán)網(wǎng)。系統由通信子站系統和主站系統兩部分組成。主站系統設置于110kV變電站，收集各10kV線(xiàn)路上全部子站的遙測遙控信息，根據確定的算法和控制策略，實(shí)現對整個(gè)配電網(wǎng)的安全監視、自動(dòng)控制和保護。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
子站系統主要由INT51X1芯片、W90N740微處理器、電平轉換芯片MAX3232、模擬前端(AFE)和耦合器組成。子站系統的原理如圖1所示。
 INT51X1芯片
INT51X1是一個(gè)集成的MAC/PHY電力線(xiàn)收發(fā)器。INT51X1可以在惡劣的電力線(xiàn)通信環(huán)境下達到14Mbps的數據傳輸速度。能夠根據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，不使用導頻就能夠實(shí)現同步。 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)先權設置和自動(dòng)重復請求(ARQ)，通過(guò)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換。 
W90N740微控制器
W90N740采用精簡(jiǎn)指令系統，是基于A(yíng)RM7TDMI的32位微控制器。內建有兩個(gè)以太網(wǎng)MAC控制器0和1，8K的指令緩存和2K的數據緩存。通過(guò)外部總線(xiàn)接口(EBI)可以與外掛的SDRAM、ROM/SRAM、flash存儲器或I/O互連。通過(guò)片內以太網(wǎng)MAC控制器0與INT51X1接口，完成RS-232和IEEE 802.3標準數據的相互轉換。通過(guò)片內串口UART外接一片MAX3232電平轉換芯片，即可實(shí)現標準的RS-232通信功能，與FTU、TTU等自動(dòng)化設備相連。
INT51X1與W90N740的硬件連接
由于本系統選用PHY模式,通過(guò)MII(媒介獨立接口)接口與微控制器相連(見(jiàn)圖2)。MII是一個(gè)工業(yè)標準接口,提供PowerPacket MAC與IEEE 802.3 以太網(wǎng)MAC控制器之間的互連。MII接口的幀結構如表1所示。
軟件設計
INT51X1的初始化是通過(guò)配置EEPROM(AT93C46)完成的，應寫(xiě)入自己的MAC地址(這個(gè)MAC地址是唯一的)。
因為ARM7TDMI是W90N740的內核，所以使用ARM7匯編語(yǔ)言編程。實(shí)現功能：從RS-232口接收FTU/TTU數據，轉換為802.3協(xié)議IP包，經(jīng)MAC發(fā)送給INT51X1；經(jīng)MAC接收INT51X1數據、解包；通過(guò)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字節全5)；握手過(guò)程完成后即進(jìn)入通信運行。
握手過(guò)程如下：首先子站對主站廣播(發(fā)送呼叫信息64字節全5)，收到回復自己的響應信息(64字節全3)后，填寫(xiě)本子站通信的目的地址(即發(fā)來(lái)回復的主站地址)，進(jìn)入正常通信。若收不到響應信息，則每隔1分鐘重復發(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)，均不予理會(huì )。此策略可保證電力線(xiàn)正常運行條件下，各子站與本總線(xiàn)網(wǎng)上主站的通信。當因故障斷電后重新供電時(shí)，各子站與本網(wǎng)主站或臨時(shí)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，應將呼叫主站地址寫(xiě)入本子站目的地址，然后發(fā)出響應信息，此后進(jìn)入與該主站的正常通信。此策略能使臨時(shí)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聯(lián)系。

主站系統
主站系統由若干臺通信終端，8/16口HUB和PC機構成。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。主機側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 )交換機連接；電力線(xiàn)側則與子站系統類(lèi)似。
每臺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(xiàn)＋樹(shù)型)的通信主機，與最多63個(gè)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，記錄和存儲所有子站的地址，作為發(fā)送數據的目的地址。當收到來(lái)自某子站的廣播呼叫(64字節全5)時(shí)，則記錄該子站地址，并發(fā)回響應(64字節全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(cháng)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，直到收到相應子站的響應信息，進(jìn)入正常通信為止。24小時(shí)后仍無(wú)響應則放棄呼叫。
IP機接收來(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通信主機所在的網(wǎng)絡(luò )。這樣能保證下發(fā)數據時(shí)，能準確地找到相應的通信主機，再轉發(fā)到其下的目的子站。

結語(yǔ)
本文介紹了一種基于OFDM技術(shù)的配電自動(dòng)化通信系統。描述了其通信子站、主站部分以及相應的硬件電路和軟件方案。通過(guò)應用INT51X1芯片，可以發(fā)現OFDM技術(shù)應用到電力線(xiàn)通信具有很強的優(yōu)越性?！?/P>

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