（通信与信息系统专业论文）电力线远程抄表系统技术规范的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 详细综述了电力线通信技术发展和相关标准制定的研究现状；对欧美主 要标准组织制定的电力线通信标准进行了详细叙述，给出针对我国实际应用 情况的基于电力线通信的远程抄表系统标准框架；通过对标准框架进一步详 细论述，指出应用电力线通信的远程抄表系统的几个主要问题；在差错控制 方面，采用简单实用的a r q 差错控制方法来保证抄表系统网络传输所需的 可靠性，通过对a r o 的改进，提高了网络使用性能；网络中继的应用可以 扩大网络覆盖范围，改变网络结构，通过加入一定算法还可以优化信道容量； 针对远程抄表系统可能出现的网络盲态所造成的漏抄和失控，采用蚁群算法 来保证网络各节点通信顺畅；最后，对日益复杂的抄表系统网络提出网络管 理框架。 关键词：电力线通信，远程抄表系统，标准 a b s t r a c t t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c hs t a t u so ft h ed e v e l o p m e n to fp o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gs t a n d a r d se s p e c i a l l yt h o s e e s t a b l i s h e db ys t a l l d a r do 唱a n i z a t i o n so fe u r o p ea n da m e r i c a t h es t a n d a r d f r a m eo fr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do np o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni s g i v e na c c o r d i n gt ot h ea c t u a la p p l i c a t i o ns i t l 】a t i o no fo u ro w nc o u n t i mp o i n t i n g o u ts e v e r a lm a i np r o b l e m se x i s t e di nm es y s t e ma r e rad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h e f r a m e i nt e m so fe r r o rc o n t r o l ，t h es i m p l ea u l dp r a c t i c a le 1 1 r o rc o n t r o lm e t h o do f a r qi sa d o p t e dt og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yr e q u i r e di nt r a n s m i t t i n g ，a n dt h e i m p r o v e m e n to na r qh a se n h a n c e dt h ep e r f o n n a n c eo ft h en e t w o r k t h e a p p l i c a t i o no fn e t w o r kr e l a yh e l p se n l a r g et h en e t w o r kc o v e r a g er a n g e ，c h a n g e t h en e t w o r ks t m c t u r ea n dm a yo p t i m i z ec h a n n e lc a p a c i t yb ya d d i n gs o m ek i n d s o fa l g o r i t 王l i l l a i m i n ga tt h el e a k a g ea n d1 0 s ec o n t r 0 1o fr e a d i n gc a u s e db y n e t w o r kb l i n d n e s sw h i c hm a yh a p p e nt ot h es y s t e m ，t h ea n tc o l o n ya l g o r i t l u i li s u s e dt om a k et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn o d e sg os m o o t h f i n a l l yt h en e t w o r k m a n a g e m e n tf r a m e w o r ki sp r e s e n t e da c c o r d i n gt om e t e rr e a d i n gs y s t e mn e t w o r k w h i c hh a sb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d l iy u ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f g a oq i a n g k e yw o r d s ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ， r e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e m ， s t a n d a r d 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 详细综述了电力线通信技术发展和相关标准制定的研究现状；对欧美主 要标准组织制定的电力线通信标准进行了详细叙述，给出针对我国实际应用 情况的基于电力线通信的远程抄表系统标准框架；通过对标准框架进一步详 细论述，指出应用电力线通信的远程抄表系统的几个主要问题；在差错控制 方面，采用简单实用的a r q 差错控制方法来保证抄表系统网络传输所需的 可靠性，通过对a r o 的改进，提高了网络使用性能；网络中继的应用可以 扩大网络覆盖范围，改变网络结构，通过加入一定算法还可以优化信道容量； 针对远程抄表系统可能出现的网络盲态所造成的漏抄和失控，采用蚁群算法 来保证网络各节点通信顺畅；最后，对日益复杂的抄表系统网络提出网络管 理框架。 关键词：电力线通信，远程抄表系统，标准 a b s t r a c t t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c hs t a t u so ft h ed e v e l o p m e n to fp o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gs t a n d a r d se s p e c i a l l yt h o s e e s t a b l i s h e db ys t a l l d a r do 唱a n i z a t i o n so fe u r o p ea n da m e r i c a t h es t a n d a r d f r a m eo fr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do np o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni s g i v e na c c o r d i n gt ot h ea c t u a la p p l i c a t i o ns i t l 】a t i o no fo u ro w nc o u n t i mp o i n t i n g o u ts e v e r a lm a i np r o b l e m se x i s t e di nm es y s t e ma r e rad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h e f r a m e i nt e m so fe r r o rc o n t r o l ，t h es i m p l ea u l dp r a c t i c a le 1 1 r o rc o n t r o lm e t h o do f a r qi sa d o p t e dt og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yr e q u i r e di nt r a n s m i t t i n g ，a n dt h e i m p r o v e m e n to na r qh a se n h a n c e dt h ep e r f o n n a n c eo ft h en e t w o r k t h e a p p l i c a t i o no fn e t w o r kr e l a yh e l p se n l a r g et h en e t w o r kc o v e r a g er a n g e ，c h a n g e t h en e t w o r ks t m c t u r ea n dm a yo p t i m i z ec h a n n e lc a p a c i t yb ya d d i n gs o m ek i n d s o fa l g o r i t 王l i l l a i m i n ga tt h el e a k a g ea n d1 0 s ec o n t r 0 1o fr e a d i n gc a u s e db y n e t w o r kb l i n d n e s sw h i c hm a yh a p p e nt ot h es y s t e m ，t h ea n tc o l o n ya l g o r i t l u i li s u s e dt om a k et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn o d e sg os m o o t h f i n a l l yt h en e t w o r k m a n a g e m e n tf r a m e w o r ki sp r e s e n t e da c c o r d i n gt om e t e rr e a d i n gs y s t e mn e t w o r k w h i c hh a sb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d l iy u ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f g a oq i a n g k e yw o r d s ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ， r e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e m ， s t a n d a r d 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力线通信接入网结构的 研究是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电 力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盔墨 日 期：丝竺笸盟查目 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同 意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内 容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盔星 日期：碰! 巫目 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景和意义 第一章绪论 电力线通信是指以高压电力线( 在电力载波领域通常指3 5 k v 及以上电压级) 、中压 电力线( 1 0 k v 电压等级) 或低压配电线( 3 8 0 2 2 0 v 用户线) 作为传输媒介，在电力线通信 网络的各节点之间以及电力线通信网络与其他通信网络之间实现数据交换和信息传递 的一种特殊通信方式。电力线通信技术发展空间广阔，既可以为电力需求侧管理、远程 抄表以及智能家居系统等提供高速数据传输平台，也可以为互联网访问、视频点播和i p 电话等电信增值服务提供一种省投资、建设快的接入手段。长期以来，电力线通信技术 只是局限在与电网调度管理相关的特定专业市场应用，主要因为电力线是最不稳定、干 扰最大、最困难的有线通信媒介，来源众多的不可预知的干扰( 如开关电源：电灯、电 刷的火花噪声，静电噪声，电机、微波、变压器等引入的噪声) 、衰减和失真，宽范围 的阻抗变化、高衰减电平、多径时延传播等等极大地限制了它的应用。最近几年，由于 宽带技术的发展、市场竞争的推动以及新的调制技术、d s p 技术和新型电力线通信专用 成套芯片的出现，为电力线载波通信技术带来新的应用和解决方案。目前，电力线通信 应用领域主要有：在电力相关特定专业市场的应用，如电力负荷的控制和监视，各种自 控系统和远程抄表系统，9 6 0 0 b p s 的低速数据通信，以及模拟话音信号传输，其中在远 程抄表系统中得到广泛应用；利用中、低压电力配线网提供“最后一公里接入 传输宽 带信号；利用家庭电源插座构建无需重新布线的“智能家居网络 。国外在电力线通信 方面起步时间比较早，研究与应用范围比较广，制定出了许多相关标准，我国在这方面 相对落后，许多应用还处于研究试验阶段，没有相关的统一标准。 1 2 电力线通信的特点 电力线通信利用电力线作为通信信道的物理介质来传输信息，这种技术可将传输信 息的高频载波信号和交流电能通过同一条电力线进行传输，因此和其他专用通信网络相 比，电力网可以说很独特： ( 1 ) 充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了资源，尤其 在旧建筑物上增添通信网络时，避免了对原建筑物进行改造，在对已经饱和的1 日通信系 统升级等方面有明显优势。 ( 2 ) 电力网是覆盖最广的网络，它的规模是任何其他网络都无法比拟的。电力线 通信技术可以轻松地渗透到每个用电房间，为其应用发展创造极大的空间。 ( 3 ) 电力线通信能够提供高速的数据传输，其传输速率最高可达到2 0 0m b p s ，远 远高于拨号上网和i s d n ，比a d s l 更快。更高速率的电力线通信产品正在开发。 1 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 利用电力线通信的永久在线连接，可构建防火、防盗、防有毒气体泄漏等的 保安监控等系统，并可以提供独立的数字化社区服务和电子商务，实现家庭办公和远程 家电控制，在家居与办公自动化中有独特的优势。 ( 5 ) 电力线通信技术在其享有电力网庞大资源的同时，又受到极大的制约。电力 网不可能为了通信改善而大肆改变自身结构，甚至细微的变化都可能需要极大的成本投 入。只有当电力线通信技术能够在基本不影响原有系统，确保电能传输的前提下，才有 可能大范围应用。而显然，原有非通信专用网络的、一切为了更好传输电能的电网结构 并非通信的理想结构。 1 3 电力线通信技术的应用与发展 作为通讯技术的一个新兴领域，电力线通信技术以其诱人的前景及潜在的巨大市场 而为全世界所关注，成为世界各大公司及研究的热点。国外许多著名公司和研究单位都 对此进行研究，并开发出相应的器件和产品。而国内的许多的企业也紧随国际步伐在利 用电力线传输信息，特别是在远程抄表系统和利用电力线进行i n t e r n e t 网接入的研究 方面已逐步形成应用研究的热点。纵观电力线通信技术的发展过程，可将其划分两个 阶段，表1 1 给出了电力线通信发展大致阶段与特征。 表1 1电力线通信发展阶段 阶段划分载波通讯时代( 1 9 2 0 1 9 9 0 )数字通信时代( 1 9 9 卜至今) 信号方式模拟数字 通讯体制非扩频载波扩频通信，高频调制 传输介质高压传输网中低压配电网 传输速率 5 0 一2 4 0 0 b p s 1k 一4 5 m b p s 通讯方式 点对点点对点及网络 典型应用运动及调度电话互联网接入及自动抄表等 1 4 国内外研究现状 1 4 1 电力线通信在关键技术上取得的重要突破 由d s 2 公司研制开发的4 5 m b i t s 电力线调制解调器已经投入试运，2 0 0 m b i t s 的芯 片己经开发成功，在提高速率和拓展带宽上取得重要进展：o f d m 已经成为电力线通信的 主流技术，能非常有效的克服由多径衰落或多径反射引起的信道选择性衰减和信道窄 带干扰，以o f d m 技术为基础制造的电力线调制解调器已在电力线通信市场中占主导地 位。i n t e l l o n 公司开发出一种基于o f d m 的p o w e r p a c k e t 技术。它是包括物理层和m a c 层的一个完整方案。它支持i p 通话( v o i p ) ，服务品质( q o s ) 和多媒体流。i n t e l l o n 2 华北电力大学硕士学位论文 公司已经发布了基于p o w e r p a c k e t 技术的芯片，并已经在北美和欧洲上千个家庭进行了 实地测试，取得了1 0 0 的连接成功率。高速芯片的应用和新技术的研发推动了接入网结 构的发展，最明显的是网络覆盖范围增加，传输距离增长，i n t e l l o n 公司的试验网络最 大覆盖范围已达7 0 0 0 平方英尺。 1 4 2 几种典型的电力线通信接入网 电力线通信接入网从层次上可分为中压配电网和低压配电网。目前，典型的p l c 接 入网结构有以下几种： 英国n o r w e b 和加拿大n o r t e l 的电力线通信技术： 通信系统在基站处与传统的宽带通信系统相连，基站通过耦合单元连到低压配电 网，它可为几十到几百个用户提供服务；另一个耦合单元位于用户侧电表前，它将分离 出的高频信号通过电缆连到通信模地，然后通过标准的以太网卡连到计算机。其结构如 图1 1 怄电力线 图1 1 英国n o r w e b 和加拿大n o r t e l 的电力线通信技术 瑞士a s c o m 的电力线通信技术： 该公司技术特性为室内系统与室外系统在电表处分离，提供模块化结构以适应不同 需求。其结构如图1 2 3 华北电力大学硕士学位论文 用户内部 图1 2 瑞士a s c o m 的电力线通信技术 美国i n t e l l o n 公司的p o w e r p a c k e t 技术： 该技术通过已有的家庭电力线提供高速网络接入，可实现家庭用电设备的互连，将 信息、数据、娱乐、安全、能量管理集中到一起。它将物理层和m a c 层综合在一起，数 据速率为1 4 m b s ，使用频带4 3 2 0 9 m h z ，采用0 f d m 调制技术，分8 4 个子载波，信道 自适应调节，前向纠错。支持的调制方法还有q d p s k 、d b p s k 、r o b o 。接入方式为c s m a c a 。 p o w e r p a c k e t 是一种多载波系统，多载波系统的特性使它可适应多径反射，对大的窄带 干扰和脉冲噪声无需采用均衡。 1 4 3 电力线通信接入技术在我国遇到的主要问题 配电网特性及拓扑结构： 应用电力线作为高速数据传输的媒体，虽然在技术上取得了重要进展，但其数据传 输的可靠性仍然问题突出。电力网不是为传输高速数据而设计的，构成电力网的组件是 按照输送电能的损失最小并保证安全可靠地传输低频电流而选择的。配电网不具备电信 网那样的对称性( 构成回路的两根绝缘芯线对地是对称的) 、均匀性( 在线路的全部长 度上传输导线横截面形状及大小、使用材料、导体问的间隔和导体周围的介质都保持均 匀不变) ，因而基本上不具备通信网所必需的通信线路电气特性，对信号的传输造成很 大的影响。目前欧美一些国家和组织制定的标准都是针对各自国家配电网的实际情况对 电力线通信接入网的拓扑结构做出相应配置，尽可能得减小信号的衰减和干扰。 我国配电线的截面大小不一、明线和电缆混用以及电源插座型号和负载多样性等因 素都使配电网具有极大的不均匀性和不对称性。在这方面同欧美国家相比，电力线通信 信号传输衰减增大和信号的不稳定性增加。有时在一幢大楼或同一层楼上，由于来自不 华北电力大学硕士学位论文 同的馈电系统、不同的电源插座或设备安装在不同的地方，都会引起衰减的剧烈变化。 我国地域辽阔，不同省、市、地区和住宅小区之间，配电设施千差万别，在一个配 电系统经过测试调整以后可以提供的电力线通信服务，在另一个配电系统则可能行不 通。兼容性问题也很突出。 电力线通信应用的具体技术： 由于电力网不是为传输高速数据而设计，在利用电力线作为传输媒介的通讯过程中 就会出现信号衰减不稳定，电力线阻抗变化范围大，脉冲噪声多等不利因素。国外一些 芯片设备厂商和组织研发出多种技术来消除这些不利因素。 我国在这方面技术比较落后，一些先进核心技术需要从国外引进。由于国情比较复 杂，同国外情况又存在着许多差异，这就要求我们引进技术要适合国内发展，并且要对 相关技术做出适当的修改。 电力线通信接入网采用的是一个共享带宽的技术，并不能保证每个用户拥有一个相 对稳定的有效带宽。电力线通信系统带宽利用率低，这就影响用户获得所需带宽的服务。 对于这一障碍，目前电力线通信运营商只有两种选择：一是限制用户数；二是随着用户 数增加而让用户承受带宽的下降。限制用户数，优点是可以保证用户具有一个相对稳定 的、满足需要的最小的带宽；缺点是，在繁忙时间内，一些用户将不允许使用该服务。 国外标准对不同业务限定了一定的用户数量。我国的电力线通信网络结构有所不同，用 户数量的限定显然也要对照具体国情做出修改。 1 4 4 电力线通信标准的制定 欧美及日本的电力线通信接入技术发展比较成熟，标准工作推进很快。目前，国际 上主要有两大电力线通信阵营，代表了电力线通信的两种发展模式： 以美国i n t e l l o n 公司为主导的“家庭插电联盟( h p a ) 。这种模式的电力线通信 只提供家庭内部联网，户外访问使用其他传统的通信方式。这一方面是由于美国a d s l 、 h f c 等技术和产品已经比较成熟和普及，更重要的是由于美国的低压配电变压器一般为 单相，平均只为5 、6 个用户提供供电服务，推广高速p l c 接入技术成本过高的缘故。 目前室内产品的较高速率是i n t e l l o n 公司的p o w e r p a c k e t 达到1 4 m b s 。家庭插电联盟 成立于2 0 0 0 年4 月，致力于创造共同的家用电力线网络通信技术标准。目前h p a 已发 展成为由9 0 家公司组成的企业集团，并选用美国i n t e l l o n 公司的技术作为统一技术标 准的原型。2 0 0 1 年6 月，h p a 发布了其标准的第1 个版本h o m ep 1 u gs p e c i f i c a t i o n l 0 ， 将数据传输速率定为1 4 m b s ，采用0 f d m 调制解调技术，m a c 层协议为c s m a c a 。该标准 定位于家庭内部网络应用，对户外高速电力线接入较少涉及。2 0 0 6 年3 月家庭插电联盟 宣布，该联盟今年已经在电力线通信标准领域取得重大进展，在2 0 0 6 年3 季度正式批 准其“指令与控制技术规范 一h p c c ，并在2 0 0 6 年4 季度正式批准其p l c “宽带接入 华北电力大学硕士学位论文 技术规范”。 开放式电力线通信欧洲研究联盟( t h eo p e np l ce u r o p e a nr e s e a r c ha 1 l i a n c e ) 。 它是由欧盟支持的最早制订电力线通信宽带接入标准的机构，主要是制订统一的欧洲标 准。这种模式主要研究电力线通信在i n t e r n e t 高速接入网方面的应用，主要面向亚太 和欧洲市场。亚太和欧洲地区的低压配电网结构比较类似，一般为2 0 0 至3 0 0 个用户提 供供电服务，推广高速p l c 接入服务平均成本较低。该应用模式提供自配电变压器或楼 边至用户家庭的全面p l c 解决方案。由于室外产品同室内产品的使用环境不同，技术上 实现起来难度较大，因此，目前能够提供该种方案的公司数量较少，主要有西班牙d s 2 公司、瑞士a s c o m 公司、以色列的m a i n n e t 公司等。这几家公司在欧洲的西班牙、德 国、奥地利、法国和亚洲的韩国、新加坡、香港等国家和地区建有实验网络。o p e r a 在 2 0 0 5 年底就完成了大部分电力线通信接入标准的制订，2 0 0 6 年2 月宣布正式批准全球 第一个开放式电力线通信接入技术规范，即“宽带电力线接入标准。该标准的制订得 到了欧盟的支持，由来自o p e r a 的3 5 个机构( 包括1 0 所大学) 的业内专家历经两年的 努力得以完成。o p e r a 声称，该电力线通信技术规范的制订将促进高速、低成本的话音、 视听业务，以及配电控制与管理业务的规模应用。 尽管各有特点，但是包括上述两大联盟在内的各个组织制定的标准并不是独立的， 制定时互相参照、相互借鉴，存在兼容性，例如都以o f d m 为主要技术，采用树型或环 型构架网络结构。正因如此，国际标准组织i e e e 于2 0 0 5 成立了p l c 工作组p 1 9 0 1 ，旨 在推动电力线宽带接入技术统一标准的制定工作，提出一个通用的全球标准。最近几个 主要的p l c 行业联盟已经提出了各自的标准草案，有待进一步讨论。 随着电力线通信关键技术的不断发展，一些原有的制约瓶颈正在逐步解决，电力线 接入技术的竞争力也越来越强，制定适合我国国情的电力线通信标准，己成为提高电力 线通信市场竞争力，开拓应用市场和推广电力线通信技术的迫切需要。 电力线通信国家标准的制定是我国电力通信行业与世界接轨的需要。我国加入w t 0 以后，必须尽快制订国家的相关标准，以及其他的一些配套标准，并以此完善和规范电 力线通信市场的各个环节，使我国电力通信产业顺利与国际接轨。我国与国际上一些市 场推广较好的国家相比，电力线通信市场规模比较小，应用的地区比较少。各地区应用 的基础环境不同，在网络铺设、设备使用方面也不一样，没有一个统一的国家标准，制 约了电力线通信在我国的发展。 电力线通信国家标准的制定还是新形势下信号调制、网络铺设、噪声抑制等技术不 断发展的需要。目前数字信号通信理论不断发展，各种新的信号调制技术不断涌现。新 的数字信号调制技术克服了原有的一些弊端，可以在一些恶劣的信道中有效应用，推动 了在电力线中传输电子信号技术的发展，这些都为电力线通信标准的制定提供了必要 性。 6 华北电力大学硕士学位论文 适合国情的电力线通信标准的制定有利于推动我国的电力线通信事业发展。目前我 国电力线通信设备生产厂商比较少，制造的设备中一些核心芯片还需要从国外引进，不 具备一些核心技术。国外的应用情况和我国不同，简单的引进有时不能满足实际的需要。 国家标准的出台有利于生产企业研发适合我国国情的产品，提高企业自主创新能力，使 我国电力通信事业可以掌握自己的核心技术，赶超国际先进水平。 国家标准的出台有利于形成统一有序开放的应用市场。由于各地区电力线通信使用 的依据不同，网络铺设和性能表现往往不同，造成电力线通信市场的分割，不能在全国 范围进行统一推广。应用国家标准可以统一各地区使用情况，有助于市场融合，在全国 范围形成统一的市场。此外，由于各地区实际使用效果不同，电力线通信和其它传统通 信技术对比时优势并不明显。国家标准有利于正确有效地评价电力线通信使用效果，有 利于提高电力线通信同其它传统通信方式的竞争力。 我国在电力线通信技术标准化方面的研究还处于起步阶段，如何根据我国实际需要 以及信息传输等相关国际和国家标准，形成能够满足实际应用要求的电力线通信系统测 试方法和测评系统还有大量的工作要做。2 0 0 3 年9 月，国电通信中心与中电联标准化中 心签订了标准项目合同作为用户接人的低压电力线通信技术规范，旨在从电力行业 的角度，对电力线通信产品和网络等各方面进行管理。2 0 0 4 年1 2 月，国家电网公司启 动电力线通信安全问题的研究项目，将对电力线通信系统的传输性能、系统功能、网管 功能、电气安全性能以及电磁兼容性能的测试方法和实验手段进行深入研究，提出电力 线通信系统性能的测试方法，建立电力线通信系统性能评测系统，对不同调制技术和网 络结构的电力线通信产品进行测评，分析现有产品存在的主要问题，提出技术改进措施， 最终形成实用化电力线通信产品及系统的技术条件，提出电力线通信系统的国家电网公 司企业标准。 1 5 本论文的主要研究内容 本文的主要研究内容包括： 研究和总结国际相关电力线通信标准，理解其标准制定的思路，标准制定的方向和 内容涉及的相关方面。针对我国远程抄表系统的使用概况提出一个电力线通信标准框 架。 深入讨论电力线通信标准框架。按照分层的思想对网络相关方面进行了详细论述。 将电力线通信应用于远程抄表系统时会产生一些特定问题，这些问题制约着电力线 通信在远程抄表系统中的应用。对其中网络可靠性，中继器的应用和中继算法优化信道， 系统抄准率以及网络管理系统等主要问题进行研究和论述。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电力线通信标准简述 电力线通信标准的制定将促进行业的发展和技术的进步。目前，“家庭插电联盟 ( h p a ) 和开放式电力线通信欧洲研究联盟是电力线通信标准制订的主要发起者。两个 联盟标准的制定方向不同，“家庭插电联盟( h p a ) 的标准主要着眼于家庭内部联网， 而开放式电力线通信欧洲研究联盟则重点关心电力线通信在i n t e r n e t 高速接人网上的 应用。但两种标准并不独立，制定时相互借鉴，存在兼容性。下面将分别叙述两种不同 标准。 2 1 欧洲标准 开放式电力线通信欧洲研究联盟( o p e r ao p e np l ce u r o p e a nr e s e a r c ha 1 1 i a n c e ) 致力于开发新一代电力线通信访问标准，推进低成本、高性能宽带访问电力线通信的 应用。该项目当前拥有3 7 位合作伙伴，包括电力公用事业公司、o e m 制造商、技术提 供商、大学、工程和咨询公司以及电信运营商。o p e r a 由欧盟第6 项研发框架计划( f p 6 ) 联合提供资金支持，专门解决t e c h n o l o g i e sd i r e c t o r a t eg e n e r a l 的“所有人的宽 带 这一主题。o p e r a 下属两大标准组织p u a 和u p a ，p u a 组织把焦点主要投放到欧洲市 场，而u p a 组织考虑更多的是在全球市场的推广。2 0 0 6 年，p u a 联合u p a 一起代表o p e r a 向国际标准组织i e e e 提交了一份关于电力线通信接入的技术和功能需求标准草案，现 简述如下： 2 1 1 三种主要的电力线通信网结构 标准组织在划分不同类型网络结构时把各种住宅结构做了高度概括和抽象，不再区 分普通住宅楼、学校教学楼、写字楼以及宾馆等，而是统一概括为复合住宅单元 ( 叫l t i d w e l l i n gu n i t s ，m d u s ) 。依据复合住宅单元稠密度把网络主要划分为以下三 种情况： ( 1 ) 高密度区的电力线通信网 在高密度区，复合住宅单元数量比较多，同一低压配电区下的多个复合住宅单元可 以共享一个支撑主干网。这种结构不仅可以只在低压配电网中使用，也可以在中、低压 配电网中共同使用。在高密度区，电力线通信接入技术可以有效替代x d s l 及同轴电缆等 其他接入手段，具备很强的市场竞争力。 ( 2 ) 低密度区的电力线通信网 在低密度区，复合住宅单元数量较少，同时其他的接入手段如x d s l 、光纤接入或者 同轴电缆接入由于受到技术或者地域等其他制约因素无法提供宽带接入，电力线通信就 可以成为一种非常便捷的接入手段来满足用户需求。同高密度区一样，这种结构不仅可 r 华北电力大学硕士学位论文 以只在低压配电网中应用，还可以在中、低压配电网中共同使用。 ( 3 ) 独立住宅单元区的电力线通信网 在独立住宅单元区，由于用户较少和其他接入手段匮乏，电力线通信可以成为主要 的便捷而又经济的接入手段。独立住宅单元内的用户还可以实现高速互联。在这种情况 下，电力线通信接入网只是在低压配电网中使用。 尽管应用的环境不同，标准指出一般情况下都假设在同一个低压配电网中只有 一个电力线通信网工作( 不存在i nh o m e 网络) ，但电力线通信网中可以包含其他的电 信网络( 如x d s l ，无线接入等) 。 2 1 2 网络性能的要求 标准对电力线通信网的性能要求比较高，涉及到的使用方面很广泛。 ( 1 ) 对于个人用户需求： 。 提供的i n t e r n e t 接入服务不仅能够满足一般的网页浏览和阅读，还必须能够满足 较大文件( 如电影和高分辨率的图像) 的快速上传和下载； 支持受保障的低时延数据连接( 如在线游戏) ，满足一些商业用户对低时延的需求； 能够开展有质量保证的v o i p 服务，在同一个用户下可以开通一条或多条v o i p 话路， 并且保证话路质量不低于在其他接入手段( 如x d s l ，同轴电缆) 中应用的质量； 支持高速音频数据流业务，如i p t v ，电视会议和v o d 服务等； 支持智能家居服务( 如家电自动一体化和智能安全防护) 等。 ( 2 ) 对于社区公共事业需求： 电力线通信网应能满足远程抄表服务，计时，远程控制：交通灯监测和公共照明控 制等服务。 ( 3 ) 在满足各种应用需求的同时，电力线通信网还要满足： 使用的各种设备应该具有兼容性，不仅可以在外部信号接入中使用，还应能在家庭 内部电力线通信网中使用： 网络自身还应能适应时变的电力线通信信道，避免因部分低压配电网的损坏导致整 个网络的瘫痪： 能够最大化的利用一切可用网络资源； 针对带宽，时延，出错率需求不同的各种应用服务，能够提供q o s 级别： 网络的安全性能够保障，用户信息在传递过程中能得到保密； 具备开放性，能够允许多个服务商同时在网络中提供服务；提供统一的接口标准， 使不同生产厂商的设备能够在同一网络中互联使用；能够传输现有的其他电信接入网数 9 华北电力大学硕士学位论文 据帧格式，与其他接入网做到无缝隙融合，充分互补，取长补短； 尽量简化网络结构，减少设备使用数量，降低整个网络的功耗， 装，维护和扩展： 能够实现远程网络配置，通过重新起动能使网络重新配置参数， 决网络节点间的干扰，具备完善灵活的拥塞解决机制； 同时使网络便于安 能够自动监测和解 当用户数量或服务种类增加时，能够方便的进行网络升级和扩容： 满足相关的e m c 规定。 以上提及的各个方面是针对电力线通信网整体而言，不同使用环境下的电力线通信 网对其各种应用的性能指标有所不同： ( 1 ) 高密度区电力线通信网络性能指标： 在低速网络接入条件下，对个人用户性能要求如表2 1 ： 表2 1 低速网络接入的性能 应用方面服务类型 需求程度要达到的性能 达到5 m b s 下行速 率，l m b p s 上行速率：最少 具备1 m b p s 下行带宽和 i n t e r n e t 接入最优化要求 0 5 m b p s 上行带宽；无拥 塞时最大端到端延时不 超过1 0 0 m s 当上行和下行带宽达到 i n t e r n e t 接入保证延时要求o 1 m b p s 时端到端最大延 时不超过1 5 m s i n t e r n e t 接入保证带宽 不要求 端到端最大延时不超过 v o i p 要求5 0 m s ；最高出错率不超过 1 视频音频传输音频不要求 视频音频传输视频不要求 家电自动一体 家庭智能化要求 化，家庭安全 在高速网络接入条件下，对个人性能要求如表2 2 ： 表2 2 高速网络接入条件 1 0 华北电力大学硕士学位论文 应用方面服务类型需求程度要达到的性能 达到2 0 m b s 上下行速率； 最少具备1 m b p s 上下行带 i n t e r n e t 接入最优化要求 宽；无拥塞时最大端到端 延时不超过1 0 0 m s 当上行和下行带宽达到 i n t e r n e t 接入保证延时要求0 1 m b p s 时端到端最大延 时不超过1 5 m s i n t e r n e t 接入保证带宽要求 带宽保证在2 m b p s 一5 m b p s 端到端最大延时不超过 v o i p 要求5 0 m s ；最高出错率不超过 1 可以传输高保真品质的 视频音频传输音频要求 日州 可以传输标准格式的视 视频音频传输视频 要求 频 家电自动一体可以提供基于i n t e r n e t 家庭智能化要求 化，家庭安全的服务 在高密度区电力线通信网对于社会公共事业的性能要求如表2 3 ： 表2 3 社会公共事业需求 要达到的性 应用方面服务类型需求程度 能 远程抄表，信息广具备双向低 社会公共事业需求 播，远程控制速率信道 计时，交通灯监测 社会公共事业 需求 和公共照明控制 ( 2 ) 低密度区电力线通信网络性能指标： 在低速网络接入条件下，对个人用户性能要求如表2 4 ： 表2 4 低速网络接入的性能 应用方面服务类型需求程度要达到的性能 达到2 m b s 下行速 率，1 m b p s 上行速率；最少 i n t e r n e t 接入 最优化 要求具备0 5 m b p s 上下行带 宽；无拥塞时最大端到端 延时不超过1 5 0 m s i n t e r n e t 接入保证延时要求当上行和下行带宽达到 华北电力大学硕士学位论文 0 1 m b p s 时端到端最大延 时不超过3 0 m s i n t e r n e t 接入保证带宽不要求 端到端最大延时不超过 v o i p 要求l o o m s ；最高出错率不超过 1 视频音频传输音频 不要求 视频音频传输 视频不要求 家电自动一体 家庭智能化 要求 化，家庭安全 在高速网络接入条件下，对个人性能要求如表2 5 ： 表2 5 高速网络接入条件 应用方面服务类型需求程度要达到的性能 达到2 0 m b s 上下行速率： 最少具备l m b p s 上下行带 i n t e r n e t 接入最优化要求 宽；无拥塞时最大端到端 延时不超过1 0 0 m s 当上行和下行带宽达到 i n t e r n e t 接入保证延时要求0 1 m b p s 时端到端最大延 时不超过1 5 m s 工n t e r n e t 接入保证带宽要求带宽保证在l m b p s 一5 m b p s 端到端最大延时不超过 v o i p 要求1 0 0 m s ；最高出错率不超过 1 可以传输高保真品质的音 视频音频传输音频 要求 频 视频音频传输视频 要求可以传输标准格式的视频 家电自动一体可以提供基于i n t e r n e t 家庭智能化 要求 化，家庭安全的服务 在低密度区电力线通信网对于社会公共事业的性能要求如表2 3 ： 表2 6 社会公共事业需求 要达到的性 i 应用方面服务类型 需求程度 再e 1 2 华北电力大学硕士学位论文 远程抄表，信息广具备双向低 社会公共事业需求 播，远程控制 速率信道 计时，交通灯监测 社会公共事业 需求 和公共照明控制 ( 3 ) 独立住宅单元区电力线通信网络性能指标： 独立住宅单元区用户较少，一般只提供一种速度的网络接入，对于个人用户的性能 要求如表2 7 表2 。7 独立住宅单元区个人用户性能要求 应用方面服务类型需求程度要达到的性能 达到2 0 m b s 上下行速率： 最少具备1 m b p s 上下行带 i n t e r n e t 接入最优化要求 宽；无拥塞时最大端到端 延时不超过1 0 0 m s 当上行和下行带宽达到 i n t e r n e t 接入 保证延时 要求o 1 m b p s 时端到端最大延 时不超过1 5 m s i n t e r n e t 接入保证带宽要求带宽保证在l m b p s 一5 m b p s 端到端最大延时不超过 v o i p 要求l o o m s ；最高出错率不超过 1 可以传输高保真品质的音 视频音频传输音频要求 频 视频音频传输视频要求可以传输标准格式的视频 家电自动一体 可以提供基于i n t e r n e t 家庭智能化 要求 化，家庭安全的服务 在独立住宅单元区电力线通信网对于社会公共事业的性能要求如表2 3 ： 表2 8 社会公共事业需求 要达到的性 应用方面服务类型需求程度 能 远程抄表，信息广 具备双向低 社会公共事业需求 播，远程控制速率信道 计时，交通灯监测 社会公共事业需求 和公共照明控制 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3 设备配置方案 ( 1 ) 高密度区配置方案： 中压配电网中往往以3 到4 个中低压变电站划分为一个中压区，每个中压区可以直 接和主干网连接或者中压区和主干网串联成环状结构。 低压配电网每个低压变电器下可以使用3 至2 5 个中继器，放置l 到3 个头端电力 线通信设备，可以支持平均2 5 0 个用户。 ( 2 ) 低密度区配置方案： 中压配电网中往往以2 到3 个中低压变电站划分为一个中压区，每个中压区可以