基于OFDM調制技術的配電自動化通信系統

摘    要：本文提出了一種基于OFDM技術的配電自動化通信系統。
關鍵詞：OFDM；配電自動化通信系統；INT51X1；W90N740

引言
配電線載波通信(DLC)不同于原有的高壓系統輸電線載波通信(PLC)方式。PLC一般是兩點之間通過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配電網中傳輸，任何一個通信節點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，應用于電力線高速數字通信具有以下優越性：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配電線為傳輸媒質，網絡拓撲以“總線＋樹”為主，不同總線段可以互聯為開環的環網。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，實現對整個配電網的安全監視、自動控制和保護。通信子站與FTU、TTU等配套使用，分布于配電網各處。
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是一個集成的MAC/PHY電力線收發器。INT51X1可以在惡劣的電力線通信環境下達到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現同步。 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，并有優先權設置和自動重復請求(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采用精簡指令系統，是基于ARM7TDMI的32位微控制器。內建有兩個以太網MAC控制器0和1，8K的指令緩存和2K的數據緩存。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。通過片內以太網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。通過片內串口UART外接一片MAX3232電平轉換芯片，即可實現標準的RS-232通信功能，與FTU、TTU等自動化設備相連。
INT51X1與W90N740的硬件連接
由于本系統選用PHY模式,通過MII(媒介獨立接口)接口與微控制器相連(見圖2)。MII是一個工業標準接口,提供PowerPacket MAC與IEEE 802.3 以太網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的初始化是通過配置EEPROM(AT93C46)完成的，應寫入自己的MAC地址(這個MAC地址是唯一的)。
因為ARM7TDMI是W90N740的內核，所以使用ARM7匯編語言編程。實現功能：從RS-232口接收FTU/TTU數據，轉換為802.3協議IP包，經MAC發送給INT51X1；經MAC接收INT51X1數據、解包；通過RS-232口送FTU/TTU。
W90N740本身上電初始化，之后，發送特殊的呼叫信息給主站(64字節全5)；握手過程完成后即進入通信運行。
握手過程如下：首先子站對主站廣播(發送呼叫信息64字節全5)，收到回復自己的響應信息(64字節全3)后，填寫本子站通信的目的地址(即發來回復的主站地址)，進入正常通信。若收不到響應信息，則每隔1分鐘重復發送呼叫信息。
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。此策略可保證電力線正常運行條件下，各子站與本總線網上主站的通信。當因故障斷電后重新供電時，各子站與本網主站或臨時聯絡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入本子站目的地址，然后發出響應信息，此后進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，或斷電后與原主站恢復聯系。

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MAC控制器0連接，W90N740再經以太網MAC控制器1接ETH PHY(RTL8201)，從RTL8201引出RJ-45接口，與網絡交換機連接；電力線側則與子站系統類似。
每臺通信終端具有電力網上唯一的MAC地址，同時又具有局域網上唯一的IP地址。每個通信終端都作為本網絡(總線＋樹型)的通信主機，與最多63個子站進行1:N的通信，并對本網子站進行管理。在本網內，記錄和存儲所有子站的地址，作為發送數據的目的地址。當收到來自某子站的廣播呼叫(64字節全5)時，則記錄該子站地址，并發回響應(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)。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，直到收到相應子站的響應信息，進入正常通信為止。24小時后仍無響應則放棄呼叫。
IP機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所在的網絡。這樣能保證下發數據時，能準確地找到相應的通信主機，再轉發到其下的目的子站。

結語
本文介紹了一種基于OFDM技術的配電自動化通信系統。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。通過應用INT51X1芯片，可以發現OFDM技術應用到電力線通信具有很強的優越性。■

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