（电气工程专业论文）电力线载波通信技术及其应用.pdf

画 上n 鱼杰兰 摘要 随着i n t e r n e t 的发展和数据网的全面建设，利用原有的电力线路传输 数据，以达到互联网的接入、对用电设备进行监测、控制的目的，已经成 为当今通信技术的发展热点。电力线载波通信技术( p 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 ) 简称p l c ，是指利用遍布城乡的各级高、中、 低压电力线作为信息传输媒介，在其上构筑高速数据通道，为用户提供高 速互联网访问、视频点播、i p 电话、远程数据传输等服务，从而形成集数 据、语音、视频及电力在内于一体的“四网合一”的一种通信方式。由于 电力线的网络分布优势，使电力线载波通讯( p l c ) 在数字家庭、智能园区、 工业传感与控制领域有着潜力巨大的应用市场，也将成为后p c 时代的明星 产业。 本文首先阐述了电力线载波通信技术在国内外的发展背景、历程、现 状；然后分析了低压电力线载波信道的工作原理、特点及实现过程中的难 点，并对多维网格编码、扩频通讯技术、正交频分复用等关键技术进行了 比较，论证了电力线载波通信的可行性；本文重点阐述了一个基于电力线 载波通讯的自动抄表系统，对其网络结构、硬件软件设计都做了详实的描 述，旨在为公司下一步拓展p l c 业务、实施配网自动化及用户远程抄表作 相关准备；最后，针对电力线载波技术存在的问题进行分析，提出采用高 速p l c 技术达到宽度互联网的接入将是未来的发展趋势，并将创造巨大的 经济和社会效益。 关键词：电力线载波宽带接入互联网调制和解调 v 画 急鱼杰，耄 a b s t r a c t w i t ht h ef u l l s c a l ec o n s t r u c t i o no fi n t e m e ta n dd a t an e t w o r k ，i th a sb e c o m e c u r r e n tc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p i n gf o c u st om a k eu s eo f t h eo r i g i n a lp o w e rl i n e f o rd a t at r a n s m i s s i o ni no r d e rn o to n l yt ot h ei n t e r n e tc o n n e c t i o nb u ta l s ot ot h e s u p e r v i s i o na n dc o n t r o lo ft h ee l e c t r o e q u i p m e n t s p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , p l c ”f o rs h o r t ，r e f e r st ou t i l i z i n gt h ep o p u l a r i z e du s e dh i g h ， m i d d l ea n dl o wv o l t a g ep o w e rl i n ea sm e d i u m ，w h e r eh i g h - s p e e dd a t a t r a n s m i s s i o nc h a n n e li se s t a b l i s h e ds oa st op r o v i d ec o n s u m e r si n t e r n e ts u r f i n g ， v o d ，1 pt e l e p h o n e ，r e m o t ed a t at r a n s m i s s i o na n do t h e rs e r v i c e s ，t h u sf o r ma c o m b i n e dc o m m u n i c a t i o nm o d ew i t hd a t a ，a u d i o ，v i d e oa n dp o w e rn e t w o r k s t o g e t h e r d u et ot h ep o w e rl i n en e t w o r k d i s t r i b u t i o na d v a n t a g e ，p l cw i l l p o s s e s sg r e a tp o t e n t i a la p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d ，s u c ha sd i g i t a lh o m e ，i n t e l l i g e n t p a r k ，i n d u s t r i a lt r a n s d u c e r sa n do t h e rc o n t r o lf i e l d s ，a tt h es a m et i m e ，i tw i l l b e c o m eas t a ri n d u s t r yi nt h ep o s t - p ce r a i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h eh o m ea n da b r o a db a c k g r o u n d ，d e v e l o p i n gp r o c e s s a n dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h ep o w e rl i n ec a r r i e rw a v et e c h n o l o g ya r es t a t e d t h e n t h ew o r k i n gp r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c so fl o wv o l t a g ep o w e rl i n ec a r r i e rw a v e c h a n n e la n dt h ed i f f i c u l t i e si nt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s sa r ea n a l y z e d t h e m u l t i p l e d i m e n s i o ng r i d c o d i n g ，s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ， o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga n do t h e rc r i t i c a lt e c h n o l o g i e sa r e v i 上洛大学 c o m p a r e d t h ep r a c t i c a l i t yo fp o w e rl i n e c a r r i e rw a v ec o m m u n i c a t i o ni s d e m o n s t r a t e d m e a n w h i l ea na u t op o w e r - m e a s u r es y s t e mb a s e do np o w e rl i n e c a r r i e rw a v ec o m m u n i c a t i o ni sd e s c r i b e di n d e t a i l ，i n c l u d i n g i t sn e t w o r k s t r u c t u r e ，h a r d w a r es y s t e ma n d s o f t w a r e s y s t e md e s i g n t o e x p a n d o u r c o m p a n y ss e r v i c e s ，r e a l i z e t h ee l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o na n d r e m o t ep o w e r - m e a s u r e f i n a l l y , b ya n a l y z i n gt h ee x i s t e dp r o b l e m so ft h ep o w e r l i n ec a r r i e rw a v e ，av i e w p o i n tt h a ti n t e r n e tc o n n e c t i o nb yh i g h - s p e e dp l cw i l l b et h ed e v e l o p i n gt r e n di sp u tf o r w a r d ，w h i c hw i l lb r i n gg r e a te c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：p o w e rl i n ec a r r i e rw a v e b r o a db a n da c c e s si n t e m e t m o d u l a t i o n & d e m o d u l a t i o n 嘞 蟛曼受杰兰 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。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发表或撰写过 的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：盘期竺2 ：i ：! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：囊亟陋师签筏；么钮日期： l i 抄z7 ；， 蟛圭鱼杰矍 第一章引言 电力线载波通信技术( p 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 ) 简称p l c ，是指利用 遍布城乡的各级高、中、低压( 高压通常指3 5 k v 及以上电压等级、中压电力线指l o k v 电压等级，低压配电线是指3 8 0 2 2 0 v 用户线) 电力线作为信息传输媒介，在其上构筑 高速数据通道，为用户提供进行高速互联网访问、视频点播、p 电话、远程数据传输 等服务，从而形成集数据、语音、视频及电力在内于一体的“四网合一”的一种通信方 式。电力线载波通信并不是新技术，但以前该技术只被电力行业作为长距离调度的通信 手段。目前全世界范围内几年来对电力网的研究有了很大的进展，很多机构和公司都推 出了各自先进的电力线载波通信技术。电力线通信技术，已经有几十年的发展历史，在 中高压输电i 网( 3 5k v 以上) 上通过电力线载波机利用较低的频率( 9 4 9 0k h z ) 以较低速 率传送远动数据或话音，就是电力线通信技术应用的主要形式之一。在低压( 2 2 0v ) 领 域，p l c 技术首先用于负荷控制、远程抄表、配网自动化系统和家居自动化，其传输 速率一般为1 2 0 0b p s 或更低，称为低速p l c 。近几年国内外开展的利用低压电力线传 输速率在lm b p s 以上的电力线通信技术称之为高速p l c 。 随着i n t e m e t 技术的飞速发展，利用2 2 0 v 低压电力线传输高速数据的价值越来越 为人们所重视。它所创造出巨大的经济和社会效益正日益引起人们的关注。利用该技术， 不仅可以组成小区配电变压器供电范围内的宽带接入网，而且可以利用遍布家庭各个房 间的电源插座组成家庭局域网，作为其他宽带接入方式的延伸和补充。目前，电力线载 波通信技术突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了数字化时代。并且，随着电力 线载波技术的不断发展和社会的需要，中低压电力载波通信的技术开发及应用亦出现 了方兴未艾的局面，电力线载波通信这座被国外传媒喻为“未被挖掘的金山”正逐渐成 为- - f - 电力通信领域乃至关系到千家万户的热门专业。 尽管随着互联网技术的飞速发展，登录上网的人数成倍增长。由于网络遵循的木桶 效应，即一个木桶始终由组成木桶的木块中最短的一块决定木桶的容量，网速也由带宽 最窄的一段网络决定最终的表现速度。因此，采用何种通信方式使用户终端连接到最近 逦 丧。受杰矍 的宽带网络连接设备，成为长期困扰人们的难点之一，也是i n t e m e t 普及的瓶颈之一， 被业内人士称为宽带网络接入的“最后一公里”问题。利用四通八达、遍布城乡、直 达用户的2 2 0v 低压电力线传输高速数据的p l c 技术以其不用布线、覆盖范围广、连 接方便的显著特点，被业内人士认为是提供“最后3 0 0 m ”解决方案最具竞争力的技术 之一。同时，由于电力线载波通信环境恶劣，许多技术问题一直困挠人们。其中，最主 要的问题在于噪音和信号衰减。电力线载波通信的噪音主要来自于低压电网相连的负 载，以及无线电广播的干扰；而信号的衰减是与通信信道的物理长度和低压电网的阻抗 匹配相关的。由于负载的开关会引起电力线上供电电流的波动，从而导致在电力线的周 围产生电磁辐射，所以，沿电力线传送数据时，会出现许多意想不到的问题。在这种形 势下，本文描述了电力线载波通信技术的发展历程、国内外现状、发展趋势、特点、优 点、实现的技术难点及其关键技术和规范，对p l c 技术在互联网接入、电力配网自幼 化及远程自动抄表中的实际应用进行了一定的探索，并将p l c 接入方式与其它的一些 互联网接方式进行了比较，旨在为公司下一步拓展p l c 业务、实施配网自动化及用户 远程抄表作相关准备。 2 域点震i 杰鬟 第二章国内外技术发展现状及发展趋势 2 1电力线载波通信发展的历程 p l c 作为电力系统传输信息的一种基本手段，在电力系统通信和远动控制中得到 广泛应用，经历了从分立到集成，从功能单一到微机自动控制，从模拟到数字的发展历 程，p l c 中的核心电力线载波机历经了模拟电力线载波机、准数字电力线载波机、 全数字电力线载波机三个阶段1 2 1 。 大约2 0 世纪2 0 年代初期国外就开始了p l c 的研究，国内开展较晚。第一代模拟 电力线载波机普遍采用频分复用技术和模块化结构，调制方式选用单边带调制技术，载 供系统采用稳定度高的锁相环频率合成技术p i ，可以很容易地得到收发信所需的各种载 频，无需更换器件即可切换高频收发滤波器及线路滤波器，切换频段也很简单，具有多 功能、通用、系列化的特点。只提供单工传输，载波工作频率为4 0 5 0 0 k h z ，外加专 用的调制解调器实现数据通信。典型的产品有德国西门子公司的e s b - - 5 0 0 型电力线载 波机，瑞士a b b 公司的e t l 型电力线载波机，法国s tm i c r oe l e c t r o n i c s 的s t 7 5 3 6 。 早期的模拟电力线载波机解决了利用电力线进行通信的问题，但是它具有模拟通信固有 的通信质量差、通信容量小、传输速率低等缺点。 第二代电力线载波机仍然采用模拟体制实现通信，和第一代模拟电力线载波机相 比，关键技术的实现方式不同。准数字电力线载波机采用了数字信号处理技术，模拟调 制、滤波、自动增益控制( a g c ) 等采用d s p 实现。由于数字技术和中央处理机的应 用，准数字电力载波机提高了整机的性能，同时增加了许多控制功能，如：技术人员可 以使用微机通过串口对d s p 和中央处理机进行编程，对系统参数进行设置和更改。典 型的产品有德国西门子公司的e s b - - 2 0 0 0 型电力线载波机，美国n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的l m l 8 9 3 ，通信速率可以达到4 8 k b s 。 目前p l c 已经发展到第三代全数字p l c 。在全数字p l c 中可以采用当前先进的数 字信号处理技术，完全采用数字体制，在信源编码、复接、基带调制等各个环节采用数 字技术对信号进行处理，可以获得更好的整机性能。可以采用多电平调制技术提高频带 画 急生杰兰 利用率；采用回波抵消技a c e 3 2 数字电力线载波机，美国i n t e l l o n 公司的s s c p 3 0 0 。 因此大大提高了p l c 的容量和质量。这就使得p l c 作为最后一公里解决方案成为可能。 下表是模拟、数字化( 数字式) 和全数字电力线载波机的性能对比 表2 1 模拟，数字化( 数字式) 和全数字电力线载波机的性能对比 、 信号类别 性能指标“、。 模拟载波机数字化电力线载波机 全数字电力线载波机 1 话1 数( 最多1 话6 路( 数据话路灵活配 系统容量 6 路( 数据话路灵活配置) 3 数)置) 高( 理论上。实际达不 频谱利用率低 高 到) 数据数率1 2 0 0 b p s 0 3 1 9 2 k b p s 可设置0 3 1 9 2 k b p s 可设置 网管不具备简单功能具备简单功能 完善 部分再生中继，具备d i 中继方式音转，存在噪声累积 再生中继，具备d i 功能 功能 对信道的要求非常严格 由于信道采用全数字调制， 对信道的要求较低，最大的带宽 数字解调对传输信号有再生 对信道的要求等同于模拟通信系高s n 平坦的振幅传输 功能，可以对信号损伤有所 统特性 修复，并对线路采用了自动 数字均衡技术，对信道要求 线性相位特性 等同于模拟系统 线路适虑能力好较差 好 数据传输可靠性不易中断线路情况变差时易中断 不易中断 通话质量差较好 良好 数据传输误码率高误码率较高 误码率较低 2 2电力线载波通信发展的背景 为适应电力系统内部管理的需要，电力系统内部已经建成以i p 技术及a t m 技术 相结合的管理管理信息网络。但随着电信和电力市场的逐渐开放，电力公司寻找支持其 在市场上竞争优势的新方法。高速p l c 提供一种无需额外布线、低价高效、从配变抵 达每个家庭的“最后3 0 0 m ”解决方案，这对电力公司是一个极具诱惑的网络接入解决 4 蟛点孽杰，需 方案。 利用已经存在的电力网和电力通信网设施，电力公司仅需投入较低的p l c 设备费 用，就可以迅速进入通信和网络市场，为其创造新的利润增长点，今天的电力公司完全 可能成为明天的电信公司。 此外，利用高速p l c 提供的电力增值服务为电力公司节省了大笔的费用，这些服 务包括远方自动抄表、需求侧管理、负荷控制、实时计费及实现配网自动化系统的接入 等。 电力公司提供电信服务，具有十分明显的优越性。首先，其拥有比电信和有线电视 多得多的电力用户、详尽的客户信息和费单系统；其次，很多电力公司已经建立了深入 各中高压变电站的高速光纤网络，用于电网监控和用电量信息的内部传输，有的电力公 司甚至己将光纤架设到低压配电变压器1 4 i 。利用这些基础设施，加上高速p l c 解决“最 后3 0 0 m ”、家庭网络方案，电力公司投入的费用是极少的，但产生的利润却是极为可 观的。 在最后一公里的解决方案中，比较成熟的有i s d n 、x d s l 等。但是p l c 能够充分 利用现有的低压配电网络，无需任何布线，是一种“n on c w w i r c s ”技术，和其他接入 方式相比有很多优势。以下是各种通信方式的对比，其各自的技术性能可见下表： 可否同线 通信方式速率( b p s )物理介质评价 传输话音 模拟调制解调器 5 6 k 否双绞线应用广泛、廉价但速度慢 i s i ) n1 2 8 k是 双绞线l应用不广，费用较普通电话线稍贵 8 m 不干扰普通电话使用，频带专用不共 x d s l 是双绞线l享，频宽受距离限制，目前仅在少数 反向2 m 地区使用，不能组网 1 0 m 必须拥有现成的网络接入，并改造为 c a t v 取决于本否同轴电缆双向传输；在新区域开办服务和铺设 地用户数线路造价高昂：共享带宽，可组网 p l ci m 1 0 m 是电力线 无需新线，分布广泛，接入方便，未 完全达到实用化阶段 ，+，。 8 m 需室外天线，易受建筑物阻挡，对天 无线( l m d s ) 是空气 气状况敏感 表2 2 高速p l c 同其他接入技术的比较 5 嗨圭盘杰矍 和其它各类接入技术相比，高速p l c 具有如下优越性： 1 ) 安装简便，可以充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任 可布线，是一 种“n on e ww i r e s ”技术，节约了资源。无需挖沟、无需穿墙打洞，避免了对 建筑物和公用设施的破坏，同时也节省了人力。 2 ) 可利用区间变压器在可供电范围内进行局域性的双向数据传输，尤其适合在受 控点经常变化、难以架设线路的边远地区。 3 ) 利用电力线载波进行远距离控制以及双向数据传输的优势在于资源省、成本低、 灵敏度高、抗干扰性强、输出功率大、载波频率宽，具有广泛的应用基础。 4 1 电力线入户率高，覆盖范围大，是目前世界上最大的有线数据传输网，具有取 代目前所有局域通信、光纤网的巨大潜力。 5 ) 可以为用户提供价格低廉的高速因特网访问服务、m 话音服务，从而使用户上 网和打电话增加了新的选择，有利于同其他电信服务商的竞争。 6 ) 对家庭联网提供支持，使人们可以尽情享受由p l c 技术带来的家庭音、视频网 络，多人对抗游戏等娱乐。 乃是家居自动化的生力军，通过遍布各个房间的墙上插座将智能家电联网，提前 享用数字化家庭的舒适和便利。 8 ) 利用p l c 的永久在线连接构建防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统， 让上班族高枕无忧；构建医疗急救系统，让家有老人、孩子和病人的家庭倍感 方便。 9 ) 远程自动读出水、电、气表数据，为公用事业公司节省大量的抄表费用，也方 便了用户。 l o ) 为电力公司提供负荷控制、需求侧管理的新手段，提高电力公司管理水平。 1 1 ) 使电力公司以极低的投资就可以进入i s p 、i c p 和话音等电信服务市场，成为 新的利润增长点。电力公司能够以低廉的价格为用户提供电信服务，在电信市 场上更具竞争力。 1 2 ) 实现数据、话音、视频、电力“四网合一”，创造巨大的经济和社会效益。 6 画 皇瓷杰兰 2 3电力线载波通讯技术的发展方向 从总体来说，电力线载波通讯技术在向五个方面发展： 1 1 从个别用户到低压段区段使用( p l c ) ，其后段部分采用电话线、光缆、无线等 构筑网络； 2 ) 仅用于低压部分( a c l l 0 2 2 0 v ) ： 3 1 室内系统正在出笼； 4 室外系统成为研究课题； 5 ) 向家居自动化发展( 需要1 m b p s 以上速率) 。 按速率和载波频率分为： 1 ) 低速率通讯( 1 k b s 以下) ，主要应用于长距离( 1 公里以上) 利用2 5 k 高压电 线对配电设施进行控制； 2 ) 中速率通讯( 1 - 5 0 k b s ) ，主要应用于固定小区间、楼字间的数字通讯。包括自 动照明控制、消防报警、自动抄表以及数据监控等系统。载波频率一般在 5 0 5 3 5 k h z 之间： 3 ) 高速率通讯，( 1 0 0 k b p s 以上) 主要用于小区域中的高流量数据通讯。如电脑网 络中的打印、文件共享等，采用高载波频率1 7 3 0 m h z 。 7 蟛圭璧蠢，誊 第三章电力线载波通信可行性分析 3 1 低压电力线载波信道分析 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，因此在整个系统设 计之前有必要分析电力线载波的可行性，认识电力线载波方式区别于其他通信方式的特 殊性，了解低压电力线信道特性。这样才能选择用何种调制解调方式及采用何种通信协 议。为整个系统最终设计的成功打下良好的基础。 对于所有的通信信道，阻抗、信号衰减、相移和干扰是决定其性能的基本参数， 而且是在分析信道性能时所无法避免且要面对的问题。在我们使用电力线作为信号传输 媒介之前，需要叫电力线的这些信道特性进行分析。 由于1 0 k v 以上中高压电力线信道环境较好，利用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了广泛使用，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。在2 2 0 v 3 8 0 v 低压线上进行行信号传输，与高压电力线 载波通信相比却有较大区别：突出表现在工作环境恶劣( 各种干扰嗓声复杂) 、线路阻 抗小、信号衰减强( 电力负载有对载波通信信号近似短路) 、干扰大且时变性大等特点 1 5 1 。因此，对于低压电力线载波信道，有必要进一步具体分析。 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要意义。低压电力线一般由良导体加工而成，本身阻 抗小。对不同频率的信号，其阻抗略有变化但相对稳定，因此电力线本身的阻抗不是产 生衰减的主要原因。 但研究表明低压电力线上的输入阻抗与所传 输的信号频率密切相关1 6 i 。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，传输阻抗会随 着频率的增大而减小。当在电力线上有负载时， 所有频率的传输阻抗都会减小。但是，由于负载 狙枷q 频率，k 1 i z 圈3 ，l 输入阻抗与频率的关系 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，甚至使传输阻抗 的变化不可预测。图3 1 用对图绘出了实测的输入阻抗与频率的关系数据。 茴 圭- 鱼杰兰 从上图中可以看出：电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化，可以从o 1 欧姆变到大于1 0 0 欧姆，变化范围超过了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，上面连接有各式各样的 负载。这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路，在共振频率及其邻近频率上形成 低阻抗区。因此，在输入阻抗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，就形成上图所示的图形，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，正是由于负载合在电力线上随机地连上或断开，所以在不同时间，电 力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变。 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机 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。 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。 经过研究发现，电力线上的干扰不能简单地视为加性高斯白噪声( a w a n ) 。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：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等。通常情况下，前两 类干扰占主导地位。 首先说明低压电力线上的周期性干扰。在以前的研究中发现，谐波噪声以交流电 频率( f k ) 的整数倍出现，因此我们有理由相信干扰也会存在周期性的倾向。图2 - 2 是某一时刻实验室中电力线上的干扰波形。图中显示电力线上的主要干扰是周期性出现 的，其出现频率为2f a c ；而且其幅值比时不变连续干扰大许多。这种干扰的强度有时 可能很大，其峰一峰值可达i o v 以上。 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i 卵。例如，可控整流电源在交流电源基波的某个固定相位上释放出干 扰。例如，可控整流电源在交流电源基波正半周和负半周的4 5 。切换，则在一个工频周 期中交流电源上会出现2 个缺e 1 ，从而会以i o o h z 为周期，每周期2 次释放出强烈的 9 画 皇孽杰矍 干扰，而且这种干扰与交流电源有着固定的相位关系。每次干扰的持续时间受多种因素 的影响，如可控整流电源在交流电源上产生缺口的宽度，电力线对高频干扰的衰减强度 等。在图3 - 2 中，每次干扰的持续时间约为3 m s 。而许多开关电源、逆变器等还可能产 生频率高于1 0 0 h z 的周期性干扰。 t 1 1 1 s 圈3 2 干扰信号 为对这种周期干扰进一步分析，画出图3 。2 干扰信号的对数频谱特性，如图3 3 所 示。从图3 3 中可知，干扰信号的频谱非常不规则，存在许多突变，有些频率信号的强 度很高，有些则很低。但是，从总体上来看，9 k h z 以上的干扰信号的强度比$ k h z 以 下的信号的强度平均要大7 d b - - 8 d b 。因此，这种周期干扰主要是由大量的高频干扰组 合而成的。由于通常使用的电力线载波通信设备的工作频率都在1 0 k h z 以上；所以这 种干扰必然会对它们的正常工作产生很大的影响。如果不采取措施，这各千扰可能引起 几个到十几个数据位的传输错误。例如，以上述干扰为例，以4 9 0 0 0 b i f f s 进行的数据通 信，每次干扰可能破坏1 5 个数据位的传输。 消除这种干扰的困难有两点；首先，由于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 1 0 图3 3 干扰信号的对数频谱特性 i 蓟 点鱼杰矍 谱非常宽，所以对接收端滤波器的灵敏度的要求很高。 另外，有许多大功率的用电设备，如电机等，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；且频率有可能延伸到几万 赫兹。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。 在实际情况下，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嘲 1 7 l 。在图3 2 中，幅值较低的连续干扰就属于这种干扰。这种干扰表现为平均功率较小， 但是频谱很宽而且持续存在。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。 其次，来看低压电力线上的随机性干扰。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 群干扰，持续时间较短，但是能量很集中，频谱也很宽。 高压开关的断开和闭合在电力线路上导致的暂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，电流峰值可达到几千安培， 电压峰值可达到几万伏。这种波形的上升时间很短，通常不大于5 5u s ，下降时间相对 较长，但通常也不大于7 5 m 。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。这样的雷击过电压农低压网络内传播时，遇阻抗不同的 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0 5 璐、振荡频率为i o o k h z 的衰减振荡波。显然，这种脉冲会对载 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。而在离接收机近距离的范围内；某些中小功率的负载，如日光灯、计 算机等的开关也会产生较大的突发脉干扰而影响通信。 上述这些干扰的持续时间较短，从几十微秒到几秒不等，强度大小也不等，出现时 间也是随机的，具有限大的不可预测性。如果它们正好在发生在数据通信过程中，由予 画 上n 巍杰，誊 其高能量、宽频谱的特性，通常会使所传输数据的若干个位甚至整个数据传输过程发生 错误。在一个完善的低压电力线载波通信系统中，可以通过前向纠错码、自动重发机制、 数据预取机制等措施加以克服。 再次，来看低压电力线上的多变性干扰l 舯。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。这种多变性表现在两个方面。首先是固时而变，即在 不同时刻，干扰的频率。强度都各不相同。对于一般的用户，我国采用的是2 2 0 v 交流 两线电。由于电网上不断有接入、切出，电机的停止、启动，电器的开关等各种随机事 件；使其表现出来的信道具有很强的时变性、低压电力线在一秒内可对某频率的衰减变 化达到2 0 d b ，而且在一秒内信噪比( s n r ) 也可达1 0 d b 左右。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。前者是因为在不同的电网之间，连接的负载、线路情况、电网结构等 都不同，导致电网内的各种参数都不同，则必然会影响干扰的分布。后者是因为干扰在 电力线上的传播也要遵循高频信号在电力线上的传播特性，会受到电力线上衰减特性的 影响，因而对距离、负载分布等也很敏感。因此，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。 高频信号在低压电力线上的衰减是低压电为线载波通信遇到的一个实际困难。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根线上 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的关系。 总的来说，信号传输越远，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机 和发送机的位置不变，接在不同相上，通信的误码率不同。 信号频率与信号衰减有着直接关系，电容器对低电压电力线载波通信系统也有重大 影响。而且高频信号在低电压电力线上传输时，其衰减随工频电源的相位而变化。有时 高频信号在工频电源的某个相位范围内会发生较大的衰减变化。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 画 上n 鱼杰，嵩 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施放大量高频干扰，从而影响通信系统的工作。 另外，接收机所处的位置不同，信号的衰减也不同、在某些负载，如彩色电视机、 计算机等的旁边，高频信号的衰减往往会增大许多。 从以上分析可以看出：就总体而言，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 0 d 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。 3 2电力线传输信息能力的分析 电力线路作为同传信息媒体时，要考虑它的特点：电力线路首先传送的是强电电力 能源一高电压、大电流，其基频为5 0 h z ( 6 0 h z ) 及其倍频( 谐波) 。传输信息为弱电( 小 功率) 。为防止强电干扰，信息的载频应远离5 0 h z 及其倍数。此外，电力线路存在着 电晕产生的杂波干扰信号，其功率谱很宽，但随着频率的升高其能量成1 2 次方下降l ，l 。 由于电力线路上存在强大的杂音干扰电平，所以模拟通信技术不适含用于电力线路 通信；只有数字信息才适应。传输的模拟信号与线路杂音信号是线性相加且不能消除。 传输的数字信号在接收端可以“再生”，如被传输信号强度d ( f s ) v d 2 ( 判决强度) ， 可再生为有信息( 二进制为1 ，多进制为规定码组) ，d ( f s ) v d 2 时，则再生为无信 息( 二进制为0 ，多进制为另一码组) 。这样就消除了杂音千扰。 当前有两种数字新技术直接应用于电力线路同传数字信息技术中l m i ：一是数字电 话和数字电视速率压缩编码技术：二是数字信息传输频带压缩技术，郎高效传输技术。 架空三相高压电力线路同传数字信息的潜在能力，即在一条电力线路上传输数据的总速 率或数字长话总容量为多大，是以上述现有新技术做基础来计算的。以下是某科研所通 过实际计算所求得的下同电压等级条件下的电力线路同传数字信息能力对照表。 茴 急受杰矍 电力线路传输条件同传能力 电压 线路长度线路总速 ( 再生站 p o m a x c h 附加3 3 6 k b s 1 6k b s 数 等级d c m m衰减双向数据 率m b s 字长话路 距) l ( k m ) ( w ) ( d b )信道数 ( 双向) ( k v )数( 双向) 2 01 5 2141 02 7 9 59 3 9 1 25 5 9 0 1 0 1 01 5 2il1 0 5 5 6 9 1 8 7 1 1 8 1 1 0 0 0 5 01 9 ol2 01 01 1 4 03 8 3 0 42 2 8 0 3 5 2 01 9 0l41 03 0 0 01 0 0 8 0 06 0 0 0 5 02 1 6l2 0l o9 3 83 1 5 1 61 8 7 6 1 1 0 1 0 02 1 614 0 1 0 4 1 01 3 7 7 68 2 0 2 0 02 4 226 0l o2 1 77 2 9 14 3 4 2 2 0 5 02 4 222 0 1 0 1 1 0 03 3 9 6 02 2 0 0 表3 1电压等级在不同条件下的电力线路同传数字信息能力 由上表看出；电力线路同传数字信息能力是很高的，同传能力最主要的是和线路长 度l ，即和再生数字信息站间距离有关。 3 3电力线载波通信设计原理 p l c 技术主要包括以下几个部分组成： 1 ) 电力线网络单元( p n u ) ，它负责控制电力线网络并从单元配电网集成话务。通过 适当的电信干线接口，p n u 再将话务传至馈电网络。根据馈电网络中使用的不 同介质，p n u 也可转换来自低压配电网的数据话务。 2 ) 电源线网络终端( p n t ) ，它为最终用户p c 或其它用户提供适当的接口，如以太 网或是u s b 。为了降低成本，这一独立设备能够和p c 或其它设备相集成。 3 ) 耦合设备( c o u p l i n gu n j o 是将信号传入线路并过滤噪音的。目前它还是一个插销 插入电插座的相对独立的设备，今后它可能会和p l c 调制解调器集成于一体。 p l c 调制解调器和p c 内的耦合设备的集合体有一天将使p c 可以直接在网上运 行。 遁上n 鲢，嵩 配电网是一种共享介质，即所有与之相连的用户都共享同一“电缆”。在典型的城 市配置中，它则转化为与一个变压器相连的大约1 0 0 到2 0 0 个用户。p l c 系统能够在 1 m h p s 的最佳传输速率下支持8 0 个用户，这一比例是足够的。由p l c 技术支持的客户， 需要具备一个技术条件，具有很强的带宽分配能力的介质接入控$ , j f m a c ) 层。这就使电 源线网络不仅仅能够支持8 0 个i n t e m e t 用户的数据往复交换，而且能够灵活地适应以 不同速率传输的上行和下行数据。用户通过p l c m o d e m 联结到户内电源插座，通过电 力线联接楼宇配电变压器端的p l c 主控设备，完成“最后一百米”的接入。用户只需 装设一台p l c m o d e m ，不用拨号，就能在线地接收和发送i n t e m e t 信息。 把电力线增加了作为传输介质的功能，那么，电力线载波通信属于网络通信的一部 分。目前，网络的分层结构有两个重要的网络体系，即o s i 参考模型和t c p i p 参考模 型。 o s i 参考模型和t c p h p 参考模型都是基于独立的协议栈的概念，层的功能也大体 相似。不过t c p f i p 模型不区分( 甚至不提及) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 和数据链路层 ( d a m l i n k l a y e r ) 。如下图： o s i 参考模型t c p i p 参考模型 应用层 袭示层 会话层 传输层 网络层 数据链路屡 物理层 应用层 j r 一 传输层 互联层 连接至两络 在模型中 不存在 圈3 4o s i 参考模型和t c p ，i p 参考模型 电力线载波的底层通信相当于o s i 参考模型的物理层和数据链路层i 儿l 。这两层完 全不同。物理层必须处理电力线和铜缆、光纤、无线通信的传输特点。而数据链路层的 工作是区分帧头和帧尾，并且以通信需要的可靠性把帧从一端发到另一端。 电力线载波通信的物理层包括：电力线信号耦合、载波调制、扩频调制和多路载波 的数据调制。而数据链路层主要包括介质访问控制层( m a c m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 。 通过研究双绞线通信和无线通信中的编码、调制解调、纠错技术，把有线通信中的 多载波技术和无线通信中的扩频技术结合起来，实现电力线载波高速通信。即： 醪点鱼杰，曩 电力线载波= 多路载波+ 扩频( 直序和跳频) 。 如下图：