（微电子学与固体电子学专业论文）基于gprs的低压输电线防盗系统研究.pdf

摘要 随着配电阿改造工程的相继完成，配网设备的日益完普，针对电力设施进行的盗窃 行为也时有发生，尤其是与人们日常生活密切相关的低压输电网低压输电线路以及配电 变压器的盗窃事故屡见不鲜，盗窃严重威胁着配网的正常运行，配网设备的防盗迫在眉 睫。对电力设备进行在线监测和状态检修是目前的技术发展趋势，如何将现场设备的状 态数据安全可靠、低成本地传送到监控中心进行分析，是该领域的一个研究热点。 本文讨论了目前电力在线监测系统中数据传输的各种技术和方法，在广泛调研的基 础上，我们采用g p r s 远程终端传输数据的方案，它具有成本和功用上的优势。根据低 压输电线及配变被盗时的特点，本文提出了一个可靠性高、造价经济合理、寿命长和维 护非常简单的低压输电线路在线防盗系统。该系统主要有载波耦合器、现场处理节点单 元和控制中, t ) - - 部分。主要是由安装在变压器端的现场节点和线路末端的载波耦合器通 过电力线载波交互查询的方式判断电力线路的通断状态，以及通过分析配电变压器各相 电源工作情提来判断配电变压器的工作状况。采用g p r s 模块实现控制中心与现场节点 之间的通信和远程控制。控制中心主要完成全局查询、参数下传、接警响应和历史纪录 处理等任务。该系统在输电线盗割、短路、接地和配电变压器被盗等方面有较好的检测 报警效果。 关键词：低压输电线；防盗报警系统；载波耦合器；数据传输终端i ) t u ；g p r s 模块； a b s t r a c t a st h ep r o j c c tf o ru p g r a d i n gl b 缸a n dr u r a lp o w e r 幽h a sb e e nc o m p l e t e da n dt h e d e e l r i e i t yn e t w o r kh 嬲b e e nb e t t e re q u i p p e dg r d a u a u y , t h et l a e t 【o fp o w e ra p p a r a t u s e sa l s o 础f i - o mt i m et ot i m e , a n de s p e c i a l l yt l a et h c f io f p o w e rl i n e sa n dd i s t r i b u t i o nl z a n s f o r m c r s o f l o wv o l t a g ee l e e l r i e i t yn e t w o r kd o e s ，w h i c hh a sb e e n 皿眦a n dr n o l 它c l o s e l yr e l a t e dw i t h p t 幻p l e sd a i l yf i v e s i th a ss e r i o u s l y 曲叽冶舡丑e dt h ew o r ko f t l a ee l e e l a i e i t yn e t w o r k t h e a e f o r e , s o m e t l l i n gs h o u l d b ed o n ea 驴i n s tt h a tt l a e t ti m m i n e n t l y i ti s al z e n dm o n i t o r i n ga n d o v e r h a u l i n gd o w e re q u i p m e m so n l i l l e a n di th a 3b e e nas t u d yh o t s p o th o w t ol r t t l l s m i tt h e s t a t ed a t ao f e l e c t r i cp o w e re q u i p m e n t st ot h em o n i t o rc a 吐e rs a f e l ya n dc h e a p l y t sp a p e rd i 扰_ i l s st h et e e l a u o l o g i e so fc u r r e n td a t a 在a m m i s s i o oi np o w d e r e q u i p m e n 【t s m o n i t o r i n go n l j l 扯b a s e do n t l a e8 n a t y , g i s w ea d o p tt h e 截b 舶eo f t r a m m i t t i n sd a t ab yg i r s r e m o t et c r m i m l t h i s9 d l 锄eh a si t so b v i o u sa d v a n t a g ei nc o s ta n df l l n 甜o n - a c c o r d i n gt ot h e e h a z a e t e r so fl i n e sa n dd i s 缸 i b u l i o n 缸m 班岫w h e nb c i 卫gs t o l e n , w eh a v ep r o d u e 蝴a r e l i a b l e , e c o n o m i c 1 0 n g e v o u sa n dm a i n t a i n a b l ea l a r ms y s t e mo f l o wv o l t a g ep o w e rl i n 船 o n l i n e t h es y s t e mc o 衄i s t so f c a r r i e rc o u p l i n g s ，l 她印o tp r o c e s s i n gn o d 器瓢dt h ec o n t r o l c a 慨i tj u d g e st l a e 鲥剐5 eo fp o w e rl i n e sb yi n t e r a c t i v ee l a e e k i n gt h r o u g hc l l l t i e l w i t h l m 瑚* , a s i n gn o d e sa n dc l l l t i a c o u p l i n g s 锄dj 1 | d g 船t h ew o r ks t a t eo f d i s t r i b u t i o n 订 m s f o 皿啊 b ya n a l y z i n gt h e i r 刚嚣o fe a c hp h a s o mp r o c e s s i n gn o d e sa 弛c q u i r , r ，e dt o g e t h e rw i t h j l s n s f o l m c l t sa n dc a r r i e rc o u p l i n g s 锄a tt h ee 口do ft h ep d w 盯l i n 嘲i tc h o o s c st h e1 3 p r s m o d u l e st oc o m m u n i c a t e 龃d “确l i z er e m o t ec o n l r o lb 矗w e t h ee o m 昆o lc e n l r ca n de a e l a n o d e s 1 1 砖c o n t r o lc e n l z ec 缸i m p l e m e n tt h eo v c l a l li q u i r y , a l e r tr e s p o n s e 。d o w n l o a d i n g f a r a m e t c ra n dd e a l i n g 恤r e c o r d s ，咖i td e m o n s t r a t e st h ee f f e e t i v e m s so f t l a ea l a r ms y s t e m w h l ：nd i s t r i b u t i o nl r a n s f o r m e r s 锄b e i n gs t o l e n , 0 1 w h e nt h ep o w e rl i n c s 舡eo a to f f ； s l a o r t - t i r c u i t e do re a r t l 扯d k e y w o r d s ：l o wv o l t a g ep o w e rl i n e s ；a 】蛔s y s t c 戏c 碰e re o 姆l i n g s ；d t i j ；g p r sm o d u l e s ； 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 论文作者签名：弓喀脚 、，1 日期：讨7 年b 月2 目 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的 印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影印、缩印、数 字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公开学 位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 日期：冲6 2 日期：岬6 f 第一章绪论 基于g p r s 的低压输电线防盗系统研究 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 作为现代社会的。经济大动脉”，电力是关乎国计民生的重要行业，在我国政治， 经济和社会生活中，电力系统发挥着十分重要的作用。电力系统安全一直是电力行业的 重中之重。电网安全事关国民经济发展和社会公共安全大局，事关构建社会主义和谐社 会的大局。然而，一些不法分子仅仅为了把电线电缆、变压器、铁塔塔材等拿去当废旧 金属卖钱，竟然铤而走险，频频盗窃破坏电力设旋。近几年来，外力破坏引起的电网、 设备事故一直居高不下，有些还造成了重大经济损失和严重社会影响。统计表明，电力 设施遭受外力破坏已经成为影响电网安全运行的重要因素，是成胁城市电网安全运行的 首要因素。其中，输电线路是遭受外力破坏最频繁、最严重的电力设施。在电力线路和 电力设施中，低压输电线路连接着千家万户，与人们的日常生活息息相关；另一方面， 低压输电线路大多位于居民区附近。人员密集且活动频繁，很容易遭受盗窃或破坏。因 此，随着社会的进步和人们对生活质量要求的进一步提高，在建设和谐社会和确保居民 生活用电放在首位的情况下，确保低压输电线路安全显得尤为突出和重要。近来农网改 造的部分地区刚完成，在一些供电所就发现农村低压电力输电线被不法分子盗割的事 件，不法分子一般为外地无业游民，居无定所，而电力输电线被盗常在深夜甚至凌晨发 生。为此，供电保卫部门尽管投入了大量入力、物力进行防护、抓盗，但收获甚微为 改变这种状况，供电部门需要一种低压电力线路防盗割监视报警装置，以便使联防队员 迅速赶到现场，将不法分子抓获，取得行动上韵主动 面对当前电力输电线路及变压器等供电设施屡遭盗割、损坏，给国家电网造成重大 经济损失的这一现状，电力单位及公安部门迫切需要一套行之有效的防止供电线路被盗 割、准确检测定位、快速通报、及时处理的解决方案。本课题所研究开发的智能化报警 系统正是应这种要求而设计的。 湖北大学硕士论文 本课题所研究的低压输电线防盗系统是由安装在变压器端的现场节点和线路末端 的载波耦合器通过电力线载波交互查询的方式判断电力线路的通断状态、以及通过分析 配电变压器各相电源工作情况来判断配电变压器的工作状况从而实现智能报警。 1 2 输电线防盗系统的现状 目前，低压输电线及配变防盗传统的方法为各电力公司、供电局积极采取措施，大 力宣传电网安全运行对国家经济和群众生活的重要性，宣传盗窃电力设施的非法性和危 险性，大量增加群众护线员，提高巡护密度，及时发现和打击盗窃电力设施行为。但是， 从实际效果来看，传统方法不仅消耗极大的人力、物力和财力，而且，抑制迅猛的电力 设施犯罪的效果也极其有限。采用电子仪器进行监控保护的方法是在输电线上装上监控 报警仪器，如摄像头、红外报警器等。当有犯罪分子靠近并剪断输电线时，仪器发出报 警信号通知有关人员及时抓获犯罪分子，达到对输电线及其它电力设备的保护。然而， 这种方法通常监控范围和距离都十分有限，难以达到理想的监控要求，一般适用于重点 输电线路段和关键电力设施的监控防护 电压电流检测法是通过检测输电线是否带电来判断线路是否被盗剪的方法，这种方 法简单可靠，但是如果将终端装置安装在变压器侧，配电变压器副边线路即使被剪断， 它也还是带电压的而往往我们需要在配电变压器上取电压而将监测终端安装在配 电变压器侧。 生物电探测器方法提出了基于生物电原理的电力输电线路防盗报警系统，该系统的 优点是采用了最新的生物电探测器，环境适应能力强，可靠性高一能实时报警从而有 效制止盗窃行为的发生；但是，该防盗报警系统目前的成本较高，不适于低压电网的普 遍应用，更重要的是，低压输电线路大多在居民区或村落附近，难免会有人或牲畜在附 近走动，其生物电探测的灵敏性反而会产生大量的误报警行为。 在报警方式上，比较简单的是探测到电力线失压即触动警笛这种方式仅能威慑 罪犯，一旦被掌握规律，则效果会受到很大的影响。电话线路报警的方式需要在监测点 连一条电话线，实施复杂，限制了在野外的使用，同时固定电话线路容易被破坏不 仅严重依赖电话网络而无法监控偏僻的城郊和农村地区的电网线路，而且，监控大量的 电网末端并对其进行区分需要使用大量的报警装置和电话号码而消耗大量的资源g s m 网络报警方式以短信的方式作为信息传递的途径；g p r s 报警方式以网络i p 的形式建立 2 第一章绪论 在线通道，以提高实时性、突发性和大数据量的传送 1 3 课题研究的主要内容和工作 为了在低压输电线路及配变被盗时及时准确报警并实现快速出警以制止盗窃行为 的目的，在认真分析低压输电线路的特点、安防要求和目前已掌握的报警系统方案后， 在已有的低压输电线路报警系统优点的基础上。本课题研究采用电力线载波交互查询法 的低压输电线监测防盗方案，其思路是在被测输电线路上加载检测载波信号，一旦输电 线路被盗剪，信号传输中断，现场终端接收不到信号则报警这种方法还可以通过分析 配电变压器各相电源的工作情况来判断配电变压器的工作状况。课题将在如下方面展开 研究： 一、分析电力线信道的高频信号衰减、噪声、干扰等基本特性，采用比较合适的参 数和调制解调方式 二、分析低压输电线路的被盗情况并提取合适的被盗特征，采用可靠、经济的硬件 架构和合适的方法实现被盗特征的检测。 三、对报警系统进行功能定义和模块化分，按照确定的设计原则和定义的系统功能， 逐步完成各模块的设计 湖北大学硕士论文 第二章电力线载波通信基本原理 目前，电力线通信技术( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 正日益引起人们的关注。所 谓电力线载波通信是指利用已有的配电网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一 种技术，即高频的通信信号与电力工频电流通过占用不同的频段来共用电力线网络进行 传输。由于电力线是为了传输5 0 h z 的工频而敷设的，所以其通信特性往往较难满足藐 们载波通信的要求。为了得到一个性能优良的、利用电力线载波通信传输数字信号的传 输系统，应对电力线的特性有所了解，针对其作为通信信道噪声高的特点采取相应的技 术措施，并选用合适的载波通信方式。电力线载波通信目前还缺乏标准的通信协议，所 以，新开发的技术不仅要能够驱动在较大范围内变化的电力线阻抗和接收淹没在噪声中 的较弱的电压信号，还必须经受住潜在的电力线瞬态变化，使数字信号在电力线上传输 时能最大限度地达到准确。毋庸质疑，一个可靠的电力线通信网络的实现并不是那么简 单的事情。电力线的特性由它的阻抗、噪声源和幅度衰减系数决定，并且在实际中发现 它对实现通信有特定的和挑战性的障碍。一般而言，这些障碍可分为四类：不断变化的 衰减和阻抗、阻抗调制、脉冲噪声和驻波干扰。因此，要使用电力线进行载波通信，则 要克服衰减和噪声问题选择合适的调制方式，是通信可靠性的重要前提 2 1 电力线信道特性分析 六七十年代以来，1 0k v 以上中高压电力线作为信号传输通道的电力线载波电话已 经获得广泛使用，对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入和成熟i l 】但是， 在2 2 0v 3 8 0v 低压电力线上进行信号传输，与高压电力线载波通信有较大区别，突出 表现在工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大且时变性大等特点。因此，要 在干扰严重的低压电力线上实现可靠的数据通信并非易事。如何选择调制解调方式及采 用何种通信协议，应建立在对低压电力线信道特性了解的基础之上。同时对于所有的 通信信道，阻抗、信号衰减和干扰是决定其性能的基本参数。因此，在使用电力线作为 信号传输媒介之前需要对它的信道特性进行分析。 2 1 ，1 电力线的输入阻抗 输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。研究输入阻抗，对于提高发送机 的效率，增加网络的输入功率有重大意义。研究表明低压电力线上的输入阻抗与所传输 第二章电力线载波通信基本原理 的信号频率密切相关。在理想情况下，当没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传 输线，由于分布电感和分布电容的影响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。当在电力 线上有负载时，所有频率的输入阻抗都会减小但是，由于负载类型的不同，使不同频 率的阻抗变化也不同，所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。图2 1 用对数图绘出了文献闭实测出的输入阻抗与频率的关系数据，图中两曲线是在同一个低 压电力线网的不同地点浸5 得的。 1 0 a 8 c 名1 墨 董 1 0 1 0 02 0 0珈4 0 0 5 0 06 0 07 0 01 0 09 0 01 0 0 0 f r e q u e n c y , k j - i z 1 0 02 0 0 3 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0l o o o f r e q u e n c y , k h z 图争l 输入阻抗一频率关系图 从图2 - l 中可以看出，电力线上的输入阻抗随着频率的变化雨剧烈变化，可以从o 1 q 变到大于1 0 0q ，变化范围达到了1 0 0 0 倍。而且，在实验所测的频率范围内，输入阻 抗随频率的变化并不符合一般想象下的随频率的增大而减小的变化规律，甚至与之相 反为了解释这一问题，可以将电力线看成是一根传输线，上面连接有各种复杂的负载。 这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路，在共振频率及其附近频率上形成低阻抗 湖北大学硕士论文 区因此，在输入阻抗一频率图上可以看到许多阻抗低谷区。这些低阻抗区组合起来， 就形成图2 - 1 所示的图形，并会在局部上违反电力线上阻抗随负载增大而降低的一般规 律。同时。正是由于负载会在电力线上随机地连上或断开，所以在不同时问，电力线的 输入阻抗也会发生较大幅度的改变。 出于同样的原因，电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。在由许多电阻、电容和 电感组成的网络中，从不同的点上看进去，输入阻抗显然是不同的。图2 一l 的两曲线就 是在同一个低压电力线网的不同地点测得的。可以看出，信号输入点的不同对输入阻抗 的影响是非常大韵。由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使发送机功率放大器的输出 阻抗和接收装置的输入阻抗难以与之保持匹配，因而给电路设计带来很大的困难 2 1 2 高频信号在电力线上的衰减 高频信号在低压电力线上的衰减是低压电力线载波通信遇到的又一个实际困难。对 高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在这棍线 的任意位置随机地连接或断开。因此，高频信号在低压电力线上的传输必然存在衰减。 显然，这种衰减与通信距离、信号频率等都有密切关系 一般来说，信号传输的距离越远，信号衰减就越厉害。但是由于电力线是非均匀 不平衡的传输线，接在上面的负载的阻抗也不匹配，所以信号会遇到反射、驻波等复杂 现象。这些复杂现象的组合，使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复杂。有可能出 现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。对于民用电网，其三相电源所接的负载大小 和性质都不相同，所以同样强度的信号在三相上的衰减也不同。这种现象有时就表现为 接收装置和发送机的位置不变，接在不同相上，通信的误码率不同。一般说来，同相衰 减小于跨相衰减，但在一定频率点上可能有例外，这可能是电抗性负载、反射、多径传 播或驻波等现象造成的影响。 电力线上并联着的许多负载对信号衰落影响很大。尤其是那些用于调整电网功率因 素的大电容，对几百l o l z 的载波通信信号来说，相当于短路。另外，当负载阻抗很小时， 发送耦合电路的内阻也不可忽视，它会分去相当一部份的功率。 由于电力线阻抗的时变性，电力线信道衰减特性也同样表现出强的时变性，不同时 刻的测量值差别可以超过2 0 d b l 3 高频信号在低压电力线上传输时，还有一个显著的现象是其衰减随工频电源的相位 而交化。有时高频信号在工频电源的某个相位范围( 比如3 0 。- - 1 5 0 , 2 1 0 - - 3 3 0 ) 内会发生 6 第二章电力线载波通信基本原理 较大的衰减变化。在这个相位范围内，信号衰减有可能会减小几个分贝，或是增大几分 贝到十几分贝。产生这种现象的原因，可能是因为一些工作于开关状态的设备，如开关 电源等，在工频交流电的一定相位时打开开关器件，于是就将电力线连接到了后面的电 路上。这些电路上通常含有大容量的电容器或大功率的负载，所以会引起高频信号衰减 的急剧变化。而且大多数的开关电源都在一次侧接有补偿电容，虽然电容量较小，但是 由于数量较多，所以其影响不容忽视。除此之外，开关电源会向电力线上旌放大量高频 干扰，从而影响通信系统的工作 从以上分析可以看出，在总体上。电力线上的衰减随着频率的增加而增加，但在某 些频率，由于负载产生的共振现象和传输线效应的影响，衰减会出现突然的迅速增加。 同时，信号传输距离对信号衰减程度也起着决定性的影响，随着距离的增加，衰减会迅 速地增加。在跨相传播时，衰减一般比同相传播要大1 0d b 以上，但有时也会有例外。 随着工频交流电相位的变化，高频信号的衰减也会出现周期性的变化在不同的时间段、 不同的地点，衰减幅度也不同，有时变化会很大。这种变化对载波通信设备的设计有很 大的影响。 2 1 ，3 噪声特性分析 噪声特性是电力线信道的另一个重要特性。电力线屏蔽性差，易引进外界干扰，因 此电力线上存在多种强时变性的噪声干扰。 从时域上看，电力线上的噪声表现出一定的周期性，主要频率一般为电力系统频率 的两倍，这是与工频有关的可控硅的工作造成的。从频域上看，般而言，噪声的功率 谱随频率升高而降低，但有时又会有很大的变化，存在许多突变。电力线上的噪声也表 现出很明显的时变性，在不同的时刻，噪声干扰的频率和强度都不相同，要想了解某个 环境中电力线噪声特征，就得多次测量不同时刻的频谱曲线，再研究统计平均后的功率 谱密度曲线。嗓声的强度还依赖于噪声源离接收装置的远近，因为噪声在电力线上传输 时也会象通信信号一样被衰减，传输距离越远衰减越大。若在接收装置附近存在一个强 的噪声源，且其功率谱密度在通信所用频带范围内较强，则最有可能影响通信信号的正 确传输，这种情况应是电力线通信所极力避免的因为电力线上存在多种性质各异的噪 声，要想减小噪声，降低通信误码率，就箝要对这些噪声的性质、来源、频谱特征等分 类进行研究。低压电力线的传输环境不同于其他通信信道，它的网络结构复杂，连接的 负载众多且经常发生变化，因此作用于它的噪声不能简单归结为加性高斯白噪声，而应 7 湖北大学硕士论文 根据不同的噪声源进行具体分析。通常将电力线上的噪声有有色背景噪声、窄带噪声、 与工频异步的周期性脉冲噪声、与工频同步的周期性脉冲噪声和异步脉冲噪声。 有色背景噪声厂 与工频异步的 厂 周期性脉冲噪声 窄带噪声 厂 与工频同步的 厂 异步脉冲噪声， 周期性脉冲噪声 图2 - 2 线路中各类噪声特征图 通常，前三种噪声随时间变化缓慢，常归结为背景噪声。后两种噪声的时变性强， 当出现这些噪声时，功率谱密度会突然上升，数据传输会造成很大的误差。噪声很难直 接定量地表示，但也有一定的规律性，比如噪声随频率的增高有下降的趋势，并且无论 噪声多复杂，都是由各种特定性质的噪声源叠加而成 2 1 4 干扰特性分析 在低压电力线上进行数据通信时的另一个需要认真研究的重要问题是电力线上千 扰的特殊性质。电力线上的干扰可分为非人为干扰和人为干扰。非人为干扰指的是一些 自然现象，如雷电在电力线上引起的干扰。人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备 产生的，并对数据通信有更严重的影响【4 】。研究己经发现，电力线上的干扰不能被简单 地认为是可加性高斯白噪声。为了表示这种干扰的复杂特性并简化分析，我们可以近似 地将其分成4 类：周期性的连续干扰、周期性的脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产 生的突发性干扰。通常情况下，前两类干扰占主导地位阴 一、干扰的周期性 我们知道，谐波噪声以交流电频率的整数倍出现，因此我们有理由相信干扰也会存 第二章电力线载波通信基本原理 在周期性的倾向。产生这种周期性干扰的原因是由于许多用电设备会在工频交流电基波 的某个固定相位上释放出干扰。在实际情况中，由于有大量的用电设备同时释放出干扰， 而这些干扰的瞬时功率、周期、相位等又变化很大，各不相同，因此最终会在电力线上 产生时不变的连续干扰。由于信号在电力线上传输的衰减非常大且富于变化，而且干扰 频谱有可能部分或完全覆盖信号频谱，因此，在通信过程中的信噪比可能会变得很低， 通信误码率增加。消除这种干扰的困难在于，首先，我们无法对这种干扰的周期、宽度、 强度和发生时间等做出准确的预测，而且这些参数的变化范围可能很大，所以很难有针 对性地采取措施抑制这种干扰；其次，由于这种干扰的频谱非常宽，所以对接收端的灵 敏度有很高的要求。另外，有许多大功率的用电设备会在电网上产生很多的高次谐波。 这些高次谐波只存在于工频的整数倍的频率内，但是能量较大，且频率范囝很宽。如果 信号频率正好与它们重叠，则对通信的可靠性会产生很大的影响。 二、干扰的随机性 除了上述的周期性和连续性的干扰外，电力线上还存在许多随机发生的干扰。这种 随机干扰通常是由于高压开关的操作、雷电、较大的负荷变化、电力线路上的短路故障 等引起的，往往是能量很大的脉冲干扰或脉冲干扰群，持续时间较短，但能量很集中， 频谱也很宽 6 1 。高压开关的断开和闭合在电力线路上导致的哲态过程会产生一系列的电 磁脉冲( 脉冲群) ，而这一暂态过程受多种因素影响，分散性极大。雷电会在电力线路上 产生能量很大的电流和电压脉冲，电流峰值可达几千安培，电压峰值可达几万伏这种 波形的上升时间很短，通常不大于5 5 岫，下降时间相对较长，但通常也不大于7 5 胂。 雷电波沿线路侵入变电站，并通过一、二次系统间的各种耦合或接地网进入二次回路。 这样的雷击过电压在低压网络内传播时，遏阻抗不同的节点时将发生反射，产生振荡波， 其频率和传播速度与电路内的各种参数有关，最具典型的是上升时间为o 5 呻、振荡频 率为1 0 0 k h z 的衰减振荡渡阴。显然，这种脉冲会对电力线载波通信产生很大的影响。 另外，低压电力线路上的各种大功率负载的突然开关、大功率电机的启停过程、功率因 数补偿电容器的投切以及短路、故障切除和重合闸等都会引起电压、电流的突变和谐波 分量的增加。而在离接收解调装置近距离的范围内，某些中小功率的负载的开关也会产 生较大的突发脉冲干扰而影响通信嗍 三、干扰的多变性 出于与信号衰减多变性同样的原因，低压电力线上的干扰也存在多变性。这种多变 9 湖北大学硕士论文 性表现在两个方面：首先是因时而变，即在不同时刻，干扰的频率、强度都各不相同。 其次是因地而变。即在不同的低压电网之间，干扰情况各不相同；而在同一个低压电网 之内，不同地点的干扰情况也不相同。电力线上干扰的因地而变的特性对低压电力线载 波通信系统也会有很大的影响。 通过以上分析，我们可以看到，低压电力线上的信号衰减特性和干扰特性非常复杂， 而且随机性、时变性大，滩以找到一个较为准确的解析式或数学模型加以描述，这也是 为什么一直以来对低压电力线高频信号传输特性的分析多以定性分析和实验数据测试 分析为主的原因即使提出了一些模型，但是这些模型也往往是附加了许多假设和限制， 因而也是不精确的或适用面很窄。这种精确数学模型的缺乏对低压电力线载波通信设 备的设计提出了很高的要求，即要求其有很好的自适应能力。但同时，出于实用的角度， 为了获得合理的性价比，又要求其成本要限制在一定的范围内。这些对系统的设计而言 是一个很大的挑战。同时，从上述电力线上高频信号的衰减分析可知，在电力线载波通 信中，确定一个合理的通信带宽并不容易。在4 0 - 5 0 0 k l t z 国家规定的电力线载波频率中 唧，从衰减变化的趋势来看，1 0 0 k h z 以下衰减较小，但受5 0 h z 的工频谐波影响大；大 于1 5 0 k h z 的信号会有比较大的衰减，但受5 0 h z 的工频谐波影响小。而1 0 0 k h z 一1 5 0 k h z 频段的情况处于两者之间，所以，许多现有的电力线载波通信系统大多使用 1 0 0 k h z 一1 5 0 k h z 的载波频率。鉴于此，在本设计中，也使用这一范围的载波频率。 2 2 电力线载波通信技术 由于电力线是为了传输5 0 h z 的工频而铺设的，所以其通信特性往往较难满足我们 载波通信的要求。为了得到一个性能优良的、利用电力线载波通信传输信号的传输系统， 应对电力线的特性有所了解，针对其作为通信信道噪声高的特点采取相应的技术措施， 并且要选用合适的载波通信方式。因此，要使用电力线进行载波通信，则要克服衰减和 噪声问题。选择合适的调制方式，是通信可靠性的重要前提。目前的载波通信方式以抗 噪声的f s k ( 窄带调制) 调制和扩频调制为主要代表。 2 2 1 窄带通信技术 数字频率调制是利用载波的频率传输信息，是最常见的一种数字调制方式。硪的最 简单的一种方式是二进制频移键控( 2 f s k ) 。由于它的抗噪声。抗衰减特性比较好，设各 第二章电力线载波通信基本原理 实现并不复杂，所以一直在很多场合应用。由于2 f s k 的抗衰减性能比较好，因而在一 些衰减性信道广泛应用。 一般最常用的f s k 调制方法是频率转换法，它有实现比较简单、能准确传递的特点。 它产生的一般是相位离散的f s k 信号。它有实现比较简单、能准确传其调制原理如下： 。图2 二3 f s k 调制原理框图 用独立的振荡器产生频率f l 和f 2 ，即用频率选择法得到的f s k 信号频率具有很高 的准确度和稳定度，调制指数自然也很准确但是这种方法产生的f s k 信号在码元转换 时刻的相位仍然会发生突跳，带外辐射电平高，容易对临近频率的电台进行干扰。为了 保证相位连续，可以利用数据基带信号对一个振荡器进行调制也就是直接调频法。这 种方法具有实现简单和相位连续的优点，但频率稳定度和准确度较差。 如果设所传送数字序列为 b - ，g ( t ) 是单个码元基带脉冲的波形，并且有 舴 。1 筹钒( 2 - 1 ) 在任一码元期间，如不发送频率为f l 的振荡信号则必发送频率为f 2 的振荡信号。如 果取 b i ) 的反码为 “，这样，2 f s k 信号可以表示为： j ( r ) = 月h ( t ) a c o s ( 2 加f l t + 张) + m 2 ( t ) 4 c o s ( 2 = a f + 仍) ( 2 2 ) r h ( t ) = b g ( t - n ：r , ) 这里， ： ( 2 3 ) m 2 ( f ) = g ( f 一万瓦) - 呻 相位连续的f s k 信号是利用基带信号对一振荡器进行频率调制而产生的，在码元转 换时刻，相位是连续的在理想情况下，振荡器的频率随着基带信号线形变化，此时， 调频信号可以写为： 啪= 彳c o s 【2 砍“- 2 面疋l 肼( r ) 毋+ 如1 ( 2 - 4 ) 1 1 湖北大学硕士论文 上式中， 是载波振幅；f 。是未调载波频率；o 。表示载波的初始相位# 厶是频偏因子， 当m ( t ) 为归一化的基带信号时，f 。就是峰值频偏。 频移键控信号的解调方法可分为两类：非相干解调和相干解调。相干解调法又可分 为相关接收法和匹配滤波法。非相干解调又可分为分路滤波包络波解调法和限幅鉴频法 等。在设计时，究竞选用哪种滤波方法，主要依据：( 1 ) 发送f s k 信号的形式和参数； ( 2 ) 解调器的抗干扰性能，即差错率与输入信噪比的关系；( 3 ) 技术上的可实现性和 设备成本等从抗干扰性能上来看，相干解调法是最佳的，但从f s k 信号中提取相干载 波比较困难，故目前f s k 信号的解调一般采用非相干解调，即接收端不需要载波信号相 位信息。原理是进行帧幅转换，将频率转换成相应的电压幅度 设s ( ) = s l ( t ) = a c o s a v 。，且概率分别为 10 ，则最佳调制譬调器的判决准则为： 如果o f 钾) ( r ) 出一p ( ，) j ：o ) 出 ，则判断发送信号为s n ( t ) ，输出数字为。1 ”，否 5占 则为“0 一，其中r 为判决门限，其值为，：孥i n 生，为噪声功率，y ( t ) 为所接收的 2 p 信号。 最佳非相干解调器采用匹配滤波器对接收信号进行处理，并且在每一个匹配滤波器 后都有一个包络检波器。匹配滤波器的输出波形经过包络检波后，再迸行取样和判决， 因而取样值不和接收信号的相位有关。由于没有利用信号的相位信息，所以这种解调法 和相干解调法相比，在同样误码率的条件下，所需的信噪比高约1 - - 2 比特这种解调 法不需要提取相干载波，可对具有随机起始相位的信号进行解调，在实际应用中比较方 便。如下图所示： 区e 站敬嚣l 盘络谊澍墨2 图2 - 4 最佳非相干解调原理框图 第二章电力线载波通信基本原理 作为f s k 调制系统的发展，又出现了m f s k 调制，即多进制频移键控。它用多个不 同频率的正弦波分别代表不同的数字信号，在某一个码元内只发送一个频率。一般的 m f s k 系统，通过串并转换电路将输入的二进制码每k 位分为一组，然后由逻辑电路转 换成具有多种状态的多迸制码。当某组二进制码到来时，逻辑电路的输出一方面打开相 应的门电路，使该门电路对应的载波发送出去，同时关闭其他门电路，不使其他载波发 送出去，因此，当一组二迸制码输入时，加法器的输出就是一个m f s k 波形。接收部分 由多个中心频率为f l ，f 2 血的带通滤波器，包括检波器及一个抽样判决器、逻辑 电路、并串转换电路组成。当某一频率来到对，只有一个带通滤波器有信号和噪声通 过，其他的滤波器只有噪声通过，抽样判决器就是在某一时刻比较所有包络检波器的输 出电压，判断哪一路的输出最大，以达到判决频率的目的。将最大者输出，就得到一个 多迸制码元，经逻辑电路转换成k 位二进制并行码，再经并串转换电路转换成串行二 进制码，从而完成解调任务。m f s k 系统占用较宽的频带，因而频带利用率低，多用于调 制速率不高的传输系统中，以便频带不至于过宽。这种方式产生的信号，其相位是不连 续的，可以看作是m 个振幅相同，载波不同，时间上互不相关的二迸制a s k 信号的叠加， 其带宽为居五+ 砺，其中居为最高载频，五为最低载频，居为码元速率。随着f s k 技术 的不断完善和发展，在现代通信中又出现了最小频移键控( 璐k ) 调制和正弦频移键控 s f s k ) 调制。这些技术保持了相位的连续性，减少了带外辐射，提高了频带的利用率。 除频率调制以外，还可以使用相移键控( p s k ) 调制。相对应地，相移键控也有多相 相移键控( m p s k ) ，其中最常见的是四相相移键控( q p s k ) ，这种调制方式误码性能优良， 信号频谱的主瓣较窄，但旁瓣甚大。为了减少旁瓣对临近信道的干扰，人们采用滤波器 将信号频谱的旁瓣滤除。q p s k 信号的相位在码元转换时刻有突变。另外，数字信号的相 位调制方式抗衰减性能不是很好，它对信道的要求高，在电力线载波中没有被广泛采用。 2 2 。2 扩频通信技术 长期以来，人们总是想法使信号所占频谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资 源。众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1 7 - 3 1 k h z ， 电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择 不同调制方式，采用宽频信道( 如同轴电缆、微波和光纤等) 、压缩频谱等措施，力求使 媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽 扩频通信可简单表述如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频 湖北大学硕士论文 带宽度远大于所传信息的最小带宽：频带的展宽是通过编码和调制的方法来实现的。并 与所传信息数据无关；在接收端则通过相同的扩频码进行相干解调来解扩，恢复所传输 的信息数据。 扩频通信的可行性是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。信息论中 关于信息容量的香农( c e s h a n n o n ) 公式是扩频技术的理论基础。 p c = 矿l 0 9 2 ( 1 + - ) ( 2 5 ) v 即对于任意给定的有噪声信遂，至少存在一种编码方法，可以使信道的传输速率无 限逼近信道容量而同时保证传输差错率最小，式中w 代表频带宽度，c 称为信道容量。 此公式指出在保持信息传输速率c 不变的情况下，我们可以用不同的频带宽度w 和信 噪比p n 来传输信息。换句话说，频带w 和信噪比是可以互换的。如果增加频带宽度， 就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的差错概率来传输信息。甚至 在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号带宽，也能可靠地保持通信。这一公 式指明了采用扩频技术进行信号通信的优越性。扩频技术正是利用这一原理，用高速率 的扩频码来达到扩展待传输信息带宽的目的。故在相同信噪比条件下，扩频系统具有较 强的抗噪声干扰能力。扩频系统由于在发送端扩展了信号频谱，接收端应解扩恢复所传 输的信息，这一过程带来了信噪比上的好处：即接收端输出的信噪比相对于输入的信噪 比大有改善，从而提高了系统的抗干扰能力。因此，可以用系统输出信噪比与输入信噪 比两者之比来表征扩频通信系统的抗干扰能力。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰 能力大体上与扩频信号的带宽和所传输信息的带宽之比成正比。 柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式也说明了这一点1 0 l ： p o w j 目f ( e n o ) ( 2 - 6 ) ，d 是信号传输的差错概率，e 为信号能量，n 。是噪声功率谱密度而信号功率丹- e t ( t 为信息持续时问) ，噪声功率n = w n o ( w 为信号频带宽度) ，信息带宽a f = i t ，这样由 公式( 2 - 6 ) 可以得到： p 口 i ，f ( p n * w i a f ) ( 2 7 ) 即说明对于一定带宽a f 的信息而言，用较大的宽带信号来传输，可以提高通信抗干扰 能力，保证强干扰条件下通信的安全可靠 根据扩频方式的不同，扩频系统可以分为直接序列扩频、跳频扩频、跳时扩频和线 1 4 第二章电力线载波通信基本原理 性调频，或者这几种方式的组合人们已经开发了两种扩频信号发射技术，一种用于低 压电力线，一种用于无线电射频。由于直接序列扩频( 嘲s e q t 壕n c e ) 和跳频扩频 f f r e q u e n c yi - i o p p i n g ) 的应用相对需要较高的资金，在应用上也相对复杂，目前它们只使 用于军方，主要用于开发安全通信( 如保密通信、无差错通信) 和导航系统中。随着固态 集成电路技术的发展，出现了性价比较高、用于消费者和商业应用的另一类扩频技术 这些技术都用线性调频脉冲有效地扩展信号的带宽到信息带宽的若干倍。它使相关接收 器以匹配滤波器检测窄带调制载波同样的方式同时检测信号的出现【1 1 】。因此，可以实现 带有多个用户的载波检测多址的信息包网络。 过去载波检测窄带技术在大部分领域内比较流行，主要原因是因为它们应用上比较 简单。由于应用简单，所以开发和实施的费用就比较少，这是在面向用户的应用中所考 虑的重要因素。从满足系统性能、可靠性和稳定性需求、开发费用等方面考虑，本课题 采用窄带频率调制来进行试验开发和设计 湖北大学硕士论文 参考文献 【1 1 栗宁等译电力线通信 m 北京：中国电力出版社，2 0 0 4 = p l - 3 2 1 r a d f o r dd s p r e a d - s p e c t r u md a t al e a pt h r o u g ha cp o w e rw i r i n g j i e e e s p e c t r u m , 1 9 9 6 ，3 3 ( 11 ) ：p 4 8 - 5 3 。 唧傅永耀电力线载波通信的研究与实现 j 电力自动化，2 0 0 5 ，5 ：p 1 3 1 5 1 4 周亚联电力线载波通信技术问答 m 北京：水利电力出版社，1 9 8 6 ：p 9 - 1 l 嘲v m e s ，i l m ；t r i g s e u , h j ；g a l e ，l j ；b e no n e a l , j ；n o i s eo nx 髓i d e n t i a lp o w e r d i s u i b m i o nc i 删妇叨i e e et r a n so ne l e c u v m a g n e t i cc o m p a f