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电力系统通信技术的发展,丁仁杰 清华大学电机工程系W-I-107室 Tel: +86 10 62795566Fax: +86 10 68948538 Email: ,主要内容 一、电力系统通信的概念和任务 二、电力通信与公用通信的区别 三、电力通信的发展历史及现状 四、电力通信系统的组成 五、电力通信系统的分类 六、通信系统的主要传输技术简介 七、Q&A,一、电力系统通信的概念和任务 基本概念 电力系统通信-“电力专用通信” 系统通信 厂站通信 电力系统通信的一般定义是： 利用有线电、无线电、光或其他电磁系统，对电力系统运行、经营和管理等活动中需要的各种符号、信号、文字、图像、声音或任何性质的信息进行传输与交换，满足电力系统要求的专用通信。,电力系统通信的任务 电力系统通信的任务就是准确和快速地完成话音、数据和图像的传输。 话音业务： 电力调度和行政管理 数据业务： 调度自动化的检测监控数据 计算机和互联网数据通信 继电保护信号的传输 图文传真和用户电报业务 水电厂水情和气象报告等 图像业务： 会议电视和电视网等,二、电力通信与公用通信的区别 电力通信与公用通信之间没有根本区别，而主要差异在于： 结构特点： 电力通信以单位所在区域划分而公用通信以国家行政管理区域划分； 经济性要求： 公用通信以经济性第一，而电力通信依附电力网运行；,三、电力通信的发展历史及现状 我国电力通信的发展历史 经历60年发展历史： 早期的技术，电力线载波、架空明线或电缆通信方式； 60年代，模拟微波、特高频或同轴电缆多路载波； 80年代，数字微波、卫星通信、程控交换机投运和光纤通信； 90年代，架空地线复合光缆（OPGW）和全介质自承式光缆（ADSS） 电话交换、分组交换、数字数据网、ATM、会议电话和会议电视等通信网,世界电力通信的发展历史 电力通信在发展和采用新技术方面始终是通信行业的先锋； 电力线载波（20世纪20年代初） 微波（始于20世纪50年代） 光钎（20世纪80年代） 由点对点发展到交换网络,我国电力通信的近10年中的变化： 一是电力专用通信装备水平和服务质量大幅度提高； 二是充分利用资源优势和富余能力，参与社会电信市场竞争，已经成为国际上电力公司的普遍趋势。 数字微波电路总长度约为73,000km，总站数3,200个；220V及以上电力线载波机总数8,300台，话路公里数约为340,000km；110V及以下电力线载波机总数10 000多台，话路公里数约为224 000 ； 光缆总长16,000多km，其中ADSS约4,100km，OPGW约2,000 km，缠绕光缆约600km； 交换机总容量约200万门； 卫星地球站42座； 800MHz集群移动通信系统。 1999年年底以来，电力通信网内已开工建设了数字微波电路约10,000km，光缆线路约20,000km（OPGW和ADSS各占约50）。,四、通信系统的基本组成 1. 信息源与收信者 信源：模拟(连续)和数字(离散) 模拟信源：语言、图象、声音、音乐及鸟声等。 数字信源：旗语、交通信号及计 算机及数字电路信号。 抽样：模拟信源 离散信源 量化：离散信源 数字信源,通信系统的组成,四、通信系统的组成（续） 2. 发送设备 把信源与传输介质匹配起来 3. 传输介质 不论传输介质为有线或无线， 传输过程都会引入干扰 4. 接收设备 完成发送设备的逆变换,信源,通信系统的一般模型,发送 设备,传输 介质,接收 设备,收信者,信息,信号载体,信息,干扰,信源,数字通信系统的组成,信源 编码,传输 介质,信源 译码,收信者,信道 编码,信道 译码,噪声,信源/ 收信者,一个完整和简化的通信系统,传输系统,交换 系统,传输系统,信源/ 收信者,电路 分组 ATM,供电 纵横,五、电力通信系统的分类 1. 按消息的物理特征分类 调度和管理电话、监控数据和图象等 2.按调制的方式分类 基带传输和载波传输 调制方式：连续波和脉冲波 调制信号：模拟和数字信号 目的有三：便于发送/抗干扰/利用频带,3.按传输信号的特征分类 收端有效恢复消息与信号单一对应 模拟通信系统：参量取值无限 数字通信系统：参量取值有限 数字系统有着显著的优越性 整个通信系统数字化世界 模拟信源数字化数字系统,数字通信系统的优越性： 抗干扰能力强 便于进行各种数字信号处理 易于实现集成化和小型化 经济效益优于模拟(载波)通信 传输与交换很容易结合起来综合业务 便于实现多路复用 数字通信系统的缺憾： 占用较宽频带，资源利用率较低 对信号同步要求严格,4. 按传输信号的复用方式分类 频分复用 FDM/FDMA 时分复用 TDM/TDMA 码分复用 CDM/CDMA 波分复用 WDM/WDMA 5. 按传输介质进行分类 有线：普通电缆/同轴/光缆 无线：电磁波/微波/卫星,六、通信系统的主要传输技术简介 架空明线和电缆通信 公用网早已实现八横八纵的建设目标。 1982年统计，长途线路18万公里，其中90%为架空明线。 沪-杭、京-汉-广同轴电缆干线通1800路载波 目前，大部分已被或正在被光纤取代。 国际上，最高容量为13200路（或6路广播电视）/芯，数字电话为4032路 电力系统的架空明线随输电线路敷设； 电缆线： 明线/普通/同轴(50/75/93)/双绞线(IV)/屏蔽/RJ11和RJ45接头,早期电力线载波技术简介 电力线信道十分恶劣。主要干扰源有: 信道衰减、信道噪声和多径效应,配变载波监测及远程抄表系统,总体设计 通过中压架空线或电缆 以1对N的方式 从变电站母线注入信号,经馈线到达配电点 信息通过载波调制解调器耦合到线路上传回变电站 特点 双载频自动切换 485总线的保护 中继功能,最长线上距离达20km 耦合电容与结合滤波器一体化 中继功能与载波从MODEM一体化设计 通用化,技术指标,接入方式,宽带电力线载波OFDM技术简介,微波中继通信 微波传输具有视距传播特性 微波传播具有传播损耗必须中继,微波中继的传输容量 采用多电平调制，在40MHz标准频道间隔内，可传输19207680PCM数字电话。 公用通信网： 我国目前有约十多万公里微波中继通信线路，在长途业务上曾经是重要的传输手段之一。 美国曾拥有数十万公里微波中继线路； 前苏联最长的一条微波中继通信线路长达1万多公里，该线路直达东欧。,微波中继通信 微波通信系统的主要设备： 用户终端/交换机微波接入终端复用设备/微波站 模拟微波中继方式已被淘汰 数字微波中继比例相对减少，部分将会被光纤所取代。 但是，山区和施工难度较大的地域内还在使用，电力系统还有较多的应用实例，多在南方电网。,卫星通信 运行轨道：赤道/极轨道/倾斜轨道 卫星距离地面的高度： 低高度（轨道）卫星，低于5000公里 中高度（轨道）卫星，在5000公里到20000公里之间 高高度（轨道）卫星，高于20000公里 卫星与地球任何一点相对位置关系： 同步卫星：沿赤道上空35800公里与地球同向 非同步卫星：运行周期不等于地球自转周期，其轨道倾角/高度/形状因需要而定。 赤道轨道均匀分布三颗卫星可覆盖除两极外全部表面, 通信卫星的工作方式和频率分配。(频率需要申请),卫星通信系统示意图,卫星通信的主要优点： 通信距离远，覆盖面积大/40%的地球表面； 具有多址连接特性，通信灵活性好； 可利用频带宽，通信容量大； 传播稳定可靠，通信质量高； 成本与通信距离无关。 卫星通信的主要缺点： 通信卫星使用寿命较短； 通信卫星系统技术比较复杂和投入较大； 卫星通信有较大的传输延迟。,卫星通信示例 GPS（单向）/Glonass/伽利略/军用/民用实例 GPS：20183公里，6轨道/18颗星。前苏联的GLONASS，24颗星，90年代初两系统拟合二为一。 是美国现积极推行的NMD和TMD系统的基础。 越洋电视信号传送（单向） 转发器 依系统（低轨道卫星）Iridium（象形于分子结构） 通信卫星与轨道 35800公里3颗星，约10000公里10颗星， 765公里7766颗星于6条极轨道， 该系统由于市场定位和营销体制失误，运行两年后终止服务。,光纤通信（参见十五纲要） 我国全光缆通信网已进入实验阶段（光缆入户） 目前，光缆的可利用资源仅为1%，99%待开发。总长度为200万公里。 大力采用波分复用技术WDM/DWDM/ UDWDM 90年代中期：8/16/32路几种。 1999年：出现40/100/160路复用技术 2003年：制成400至1000路系统 2010年：进一步达到15000路/UDWDM系统 信令网、同步网和管理网逐步完善：SDH/IP 多模/单模技术的成熟和提升；损耗进一步减小 多用途光缆和基于光交换技术设备大量问世,光纤通信主要特点 通信容量大 一对光纤3万路/多纤成缆/波分复用技术，传输容量十分惊人； 中继距离长 单模1.55m波长处损耗可达0.15dB/km；若采用非石英超长波(波长2 m)光缆有望实现1000km以上无中继； 抗电磁干扰 电力输送线/电气化铁路沿线/雷击多发区； 不产生串扰，保密性好 光缆尺寸小、重量轻(电缆的1/31/10) 光缆不会锈蚀，使用寿命长 光缆接头不会产生放电，没有点火花，运行安全 节省金属材料和能源,电力光纤通信,移动通信的工作方式 单向单工工作方式（寻呼） 双向同频单工工作方式 收发不能同时进行 对讲机 异频半双工工作方式 收发不同频， 集群电话系统 异频双工工作方式 移动电话,移动通信的类型 无线电寻呼系统/Paging 无绳电话/Cordless 集群移动通信系统 小灵通/PHS/PAS/PCT 公用蜂窝移动通信系统 早期的模拟移动通信采用FDMA 现已发展过渡到2.5G移动通信系统 TDMA/FDMTDMA系统/GSM CDMA/FDMCDMA系统/IS-95 移动卫星通信系统,广州市电力通信网络分割图,目前广州市电力系统已采用的通信方式有： 一、传输方式： 1、光纤通信：OPGW、ADSS及管道光缆等光缆，SDH/PDH传输技术。 2、SDH/PDH数字微波 3、一点多址微波、 4、载波通信、 5、音频电缆 二、宽带IP网络通信方式： 千兆以太网（综合业务数据） 光纤直连 路由器（调度数据） 接入SDH 三、语音交换方式：数字程控交换技术 四、视频方式：会议电视（在建）,广州市电力通信网络结构图,广州市电力通信网分为以下两个层次： 第一层：传输骨干网络层；（传输及网络技术设备组成） 第二层：业务层（含公众用户及专用用户）接入通信网络层,广州电力变电站监视系统网络结构图,110kV,变电站,E1,广州电力会议电视网络结构图,省局 主MCU,广州 主MCU,惠州 主MCU,汕头 主MCU,一级枢纽,二级枢纽,终端,市局,母站,区局,会议电视系统结构图,七、Q&A,常用调制方式及用途 连续波调制 线性调制 常规双边带调幅AM 广播 抑制载波常规双边带调幅DSB 立体声广播 单边带调幅SSB 载波通信、无线电台、数传 残留边带调幅VSB 电视广播、数传、传真 非线性调制 频率调制FM 微波中继、卫星通信、广播 相位调制PM 中间调制方式 数字调制 幅度键控ASK 数据传输 频率键控FSK 数据传输 相位键控PSK,DPSK,QPSK等 数据传输、数字微波、空间通信 其他数字调制QAM,MSK等 数字微波、空间通信（有效利用f）,常用调制方式及用途 脉冲调制 脉冲模拟调制 脉幅调制PAM 中间调制方式、遥测 脉宽调制PDM(PWM) 中间调制方式 脉位调制PPM 遥测、光纤传输 脉冲数字调制 脉码调制PCM 市话、卫星、空间通信 增量调制DM,CVSD,DVSD等 军用、民用电话 差分脉码调制DPCM 电视电话、图象编码 其他语音编码ADPCM,APC,LPC等 中、低速数字电