副載波復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)

電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的一種通信手段，世界上幾乎所有國(guó)家都在采用。

電力線載波通信可靠性高、具有復(fù)用功能，利用電網(wǎng)資源、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，因此世界各國(guó)普遍采用。北京供電公司于1998年開(kāi)始在大房雙回線上使用的ETL81型電力載波設(shè)備,具有一定的技術(shù)代表性，為此介紹其技術(shù)特性，并分析其調(diào)制方式、同步方式，以及AGC自動(dòng)增益控制、環(huán)回測(cè)試的實(shí)現(xiàn)方法，保護(hù)音頻接口裝置NSD50的特點(diǎn)等。

它與一次電網(wǎng)同步施工，不需要單獨(dú)架設(shè)傳輸線路，充分利用電網(wǎng)資源，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；電力線載波以電力線為載體，不易受自然災(zāi)害和外力破壞，即使信號(hào)傳輸相發(fā)生短路或斷路等故障，高頻信號(hào)仍可通過(guò)其他相的耦合信號(hào)進(jìn)行傳輸，可靠性極高；電力線載波通過(guò)電力線路連接各發(fā)電廠和變電站，且具有復(fù)用功能，在傳送話音的通道上，還可交替復(fù)用或同時(shí)復(fù)用繼電保護(hù)和遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中，電力線載波機(jī)復(fù)用繼電保護(hù)信號(hào)是最為典型的一種應(yīng)用方式。

目前北京供電公司共有500kV輸電線路14條，線路主保護(hù)全部采用了復(fù)用載波、復(fù)用微波和復(fù)用光纖通道。北京供電公司500kV線路復(fù)用載波設(shè)備及復(fù)用保護(hù)信號(hào)類(lèi)型見(jiàn)表1。北京供電公司從1998年開(kāi)始，在大房雙回線路上使用ETL81型電力載波設(shè)備，筆者負(fù)責(zé)調(diào)試開(kāi)通該類(lèi)型設(shè)備共9臺(tái)，經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行維護(hù)，逐漸掌握了設(shè)備的技術(shù)特性，下面作一分析，供參考。

1ETL81型載波機(jī)的調(diào)制方式

電力線載波一般采用兩次調(diào)制和三次調(diào)制方式，基本不采用一次調(diào)制方式。ETL81型載波機(jī)采用三次調(diào)制方式，下面以萬(wàn)順線順義側(cè)載波設(shè)備為例(其發(fā)信頻率為112－4kHz)，就三次調(diào)制方式的頻譜搬移、傳輸頻譜表示方法和優(yōu)點(diǎn)逐一進(jìn)行分析。



電力線載波保護(hù)復(fù)用載波機(jī)

1.1頻譜搬移

ETL81載波機(jī)的發(fā)信部分采用抑制載波三級(jí)調(diào)制，而收信部分則采用四級(jí)解調(diào)。這種方案大大減少了發(fā)信機(jī)與收信機(jī)中射頻濾波器的復(fù)雜性，并在維持收信機(jī)高選擇性的同時(shí)，簡(jiǎn)化了射頻通道的調(diào)諧。第一級(jí)調(diào)制利用中頻IF將0～4kHz頻譜搬移到16～20kHz；第二級(jí)調(diào)制利用640kHz的高頻載頻HF，將頻譜搬移到620～624kHz；第三級(jí)調(diào)制，利用發(fā)信射頻載頻RF(TxFC)，進(jìn)一步將頻譜搬移到射頻發(fā)信載波范圍，即訂貨所要求的線路頻譜。三次調(diào)制頻譜搬移示意圖見(jiàn)圖1。值得注意的是，最后調(diào)制結(jié)果只能取下邊帶,將頻譜限制在500kHz以下。



電力線載波保護(hù)復(fù)用載波機(jī)

收信機(jī)以類(lèi)似的工作方式進(jìn)行解調(diào)。采用收信射頻振蕩器頻率RF(RxFC)，第1級(jí)解調(diào)將線路高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到620～624kHz；第2級(jí)解調(diào)借助于高頻載頻480kHz，將信號(hào)搬移到140～144kHz；第3級(jí)解調(diào)利用載頻160kHz，將信號(hào)搬移到16～20kHz；第4級(jí)解調(diào)將信號(hào)最終還原到0～4kHz。

1.2傳輸頻譜表示方法

傳輸頻譜有兩種表示方法：加減號(hào)表示法(如108－4kHz)和頻譜表示法(如104～108kHz)，ETL81載波機(jī)采用減號(hào)表示法，它比頻譜表示法包含的信息更為豐富。

傳輸頻譜的減號(hào)表示法對(duì)應(yīng)著倒置頻譜。例如，108－4kHz表示的3層含義為：

(1)傳輸頻譜為10kHz～108kHz；

(2)第3次調(diào)制的高頻載頻RF：RF=108 (HF－IF)=108 (640－20)=728(kHz)

(3)各信號(hào)在線路上的傳輸頻率為108－fc，其中fc為導(dǎo)頻、話音、保護(hù)等信號(hào)的音頻頻率。如導(dǎo)頻頻率為3.75kHz，則其在線路上的傳輸頻率f為：

f=108－fc=108－3.75=104.25(kHz)

1.3三次調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)

由以上分析可知，第一、二次調(diào)制在電路實(shí)現(xiàn)上是固定不變的，只有第三次調(diào)制才與線路頻譜的具體要求有關(guān)，所以三次調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)在于既降低了濾波器的復(fù)雜程度，又便于用戶(hù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)改頻。

2同步方式

電力載波機(jī)發(fā)信機(jī)與收信機(jī)之間收發(fā)頻率若不同步，存在微小的頻率差異，會(huì)引起被解調(diào)信號(hào)的同步失真，收端將不能正確還原信號(hào)頻率，導(dǎo)致遠(yuǎn)動(dòng)誤碼、保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)、電話轉(zhuǎn)接困難等問(wèn)題。這可以通過(guò)收信的同步解調(diào)來(lái)避免。

載波機(jī)之間的同步方式主要有3種：晶振同步、最終同步和鎖相環(huán)同步。晶振同步法是最簡(jiǎn)單的一種同步方法，不需設(shè)計(jì)同步電路，只需提高收發(fā)兩端石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。最終同步法是利用中頻載頻進(jìn)行音頻同步的方法，收信支路將對(duì)端送來(lái)的中頻載頻信號(hào)作為中頻解調(diào)載頻，從而消除收信高頻載頻引入的偏差，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的最終同步。鎖相環(huán)同步法是利用對(duì)方發(fā)來(lái)的一個(gè)固定頻率信號(hào)進(jìn)行中頻同步的方法，這個(gè)固定頻率可以是中頻載頻，也可以是導(dǎo)頻。收信端利用收到的固定頻率與本端中頻載頻進(jìn)行相位比較，從而輸出一個(gè)控制電壓來(lái)調(diào)節(jié)晶振的頻率偏差，即改變頻率合成器的參考頻率，減小高頻載頻誤差，實(shí)現(xiàn)中頻同步。

ETL81采用鎖相環(huán)同步法。一個(gè)ETL終端通過(guò)在載頻合成單元P4LG中適當(dāng)插入跳線MA與MB，或SA與SB，則可編程為主站或從站。主站ETL設(shè)備中的石英晶振是自由振蕩的，由它產(chǎn)生所有內(nèi)部載頻及所需時(shí)鐘頻率，它的導(dǎo)頻被傳送到對(duì)端的從站設(shè)備，用作同步的參考頻率。收信端的同步功能通過(guò)導(dǎo)頻的處理來(lái)完成，這些工作發(fā)生在RXSYNC模塊中，本端導(dǎo)頻信號(hào)與接收到的導(dǎo)頻信號(hào)通過(guò)相位比較器進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)控制電壓VCXO，以便控制從站設(shè)備的頻率合成單元P4LG中的本地石英晶振的頻率。因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)條件下，遠(yuǎn)端主振蕩器與本地從振蕩器同步在相同頻率，不管是否有數(shù)據(jù)由主站到從站，或由從站到主站傳送，這種同步都是存在的。作為兩個(gè)主站進(jìn)行異步運(yùn)行是可能的，然而，兩站均以從站模式運(yùn)行是不可能的。

3環(huán)回測(cè)試實(shí)現(xiàn)方法

環(huán)回測(cè)試是進(jìn)行設(shè)備自身檢查和電路檢查的一種較為方便的手段。主要有以下兩種方式：

(1)本端機(jī)高頻自環(huán)測(cè)試。這項(xiàng)測(cè)試在開(kāi)通線路和查找故障時(shí)很有幫助。在ETL81差接網(wǎng)絡(luò)P3LB的位置上插入假負(fù)載P3LK，可以將發(fā)信機(jī)終端接入額定負(fù)載。這時(shí)，發(fā)信機(jī)和收信機(jī)形成環(huán)路，機(jī)內(nèi)的頻率變換器和相應(yīng)的控制電路會(huì)自動(dòng)地將發(fā)信頻率變換為收信頻率，發(fā)信信號(hào)經(jīng)過(guò)衰耗進(jìn)入收信機(jī)，從而可以進(jìn)行自環(huán)測(cè)試。

(2)遠(yuǎn)端音頻環(huán)回測(cè)試。它可以在線路的一端完成全通道音頻幅頻特性的測(cè)試，并對(duì)接收機(jī)進(jìn)行頻率失真均衡。在遠(yuǎn)端環(huán)回模式中，本端發(fā)信機(jī)中發(fā)出一個(gè)音頻信號(hào)，被遠(yuǎn)端的鎖相環(huán)跟蹤濾波器電路檢測(cè)到，并以正確的電平轉(zhuǎn)發(fā)給它的發(fā)信機(jī)，再由本地設(shè)備的接收機(jī)接收。遠(yuǎn)端環(huán)回的建立、保持和啟動(dòng)都是由P4LA完成的，它通過(guò)控制遠(yuǎn)端機(jī)音頻收發(fā)形成環(huán)路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的檢查。

4保護(hù)音頻接口裝置的特點(diǎn)

NSD50是嵌入式的保護(hù)接口，可插于ETL81機(jī)層的預(yù)留位置中。它以ETL81的導(dǎo)頻信號(hào)作為監(jiān)頻，在話音頻帶內(nèi)傳送命令信號(hào)，適宜于傳輸直接跳閘、允許跳閘和閉鎖跳閘信號(hào)。命令信號(hào)的發(fā)送電平要提升到最大可用的全部功率，并在發(fā)命令時(shí)短時(shí)切斷話音和可中斷的遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)保護(hù)命令到來(lái)時(shí)，保護(hù)接口將它變換為適于通信傳輸?shù)念l率信號(hào)，并控制發(fā)信機(jī)將話音通路切斷，提升功率發(fā)送命令信號(hào)。在線路的另一端，收信機(jī)判斷監(jiān)頻信號(hào)已消失，并檢測(cè)到一個(gè)有效的跳頻信號(hào)，相應(yīng)的輸出端就動(dòng)作。如同時(shí)接收到監(jiān)頻信號(hào)和跳頻信號(hào)，或同時(shí)接收不到監(jiān)頻信號(hào)和跳頻信號(hào)，接收端就發(fā)出告警。

遠(yuǎn)方保護(hù)接口設(shè)備最重要的性能指標(biāo)是安全性、可依靠性和傳輸時(shí)間。安全性指系統(tǒng)在未傳命令狀態(tài)下抗御干擾的能力，主要指不產(chǎn)生虛假命令。可依靠性指命令在傳輸過(guò)程中抗御干擾正確傳輸?shù)哪芰?，主要指不丟失命令。傳輸時(shí)間指從發(fā)送端輸入命令到接收端輸出命令所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。

安全性測(cè)量按IEC60834—1推薦的方法進(jìn)行：將白噪聲脈沖注入到通道中，記錄注入的脈沖數(shù)和在收信機(jī)輸出端產(chǎn)生的虛假命令數(shù)。安全性的量化指標(biāo)用產(chǎn)生虛假命令的概率表示：



式中Puc——虛假命令的概率；

Nuc——接收端的虛假命令數(shù)；

NB——注入的噪聲脈沖數(shù)。

可依靠性測(cè)量按IEC60834—1推薦的方法進(jìn)行：從一端向另一端發(fā)出大量的命令信號(hào)，記錄在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)信機(jī)發(fā)出的命令數(shù)和收信機(jī)收到的命令數(shù)。接收端的信噪比愈低，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)接收到的命令信號(hào)就愈少，即丟失的命令信號(hào)就愈多?？梢揽啃缘牧炕笜?biāo)用丟失真正命令的概率表示：



式中Pmc——丟失命令的概率；

NT——發(fā)送的命令數(shù)；

NR——接收的命令數(shù)。

在工程實(shí)踐中，這個(gè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為考察在規(guī)定傳輸時(shí)間內(nèi)，要達(dá)到某種可依靠性標(biāo)準(zhǔn)，如Pmc<1%所需要的信噪比指標(biāo)SNR。在同等條件下，需要的信噪比SNR愈低，說(shuō)明設(shè)備的可依靠性愈高。

傳輸時(shí)間在工程實(shí)踐中用最大實(shí)際傳輸時(shí)間Tac表示，按如下方法測(cè)試：在有噪聲的通道中，在規(guī)定的信噪比和可依靠性條件下，從一端載波機(jī)保護(hù)接口的命令輸入端信號(hào)狀態(tài)改變時(shí)刻起，到另一端載波機(jī)保護(hù)接口的命令輸出端信號(hào)狀態(tài)相應(yīng)改變時(shí)刻止所經(jīng)歷的時(shí)間。如一端發(fā)出命令信號(hào)，另一端在Tac時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到，這個(gè)命令信號(hào)就認(rèn)為被丟失，影響可依靠性指標(biāo)。

直接跳閘式、允許跳閘式和閉鎖跳閘式保護(hù)對(duì)這3種指標(biāo)的要求各不相同。對(duì)于直接跳閘方式，極高的安全性和高度的可依靠性比傳輸時(shí)間更為重要；對(duì)于允許式跳閘方式，高度的可依靠性和短的傳輸時(shí)間比安全性更為重要；對(duì)于閉鎖式跳閘方式，短的傳輸時(shí)間和高的可依靠性比安全性更為重要。從上述分析中可以知道，這3種指標(biāo)相互制約，不可能同時(shí)達(dá)到最佳值，只能根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化。

NSD50采用了微處理器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。NSD50的4個(gè)命令可抑臥藩編碼和非編碼兩種。非編碼信號(hào)用于閉鎖式和允許式，編碼信號(hào)可以?xún)?yōu)先傳送，用于直接跳閘。兩種信號(hào)可以獨(dú)立設(shè)置安全性、可依靠性和傳輸時(shí)間。在載波機(jī)的話音頻帶里，有8個(gè)預(yù)定的頻率可以用作各種命令信號(hào)及其組合。非編碼的命令信號(hào)使用單一頻率，可以獲得最佳信噪比和較短的傳輸時(shí)間。編碼信號(hào)在2個(gè)頻率間變換，可以增加抗干擾能力，提高安全性。信號(hào)完全由數(shù)字處理器DSP按數(shù)字方式處理。保護(hù)接口功能方框圖見(jiàn)圖2。

電力線載波保護(hù)復(fù)用載波機(jī)

5結(jié)束語(yǔ)

在目前電網(wǎng)中大量使用復(fù)用保護(hù)電力線載波設(shè)備，如何提高運(yùn)行和維護(hù)水平，使保護(hù)通道完好率達(dá)到100%，是每一位通信人員的職責(zé)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，載波機(jī)也將實(shí)現(xiàn)由模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變。新一代載波機(jī)將適應(yīng)電網(wǎng)對(duì)通信快速、寬帶、數(shù)字化的要求，確保復(fù)用保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)通道的暢通，為提高供電可靠性和保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行作出貢獻(xiàn)。2100433B

現(xiàn)代大多數(shù)電力線載波機(jī)，均采用標(biāo)準(zhǔn)4kHz頻譜,其中有效傳輸頻帶為300～3400Hz。為了節(jié)約使用有效頻帶,采用頻分復(fù)用技術(shù)，將300～2000Hz一段傳送話音，2400～3400Hz上音頻段傳送遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)或高頻保護(hù)信號(hào)。還有些載波機(jī)配有專(zhuān)用的控制接口，利用同一載波通道瞬時(shí)切換傳送高頻保護(hù)信號(hào)，統(tǒng)稱(chēng)為復(fù)用載波機(jī)。

信號(hào)的傳輸計(jì)算，耦合到輸電線上的高頻載波電流，隨著導(dǎo)線排列和交叉換位的差異，以及耦合方式的不同，其傳輸規(guī)律非常復(fù)雜。在設(shè)計(jì)載波通道時(shí)，傳輸性能的計(jì)算以往多用經(jīng)驗(yàn)公式,不夠精確。70年代以后,根據(jù)模式傳輸理論推導(dǎo)了載波電流模式傳輸計(jì)算數(shù)學(xué)模型，所編制的通用計(jì)算程序已經(jīng)提供了工程上足夠精確的計(jì)算工具，供設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行部門(mén)使用。80年代中國(guó)所開(kāi)發(fā)的實(shí)用化軟件，已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

在傳輸方面，摻鉺光纖放大器、波分復(fù)用和光纖色散補(bǔ)償技術(shù)是建立全光通信網(wǎng)的核心技術(shù)。光纖在1.55um窗口有一較寬的低損耗帶寬（30THZ），可以容納密集波分復(fù)用（DWDM）的光信號(hào)同時(shí)在一條光纖上傳輸，這樣的多路傳輸系統(tǒng)是可以擴(kuò)展的，經(jīng)濟(jì)合理。1.55um摻鉺光纖放大器（EDFA）能在較寬波段提供同等增益，它與波分復(fù)用和光纖色散補(bǔ)償技術(shù)結(jié)合，成為挖掘光纖潛在帶寬容量的最好辦法。

雖然DWDM和EDFA的結(jié)合堪稱(chēng)通信領(lǐng)域的最完美的聯(lián)姻，但是系統(tǒng)只提供了原始的傳輸帶寬，只有再加上靈活的節(jié)點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)高效的靈活的組網(wǎng)能力。然而現(xiàn)有的電交叉連接（DXC）系統(tǒng)十分復(fù)雜，其系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和改進(jìn)的速度要慢于半導(dǎo)體芯片性能改進(jìn)的摩爾定律，從發(fā)展看是無(wú)法跟上網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路容量每9個(gè)月翻番的增長(zhǎng)速度的。于是業(yè)界的注意力開(kāi)始轉(zhuǎn)向光節(jié)點(diǎn)，即光分插復(fù)用器（OADM）和光交叉連接器（OXC），靠光層面上的波長(zhǎng)連接來(lái)解決節(jié)點(diǎn)的容量擴(kuò)展問(wèn)題，即能直接在光路上對(duì)不同波長(zhǎng)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)上下和交叉連接功能。