（电力电子与电力传动专业论文）基于sc1128低压电力线载波抄表系统的研究.pdf

a b s t r a c t a t p r e s e n t ，t h el o wp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo ft h e d o m e s t i ca n df o r e i g nc i v i ls t i l lh a sm a n yp r o b l e m s s u c ha st h em e t e r r e a d i n gs y s t e m si nt h eu s ea l la r en o tc a na c h i e v e10 0 a n dt h ep u n c t u a l r e q u e s t t h i sa r t i c l ei sf o rt h ep u r p o s eo fu s i n gt h el o wp o w e rl i n ep o w e r s u p p l yn e t w o r kl o wc o s t ，h i g hr e l i a b l ec h a r a c t e r i s t i c ，s t u d i e so n ek i n dl o w p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ：m e t e rr e a d i n gs y s t e m s ，w h i c hs u i t so u r c o u n t r y sl o wp o w e rl i n ec h a r a c t e r i s t i c t h i sa r t i c l em a d em o r eo v e r a l l c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st o t h ee l e c t r i c p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nm e d i u ml o wv o l t a g ep o w e rl i n eo ff o r c e c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c ，p r o p o s e dp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， w h i c hb a s e so nt h es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ，n a m e l yt h ea p p l i c a t i o no f s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nc h i ps c l1 2 8i nt h el o wv o l t a g ep o w e rl i n e ， i n i t i a l l yc o m p l e t e dt h ep o i n t t o - p o i n t c o m m u n i c a t i o n e x p e r i m e n ts y s t e m d e s i g n ，t h em a n u f a c t u r ea n dt h ed e b u g g i n g i no r d e rt oc a u s et h es y s t e mt o c o m m u n i c a t eu n d e ram o r er e a le n v i r o n m e n t ，i no r d e rt o d e b u gs y s t e m a t i c e a c hr e l a t e dp a r a m e t e rb e t t e r ，a p p l i n gt h ec o m m u n i c a t i o no nt h ei n t e l l i g e n c e h o tf l o wm e t e rd a t u mt r a n s m i s s i o ns y s t e m l o o k sf r o mt h e s y s t e mc o m m u n i c a t i o ne f f e c t ，t h i ss y s t e mh a sah i g h e r a n t i j a m m i n g ，t h ea n t i s i g n a lw e a k e n sa b i l i t y ，t h es y s t e mc a na c h i e v eaf a r t h e r t r a n s m i t t i n gr a n g e ，s i m u l t a n e o u s l y b e c a u s et h ec o m m u n i c a t i o n s s y s t e m e s s e n t i a lp a r ts c1 12 8f s p r e a ds p e c t r u m s o l u t i o ne x p a n dc h i p ) i ss p e c i a l l y d e s i g n e da c c o r d i n g t ot h ed o m e s t i cl o wp o w e rl i n e c h a r a c t e r i s t i c ，t h e p e r f o r m a n c ep r i c ei sh i g h ，t h e s ea r ea l la d v a n t a g e o u st ot h es y s t e m s p r o m o t i o n k e y w o r d s ：a u t o m a t i c m e t e rr e a d i n g s y s t e m ；l o w v o l t a g e p o w e rl i n e c a r r i e r c o m m u n i c a t i o n ；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 ； i n t e l l i g e n th o tf l o wm e t e r ；s c 11 2 8 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。 ( 1 ) 自动抄表系统中采用低压电力线载波扩频通信，利用 适合我国电力线通信环境的调制解调芯片s c l l 2 8 作为自动抄 表系统的通信接口芯片，使系统抗干扰、抗信号衰减能力得到提高。 ( 2 ) 将通信系统应用到智能热流量表的数据传输中，使系统 在实际环境下通信，通信效果良好，系统所选用的器件性价比 高，既满足用户的通信需要又具有良好的经济效益和社会效益。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：童? 梅睾日期：2 。6 一l 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景 随着电力工业的飞速发展和深化改革，我国将在2 0 0 0 - - 2 0 1 0 年实现全 国联网、统一调度、厂网分开，完成城网和农网改造，实现城乡电网同质 同价，建立竞争有序的电力市场，与国际先进的电力工业管理体制接轨。 城乡电网改造工程为我国电力工业改革，调整电力结构奠定了坚实的 基础，为实现城乡电网同质同价，提高居民生活用电量及全国电网互联提 供了前提条件。这就给以电力线为物理媒介的自动抄表系统的发展奠定了 可靠的基础。各公用公司原有的人工抄表，人工采集处理数据的手工方式 显然已经不能适应我国经济发展的需要，对大用户和居民小区必将逐步采 用自动抄表系统，因为人工抄表效率低，不利于各公用公司减员增效工作 的进行。在这种情况下，采用方便实用的远程集中抄表系统，通过电力线、 电话线、宽带网或专用通讯线路，利用高科技手段实现快速、准确、远程 抄表或集中抄表工作对管理部门来说意义重大。 1 2 发展现状 自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 是指采用通讯和计算机网络等技 术自动读取和处理表计数据，是网络和计算机技术迅速发展的必然结果。 公用公司为商业收费而进行的抄表工作可以追溯到1 0 0 多年以前。当 时的方法是抄表员走家串户，读取用户表计的数据，并记录在抄表记录本 上，由此生成用户缴费所需的帐单。当抄表系统采用通信、网络和计算机 技术后，使得抄表系统实现手持终端抄表，车载无线电抄表以及全自动抄 表( a m r ) 。采用自动抄表技术不仅能节约人力资源，更重要的是可提高抄 表的准确性，减少因估计或誊写而造成账单出错，使管理部门能及时获得 准确数据信息。随着现代电子技术的发展，通讯技术和计算机网络技术都 有了飞速的进步，而二者结合又进一步演化出许多新的通讯方式和系统， 为自动抄表系统的实现提供了更多的可能。 随着全球范围内电力经营市场化的发展，公用企业自动抄表( a m r ) 技 术的应用愈加广泛，自动抄表技术成为新的产业部门。国外已有不少厂商 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 已生产出a m r 系列产品，而且对a m r 的研究也越来越深入。美国于1 9 8 6 年就建立了自动抄表技术协会( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n ga s s o c i a t i o n ) 每一 年半左右开一次国际性年会，近年来欧洲自动抄表技术协会( e u r o a m r a ) 和英国自动抄表技术协会( u k a m r a ) 又应运而生，电力技术期刊甚至互联 网上也经常有相关的研究论文发表。 1 2 1 国外发展现状 1 、国外自动抄表技术应用已比较成熟： 根据文献报道美国匹兹堡市的d u q u e s n e 电灯公司于1 9 9 8 年己实现在 其供电的8 0 0 k m 2 区域内5 6 万个电能表上安装自动抄表系统，其中8 万单 元( 每个自动抄表单元是指安装于每个电能表的自动抄表装置，通常每个 表装一个a m r 单元) 为移动无线电方式，4 4 万单元为固定无线电方式，其 余大用户单元用电话线方式采集数据。 对西雅图和奥林匹亚供电的p s e 公司约有1 5 0 万个电能表，1 9 9 9 年已 经完成8 3 万单元自动抄表装置的安装，其方式是在半径0 4 一o 5 5 k m 的 居民小区内约每2 千个电能表上的固定无线电单元传向设置在电杆上的集 数器，再经9 2 8 9 5 2 m h z 的1 9 个2 5 k h z 窄带无线电中继传向4 8 k m 外的控 制中心，此外郊区和农村有6 0 万只电能表上安装了自动抄表装置。 根据a m r a l 9 9 9 年的s c o t t 报告，美国已安装和投入使用超过1 0 0 万 单元自动抄表系统的电力公司有a m e r e u e 公司( 1 2 0 万单元固定无线电方 式) 、p r e p a 公司( 1 3 0 万单元配电线载波p l c 方式) 、n e wc e n t u r ye n e r g i e s 公司( 1 5 7 万单元车载及固定无线电方式) 等。问卷调查还表明自动抄表系统 在北美电力公司中4 5 已安装1 6 在试点2 3 己列入计划。 欧盟各国都有自动抄表实施的报告。例如，英国1 9 9 8 年已经实现对约 9 万户大于1 0 0 w h 用电负荷用户的每0 5 h 电量数据采集；比利时 i n t e r t e c t r a 公司在1 9 9 7 年就已用s i e m e n s 的s e m m s 系统对用户自动抄表； 此外，拉美和日本也有自动抄表应用的报导。 2 、国外自动抄表应用趋向以电力线载波方式( p o w e r l i n e c a r r i e r ) 为主： 根据a m r a l 9 9 9 年度s c o t t 报告1 9 9 9 - - 2 0 0 0 年间全美将有1 2 4 + 1 0 6 自动抄表单元投运，其中9 8 是p l c 方式，该方式( 尤其是低压载波抄表) 辽宁i 程技术大学硕士学位论文 3 由于无需投资布线、成本低且可靠而倍受关注。我国目前各地试点绝大多 敷设的是p l c 方式。根据不同的用途，国外p l c 方式载频范围变化很大， 我国大多为载频1 0 0 k h z 左右。 3 、自动抄表的标准化： 由于不同国家，不同厂家生产的各种电能表和各种自动抄表终端要能 在一个数据采集系统中正常工作，就要求表计和终端的接口以及数据传输 规约和格式都要能够兼容，因而世界各国都很注意标准化问题。 国际电工委员会( i e c i n t e r n a t i o n a le l e e t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 很早就 从事电能表数据采集标准的制订工作，目前已经发布i e c l l 0 7 直接当地 数据交换1 9 9 3 年第1 版1 9 9 5 年修订第2 版和i e c n 4 2 当地总线数据 交换1 9 9 5 年第1 版两种标准，而关于用p s t n 公用电话网及l i n k + 规约、管理配电线载波消息服务器通讯规约、应用局部网络数据交换 规约和应用层规约4 种已形成有正式代号的技术报告，待试用一段 时间后再修订成标准。北美经多年的努力，2 0 0 0 年已由i e e e ( 电气电子 工程师协会) 发布了a n s i c l 2 18 a n s i1 型光口规约规范、a n s i c l 2 1 9 公用企业终端设备表格、a n s ic 1 22 1 电话调制解调器通讯规约3 种 a m r 标准，此外a n s ic 2 2 2 对数据通讯网接口的规约也在制订中 ( a n s i ：a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r d si n s t i t u t e 美国国家标准协会) 。由于 开始以因特网为通道传送电能表数据，美国公用企业集团u i g 推荐用电子 数据格式e d i8 6 7 、用电量数据和e d l 6 5 0 表计物理参数，英国已用欧洲 e d i 格式，采用电子数据格式有利于进一步发展因特网电子商务。 1 2 2 国内应用现状 目前，我国有不少自动抄表系统已经投入运行，但规模都不大，技术 也在应用中有待完善，主要有以下两种： l 、车载自动抄表系统：主要由抄表主机、发射天线和接收天线组成。 用户端的电表有自己的编号，每个编号有两部分构成：一部分是该电表所 在区域的编号，另一部分是其在区域内的编号。抄表车按一定的线路行驶， 到达某一抄表区域时，发出抄表信号该区域内所有电表便向主机传送数据。 传送完毕后，主机再连接下一组电表。显然，这样的无线通讯方式需两个 传送完毕后，主机再连接下一组电表。显然，这样的无线通讯方式需两个 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 频率通道，一个用来连接信号、，另一个用来传送数据。具有一定的局限性。 2 、采用载波通讯技术通过输电线路实现通讯方式：具体又分电力线载 波通讯、配电线载波通讯和低压用电线载波通讯等。在抄表系统中，低压 载波通信必须是双向的，这是因为通信中继的需要，低压电网上的噪声是 客观存在的，对载波信号所呈现出的阻抗特性是动态的，而且用电负荷很 大，阻抗很小的情况也是可能的。因此，设计通信时必须考虑这些问题。 再加上其它因素的影响，数据通信质量会受到较大的影响，有时甚至会造 成从集中器到表端设备通信的持续性失败，这种情况就需要系统有中继的 功能，而切实可行的中继方法是表端设备( 采集模块或采集终端) 在集中器 的干预下进行中继，这就要求从集中器到表端的载波通信必须是双向的， 否则将会严重影响数据的完整性，有时会因为通信的原因迫使用户更换采 集模块，这种情况会带来很多意想不到的问题。在这样的自动抄表系统中， 每个用户装设的电子式电度表就近与采集模块相连接，采集模块采集的电 量经交流电力线送出，抄表中心站的主机则定时通过低压电力线以载波通 讯方式收集用户电表测得的电能数据信息。这类系统中具有代表性的是英 国远程自动抄表公司开发的低压电力载波通讯系统p o w e r n e t 。该系统 具有自动抄表( a m r ) 用户需求侧管理( d s md e m a n ds i d em a n a g e m e n t ) 和配 电自动化( d ad i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ) 等功能。 自动抄表技术在我国的出现仅有1 0 年左右，但发展很快，国内已有不 少厂商生产出较为前沿的产品，同时中国电科院对产品质量进行检测把关， 在一定程度上保证了设备质量。目前安装试用单位不少，但大多只有小区 规模。当前全国上规模的自动抄表系统都是低压配电线载波方式，载频 1 0 0 k h z 左右按照电力市场化改革的规划，自动抄表规模还将进一步扩大。 1 3 压电 了自 波技 对低 自动抄表系统目前存在的问题 虽然，国内1 0 k v 以上等级的高压电力线载波技术已较为成熟，但低 力网络上的载波通信还未达到令人满意的水平。这在一定程度上制约 动抄表技术在我国的实际应用。国外虽然有较为成熟的低压电力线载 术，但将该技术直接应用于我国，效果不尽人意。其原因在于：我国 压电器电磁兼容性的控制远没有西方发达国家严格；对低压电力网上 辽宁工程技术大学硕士学住论文 存在的电磁污染的治理也很不得力， 影响着载波通信的质量。首先，电力 路上。例如，用户家用电器、开关电 的通断产生的瞬时脉冲干扰，各种大 驻波干扰等等。因此抑制干扰，提高 不同地方的线路特性可能完全不同， 都会对高频信号在电力线上的传输产 传输特性也会随各种电力负荷的改变 应不同线路的能力也很重要：最后， 复杂多变，很难以准确的数学模型加 波技术必须跨越的障碍，显然，从规 平等方案来解决此类问题，在短时间 造成低压电力网干扰很大，这些严重 线上的干扰非常大，特别是在用户线 源等产生的高次谐波，各种用电设备 功率开关器件的开关产生的宽频谱的 通信的可靠性是首要考虑的；其次， 使用线路的种类及线路上的负荷情况 生很大影响。即使是同一段线路，其 而改变，所以通信设备的稳定性和适 用户负载千变万化造成网络传输特性 以表征。因此，强干扰是低压电力载 范用户负载特性，提高电磁兼容性水 内难以实现。 同时虽然在较短的时间内，我国自动抄表技术发展很快，不少制造厂 商生产出较为前沿的产品，但系统工作的准确性和时效性较发达国家有很 大的差距，这也是为什么我国自动抄表系统大多只有小区规模的原因。要 想使自动抄表规模进一步扩大任重道远。 1 4 本文研究的内容及主要工作 分析我国自动抄表系统存在的问题，利用抗干扰，抗信号衰减能力强 的载波方式一扩频通信，以增强通信设备的电磁兼容能力。同时紧紧围绕 我国低压电力线特性来研制适合我国的低压电力线载波抄表系统。根据以 上两点本文所作的主要工作有： ( 1 ) 本文对电力载波通信媒介低压电力线信道特性做了较全面的研 究，分析了具有抗开放信道的变参、干扰强、保密性差等缺点的扩频通信。 ( 2 ) 提出了一种基于扩频理论的低压电力线载波抄表系统，即扩频载 波通信芯片s c l l 2 8 在低压电力线通信上的应用，初步完成了点对点的通 信实验系统的设计、制作和调试。 ( 3 ) 将通信系统应用到智能热流量表数据传输系统，使系统在实际环 境下通信，调试基本结束。通信效果显示：系统抗干扰、抗信号衰减能力 强，同时系统可达到较远的传输距离。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 低压电力线 2 1 低压电力线 近1 0 年来， 事这方面的技术 用于电力线载波 载波技术的应用及扩频通信理论 扩频技术应用的现状 6 美国、英国、德国、以色列、中国等国的科技人员一直从 研究与开发。到目前为止，国内外已有一些企业开发出了 通信的产品：如开发的电力线载波抄表系统在技术上取得 了可喜的进步，但尚未能符合用户使用要求，由于技 统的抄到率最高仅能达到9 0 左右。尽管如此，目前 已属先进行列。实践证明用进口通用通信芯片不可能 的可靠载波通信。但是随着市场需求和技术的发展， 载波通信必将成为一个很大的通信网，是众商家瞄准 由于传统的窄带通信不太适宜在低压电力网上应 解决低压电力线载波通信提供了一条可行的途径。近 术上的原因，抄表系 我国在该方面的技术 实现我国民用电力网 将来我国民用电力线 的市场。 用，利用扩频技术为 年来，电力线扩频通 信一直是扩频通信技术的一大研究方向。国内外研究的主要目标是在低压 配电网上实现数据通信，并应用于家庭自动化。 2 1 1 国外研究概况及发展趋势 英国：联合电力公司的子公司n o r w e b 通讯公司在1 9 9 0 年开始对电力 线载波通信进行研究。1 9 9 5 年，该公司又与加拿大n o r t e l ( = l 电网络) 公司 联手，共同开发这项新技术。1 9 9 5 1 9 9 7 年的两年间，n o r w e b 和n o r t e l 公司已经成功地在英国曼彻斯特对2 0 个居民用户进行了试验，其中包括话 音服务。1 9 9 7 年1 0 月，这两家公司声称已经解决了电力噪声等问题，取 得了电力线载波技术的重大突破，利用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 ) ，实现了在低压配电网上进行1m b s 的远程通信， 从而将四通八达的电力线转化为信息高速公路。1 9 9 8 年3 月2 5 日，成立 合资公司n o r w e b ，进行该技术的市场推广。 德国：早在2 0 0 0 年5 月，德国顶级电力公司r w e 就开始采用瑞士 a s c o m 的产品为埃森的电力用户提供电力线数据服务，速率达到2 m b s 。 收费方式为，当每月访问的数据量在2 5 0 m b 以内时，用户需支付2 2 欧元。 截至2 0 0 1 年1 0 月，r w e 电力线通信公司大致安装了1 5 0 0 个电力线上网 辽宁工程技术大学硕士学位论文7 用户。2 0 0 1 年3 月，德国最大的电力供应商莱茵一威斯特伐里亚发电厂宣 布，该公司正在研究开发通过电力线路来传输互联网数据的项目。迄今为 止，只有德国在埃森和曼海姆的两个电力线高速通信网络投入商用化运营， 其他国家均在试点之中。其主要原因首先是法律上的，德国在2 0 0 1 年通过 了个法令，允许在电力线上经营i n t e r n e t 服务和电信服务，并制定了相 应的规范n b 3 0 。 韩国：。信息产业资源部已于2 0 0 1 年3 月1 4 日在汉城某大厦进行了一 次成功的电线通信因特网试验。该部一位官员事后自称：“这一技术目前尚 属实验阶段，但已实现了利用电力线的通讯，如果能在2 0 0 1 年成功实现互 联网示范服务，那么，年初，信息传送速度可望达到1 0 m b p s 。从理论上讲， 这种技术不需要外置电话线、光纤通信电缆，而直接使用现有的电力线输 送网即可实现数据网络传输。又据悉，韩国正在与德国进行这方面的密切 合作，并将在德国的一个小区进行实验，以与德国的电力线数据传输技术 进行比较、互补。 以色列：以色列主本网站与美国因特农公司正在欧洲几个国家进行区 域实验，目前已计划在每个家庭配置配接器，每台约1 0 0 美元。 2 1 2 我国现有的几款电力线载波芯片及其应用前景 国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的 电力线载波m o d e m 芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前 有针对北美地区电网( 4 8 0 v 2 7 7 v a c ，2 0 8 v 1 2 0 v a c ) 的标准频率范围 1 0 0 k h z 4 5 0 k h z 和针对欧洲地区电网( 4 0 0 v 2 3 0 v a c ) 的标准频率范围 9 k h 1 5 0 k h z 。各家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各 种特定专有技术，设计出各自的电力线载波m o d e m 芯片。由于国外电力线 载波m o d e m 芯片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般针对家庭内部 自动化而设计，在我国使用都难尽人意。 1 、几款我国可使用的电力线载波m o d e m 芯片： ( 1 ) x r 2 2 1 0 x r 2 2 0 6 套片或l m l 8 9 3 ：这是比较早的电力线载波芯 片，x r 2 2 1 0 x r 2 2 0 6 是一组f s k ( 频移键控调制解调) 方式的调制解调芯片， 并不是专门针对电力线载波通讯而设计的，可用于有线和无线通讯。 辽宁工程技术大学硕士学位论文8 l m i8 9 3m o d e m 芯片，是f s k 的调制解调方式，它只是对一般f s k 调制 解调芯片稍微改进，目前以上两款m o d e m 芯片在国内基本没有采用。 ( 2 ) s t 7 5 3 6 ：s t 7 5 3 6 是s g s t h o m s o n 公司专为电力线载波通讯 而设计的m o d e m 芯片。由于它是专用m o d e m 芯片，所以除有一般m o d e m 芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处 理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水 平不同。s t 7 5 3 6 也是较早的电力线载波m o d e m 芯片，调制解调技术是较 落后的f s k 方式，加上三字节容错，它最高波特率只能达到4 0 0 b p s 。另外 它无c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s 网络载波侦听) 功能，这些限制了 它的应用。目前，在国内电力线载波抄表领域，s t 7 5 3 6 是最适合的m o d e m 芯片。但它通讯距离不是很理想；需要作中继器时，通讯速度太慢；每位 中断一次，按1 2 0 0b p s 计算，每8 3 3 微秒中断一次，对复杂的应用来讲， 8 3 3 微秒间隔太短。 ( 3 ) p 3 0 0 ：p 3 0 0 是i n t e l l o n 公司采用现代最新通讯技术设计的电力 线载波m o d e m 芯片。它采用了扩频( c h i r p 方式) 调制解调技术、现代d s p 技术、c s m a 技术以及标准的c e b u s 协议，可以称为智能m o d e m 芯片， 体现了m o d e m 芯片的发展趋势。但在国内电力线载波抄表领域使用效果还 不如较早的s t 7 5 3 6 。原因是，s s c p 3 0 0 是i n t e l l o n 按北美地区频率标准、 电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围是l o o k h z 一4 0 0 k h z ， 电网电压是4 8 0 v 2 7 7 v a c 、2 0 8 v 1 2 0 v a c 、6 0 h z 。由于针对家庭自动化，主 要是一家一户式独立住宅，所以在通讯距离上，它还采用陷波器隔离，防 止干扰邻近住宅。而国内电力线载波抄表领域主要要求通讯距离。p 3 0 0 难 以胜任我国电力线载波抄表领域的要求。 ( 4 ) p l t - 2 2 ：p l t - 2 2 是e c h e l o n 最新电力载波收发器，它是针对工 业控制网而设计，采用b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g 二相移键控) 调 制解调技术以及多种容错及纠错技术，所以目前在我国应用效果最理想。 但价格太高，难以在民用市场领域大规模推广。 ( 5 ) s c l l 2 8 ：多年来国内外低压电力线载波通信一直停留在试验阶 段。原因是电力网络的非规则性，使信号传输受到电力网上的各种干扰信 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 号的阻塞，成为电力线载波通信上一时难以逾越的障碍。而国外生产的各 种通信芯片都不适用于我国电力线载波通信，针对这一现状北京z y l h 依 据通信理论，设计生产出s c l l 2 8 芯片，s c l l 2 8 芯片是面向电力线载波通 信市场而开发研制的专用扩频调制解调器芯片。由于采用了直接序列扩 频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，其应用在电力线通信方 面具有较强的抗于扰及抗衰落性能。能方便与m c u 之间的控制命令和数 据交换；具有6 3 位伪随机码，该芯片采用o 5 l _ t m c m o s 技术，灵敏度达到 7 0uv 。扩频带宽为5 9 5 3 5 k h z ，数据传输最大波特率可达5 7 5 k b p s ，并 可以软件设定；内置6 4 8 s r a m 存储器( 支持掉电工作) ，为系统提供数据 暂存。s c l l 2 8 通信芯片提供了扩频载波电力线的传输技术，是标准的低价 位产品。s c l l 2 8 是电力线载波通信芯片的佼佼者。在国外民用电力网应用 效果更好。反之，国外的同类技术在中国无法使用。 2 、应用前景 目前还无一款真正适合我国电力线载波通讯的m o d e m 芯片。我国的电 网特性、电网结构、居民住宅分布状况、电力线载波通讯的应用领域等方 面与国外有些不同之处。电力线载波通讯m o d e m 芯片的瓶颈作用越来越突 出，使国内电力线载波通讯市场难以迅速增长，也延缓了用户对电力线载 波通讯技术的认同和接受。而现代通讯技术发展到今天，完全能消除这个 瓶颈，这就需要国内电力线载波通讯领域的公司及相关人员根据我国电网 特性、住宅结构、市场要求等情况，加上对国外电力线载波通讯技术的深 入研究，利用国外先进的现代通讯技术，定制出我国电力线载波通讯 m o d e m 芯片的最佳模式。目前，已有相关公司正切入这一市场，积极与国 外相关公司联系、合作，相信在未来一、两年内，就能推出真正适应国内 市场需求的电力线载波通讯芯片，为载波通讯打开一个光明前景。 2 1 3 电力线载波通信发展方向 从总体来说，电力线载波通讯技术在向四个方面发展： l 、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 ) ； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l o 3 、室外系统成为研究课题； 4 、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： a 、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 v 高压电线对配电设施进行控制； b 、中速率通讯，主要应用于固定小区间、楼宇间的数字通讯。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； c 、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 。 因低压电力线载波通信技术是依赖于扩频通信技术的，所以有必要对扩展 频谱通信有所了解。 2 2 扩频通信 2 2 1 扩频通信的基本概念 扩频通信的定义 扩频通信是将待传送的信息数据用伪随机编码( 扩频序列：s p r e a d s e q u e n c e ) 调制，实现频谱扩展后再传 调及相关处理，恢复原始信息数据。 首先，信号的频谱被展宽了。一 输；接收端则采用相同的编码进行解 这一定义包含了三个方面含义： 般的调幅、调相和调频通信中，已调 信号的带宽与信息带宽之比只有几到十几，属于窄带通信。但在扩频通信 中，这一比例则达到1 0 0 1 0 0 0 ，属于宽带通信。 其次，采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱。在扩频通信中， 用扩频码序列对所传信息数据进行调制，从而扩展信号频谱。在这里所采 用的扩频码序列与所传的信息数据是无关的，仅仅起扩展频谱的作用。 再次，在接收端采用相关解调来解扩。在扩频通信中，接收端采用与 发送端完全相同的扩频码序列将接收到的扩频信号进行相关解调，恢复所 传信息。这种相关解调起到解扩作用，把扩展以后的宽带信号还原成窄带 信息。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 1 2 2 2 扩频通信的特点及发展 1 、扩频通信的特点 ( 1 ) 抗干扰能力强 扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，接收端又采用相关检 测的办法来解扩，使有用宽带信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展 成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用信号。这样，对于各种干扰 信号，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性 强。这在低压电力线载波通信中，有非常重要的意义，而窄带系统则往往 很难达到。扩频通信很强的抗干扰特性如图2 1 ： 函二 发送端扩频调制后接收输出端解扩后 号 图2 1 扩频抗干扰示意图 ( 2 ) 隐蔽性好 由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小， 信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数( 如伪 随机编码序列) 就更加困难，因此说其隐蔽性好。再者，由于扩频信号具有 很低的功率谱密度，它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。另外， 扩频信号的低功率谱密度使它对各种窄带通信系统的干扰很小，有利于和 已有系统协同工作。在低压电力线载波通信中，由于信号功率谱密度较低， 所以可以降低对发送机、输出放大器和耦合电路的要求。 ( 3 ) 可以实现码分多址 扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。 如果让许多用户共用这一宽频带，则可大大提高频带的利用率。由于 在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频 码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术 进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号， 实现码分多址。当用户很多时，可以大大提高频带的利用率。最近的研究 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 表明，在数字蜂窝移动通信中，采用扩频码分多址( c d m ac o d ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 技术，频带利用率可以提高4 2 0 倍。 ( 4 ) 抗衰落能力强 由于扩频信号占用的频带很宽，小部分的频谱衰落不会使信号产生严 重畸变，故具有抗频率选择性衰落的能力。 ( 5 ) 能精确的定时和测距 在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则意味着所采用的扩频码速率很高， 当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来后，在接收端解调出扩频码序 列，然后比较收发两个码序列相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的 时间差，从而可以算出二者之间的距离。测量的精度取决于扩展频谱的宽 度。码片越窄，扩展的频谱越宽，精度越高。 2 、扩频通信的发展 正是由于扩频通信技术具有上述优点，自上世纪5 0 年代中期美国麻省 理工学院研究成功n o m a c ( n o i s em o d u l a t i o na n dc o r r e l a t i o n ) 系统，成为 扩展频谱通信研究发展的开端，从此，军事机关对军事通信、空间探测、 卫星侦察等方面对扩频通信方式的研究十分活跃。6 0 年代以来，随着民用 通信事业的发展，频带拥挤日益突出；同时通信技术的迅速发展，军事产 品向民用转化，推动了扩频通信理论、方法、技术等方面的研究发展和应 用普及。近1 0 年来，扩频通信理论、方法、技术和应用经历了3 个阶段， 第一个阶段是在1 9 9 7 年前后，在早期建立的扩频通信理论基础上，卓有成 效地丰富和发展了扩频通信理论、方法和技术。第二个阶段是8 0 年代初， 1 9 8 2 年美国第一次军事通信会议，公开展示了扩频通信在军事通信中的主 导作用，报告了扩频通信在军事领域的应用。并开始民用扩频通信的调查。 i e e e 通信期刊也在1 9 8 2 年再次发表扩频通信专集，系统报道了扩频通信 的研究应用成果。第三个阶段就是8 0 年代后期9 0 年代，1 9 8 5 年5 月美国 联邦通信委员会制订了民用公共安全、工业、科学、医疗和业余无线电的 标准和规范。世界各国相继行动，组织扩频通信专门研究机构和学术团体 开始了扩频通信深入研究和广泛应用。1 9 9 0 年1 月美国国家航天和航空管 理局通过扩频通信多址方式的频谱利用率高于采用频分多址方式的频谱利 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 3 用率的技术报告，对扩频通信的研究和应用产生了深远的影响，开始了扩 频通信研究、应用和发展的新阶段。与常规通信设备相比，扩频设备安装 简便，易于维护，能避免架设高大的铁塔等基础设施，相对来讲价格低廉， 性能价格比较高，系统稳定可靠，误码率小于1 0 - 1 0 。 总之，扩频系统具有一系列其它系统无法比拟的优点。它合理地解决 了开放信道的变参、干扰强、保密性差等缺点。尤其是近年来，电子工业 的飞速发展，扩频技术获得了极其迅速的发展。目前，它已广泛应用于通 信、导航、跟踪、测距、遥控、测量等各种领域，发展前景乐观。 2 2 3 扩频通信的理论基础及其工作方式 l 、扩频通信的理论模型 扩频通信是在发送端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由 扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽 后的信号再调制到射频发送出去。将接收端收到的宽带射频信号，变频至 中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列进行相关解扩。再经信 息解调、恢复成原始信息输出。扩频通信的模型如图2 2 ： 图2 2 扩频通信工作原理 扩展频谱的理论基础可以用香农( s h a n n o n ) 信息论中关于信道编码的 定理和抗干扰理论来解释。 香农编码理论说明，在高斯信道中，设发送信号的平均功率为s ，信 道干扰功率为n 的高斯白噪声，信道频带宽度为b ，则总可以找到一种足 够复杂的编码系统，能以传输速率( o p 信道容量，比特秒) 来控制。 c = w l 0 9 2 j ( 2 1 ) p 月j 一解r i l 频一 息 一载一 赢r 圈 ，叫 一l厂l生芏堕 一机一 晨 商t 圈 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 由香农定理可以看出：当c 不变时，增加带宽，则信号的信噪比较低 的情况下，也可以相同的速率可靠传输信息。 其中c 一信道容量( 比特秒) w 一信号带宽( 赫兹) s n 一信号平均功率噪声功率 当s n 很小时( 0 i ) 得到： 。旦翌 1 4 4s ( 2 - 2 ) 上式说明： ( 1 ) 要增加系统的信息传输速率，即增加信道容量，可以通过增加传 输信号的带宽w 或增加信噪比( s i n ) 来实现。 ( 2 ) 当信道容量c 为常数时，带宽w 与信噪比之间可以互换，即可 以通过增加带宽w 来降低系统对信噪比( s ，n ) 的要求，也可以通过增加信 号功率来降低信号的带宽。 ( 3 ) 当带宽w 增加到一定程度后，信道容量c 不可能无限制地增加。 因此，在无差错传输的信息速率c 不变时，如信噪比很低( n s 很大) ，则 可以用足够宽的带宽来传输信号。 2 、扩频通信的几种工作方式 按照扩展频谱的方式不同，目前现有的扩频通信系统可以分为：直接 序列调制、调频调制、跳时扩频调制和利用c h i r p s 扫描频率进行载波调制。 ( i ) 直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) ： 就是直接用 具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在接收端，用相同 的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。 ( 2 ) 跳变频率( f r e q u e n c yh o p p i n g ) ：所谓跳频，比较确切的意思是： 用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说用扩频码序列去进行 频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。 ( 3 ) 跳变时1 9 ( t i r n e h o p p i n g ) 7 作式：与跳频相似，跳时( t h - - t i m e h o p p i n g ) 是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在 一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为： 辽宁3 - 程技术大学硕士学位论文 1 5 用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。 ( 4 ) 线性调频( c h i r pm o d u l a t i o n ) i 作方式：如果发射的射频脉冲信号 在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。因为其频率 在较宽的频带内变化，信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要用 在雷达中，但在通信中也有应用。 本课题所采用的物理通信媒介是低压电力线，因为电力线系统中存在 多种干扰因素的特殊性，同时基于扩频通信的优点，所以采用了扩频通信 方式。系统通信所采用的是直接扩频通信方式。 2 3 本章小结 本章对低压电力线扩频技术国内外应用现状、发展趋势、应用前景等 进行了概括。接着阐述了根据c e s h a n n o n 的信道容量公式的扩频通信的 基本原理，介绍了扩频通信的几种调制方式，并分析了扩频通信在电力线 通讯中的优势。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 3 电力线通信信道分析 3 1 低压电力线信道分析 对于所有的通信信道阻抗、干扰、相移和信号衰减是决定其通信性能 的基本参数，而且是在分析信道性能时必须面对的问题。 由于1 0 k v 以上中高压电力线信道环境较好、利用1 0 k v 以上中高压电 力线作为信息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 低压电 力线上进行信号传输，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( 各种干扰噪声复杂) 、线路阻抗小、信号衰减强( 电力负 载有时对