（电气工程专业论文）县级配电网电力线远程集中抄表系统.pdf

r e m o t ec o n c e n t r a t e dm e t e r r e a d i n gs y s t e mo np o w e r l i n e m a j o r ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：l u t i a n s h e n g a d v i s o r ：x i a o x i a n y o n g x u z h o n g l i n w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f e c o n o m y ，t h ec o n s u m p t i o no f e l e c t r i c a lp o w e rh a s g r e a t l y i n c r e a s e d b e c a u s eo ft h e g r e a t a m o u n ta n d w i d e s p r e a do ft h ep o w e r c o n s u m e r s ，t h e w o r k l o a d o fm e t e r r e a d i n g b e c o m e sb u r d e n s o m e r e m o t e c o n c e n t r a t e dm e t e rr e a d i n gs y s t e mi sa g o o ds o l u t i o nf o rt h i sp r o b l e m a m r sc a l l h e l pu sr e d u c et h ew o r k l o a do f m e t e rr e a d i n g ，i m p r o v ew o r ke f f i c i e n c ya n dr e a l i z e t h em a n a g e m e n ta u t o m a t i z a t i o n a t p r e s e n t ，t w o s c h e m e sa l ea p p l i e di nr c m r s t h ec o n v e n t i o n a ls c h e m e i sb a s e do nt h es p e c i a lt r a n s m i s s i o nl i n e ，i nt h i ss c h e m e ， s p e c i a lt r a n s m i s s i o nl i n e s a r el a i dt ot r a n s m i tt h es i g n a l s ，w h i c h g r e a t l ye n h a n c et h es t a b i l i t yo f c o m m u n i c a t i o n h o w e v e r , t h ee x o r b i t a n t c o s to fl a y i n g s p e c i a l l i n e sa n d m a i n t e n a n c e , g r e a t w o r k l o a da n dd i f f i c u l t yi nc o n s t r u c t i o np r e v e n ti tf r o mp o p u l a r i z a t i o n t h eo t h e r s c h e m ei sb a s e do nt h ee l e c t r i c a lp o w e rl i n e w h i c hm a k e su s eo ft h ep o w e rl i n ea s t r a n s m i s s i o nm e d i a o nt h ec o n t r a r yt ot h ef o r m e rs c h e m e ，t h eo v e r a l lc o s to ft h i s s c h e m ei sf a i r l yl o w , w h e r e a s ，t h es t a b i l i t yo f c o m m u n i c a t i o ni su n w a r r a n t e d t e c h n i q u eo f t r a n s m i t t i n g d a t av i ap o w e r l i n e ( p l ) ，an e wt e c h n i q u e d e v e l o p e d i nr e c e n ty e a r s ，i su s e dt oa u t o m o t i v et h ef r e ec o l l e c t i n gs y s t e mi np u b l i c s e r v i c ea n dt h em a n a g e m e n to f u p t o w ns e r v i c e 。t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dt h ea d v a n t a g e ， d i s a d v a n t a g ea n dt h ec u r r e n ts t a t eo ft h ep o w e rl i n e c a r r i e rc o m m u n i c a t i o n t h e a d v a n t a g e ，m e t h o da n dc u r r e n ts t a t eo fu s i n gs p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u ei np o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o na r ed i s c u s s e d t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i co fl o wv o l t a g ep o w e r n e t w o r kw a sa l s oc o m p e n d i o u sa n a l y z e d 。i nt h i s p a p e r , a f t e ri n t r o d u c i n g t h e p r i n c i p l eo fs s c ，d e s i g n o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma r eb e e nd i s c u s s e d t h es y s t e mh a sb e e np u ti n t ou s e ，t h er e s u l th a sp r o v e di t sh i g hs t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ；c o l l e c tm e t e rr e a d i n gs y s t e m ；l o wv o l t a g ep o w e r l i n ec a r r i e rt e c h n i q u e ；c o l l e c t o r ；r e m o t em e t e rr e a d i n g 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 四川1 人学t 程硕。 ：学位论立 从十九世纪七十年代贝尔发明电话到今天信息高速公路的建设，一百多年 来，通信技术己经发生了翻天覆地的变化，特别是近年来，随着微电子技术和 计算机技术的高速发展，通信技术更是日新月异。迅速发展的通信技术已经成 为人们生活不可缺少的一部分。 随着城乡电网改造工程的深入和电力市场改革的深化要求用电管理、配 电管理实现智能化、自动化和科学化，配电网的自动抄表系统是用电营业管 理自动化的一个重要手段和组成部分“。通过自动抄表可以实现自动、集中、 定时地抄录各用户的电量，迅速统计低压实对线损，通过银行向各用户自动完 成转账收款、电费结算，为供电部门的用电监察提供服务“8 。当配网电力市 场开放时，提供更多的用户信息和市场信息。因此自动抄表系统是迈内配电自 动化的第一步。”1 。远程集中抄表技术是利用现代通信技术和计算机技术，结合 电能表技术，实现电力企业减人增效、提高经济效益的技术措旌和手段o ”。 集中抄表的媒介可以有低压电力线、双绞线、同轴电缆等“。“。目前， 大部分建筑物内的防火、防盗、空调等系统都是基于双绞线、同轴电缆或光缆 等物理媒介进行通信的。这些通信线路，虽然通信容量较大，但造价高、维护 难，尤其对老建筑物的改造更加不易。相反只要有建筑就会有电力线，利用电 力线进行通信可以大大地减少投资和对线路的维护成本，电力线自动抄表系统 的成本低，免去了重新架设线路的麻烦。而且可最大限度地发挥电力系统的优 势”。“1 。电力部门利用电力线传输数据可达到“四遥”水平，即遥测、遥信、 遥控、遥调，这样可节约大量的人力、物力和财力。 因此，电力线远程抄表是最符合电力系统特点的自动抄表方案，但低压电 力线路的恶劣通信环境和由此造成的抄表成功率低的现象却阻碍了此项技术的 大量应用，所以在电力线远程抄表系统中，核心问题就是低压电力线上的通信 问题。单边带调幅电力线载波通信技术在电力系统中许多年来一直起着主导作 用，并取得了成功经验，但对配电线路( 1 0 k v ) 来说，其恶劣的通道特性，历 来被认为是不宜使用载波通信的”。“。同样在低压( 2 2 0 v 3 8 0 v ) 电力线上 的干扰问题也十分严重，以往采用的窄带通信技术，如f s k ，p s k 等存在数据传 输速率低、误码率高等缺陷，因而其应用受到极大限制。 近几年来，扩展频谱通信( 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 ) 技术”在通信， 特别是无线通信领域己经广为应用，例如，无线局域网、点对点数传系统、个 人通信系统等。同时在导航和测量系统中也受到日益广泛的重视和应用。 扩频通信相对窄带通信技术而言在技术上具有一定的优势，主要表现在抗 干扰能力方面“。因为扩频信号的带宽通常较宽，所以其受干扰的频率范围所 占比例相对减小，换句话说，就是各种噪声仅能影响到一小部分所要传输的信 号，而大多数信号都能完整、正确的到达目的地，所以对于各种类型的干扰都 具有较强的抵抗性。对于最常见的脉冲噪声而言，尽管窄带通信中的接收器具 有较窄的通带，使得仅有一小部分噪声能进入接收器，但由于此类接收装置中 的滤波器具有高品质因素，瞬间的脉冲噪声会使其发生自干扰；而使用低品质 因素的滤波器又会使其通道带宽加大，令更多的噪声进入接收器，所以，窄带 通信对脉冲噪声的抵抗性较差。然而，利用扩频技术，当接收到具有较大能量 的噪声信号时。接收器会在噪声的高能部分自动停止工作，所以接收方仅对一 小部分受影响的信号进行纠错解码即可，另外，扩频接收设备使用的滤波器具 有较低的品质因素，因而不会造成系统自干扰。所以，扩频技术具有较强的抗 干扰能力。 综上所述，将扩频通信技术应用到电力线远程抄表系统之中，可以有效的 解决电力线通信信道中干扰严重的问题，进一步把远程抄表系统推向实用化。 远程自动抄表系统不仅可用于对电能表的远程抄表，也可用于水表、煤气表等 的远程抄表“。远程自动抄表系统使管理更加科学化、规范化。提高了工作效 率和管理水平。管理部门在自己的计算机上就可进行读表、控制、显示、打印 等操作，真正实现了抄表的自动化，因此，远程自动抄表系统必将得到广泛的 应用。 本文作者所在课题组受四川省甘孜藏族自治州某县电力公司委托，完成该 县城网改造、县调自动化、城区集中操表系统、两台小型水电机组的改造工程 设计，作者负责完成其中集中操表系统的设计。该系统目前已经成功地投入实 际运行，实践证明具有良好的稳定性和可靠性，达到了设计目标。 删川大学1 = 程倾1 学位论文 1 2 国内外技术研究现状及发展趋势 电力公司为了商业收费而进行的抄表工作可以追溯到1 0 0 多年前。早期的 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 抄表系统可实现手持终瑞抄表，车载无线电抄表以及全自动抄表( a 躲， a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 。到目前为止，常见的抄表方式有如下几种： 1 2 1 人工抄表 由抄表员人工读取用户表计的数据并记录在抄表记录本上。早期，是人工 计算用户的用电量、用水量或用气量并生成帐单。后来。随着电脑的广泛应用， 采用电脑来加速帐单的生成和防止人为的错误。这种基本的方式1 0 0 多年来一 直在使用。 1 2 2 手持终端( 手持电脑) 人工抄表 这种方法可以将表计的数据人工读出并录入手持终端，生成帐单。有些手 持终端还够“聪明”，可以向抄表员批示抄表路线，指示与表计有关的特殊信息 ( 如某个院子有恶狗) ，提示抄表员可能出现错误( 如用电量超出正常范围、电表 反转) 等功能。 1 2 3 手持终端( 手持电脑) 自动抄表 当各表计具有红外通信、无线电通信、r s 一2 3 2 c 、r s 一4 8 5 、电力线载波通信 等接口时，手持终端可以通过通信接口自动读取表计的数据。这种方式在表计 难以接近( 如表计被锁在室内、表计附近有恶狗) 时特别有用。 1 ，2 4 车载无线电抄表 通过小功率无线电收发器进行表计和手持电脑或车载电脑的通信，抄读表 计的数据，降低了抄表过程的工作量。 1 2 5 自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 全自动抄表是指抄表主站( m a s t e rs t a t i o n ) 通过通信通道( 如电话网、无线 电通信、电力线载波( p l c ) 通信、有线电视电缆通信、光纤电缆通信、专用线路 通信等) 自动地读取每一只表计的数据，通过遥测、传输和计算机系统汇总到营 3 业部门，代替人工抄表及一连串后续工作。用于电力系统的自动抄表系统按其 用途分类，主要有用于抄读低压电力用户表计的抄表系统和用于抄读变电站( 发 电厂) 关口及大用户表计的抄表系统。目前低压用户集中抄表系统主要完成电能 量数据的自动采集和处理，为电能量计费和用电管理系统提供准确的数据。 1 3 自动抄表技术的现状 随着全球范围内电力经营市场化的发展，电力等公用企业自动抄表( a m r ) 技术的应用愈加广泛。自动抄表不单成为新的产业部门，国外已有不少著名厂 商己生产出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 m r a ) ，每一年半左右开一次国际性年会，每次年会 前都有专题报告。近年又成立了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 ) 。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。目前的电力载波集中抄表系统中采用的调制技术主要有窄频和扩频两 种方式，使用频带范围为7 k h z 4 0 0k h z ，几乎占用了电力线载波允许的整个 频带。由于利用配电网作为通信资源正在受到供电企业、物业部门等广泛的关 注，国内外正在研究将低压配电网作为高速数据信息传输通信网络。所以为了 充分、合理利用好配电网作为通信介质这一资源，国际上已制订和正在探讨相 关标准“1 。 1 3 1 国外自动抄表的现状 1 3 1 1 自动抄表技术应用已成规模 根据文献 7 ，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 年已实现 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。 对西稚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 年巳完成 8 3 万单元自动抄表装置的安装，其方式是在半径0 4 0 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， 4 删川大学i 程碗十学位论义 郊区和农村有6 0 力1 只电能表上安装了自动抄表装置。 根据a m r a1 9 9 9 年的s c o t t 报告，美国已安装和投用超过1 0 0 万单元自动 抄表系统的电力公司有a m e r eu 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 已列入计划。 欧盟各国都有自动抄表实施的报告。例如，英国1 9 9 8 年即巳实现对约9 万户大于l o o h w 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 年就巳用s i e m e n s 的s e m t s 系统对用户自动抄表。此外，拉美和口 本也有自动抄表应用的报导。 1 3 1 2 趋向于以电力线载波方式( p l c ) 为主 根据a m r a1 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 4x 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l o o k h z 左右) 。 由于国外网络发展很快，出现了在p l c 上传送大量信息的需要，因而有的 厂商巳在m h z 频波开发产品。a b b 在低压和中压配电系统上均有高速p l c 的经 验。a b b 在德国h e r r e n b e r g 进行了以n o r w e b 方案的纯数字通讯试验( 5 0 0 k h z 8 ，5 0 0 k h z ) ，在l e i c h l i n g e n 进行了以a s c o m 方案的纯话音通讯以及在 m a g d e b u r g 以购自加拿大的p o w e rt u r n c 调制解调器的方案( 主要是话音通讯试 验) ，都取得成功，但是在频段过高( i m h z ) 时高频辐射过大难以得到电信管制 部门的使用许可。欧盟已发布用于低压载波的标准：e n 5 0 0 6 5 ，规定为3 1 4 8 5 k h z 。 美国a d a p t i v e 公司在1 9 8 3 年即己推出载频为1 0 0k t f z 的p l c 终端“”，1 9 9 5 年后又推出4 5 0 k h z 的p l c 用于自动抄表和配电自动化，也生产出l o o k b i t s 高传输率的a ni 0 0 0 a d a p t i v e 还致力于开发应用p l c 于家庭网络( h o m en e t ) 。 1 3 。1 。3 自动抄表的标准化 由不同国家、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 ) t c1 3 是电能测量技术委员会，很早就从事电能表数 据采集标准的制定工作。目前已经发布i e c1 1 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 c1 1 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j 下式代号的技术报告，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 年巳由i e e e 发布了a n s i c l 2 ，1 8 “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 i c l 2 2 1 “电话调制 解调器通讯规约”3 种a m r 标准。此外a n s i c 2 2 2 “对数据通讯网接口的规约” 也在制订中”。 由于已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 用电子数掘格式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。 i 3 2 自动抄表技术在我国发展的展望 自动抄表技术在我国的出现仅有近十年左右。但发展很快，全国各地已有 不少制造厂，中国电科院对产品质量进行检测把关；在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，已入网试运行的低压电 力用户集中抄表系统产品中8 0 9 6 为电力线载波方式“3 。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l o o k h z 左右。按照电力市场化改革的规 划，自动抄表觌模还梅进一步扩大。 1 4 自动抄表系统中几种通信方案及特点 自动抄表系统中的通信系统，总体上采用星型和总线型连接方式”3 ，在局 部小范围内也采用点对点的通信方式。 1 4 1 星型通信系统方案 星型通信系统是以安装在供电局营业厅的系统工作站为中心点，以发散的 形式分别通过通信信道，与分散于各配电变台的集中器连接，形式i 对n 的连 接形式，信道通信数据量较大，要求有一定的传输速率和频宽。按其信道介质 6 q 川大学1 = 程硕士学位论文 分有光纤、租用电话和无线三种模式。 1 4 1 1 光纤通信网 光纤通信具有很多优点，如频带宽、传输速率高、传输距离远，以及高抗 干扰性等特点，非常适全上层通信网的要求。因为光纤本身难以实现t 形连接， 不能实现总线结构( 除非采用光纤环网技术) ，因此特别适合于星型连接，星型 连接节点造价高，安装费用也比较高，在a m r 系统中很少使用。随着光纤技术 的发展及大量应用，其系统造价将会下降，不久以后在a m r 系统中应用也将是 一个较好的选择。 1 4 1 _ 2 租用电话线网 由于电话网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行数据通信也是一个 经济有效的方案。利用电话网通信，只需在数据集中器和营业室主机各加装调 制解调器( m o d e m ) 即可。其通信速率可以2 4 k b p s 、9 6 k b p s 甚至5 6 k b p s 速率 传输，主机对集中器的呼叫可以通过拨号由交换机自动完成，也可以租用专线 但费用高。 图卜1 租用电话网的通信系统构成图 租用电话线方式进行数据通信时，线路续接( 包括呼叫应答等) 时间较长， 通常需几秒到几十秒，当集中器数目n 较多时，通信效率将大幅度下降，而且 租用电话线路多，其租用费用也很可观。因此不适合大容量系统。 1 4 1 3 无线通信网 剩用无线电波进行无线通信，对于范围广、分布分散的集中器进行数据通 7 信，是一种较好的选择。考虑到通信容量、可靠性和成本等问题，可以自己建 小型无线电台，在2 0 0 4 0 0 m h z 的频点上用散射通信方式进行无线通信。其特点 是传输频带较宽，通信容量较大( 可达几千台) ，通信距离几十公里，可通过中 继站延伸。系统构成图如图l 一2 所示。在进行通信时，工作站主机控制无线电 台发出呼叫命令，各集中器收到命令后进行地址对比，如正确则发出应答信号， 完成数据链路的建立，然后进行数据通信。使用这种通信方式，安装调试方便， 主要缺点是需中请频点使用权，如果频点选择不合理，相邻两个信道会产生相 互干扰，且设备及安装成本较高，所以这种通信方式的使用场合有一定的限制， 多用于大用户电力负荷的无线电监控及用电管理系统中。 图1 2 无线通信网系统结构图 1 4 2 总线型通信系统 总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的，这种方式以一条串行 总线边接各分散的采集器或电能表实现各节点的互连。这种方式下，信道上 节点较多，传输速率不很高( 与通信介质有关) ，传输距离短，不超过2 k m 。因 此一般用于底层电能数据的采集。 1 4 2 1r s 一4 8 5 总线网 e i ar s 一4 8 5 是c c i t t 标准化v 1 1 x 2 7 兼容的平衡式电气特性标准。该标 准采用集成电路，在一对平衡的互连电缆上传送差分信号，在接受端用差分接 受器进行信号判决。这种接口具有抑制共模干扰的能力，因此抗干扰性很好， 信号发送频率最高可达lo m h z 。在信号速率小于l o o k b i t s 时，传输距离可达 1 2 k m 。r s 一4 8 5 接口在一个通道上可进行半双工通信，所以只需两根线便可双 向通信，并可方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信网络，通信网结构 如图卜3 。 酬川大学t 程硕士学位论义 图1 3r s 4 8 5 总线网结构图 一般使用双绞线作为网络总线。总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动 芯片而异。如选用s n 7 5 1 7 6 型芯片其接收器输入阻抗为1 2 k q ，可按3 2 个节 点；如选用m a x 型系列芯片，可接多达2 5 6 个节点( m a x 4 8 5 只能带3 2 个节点， 1 a x 4 8 7 才能带1 2 8 个节点，m a x l 4 8 3 能带2 5 6 个节点) ：考虑电气隔离时可选用 带光电隔离的收发器，如m a x1 4 8 0 a b c ，其他如抗雷电及抗静电放电冲击的 收发器，如s n 7 5l b c l 8 4 。当然各芯片性能不同其价格也有差异，因此在进行 系统设计时应综合考虑各种因素。 1 4 2 2 低压电力线载波通信网 利用低压电力线作为a 艘系统的底层数据通道运行成本低，无疑是很方便 的。其通信的基本原理如图卜4 所示。 数字终端 数字终端 调制 调制 放大 放大 滤波 滤波 耦合变压器 耦合变压器 ， 2 2 0 va c 图1 4 低压电力线载波通信基本原理 在发送数据时，发送器先将数据调制到一高频载波上，再经过功率放大后 通过耦合电路耦合到电力线上。信号频带一般为5 0 k h z 3 0 0 k h z ，峰值电压不 超过i o v ，因此不会对电力线路造成不良影响。此高频信号经线路传输到接收 方，接收杌通过耦合电路将高频信号分离出来，滤去干扰信号后放大，再经解 调电路还原成二时制数字信号。 低压电力线载波通信网的系统结构同r s 一4 8 5 系统结构，采用总线结构。在 同一变压器台区下，一个集中器采集若干个采集器或电能表的数据，构成个 总线型网。低压电力线载波通信技术有很多种方式，将在后续章节详细介绍。 1 4 3 点对点通信 9 这种方式下，两数据点之间或一固定点与若干点之间都各有其独立的专线 信道。 1 4 3 12 0 m a 电流环 2 0 m a 电流环采用电流信号控制，把2 0 m a 电流作为逻辑“l ”，把零电流作 为逻辑0 。采用这种通信接口，如果电流检测采用光电祸合器件，就可实现 电气隔离，这在远距离布线中防雷击、防静电击穿是非常有益的。这种接口抗 干扰性能较好，传输距离可达千米，传输速率不超过9 6 0 0 b i t s 。但这种接口， 一个回路只能作单用工用。如果需要双向通信，就须设两个回路，即用4 根线 进行通信。这会引起布线成本提高、维护工作量增大等问题。 1 4 3 2 红外线 红外线数据传输是以红外光作为载体，通过红外光在空中传播来传输数据。 传输时先将数据编成发射码，经红外发射管转变为红外光脉冲发射到空中，红 外管接收到光脉冲后将其重新变成电脉冲，最后经译码电路还原为原始数据。 红外数据传输作为一种数据传输手段，多用于一些数据传输的路径要通过腐蚀 性地区、强电磁干扰地区或对一些人体不宣接触的设备如高电压设备进行操作。 但该方式传输距离小，适用范围有限。 1 4 4 自动抄表系统中的通信网 从上面介绍的几种通信系统和通信方式可以看出，r s 一4 8 5 总线、低压电力 线载波、2 0 m a 电流环及红外线方式，通信距离较近，成本较低，因而适合于局 域网，可用于底层电能表的数据采集，尤其是红外线只适合于小范围内的人工 手持微机抄表。光纤、无线电、电话交换网的通信距离较远，成本高些，因 而适合于广域网，可用于高层数据传输层。表1 一l 对几种传输媒体作了比较1 。 在实际应用中，应将几种通信方式结合起来，构成一种复用的通信系统结构。 本文介绍的低压电力线载波抄表系统就是一个典型的复合通信网，将在后续章 节说明。 四川大学t 程烦。卜学位论文 表l l 几种媒体传输性能和造价比较 媒体类型传输距离( m )传输速度( k b i t s )节点造价( 元)安装水平 双绞线1 2 0 0 00 3 2 0 0 09 0 2 7 0低 无线通信 5 0 5 0 0 0 01 2 9 64 5 0 9 0 0 中 电力载波i o 5 0 0 00 0 6 1 0 0 04 5 0 1 3 5 0低 2 0 m a 电流环线 1 0 l o o o0 0 6 1 02 0 5 0 低 红外线 3 50 0 5 2 08 0 2 7 s 光纤通信 1 0 8 0 0 0 0l 1 0 0 0 06 7 5 1 8 0 0中高 1 5 本文主要工作 ( 1 ) 本文重点介绍了低压电力线网络阻抗特性、传输衰减特性及理论模型。 讨论了低压电力线上高频信号的衰减及其变化。对低压电力线传输干扰特性进 行了分析。 ( 2 ) 研究了扩频通信原理及几种工作方式。分析了扩频通信的抗干扰特性， 在此基础上，在阐述电力线载波通信系统的基本结构的基础上，讨论了扩频通 讯技术的特点和几种工作方式。 ( 3 ) 分析了电力线远程抄表系统的构成、原理以及功能。 ( 4 ) 结合某县城区配电系统的实际远程集中抄表系统的具体工程，进一步论 证了该系统的可靠性和实用价值。 ( 5 ) 本文所设计的集中操表系统已经在实际中得到应用，并取得了良好的效 果，运行表明设计合理，系统运行稳定、可靠，达到了工程实际的要求，取得 了良好的社会效益和经济效益。 2 低压电力线传输特性分析 在设计任何通信系统之前，必须对所用的通信信道特性进行分析研究，根 据所用信道的特性选择通信采用的技术参数，对于所有通信信道，阻抗、信号 衰减和干扰是决定其性能的基本参数。 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”1 。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。 本节参考了国内外的资料，对电力线信道进行详细分析。 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，需要对电力线的这些信道特性进行分析“”。 由于l o k v 以上中高压电力线信道环境较好、利用l o k 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 低压电力线上进行信 号传偷，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( 电力负载有时对载波通信信号 近似短路) 、干扰大且时变性大等特点。3 1 。因此，对于低压电力线载波信道，有 盛要进步具体分析。 2 1 低压电力线输入阻抗及其变化 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。理论和实验表明低压电力线 上的输入阻抗不仅和传输信号的频率有关系，而且和低压电力线上所连接的负 载有关系。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 2 叫川大学工程硕l 学位论文 感和分布电容的影响，输入阻抗还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，所以实际情况很复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。 图2 - l 用对数图绘出了输入阻抗与频率的关系“。 咀抗nl o 1 0 02 0 04 0 0 6 0 01 3 0 0t 0 0 0 频率k h z 两曲线是在同一个低压电力线网的不同地点测得的 图2 - 1 输入阻抗一频率关系图 从图中可以看出，电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化，可以 从0 1q 变到大于1 0 0 q ，变化范围超过了1 0 0 0 倍。而且，在试验所测频率范 围内，输入阻抗随频率变化并不符合一股想象下的随频率增大而减小的规律， 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区。因此，在输入阻抗一频率图上可看到许多 阻抗低谷。这些低阻抗区组合起来。就形成图2 一l 所示图形，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，所在在不同时间，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、电容和电感的网络中，从不同的点上看上去，输入阻抗显然是不同的。 图2 1 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的。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。 2 2 低压电力线上高频信号的衰减及其变化 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 1 3 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 质的负载在这根线的任意位置随机地连接或断丌。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。 总的来说，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，其二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 在二相上的衰减也不同。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的关系。图2 2 是有关文献“4 1 在一个工业建 筑内测出的信号衰减与频率之问的关系。 1 4 ( a ) 试验时间为白天 频率k h z 频率k h z ( b ) 试验时阗为白天 q p 燎峭 = 一 恭栅 q k - 0如如如 q p 、摄懈 必川大学t 程硕上学位论文 图2 2 信号衰减与频率之间的关系 图2 2 ( a ) 中，i ，曲线的衰减随频率变化比较平缓，且小于5 d b 。由于距离 很近，发送与接收两点间的负载对信号衰减影响不大。i 曲线由于布线图未知， 所以无法得知准确的距离，但估计在2 0 m 3 0 0 m 。将i ，曲线和i 曲线进行比较， 可见传输距离对衰减的影响是非常明显的，在某些频率，衰减的变化可以超过 5 0 d b 。从i 曲线可以看出，小于6 0 k h z 的信号，衰减大约在2 5d b 附近，然后 衰减随频率增加而增大，到了2 0 0 k h z ，衰减大约为5 0 d b a l 和a 2 曲线的测量 距离同样未知，估计在2 0 m 3 0 0 m 。比较i 、a l 和a 2 曲线可以发现高频信号 在跨相传播时，衰减一般都要比同相传播大。通常情况下，这个差距可以达到 l o d b 以上。但是，有些时候跨相传播的衰减并不定大于同相传播。引起这种 现象的原因是二根相线之间存在的一些耦合电容，以及有些二相供电的用电设 备，如二相电机、大功率加热器等。这些设备对称地使用二相电源，也就等效 于为高频信号在二相电源之间加入了耦合元件。 值得提的是，电容器对低压电力线载波通信系统有重大的影响。由于电 容器高频信号的阻抗比较小，所以会使高频信号有比较大的衰减。例如，一个 接在一相上的l o u f 电容器，对l o o k h z 的信号的阻抗只有0 1 6 q 。这对十低压 电力线载波通信系统可以说是一个巨大的障碍。 图2 - 2 ( b ) 为晚上在同一地点测得的衰减曲线。因为i 。曲线与图2 2 ( a ) 几 乎完全一样，所以未画出。从i 曲线可以看出。晚间同相传输的衰减基本上比 白天要小，在某些频率，衰减甚至可以小2 0 d b 。这主要是因为晚间的负载较轻。 在跨相传输中，衰减的波动比较大，在某些频率上的衰减比白天还要大2 0 d b 。 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。 从以上曲线的分析可知，在低压电力线载波通信中，确定一个合理的通信 带宽并不容易。从衰减变化的趋势来看，大于1 5 0 k h z 的信号会有比较大的衰减。 所以，许多现有的低压电力线载波通信系统大多使用低于1 5 0 k h z 的载波频率。 但是，图2 2 ( b ) 中，8 0 k h z 信号衰减的突然增加表明在5 0 k h z 1 5 0 k h z 的频率 范围内也可能会出现很大的衰减。 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 源的相位而变化。有时高频信号在工频电源的某个相位范围( 比如3 0 0 一1 5 0 0 。 2 1 矿一3 3 0 ) 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，可能是因 l j 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。 随着负载在电力线上的连接或断开，在不同的时刻，信号衰减都会表现出 不同的特点。有时这种变化的程度会很大。这一现象，在对比图2 2 ( a ) 和图2 2 ( b ) 中就可以看出。由于负载的变化是随机的，所以信号衰减也会随机地发生变 化。但是，从统计上来说，这种变化还是有一定的定性规律可寻的。多数情况 下，电力线上负载的大小、性质是按照一定规律在一定范围内变化，例如，在 工业区，白天的衰减比晚上大，而在居民区，晚上1 8 ：0 0 到2 2 ：0 0 的衰减是最 大的。合理地利用这些规律，对于提高通信系统的可靠性有重要的作用。 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。 在现场试验还发现在电缆线与架空线混合布线的地方，在电缆与架空线连 接处的信号衰减十分显著。产生这种现象的原因，可能是由于在这一点，线路 阻抗发生突变，高频信号会在此发生反射，因而使信号衰减增大。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l o 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。在不同的时问段、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 3 低压电力线传输干扰特性分析 电力线是用来传输电能，并非专门设计用来通信，因此在低压电力线上进 行数据通信需要认真研究电力线上的干扰问题。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 1 6 u qj 1 1 人学t 程坝t 学位论文 更严重的影响。 电力线上的干扰可以近似的分成四类：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。 2 3 1 低压电力线上干扰的周期性 产生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。例如，可控整流电源在a c 电源基波的正半周和负半周的 4 5 0 切换，则在一个工频周期中a c 电源会出现2 个缺口