（机械制造及其自动化专业论文）基于电力线载波通信技术的照明控制系统的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 每年的照明耗电相当于全球1 7 的发电量，2 0 0 4 年中国照明耗电约为2 1 8 7 亿千瓦时， 相当于三峡水力发电工程建成后，年发电能力8 4 0 亿千瓦时的近3 倍。因此，通过改变落后 的照明控制方式来节约能源是可行的。本文提出一种基于电力线载波通信技术的适用于中小 规模照明系统、成本低廉、性能可靠的控制系统，以对照明控制方式的改变起到有益的作用 鉴于电力线作为通信信遒的复杂性，论文分析了电力线载波通信的信道特性，构建了硬件两 层、逻辑动态多层的系统层次结构，提出了系统的总体设计方案。在此基础上分别设计了照 明控制系统的硬件和软件部分。最后对照明控制系统进行了测试实验。 第一章介绍了电力线载波通信技术的定义、分类、优缺点和发展过程，总结了电力线载 波技术、照明技术和路由算法等方面的研究现状，最后给出了论文的总体框架结构。 第二章分析了电力线载波通信信道的噪声、阻抗和衰减特性，得出这些特性均具有时变 性和随机性的结论。在分析了现有的三种类型的电力线载波通信系统的层次结构的基础上， 构建了本系统所采用的硬件两层、逻辑动态多层的层次结构。 第三章提出了照明控制系统的总体方案，选择了基于电力线载波通信的照明控制系统的 适用载波技术和载波芯片，并设计了主机和终端的硬件电路，其中重点介绍了载波模块的设 计。 第四章针对电力线信道环境的变化规律，分别设计了适应周期性变化的电力线信道环境 的定期更新路由算法，以及适应随时间缓慢变化的电力线信道环境的动态更新路由算法。 第五章在分析现有的几种电力线载波通信协议的基础上，参照o s i 模型设计了照明控 制系统的通信协议。设计了主机a t 8 9 c 5 1 r c 、主机p l 3 1 0 5 和终端p l 3 1 0 5 等芯片的驱动程 序，其中着重介绍了通用的载波收发程序的设计。 第六章对完成设计的照明控制进行测试，为便于发现问题，测试工作按从模块到整体的 思路逐步进行。最后采用仿真对路由算法的工作过程进行模拟，证明了路由算法的有效性。 第七章对全文的研究工作进行了回顾和总结，归纳了本文的主要研究成果，并对今后的 研究工作作出了展望。 关键词：电力线载波通信照明控制系统路由算法通信协议p l 3 1 0 5 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i g h t i n gc o n s u m e s1 7 e l e c t r i c i t yg e n e r a t e di nt h ee a r t he v e r yy e a r i n2 0 0 4 ，2 1 8 7b i l l i o n k w he l e c t r i cp o w e rw a su s e di nl i g h t i n g , a n di ti sa l m o s ta st h r e et i m e sa st h et o t a le l e c t r i c i t y g e n e r a t e db ys a n x i aw a t e rp o w e rp l a nw h e ni tw i l lb ec o m p l e t e d s oi ti sa d v i s a b l et os a v ee n e l g y b yi m p r o v i n gt h ee x i s t i n gl i g h t i n ge o n 廿o ls y s t e m al i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mu s i n gp 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 y , w h i c hi sl o wc o s t , h i g hr e l i a b i l i t ya n ds u i t sm e d i u mo rs m a l l s c a l e l i g h t i n gs y s t e m , i sd e s i g n e di n t h i sd i s s e r t a t i o nt od os o m ec o n t r i b u t i o ni n t h ep r o c e s so f i m p r o v i n gt h ee x i s t i n gl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m b e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t yw i t hu s m gp o w e rl i n e a sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l , t h ec h a r a c t e r i s t i co fp o w e rl i n ei sa n a l y z o d , s y s t e ms t r u c t u r ew h i c h c o n s i s t so f d o u b l el a y e r si nh a r d w a r ea n dd y n a m i cm u l t i p l el a y e r si nl o g i ci sb u i l t , a n dt h ed e s i g n p l a ni sp r o p o s e d a f t e rf i n i s h i n gt h o s ew o r k s , t h eh a r d w a r ea n ds o r w a r eo ft h el i g h t i n gc o n t r o l s y s t e ma 托d e s i g n e d a tl a s t , t e s to nl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mi sc o n d u c t e d i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ed e f i n i t i o n ，c l a s s i f i c a t i o n ，a d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n dd e v e l o p m e n t h i s t o r ya r ei n t r o d u c e d t h er e s e a r c hs t a t u so fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , l i g h t i n g t e c h n o l o g ya n dm u t i n ga l g o r i t h m a r es u m m a r i z e d t h ef i l t m eo f t h i st h e s i si sp r e s e n t e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ef e a t u r eo fn o i s e ，i m p e d a n c ea n ds i g n a la t t e n u a t i o no fp o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e la r ea n a l y z e d t h ec o n c l u s i o no f t i m ev i b r a t i o na n dr a n d o m c i t yi sd r a w n o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo ft h r e ek i n d so fs y s t e m su s i n gp l ct e c h n o l o g y , t h e s y s t e ms t r u c t u r ew h i c hc o n s i s t so f d o u b l el a y e r si nh a r d w a r ea n dd y n a m i cm u l t i p l el a y e r si nl o g i c i s b u i l l i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ed e s i g np l a ni sp r o p o s e d ，t h es p r e a ds p e c t n mt e c h n i q u ea n dp l cc h i p u s e di nl i g h t i n gc o n t r o ls 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 na r ec h o s e n t h eh a r d w a r eo f m a s t e fa n dt e r m i n a la r ed e v e l o p e dw h i l ee m p h a s i si s p l a c e do np o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n m o d u l e i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t oc o p ew i t ht h ed i f f e r e n c eo f p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t , t h et i m e - f i x i n gu p d a t er o u t ea l g o r i t h mt h a ts u i t st h ee n v i r o n m e n tw i t hb i gv i b r a t i o ni ne x a c tt i m e p e r i o da n dt h ed y n a m i cu p d a t er o u t ea l g o r i t h mw h i c hs u i t st h ee n v i r o n m e n tw i t hc o n t i n u o u ss m a l l v i b r a t i o na r ed e s i g n e d i nt h ef i f t hc h a p t e r , o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h ec u r r e n tp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sa n dr e f e r e n c et oo s lm o d e l ，t h ep r o t o c o lf o rl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do np o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o ni sd e s i g n e d t h es o f t w a r eo f m a s t e ra n dt e r m i n a la d e v e l o p e dw h i l ee m p h a s i si s p l a c e do np o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e i nt h es i x t hc h a p t e r , t h et e s to f l i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do i lp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni s i i 浙江大学硕士学位论文 c o n d u c t e da n dt h et e s ti sf r o mm o d u l et os y s t e m a tl a s t , t h em e t h o do f s i m u l a t i o ni su s e dt op r o v e t h eu t i l i t yo f r o u t ea l g o r i t h m i nt h es e v e n t hc h a p t e r , t h ew o r ko f t h et h e s i sa n df u t u r er e s e a r c ha r es u m m a r i z e d 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 n , l i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m , r o u t ea l g o r i t h m ， c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，p l 310 5 学号墅纽鲤仝 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘生或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：彳奄袈岛 签字日期：9 锌多月护e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：夼天臼 签字日期：抛萨占月驴日 导师躲了嬲新 签字日期： 口6 年，月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话： 通讯地址： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 i 摘要l 本章介绍了电力线载波通信技术的定义、分类、优缺点和发展过程，总结了电力线 载波通信技术、照明技术和路由算法等方面的研究现状，最后给出了论文的总体框架结构。 1 1 引言 电力线载波通信。英文简称p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) ，是利用电力线载波实现 信息传递的通信方式的统称 j 1 2 l 。该技术将载有信息的高频信号加载到电力线上，用电力线 进行数据传输，通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来，传送到终端 设备 3 1 。 电力线载波通信具有诸多优点h h q ： ( i ) 应用范围广民用电力线是世界上最普及的网络。p l c 可以轻松地渗透到输电网 络到达的每个角落，为现代家庭智能化和互联网的发展提供广阔的空间。 ( 2 ) 实现成本低。可以有效地利用已有的输电网作为信号传输线路，不用额外铺设线 路，从而大大减少投资，节约了成本；而且避免了因铺设线路带来的一些问题，如由于开凿 线槽带来的装修破坏。 ( 3 ) 永久在线。设备接入电源就等于接入了网络，因此利于构建保安监控系统、医疗 急救系统等需要2 4 h x 7 d 在线的系统。 它在未来几年有着极其诱人的前景和潜在的巨大市场，但也存在着不足之处，由于电力 线是用来传输电能的，其上各种各样负载的接入和断开具有随机性，造成收，发信机的输出 阻抗和输入阻抗很难和线路的阻抗匹配，信号衰减严重，同时也成为噪声来源特别是我国 的低压输电网络存在用户多、接线方式不一致、线径细、屏蔽不好，电气设备的电磁兼容标 准低等问题这些特点导致国内电力线的通信参数与国外有所不同，许多国外的p l c 产品 无法直接应用于中国的工程实践中。 p l c 技术按不同标准可以进行如下分类1 9 1 ： ( i ) 从占用频率带宽角度，可分为窄带p l c 和宽带p l c 具体载波频率范围在不同的 国家有不同的标准，窄带p l c 的频率范围在美国为5 0 4 5 0 k h z ，在欧洲为3 1 4 8 5 k h z ， 在中国为4 0 4 5 0 k h z 。宽带p l c 的载波频率范围在美国为4 2 0 m - l z ，欧洲电信标准组织 ( e t s i ) 的标准为1 6 i o m h z ( a c c s ) 和1 0 3 0 m h z ( i n - h o u s e ) ，欧洲电工标准化委员 会( c e n e l e c ) 的标准分界点为1 3 m h z ，中国尚无宽带p l c 的标准。 ( 2 ) 从实现的通信速率来看，可分为低速p l c 和高速p l c 一般以2 m b i t s 为分界线 通常窄带p l c 等同于低速p l c ，宽带p l c 等同于高速p l c 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 - 2 电力线载波通信技术的发展过程 早在1 8 3 8 年，英国的e d w a r dd a v y 就通过电力线来检查伦敦到利物浦之间处于无人居 住区的电报传输系统的供电电池的电压；在1 8 9 7 年，英国的j o s e p hr o u t i n 和c e l b r o w n 申请了电力线信号电表专利；美国的c h e s t e r t h o r a d s o n 在1 9 0 5 年申请了关于远程抄表系统 的专利l l o l 。 通过高压电网进行声音信号传送的c f t ( c a r r i e rf r e q m c yt r a n s m i s s i o n ) 技术始于2 0 世 纪2 0 年代。分布广阔的电网提供一条了双向通信信道，在那个时期，电话线网络的覆盖范 围并不广阔，而高压电网具有低噪声的特性，加上相对较高的载波频率( 1 5 - - 5 0 0 k h z ) ，就 能使得功率为1 0 w 的信号的通信距离达到9 0 0 公里。这对于高压电力网的管理和监控来说 具有重要意义，例如实现变压站和电厂之问的通信。在开始阶段，只用于传输语音信号，后 来实现了遥测和遥控i l “。 与此同时，r c s ( r i p p l ec a r r i e rs i g n a l i n g ) 技术开始应用于中低压电力网r c s 技术的 最早应用实例是1 9 3 0 年西门子公司在德国波茨坦建立的t e l e n e r g 工程i 】”r c s 系统最初是 为了实现负荷管理功能，它只能实现单向数据信号传输。r c s 系统由于工作在较低的频率 段( 1 2 5 3 0 0 0 h z ) ，所以注入的载波信号在中低压电网上的信号衰减很小，并且能够跨越 变压器传输。但是，电力线网的输入阻抗在低频段也比很小，因此相对于c f t ，r c s 发送 器需要更大的信号功率，一般应用范围在l o 1 0 0 k w 之间。 1 9 8 4 年建立的e n e n n e tm e l k o t m 系统也应用了r c s 技术，它采用了更高效的p s k 调制方式，提高了数据传输率( 达到5 0 b i t s s ) ，并能够进行双向数据传输，频带范围为3 0 2 5 4 8 2 5 h z ，载波信号可以跨越变压器传输，信号功率也相应减小。该系统主要用于远程抄表 和负荷管理。与此相应的系统有a b b 公司的d l c - m t m 和r m s 公司的p o w e r n e t t m 他 们载波频率范围为l o l o o k h z ，因此，所需的信号传输功率比m e l k o t m 更小，但是需要 增加旁路装置才能跨越变压器”。 随着集成电路技术的发展，p i c oe l e c t r o n i c s 公司发明了第一款应用于家庭的低价格的电 力线通信模块x 1 0 。x 1 0 模块的载波频率达到1 2 0 k h z ，它在每一次交流电过零点时传输一 个比特的数据，所以其最大传输速率为6 0 h s ( 电网工频为6 0 1 - 1 z ) 或5 0 b s ( 电网工频为5 0 h z ) 1 1 ”。目前有大约有l o 家公司在生产与x 1 0 相兼容的用于家庭自动化的控制模块。针对x 一1 0 模块的数据传输率较低的问题，稍后市场上又出现了能够提供更高数据率，控制功能更加强 大的电力线载波通信系统，如l o n w o r k s 和c e b u s ! ”j 。 英国的n o r w e b 公司于1 9 9 0 年开始电力线载波通信的研究，并从1 9 9 5 年起与加拿大北 电网络合作共同开发此项技术。1 9 9 7 年这两家公司新开发的数字电力线载波技术d p l ( d i g i t a lp o w e rl i n e ) 实现了在低压输电网上以i m b i t s 输率进行的远程通信。从那时起， 许多公司开展了高速p l c 的研发工作，如德国的r w e 、e n b w 、m v v 、e w n 、e o 、s h ， 奥地利的t i w a g 、l i n zs t r o m 、e v n 。意大利的e n e l ，西班牙的e n d e s a 、u n i o nf e n o s a ， 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 l b e r d r o l a 。葡萄牙的e d p ，英国的s s e 和法国的e d f 。产品包括主要用于家庭联网和高速 接入两大类产品，传输速率从1 m b i t s 到2 m b i f f s ，1 4 m b i t s ，4 5 m b i f f s 直至2 0 0 m b i f f s m 随着p l c 的快速发展，相关国际组织也越来越多。当前电力线高速通信的国际组织主 要有h p a ( h o m e p l u g a l l i a n c e ) 、p l cf o r m 、o p e r a ( o p e np l ce u r o p e a nr e s e a r c h a l l i a n c e ) 、 u p l c ( u n i t e d p o w e r l i n e c o u n c i l ) 以及日本的e c h o n e t 等。所有这些国际组织都由研究 机构及厂商共同组成，其中比较具有影响力的有h p a 、p l cf o r u m 和o p e r a h p a 现已发展成为由近百家公司组成的联盟，中国电力科学研究院是该组织的成员， 它致力于创造共同的电力线网络通信技术标准。2 0 0 1 年5 月7 日h p a 结束了为期半年的p l c 现场试验，在美国和加拿大进行的5 0 0 户室内联网和1 0 0 0 0 次插座至插座的连接测试取得了 圆满成功1 4 j 。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 e p l u g1 0s p e c i f i c a t i o n ， 采用o f d m 调制解调技术，m a c 层协议为c s m a c a l l 4 1 ，数据传输速率定为1 4 m b i f f s 。2 0 0 5 年4 月h p a 批准了h o m e p l u g a vs p e c i f i c a t i o n ，并在同年9 月发布了详细的技术文件，采用 t d m a 和c s m a 接入技术，物理层数据速率达到2 0 0 m b i t s 【l ”。 p l cf o r u m 于2 0 0 0 年在瑞士成立。该论坛的目标是为所有对p l c 感兴趣的制造商、客 户，研究人员以及政府机构提供一个平台，促进他们交流和丰富有关p i c 的知识。该论坛 的市场目标是提供包括户外接入和户内联网在内的全面p l c 解决方案。p l cf o r u m 不制定 标准，但致力于将会员的提议提交给国际标准化组织，并通过努力，使其成为标准1 1 6 】 o p e r a 是由欧盟资助并由d s 2 等多个欧洲研究机构及厂商组成的组织，其主要目的是 开发下一代用于本地接入的高速p l c 技术1 1 ” 在上世纪五十年代，国内也开始了电力线载波通信技术的研究。在相当长的一段时间内， 我国的p l c 研究基本上应用于电力行业内部，它用来传输电网调度管理所需的远程信息及 低速率的语音通信。近年来，随着数字电子技术的发展，我国传统的p l c 技术也开始向数 字化方向发展。在电力部门的支持下，p l c 在水、煤气、电表三表的远程自动抄表应用已 经实用化。多家公司从事相关的p l c 模块和智能仪表的开发和生产，北京智源利和微电子 技术有限公司和北京福星晓程公司分别推出了国产的电力线扩频载波芯片s c l l 2 8 和 p l 2 0 0 0 p l 2 1 0 1 p l 3 1 0 5 。 中国电力科学研究院于2 0 0 0 年5 月在华北电力大学和中国电力科学研究院家属区测试 了该公司的e m a g i c 3 0 0 0 产品，实际测试速率达到1 m b w 。国电通信中心从2 0 0 1 年1 2 月起 采用不同的p l c 产品和不同的p l c 组网方案在北京的一些小区开通了p l c 试验网，并接入 到中电飞华i m e m e t 出口。截止到2 0 0 5 年5 月底，由国电通信中心组织、中电飞华公司实 施的北京电力线宽带接入试验网已经覆盖居民小区5 0 0 多个，接入楼宇近4 0 0 0 栋，开通用 户4 0 0 0 0 余户，目前正以每月开通3 0 0 0 多户的速度推进【l 珥。 1 3 电力线载波通信技术研究现状 目前，对于电力线载波通信技术的研究主要集中在信道特性和调制技术两方面。 3 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 1 信道特性的研究 影响电力线载波通信信道特性的因数主要包括阻抗特性、衰减特性和噪声特性。华中科 技大学的张有兵等人采用自行设计和研制的测量系统对低压电力线用做高频通信网络时的 电气特性，包括输入阻抗特性、信号衰减特性和系统的噪声特性等，进行了大量的试验研究， 并在此基础上建立了一个将低压电力网用做高频载波通信信道的模型【l ”清华大学的王乔 晨等人讨论了低压输电网电力线噪声测量方法，噪声分类、特性及产生原因，并给出了2 4 h 的连续观测结果。通过实验，研究了各种噪声对扩频通信传输效果的影响i 埘j 清华大学的 赵宇明等人从传输线理论出发，通过分析等效负载阻抗在复平面上的变化规律。讨论了3 种典型连接形式的电力线高频阻抗特性。指出了在高频载波的条件下，传输线的策动点阻抗 与负载阻抗特性变化的关系，为进一步讨论大规模输电网阻抗特性提供了分析方法j 清 华大学的郭静波等人讨论分析了低压输电网信号传输的衰减特性，群时延特性与噪声特性， 针对其一般传输特性提出了设计扩频通信系统时的补偿对策吲日本的t a n a k a 对一幢六层 高面积大约5 0 0 m 2 的实验研究大楼在1 0 k h z - 1 0 0 m h z 频率范围内进行了配电线上的噪声功 率谱的实测，给出了噪声功率在不同频率范围内的变化规律田l 。英国的z i m m e r m a n n 等人 建立了电力线上高频信号的多径传播模型1 更多地。国外众多学者还分别针对电力线载 波通信信道在频域 2 ”r 1 2 s l 和时域1 2 9 1 - 1 3 1 1 上的特性分别进行了研究。 1 3 2 调制技术的研究 现在研究的应用于电力线载波通信的调制方式主要有扩频通信和正交频分( o f d m ) 。 复旦大学的柏灵巧等人通过研究基于扩频通讯技术的低压电力线载波通讯系统的算法和硬 件设计，利用成熟的m c u 技术和较少的硬件资源将复杂的扩频通讯技术应用于恶劣的低压 电力线通讯环境中，并获得了高可靠性的长距离数据通讯p 2 l 。西安交通大学的肖杰等人针 对低压电力线背景噪声大、信号衰减大的特点，提出了将d p s k 直接序列扩频应用于电力线 载波远程抄表系统的思想并完成了总体方案设计i “。中山大学的姜孝华等人采用线性扫频 扩频载波通信系统，引入脉冲前导码作为传输数据的同步信号以防止传播差错，并采用单片 机实现了该系统，研制了应用于列车行车状态监控器的电力线载波通信收发控制器m j 。浙 江大学的郭锐等人采用l m e l l o n 公司的扩频载波通信集成芯片s s cp 3 0 0 ，结合c e b u s 协议，描 述了电力线载波通讯在信息家电中的应用实例i ”j 。 湖北省电力公司的梅欣等人从测试和分析输电网高频传输特性入手，论述了正交频分复 用技术的理论基础，阐述了基于输电网环境的功率控制、自适应调制，通道均衡、抗符号间 干扰等关键技术，并介绍了一个实用化的输电网通信系统p 6 1 浙江大学的张有兵等人针对 o f d m 技术中的同步问题展开研究，分别对符号定时偏差、载波频率偏差和采样时钟频偏进 行了分析，得到了同步偏差对低压电力线o f d m 通信系统性能影响的定量指标，并结合实际 的低压电力线通信系统进行了仿真计算分析，为o f d m 同步方案的正确选择提供了定量参考 阳。清华大学的赵宇明等人在分析电力线信道特性的基础上。分析了采用离散导频技术的 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 信道估计算法的性能，针对其抗噪声干扰能力弱的特点，提出了通过截短时域冲击响应长度 来提高估计精度的算法，并用仿真计算证明了该算法具有良好的估计性能p ” 1 4 照明控制研究现状 自古以来，照明就在人类的活动中占有重要地位。从1 8 7 9 年美国发明家爱迪生发明了白 炽灯使人类进入电光源的照明的时代起，各国就在照明上消耗了大量的能源。据统计，全球 每年的照明耗电相当于发电量的1 7 。2 0 0 4 年，中国照明耗电约为2 1 8 7 亿千瓦时，相当于三 峡水力发电工程建成后，年发电能力8 4 0 亿千瓦时的近3 倍p 9 l 。然而在很多场合，由于管理 的不完善，照明灯具的使用经常处于无序状态下这种无序的状态，一方面会由于大量灯具 的不必要使用而导致能源浪费，另一方面也不利于在需要使用时及时地开启相应的灯具。对 于这些情况，人们正在寻求更合理的照明控制方式 现在的照明控制研究主要集中在两方面：城市路灯照明系统和建筑内部照明系统。 在城市路灯照明控制方面，我国已经历了从最初的手动开关路灯、后来的时钟控制( 由 单片机根据设定的固定时间进行控制) 和路灯控制仪控制( 由单片机根据日出日落时间控 制) 、直到现在的计算机远程控制等多个阶段在很多城市，路灯照明计算机远程控制系统 已经做到了三遥( 遥控、遥测和遥信) ，甚至是五遥( 三遥加遥调和遥视) 。实现远程控制的 途径在早期主要是有线控制、后期主要是无线控制。有线控制系统由于布线不方便，现在已 经较少采用。无线控制系统可以分为自建专用网络和租用运营商网络。自建网络投资大、维 护成本高，但可以自由实现各种专门的功能租用网络受运营商提供的增值服务种类限制， 但成本低、可靠性高l “。 在建筑内部照明控制方面，国外已有不少成熟的控制和管理系统。其中具有代表性的是 澳大利亚的邦奇和德国的a b b 。邦奇电子工程有限公司的分布式智能照明控制系统应用在 写字楼内，可以使楼内的照明实现：正常工作时间遵照相关的照明标准和节能法规，动态地 维持照明亮度，优化光照环境；下班后既能满足大楼管理人员和加班工作者的工作需要，又 不浪费能源1 4 “应用在演讲厅内或者酒店宴会厅内时，可以和音频、视频以及楼宇管理系 统相互连接，使灯光随着活动的进程在不同场景间切换h 2 1 1 4 5 1 。a b b 公司的e i b 智能照明总线 控制系统使用单一控制电缆配电与可编程的系统元件，实现了照明控制的智能化，改变了传 统照明系统的控制模式单一、线路安装复杂、运行不经济等状况岬1 1 4 ”。 1 5 路由算法研究现状 路由是把信息从源穿过网络传递到目的的行为。路由包含两个基本的动作：确定路径和 传输信息按不同的标准，路由算法可以进行多种分类。 按基于的数学思想，路由算法可以分为基于遗传算法、基于蚁群算法以及基于退火算法 等等华东师范大学的粱荣等人提出了具有预处理机制、树型结构编码，启发式初始种群生 成和交叉策略、指导性变异过程的基于遗传算法的q o s 组播路由算法i “i 。华南理工大学的潘 5 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 达儒等人结合神经网络和遗传算法，提出了一种新颖的q o s 组播路由算法1 4 7 1 浙江大学的纪 竹亮等人在分析现有自适应蚁群算法局限性的基础上，提出了一种基于时延的自适应多q o s 路由算法岬j 。上海交通大学的王颖等人提出了一种改进的蚁群算法，并将其与启发式方法 相结合用以解决多点路由问题。清华大学的崔勇等人将模拟退火引入多约束q o s 计算中， 首先使用非线性能量函数将多个q o s 度量转化成单一能量，然后通过模拟退火求解最小能量 路径的方式求解q o s 组播路由唧】。中南大学的王小玲等人结合模拟退火算法与下山法各自的 优点，设计了一种针对大规模网络路由的快速算法i ”】 按针对的网络，路由算法可以分为支持互联网、卫星网以及无线传感器网络等等。由于 互联网应用范围的广泛，目前研究得最多的就是支持互联网的路由算法，上文所提到的各种 路由算法都是针对互联网而提出的。国防科学技术大学的卢锡城等人在分析传统卫星网络路 由算法的基础上，提出一种基于分时的卫星网络无环路由算法i s 2 哈尔滨工业大学的李晖 等人提出了适合面向连接的卫星a t m 网络的、动态i + i 适应最小阻塞的路由策略”。中国科 学院软件研究所的孙利民等人分析了低地球轨道l e o ( l o we a r t ho r h i o 卫星网络的拓扑结 构特点，提出设计l e o 卫星网络路由机制应考虑的主要方面刚。中科院的马租长等人总结 了无线传感器网络媒体访问控制协议、节能路由算法和节点定位的研究成果p ”浙江大学 的王魏等人分析了现有研究中的路由协议，并将其分为四类：以数据为中心的，分等级的， 基于位置的和基于网络流的m i 。 按首要的设计目标，路由算法可以分为流量主导、稳定性主导以及时间主导等等。华中 科技大学的李蔚等人提出了一种快速动态波长路由算法，通过动态改进最短路径算法权值的 设置，使之符合光网络中动态流量分布，并适时更新路由信息表来适时调整网络的流量分布， 减轻了网络负荷l ，”。同济大学的王新红等人提出了一种对最短路径算法进行改进的最小化 最大带宽利用率t e 路由算法。将原来算法中的以路径代价最小为目标，更改为以最大带宽 利用率为目标1 5 8 1 。暨南大学的史景伦等人通过理论分析得出多路径路由的稳定性与路由策 略间的关系，提出了一种按需的独立多路径算法1 + 1 。北京交通大学的胡九川等人介绍了判 定服务质量状态的质量水平涨落函数，以及与用户需求和服务资源变化相适应的动态质量路 由算法1 6 0 1 厦门大学的陈宝兴等人给出了一种新的超圆环面的快速路由算法，其时闯复杂 性仅和网络直径线性相关p “。西南电子电信技术研究所的吴建华等人描述了在波长路由光 网络中影响连接建立时间的限制因素。提出了预置光路的方法，通过对路由和波长分配算法 的改进以减小部分连接的建立时问1 6 2 】 1 6 研究背景与目的 目前市场上的照明控制系统产品一般价格昂贵，且主要的被控对象是城市路灯系统和智 能大厦照明系统。中小规模的照明控制系统，特别是针对类似学校教室、地下车库等场所的 照明系统的自动化控制产品还非常稀少 市场上已有的照明控制系统产品都需要使用专门的控制线路或者无线网络。如果使用专 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 门的控制线路，则不仅增加了铺设控制线路的材料和施工成本，而且对于已经投入使用的物 业，无法在不破坏装修和不影响正常使用的情况下加装自动化照明控制系统。如果需要使用 无线网络，则需要获取通信频段( 自建网络) 或长久缴付服务费( 租用网络) 。 综上所述，开发一种满足中小规模照明控制需要、低成本的自动化照明控制系统具有重 要的现实意义。电力线载波技术能在低压输电网上传送信号，如果将其应用于照明控制系统， 现成的电力线即能作为传送控制信号的媒体。相对于传统的照明控制系统，由于其不再需要 专门的控制线路或无线网络，基于电力线载波通信技术的照明控制系统的硬件成本和施工难 度能够大大降低，具有良好的市场前景。 1 7 本文总体框架 本文的总体框架如图! - 1 所示。 图1 - 1 总体框架 7 浙江大学硕士学位论文 第二章信道特性分析与系统层次构建 第二章信道特性分析与系统层次构建 i 摘要l 本章分析了电力线载波通信信道的噪声、阻抗和衰减特性，得出这些特性均具有时 变性和随机性的结论。在分析了现有的三种类型的电力线载波通信系统的层次结构的基础 上，构建了硬件两层、逻辑动态多层的层次结构。 2 1 引言 输电网主要是为了提供工频电能而设计的，它不同于专用信道，其上连接的各种负荷均 会对其通信产生影响，包括由用电设备产生的不同类型的噪声，以及由于负荷的种类和强度 不同而产生的对输电网的阻抗特性和衰减特性的改变。而本论文设计的系统使用的控制命令 正需要通过载波信号在这样一个受多方面影响制约的信道上进行传输 层次结构对于任何系统都具有重大意义，一个简洁而满足需求的层次结构能从很大程度 上节约系统的设计成本和维护成本。因此，本章首先需要对电力线载波通信信道的特性进行 细致分析，随后在此基础上，有针对性地去构建一个具有上述特点的层次结构 本论文主要研究的内容为低压电力线载波通信，以后各章如未加特别说明，电力线均指 低压电力线，即通常所说的2 2 0 v 5 0 h z 的电力线路 2 2 信道特性分析 电力线载波通信信道特性主要包括如下三个方面的内容：各种电气设备所引起的噪声干 扰特性、信道在信号接入点的输入阻抗特性以及信号在传输过程中信道对信号的衰减特性。 2 2 1 噪声特性分析 2 2 1 1 噪声分类 根据不同性质，电力线上存在的噪声可以分为以下四类婶h 6 5 l ： ( 1 ) 有色背景噪声( c o l o r e db a c k g r o u n dn o i s e ) 有色背景噪声是电力线上各种噪声源共同造成的组合干扰，是一种随时间缓慢变化的随 机干扰，其功率谱密度随频率增加而减小。通信系统中的一些电子器件，如放大器、滤波器 产生的噪声以及由自由电子的布朗运动引起的热噪声都属于有色背景噪声。大量测量结果表 明，它的功率谱密度可以用以下函数来表示i 删1 6 r l ； 爿( 力= 以+ a 0 e 7 ( 2 1 ) 其中：a 。表示，一一时，有色背景噪声的功率谱密度：a o 表示频率0 处的功率谱密度；，0 表示衰减速度 ( 2 ) 窄带噪声( n a r r o wb a n dn o i s e ) 窄带噪声是一种频带很窄的噪声，主要是中波、短波广播在频域上的窜扰，其随时间和 8 浙江大学硕士学位论文 第二章信道特性分析与系统层次构建 位置不同而不同。一般情况下，由于大气层的反射，夜间干扰比较严重，而白天的干扰较小 此外，电视机和计算机的扫描同步信号也会产生窄带噪声。它的功率谱明显高于背景噪声功 率谱。窄带噪声可通过如下n 个独立的正弦函数叠加来描述删： 上 刀。( f ) = a , ( t ) s i n ( 2 衫t + 纪) ( 2 - 2 ) i = l 其中：每一个分量由它的频率z 、幅值4 ( f ) 和相位仍来描述。幅值a j ( t ) 在时间上可 以是常数，也可以是对广播信号更好近似的调制幅值。载波相位可以在区间【0 ，2 尢】上用随机 数选择，并独立于时间。 ( 3 ) 周期脉冲噪声( p e r i o d i c i m p u l s i v e n o i s e ) 周期脉冲噪声分为电网同步周期脉冲噪声和电网异步周期脉冲噪声。电网同步周期脉冲 噪声主要是电力设备按5 0 h z 频率工作产生的脉冲，重复率为5 0 h z 或者1 0 0 h z ，持续时间 很短，功率谱幅度随频率增加而减小电网异步周期脉冲噪声通常由大功率电器设备的开闭 产生，功率谱是离散的谱线，重复率在5 0 2 0 0 k h z 范围内。这类噪声持续时间较短，幅值 较低，因此难以测量。电网异步周期脉冲噪声对所测噪声的频谱和通信系统影响可以通过增 加背景噪声功率谱来加以描述，因此常将这类噪声归为有色背景噪声。 ( 4 ) 非周期脉冲噪声队s y n c h r o n o u si m p u l s i v en o i s e ) 这类噪声主要是保护开关瞬间开闭产生的脉冲，电晕噪声也可归类为这类噪声。非周期 脉冲噪声具有随机性，并且常常成束出现( 又称为突发噪声) ，由于产生这类噪声的设备多 种多样，这类噪声的时间和频率特性也差别很大。 非周期脉冲噪声的幅值和功率密度远大于其他几类噪声，特别是突发噪声，可导致数据 通信包丢失。因此要实现通过输电网对数据进行传输，对非周期脉冲噪声的处理至关重要。 非周期脉冲噪声出现的频率，在1 0 0 m v 检测电压下，平均脉冲频率的典型值为轻度干扰环 境下的o 1 个，秒到恶劣的信道环境下的1 0 0 个秒：脉冲持续时间典型值为1 0 0 u s ，一个连串 脉冲持续时间的典型值为o o l s l s 。然而尽管脉冲噪声出现的频率很高，但是其在较长的 通信时间内所占的时间小于i ，也就是说即使在恶劣的通信环境下，9 9 的时间内信道不 受脉冲噪声的影响1 6 3 1 。 2 2 1 2 噪声水平分析 电力线上的噪声水平与输电网结构、负荷特性有关【叫，它在不同的电网上的强度相差 很大，