副载波复用光纤传输系统

电力线载波通信是电力系统特有的一种通信手段，世界上几乎所有国家都在采用。

电力线载波通信可靠性高、具有复用功能，利用电网资源、经济实用，因此世界各国普遍采用。北京供电公司于1998年开始在大房双回线上使用的ETL81型电力载波设备,具有一定的技术代表性，为此介绍其技术特性，并分析其调制方式、同步方式，以及AGC自动增益控制、环回测试的实现方法，保护音频接口装置NSD50的特点等。

它与一次电网同步施工，不需要单独架设传输线路，充分利用电网资源，经济实用；电力线载波以电力线为载体，不易受自然灾害和外力破坏，即使信号传输相发生短路或断路等故障，高频信号仍可通过其他相的耦合信号进行传输，可靠性极高；电力线载波通过电力线路连接各发电厂和变电站，且具有复用功能，在传送话音的通道上，还可交替复用或同时复用继电保护和远动信号，在实际应用中，电力线载波机复用继电保护信号是最为典型的一种应用方式。

目前北京供电公司共有500kV输电线路14条，线路主保护全部采用了复用载波、复用微波和复用光纤通道。北京供电公司500kV线路复用载波设备及复用保护信号类型见表1。北京供电公司从1998年开始，在大房双回线路上使用ETL81型电力载波设备，笔者负责调试开通该类型设备共9台，经过几年的运行维护，逐渐掌握了设备的技术特性，下面作一分析，供参考。

1ETL81型载波机的调制方式

电力线载波一般采用两次调制和三次调制方式，基本不采用一次调制方式。ETL81型载波机采用三次调制方式，下面以万顺线顺义侧载波设备为例(其发信频率为112－4kHz)，就三次调制方式的频谱搬移、传输频谱表示方法和优点逐一进行分析。

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电力线载波保护复用载波机

1.1频谱搬移

ETL81载波机的发信部分采用抑制载波三级调制，而收信部分则采用四级解调。这种方案大大减少了发信机与收信机中射频滤波器的复杂性，并在维持收信机高选择性的同时，简化了射频通道的调谐。第一级调制利用中频IF将0～4kHz频谱搬移到16～20kHz；第二级调制利用640kHz的高频载频HF，将频谱搬移到620～624kHz；第三级调制，利用发信射频载频RF(TxFC)，进一步将频谱搬移到射频发信载波范围，即订货所要求的线路频谱。三次调制频谱搬移示意图见图1。值得注意的是，最后调制结果只能取下边带,将频谱限制在500kHz以下。

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电力线载波保护复用载波机

收信机以类似的工作方式进行解调。采用收信射频振荡器频率RF(RxFC)，第1级解调将线路高频信号转换到620～624kHz；第2级解调借助于高频载频480kHz，将信号搬移到140～144kHz；第3级解调利用载频160kHz，将信号搬移到16～20kHz；第4级解调将信号最终还原到0～4kHz。

1.2传输频谱表示方法

传输频谱有两种表示方法：加减号表示法(如108－4kHz)和频谱表示法(如104～108kHz)，ETL81载波机采用减号表示法，它比频谱表示法包含的信息更为丰富。

传输频谱的减号表示法对应着倒置频谱。例如，108－4kHz表示的3层含义为：

(1)传输频谱为10kHz～108kHz；

(2)第3次调制的高频载频RF：RF=108 (HF－IF)=108 (640－20)=728(kHz)

(3)各信号在线路上的传输频率为108－fc，其中fc为导频、话音、保护等信号的音频频率。如导频频率为3.75kHz，则其在线路上的传输频率f为：

f=108－fc=108－3.75=104.25(kHz)

1.3三次调制方式的优点

由以上分析可知，第一、二次调制在电路实现上是固定不变的，只有第三次调制才与线路频谱的具体要求有关，所以三次调制方式的优点在于既降低了滤波器的复杂程度，又便于用户进行现场改频。

2同步方式

电力载波机发信机与收信机之间收发频率若不同步，存在微小的频率差异，会引起被解调信号的同步失真，收端将不能正确还原信号频率，导致远动误码、保护误动或拒动、电话转接困难等问题。这可以通过收信的同步解调来避免。

载波机之间的同步方式主要有3种：晶振同步、最终同步和锁相环同步。晶振同步法是最简单的一种同步方法，不需设计同步电路，只需提高收发两端石英晶体振荡器的频率稳定度。最终同步法是利用中频载频进行音频同步的方法，收信支路将对端送来的中频载频信号作为中频解调载频，从而消除收信高频载频引入的偏差，实现音频信号的最终同步。锁相环同步法是利用对方发来的一个固定频率信号进行中频同步的方法，这个固定频率可以是中频载频，也可以是导频。收信端利用收到的固定频率与本端中频载频进行相位比较，从而输出一个控制电压来调节晶振的频率偏差，即改变频率合成器的参考频率，减小高频载频误差，实现中频同步。

ETL81采用锁相环同步法。一个ETL终端通过在载频合成单元P4LG中适当插入跳线MA与MB，或SA与SB，则可编程为主站或从站。主站ETL设备中的石英晶振是自由振荡的，由它产生所有内部载频及所需时钟频率，它的导频被传送到对端的从站设备，用作同步的参考频率。收信端的同步功能通过导频的处理来完成，这些工作发生在RXSYNC模块中，本端导频信号与接收到的导频信号通过相位比较器进行比较，产生一个控制电压VCXO，以便控制从站设备的频率合成单元P4LG中的本地石英晶振的频率。因为在稳态条件下，远端主振荡器与本地从振荡器同步在相同频率，不管是否有数据由主站到从站，或由从站到主站传送，这种同步都是存在的。作为两个主站进行异步运行是可能的，然而，两站均以从站模式运行是不可能的。

3环回测试实现方法

环回测试是进行设备自身检查和电路检查的一种较为方便的手段。主要有以下两种方式：

(1)本端机高频自环测试。这项测试在开通线路和查找故障时很有帮助。在ETL81差接网络P3LB的位置上插入假负载P3LK，可以将发信机终端接入额定负载。这时，发信机和收信机形成环路，机内的频率变换器和相应的控制电路会自动地将发信频率变换为收信频率，发信信号经过衰耗进入收信机，从而可以进行自环测试。

(2)远端音频环回测试。它可以在线路的一端完成全通道音频幅频特性的测试，并对接收机进行频率失真均衡。在远端环回模式中，本端发信机中发出一个音频信号，被远端的锁相环跟踪滤波器电路检测到，并以正确的电平转发给它的发信机，再由本地设备的接收机接收。远端环回的建立、保持和启动都是由P4LA完成的，它通过控制远端机音频收发形成环路，实现整个电路的检查。

4保护音频接口装置的特点

NSD50是嵌入式的保护接口，可插于ETL81机层的预留位置中。它以ETL81的导频信号作为监频，在话音频带内传送命令信号，适宜于传输直接跳闸、允许跳闸和闭锁跳闸信号。命令信号的发送电平要提升到最大可用的全部功率，并在发命令时短时切断话音和可中断的远动信号。当保护命令到来时，保护接口将它变换为适于通信传输的频率信号，并控制发信机将话音通路切断，提升功率发送命令信号。在线路的另一端，收信机判断监频信号已消失，并检测到一个有效的跳频信号，相应的输出端就动作。如同时接收到监频信号和跳频信号，或同时接收不到监频信号和跳频信号，接收端就发出告警。

远方保护接口设备最重要的性能指标是安全性、可依靠性和传输时间。安全性指系统在未传命令状态下抗御干扰的能力，主要指不产生虚假命令。可依靠性指命令在传输过程中抗御干扰正确传输的能力，主要指不丢失命令。传输时间指从发送端输入命令到接收端输出命令所经过的时间。

安全性测量按IEC60834—1推荐的方法进行：将白噪声脉冲注入到通道中，记录注入的脉冲数和在收信机输出端产生的虚假命令数。安全性的量化指标用产生虚假命令的概率表示：

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式中Puc——虚假命令的概率；

Nuc——接收端的虚假命令数；

NB——注入的噪声脉冲数。

可依靠性测量按IEC60834—1推荐的方法进行：从一端向另一端发出大量的命令信号，记录在规定时间内发信机发出的命令数和收信机收到的命令数。接收端的信噪比愈低，在规定时间内接收到的命令信号就愈少，即丢失的命令信号就愈多。可依靠性的量化指标用丢失真正命令的概率表示：



式中Pmc——丢失命令的概率；

NT——发送的命令数；

NR——接收的命令数。

在工程实践中，这个问题转化为考察在规定传输时间内，要达到某种可依靠性标准，如Pmc<1%所需要的信噪比指标SNR。在同等条件下，需要的信噪比SNR愈低，说明设备的可依靠性愈高。

传输时间在工程实践中用最大实际传输时间Tac表示，按如下方法测试：在有噪声的通道中，在规定的信噪比和可依靠性条件下，从一端载波机保护接口的命令输入端信号状态改变时刻起，到另一端载波机保护接口的命令输出端信号状态相应改变时刻止所经历的时间。如一端发出命令信号，另一端在Tac时间内没有收到，这个命令信号就认为被丢失，影响可依靠性指标。

直接跳闸式、允许跳闸式和闭锁跳闸式保护对这3种指标的要求各不相同。对于直接跳闸方式，极高的安全性和高度的可依靠性比传输时间更为重要；对于允许式跳闸方式，高度的可依靠性和短的传输时间比安全性更为重要；对于闭锁式跳闸方式，短的传输时间和高的可依靠性比安全性更为重要。从上述分析中可以知道，这3种指标相互制约，不可能同时达到最佳值，只能根据具体情况进行优化。

NSD50采用了微处理器进行数字信号处理。NSD50的4个命令可抑卧藩编码和非编码两种。非编码信号用于闭锁式和允许式，编码信号可以优先传送，用于直接跳闸。两种信号可以独立设置安全性、可依靠性和传输时间。在载波机的话音频带里，有8个预定的频率可以用作各种命令信号及其组合。非编码的命令信号使用单一频率，可以获得最佳信噪比和较短的传输时间。编码信号在2个频率间变换，可以增加抗干扰能力，提高安全性。信号完全由数字处理器DSP按数字方式处理。保护接口功能方框图见图2。

电力线载波保护复用载波机

5结束语

在目前电网中大量使用复用保护电力线载波设备，如何提高运行和维护水平，使保护通道完好率达到100%，是每一位通信人员的职责。随着计算机技术的发展，载波机也将实现由模拟到数字的转变。新一代载波机将适应电网对通信快速、宽带、数字化的要求，确保复用保护、远动信号通道的畅通，为提高供电可靠性和保障电网的安全运行作出贡献。2100433B

现代大多数电力线载波机，均采用标准4kHz频谱,其中有效传输频带为300～3400Hz。为了节约使用有效频带,采用频分复用技术，将300～2000Hz一段传送话音，2400～3400Hz上音频段传送远动数据或高频保护信号。还有些载波机配有专用的控制接口，利用同一载波通道瞬时切换传送高频保护信号，统称为复用载波机。

信号的传输计算，耦合到输电线上的高频载波电流，随着导线排列和交叉换位的差异，以及耦合方式的不同，其传输规律非常复杂。在设计载波通道时，传输性能的计算以往多用经验公式,不够精确。70年代以后,根据模式传输理论推导了载波电流模式传输计算数学模型，所编制的通用计算程序已经提供了工程上足够精确的计算工具，供设计、制造及运行部门使用。80年代中国所开发的实用化软件，已经达到了国际先进水平。

在传输方面，掺铒光纤放大器、波分复用和光纤色散补偿技术是建立全光通信网的核心技术。光纤在1.55um窗口有一较宽的低损耗带宽（30THZ），可以容纳密集波分复用（DWDM）的光信号同时在一条光纤上传输，这样的多路传输系统是可以扩展的，经济合理。1.55um掺铒光纤放大器（EDFA）能在较宽波段提供同等增益，它与波分复用和光纤色散补偿技术结合，成为挖掘光纤潜在带宽容量的最好办法。

虽然DWDM和EDFA的结合堪称通信领域的最完美的联姻，但是系统只提供了原始的传输带宽，只有再加上灵活的节点才能实现高效的灵活的组网能力。然而现有的电交叉连接（DXC）系统十分复杂，其系统开发和改进的速度要慢于半导体芯片性能改进的摩尔定律，从发展看是无法跟上网络传输链路容量每9个月翻番的增长速度的。于是业界的注意力开始转向光节点，即光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC），靠光层面上的波长连接来解决节点的容量扩展问题，即能直接在光路上对不同波长的信号实现上下和交叉连接功能。