（电子科学与技术专业论文）低压电力线窄带载波通信路由设计.pdf

低压电力线窄带载波通信路由设计 a b s t r a c t a sac o m m u n i c a t i o nm e d i at e c h n o l o g y ，l o w v o l t a g ep o w e rl i n eh a sb e e nw i d e l y s t u d i e da n da p p l i e dt oa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m t h ea i mo fl o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o nn e t w o r ki su s e dt ot r a n s f b re l e c t r i c a le n e r g y ，s oe l e c t r i c a ln o d et u r n i n g o n - o f fc a na f f e c tt h en e t w o r kn 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 n t h er a d i c a l c h a n g eo fp o w e rl i n e c h a n n e lm a k e sn e t w o r ko fe l e c t r i c a ln o d e sb e c o m ev e r y u n r e l i a b l e ， t h i sh a sb e e nap r o b l e mo fp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ni n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s s o ，t h es t u d yo fa u t o m a t i cr o u t i n gb e c o m e sh o ta n dc r i t i c a l s p o ti nl o wn a r r o w _ b a n dc a r r i e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y b e f 6 r ep r o p o s i n gan e wp o w e rl i n ec a r r i e rr o u t e ，t h ep a p e rs t u d i e sp h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f1 0 w - v o l t a g ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hi n c l u d e s ：p o w e rl i n e i m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c s ， a t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dn e t w o r kn o i s e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e na n a l y s e sr o u t i n ga l g o r i t h ma n di t sl i m i t a t i o n si np 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 b a s i so nt h i s ，t h et h e s i sb e g i n sw i t hl o g i c a ls t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f 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 t h ep a p e rf i r s tc o n c l u d e ss p e c i f i cr e q u i r e m e n t s o fr o u t i n ga l g o r i t h mf o rt h ep o w e rl i n ec a r r i e rn e t w o r k o nt h eb a s i so fa n a l y s i so f c l u s t e r i n gr o u t i n ga n dt r e e b a c k b o n er o u t i n g ，t h ep a p e rb r i n g su pd y n a m i cr o u t i n g a l g o r i t h mo fc l u s t e r t r e ec o m b i n i n gt h eb o t h t h ea l g o r i t h mu s e st r e e b a c k b o n ea s t h es k e l e t o no fp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h ew a yt on n dt o p o l o g y o ft r e ei ss i m p l e ，a l g o r i t h mi se a s yt oi m p l e m e n t t r e e - b a c k b o n ec a na v o i d9 1 0 b a l u p d a t i n go fp r i o rr o u t i n ga n dn e t w o r kd e l a yo fr e a c t i v er o u t i n g t h ea l g o r i t h mu s e s c l u s t e r i n gb a s e do nn o d er e l e v a n c et oa u t on e t w o r k i n ga m o n g1 0 c a ln o d e a c c o r d i n g t ot h ei n t e n s i o no fs i g n a l ，t h ep r o b a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o na n dc o n n e c t i v i t yo fn o d e ， t h ec l u s t e r i n gs e l e c t sc l u s t e rh e a da n dt h em e m b e r sb a s e do nn o d er e l e v a n c e t h e a l g o r i t h ma d o p t sm e c h a n i s mo fp r o b a b i l i s t i cf l o o d i n gt or e b u i l dn e t w o r k ，w h i c hc a n m e e tt h en e e d so fb u r s tc o m m u n i c a t i o n sw h e nt h en e t w o r ki n t e r r u p t e d f i n a l l y ，t h r o u g ht h ep e r f b r m a n c ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nt e s t ，i tp r o v e st h a t d y n a m i cr o u t i n go ft r e ec l u s t e ri ss u i t a b l ec o m m u n i c a t i o nc o n d i t i o n si nn a r r o w b a n d p o w e rl i n ec a r r i e r ，a l s oc a nm e e tt h en e e d so fe n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：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 ；n o d er e l a t i v i t y ；p r o b a b i l i t y f l o o d i n g ； b a c k b o n et r e e ；t r e ec l u s t e rr o u t i n g i i i 硕f j 学位论文 1 1 课题的研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 课题的研究背景 低压集中抄表系统自2 0 世纪9 0 年代初开始至今，国内外已发展了十几年， 但是由于早期载波芯片技术和通信组网方式的欠缺，使得目前低压集抄系统的规 模和应用范围非常小，但该系统对于电力公司来讲是非常重要和急需的。随着电 力需求市场的蓬勃发展及供水、供气部门对“一户一表”工程改造的推进，现有抄 表手段暴露出越来越多的质量和效率问题误抄、漏抄和估抄等人为错误。与 此同时，随着我国房地产业的快速发展，各地物业管理企业对小区的多种表计 ( 水、电、气、冷、热) 的自动抄表系统产品需求也在迅速增加。仅靠大量增加 抄表人员，不仅不能解决全部问题，还会导致整个营销业务的成本上涨，效益下 滑，以及管理的复杂度增大。更新抄表技术，采用现代化的抄表技术和抄表手段， 即实现远程集中自动抄表才是解决问题的有效途径和根本出路。 目的我国人口超过l3 亿，按照平均每户4 人和“一户一表”原则计算，我国 居民电表总数应超过3 亿只，再加上商业、民营企业、娱乐等各类低压用户，我 国低压用户电表约在3 5 亿4 亿只之间，其中9 5 以上为单相电能表，不到5 为三相电能表。国内目前实现集抄的低压用户数量非常少，不到总量的2 ， 基本处于空白状态。 在未来4 年左右的时间内，南方电网将有9 0 0 万1 0 0 0 万户低压用户实现自 动抄表。加上国家电网公司所辖的市场范围，在“十一五”期间，全国至少3 0 0 0 力低压电力用户会实现远程自动抄表，这早没有包括水表、煤气表等的自动抄表 市场及国际市场三表集抄市场，可见市场空间是非常广阔的，国家标准以及行业 标准已相应出台，这为大规模推广奠定了良好基础。 目前，我国有不少自动抄表系统已投入运行，但规模都不大，技术也在应用 中不断改进完善。主要由以下几种通信方式集抄系统i l 。2 j ： 1 无线通信 无线通信是一种先进的信息传输方式，其信号占用的带宽远大于常规通信方 式所需的最小带宽，具有抗干扰能力强，误码率低，发射功率小等优点。无线通 信适用于用户分散且范围广的情况，一般采取装设小型无线电台，在4 0 0 m h z 左右的某个频点上以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( 可与几千块电能表通信) ，通信距离远( 几十公里，并可通过中继站延 伸) 。主要缺点是需申请频点使用权，且如果频点选择不合理，相邻信道会相互 低压电力线窄带载波通信路由设计 干扰；费用高，在电表等数据采集端如果全部改装无线信号装置是一个相当大的 开支，是电力公司不愿看到的。 2 电话线通信 租用电话线通信是利用现成的电话网络，在数据的发送端和接收端分别安装 调制解调器或者数字音频转换芯片将数字脉冲信号转换为o 3 3 4 k h 的话带信 号，然后通过电话线进行数据传输的一种通信方式。该方法的数据传输率较高且 可靠性好，一次性投资小；缺点是线路接通时间较长，另外，若租用电话线路多， 其租用费也很可观，并且电力公司无法完全掌握电话线通信的维护以确保其可靠 运行。因此不适合自动抄表这样的大容量系统。 3 电力线载波通信 电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，p l c ) 是电力系统特有的一种通信 方式，国外研究比较成熟，但是国内研究尚处于起步阶段，又称电力线载波通信。 电力线载波通信以电力线为传输通道，具有可靠性高、投资少、施工期短、设备 简单、与电网建设同步、覆盖面与电力系统一致等优点，对于通道数量不多，而 需要通信覆盖节点数量较多，或采用其它通信方式不便的情况下，可考虑优先采 用电力线载波通信。电力线载波通信是电力系统特有的通信方式。在抄表系统中， 低压电力线载波通信必须是双向的，这是因为：通信中继的需要，低压配电网上 丰富的噪声是客观存在的，对载波信号所呈现出的阻抗也是动态的，而且在用电 负荷很大时，阻抗是很小的。再加上其它因素的影响，数据通信的成功率会受到 较大的影响，很容易造成从集中器到表端等设备通信的持续性失败，这种情况下 就需要系统有中继的功能。 近年来，低压电力线作为通信媒介技术被广泛地研究，并已应用于集中抄表系 统【引、智能楼宇4 】和路灯控制【5 】等工程中。由于电力线载波得天独厚的特点和能 满足大范围自动抄表的需求，已经成为自动抄表行业通信的首选。但是低压配电 网最初的设计是以传输电能为目的，是一个直接面向用户的自由拓扑的总线网 络，接入网络的电气节点的丌断都能影响网络的噪声、阻抗、信号衰减1 5 巧j 。电 力线信道的剧烈变化使得原先节点之间的网络连接变的很不可靠，甚至影响网络 的逻辑拓扑结构，现有p l c 物理通信能力制约着其大范围的应用。本文就是从 载波通信的另一方面：自动组织网技术，从网络层而不是物理通信层来扩展载波 通信的能力，以期达到工程实际的需要。 1 1 2 课题的研究意义 目前的大部分的低压电力线载波通信设备，单纯依靠载波通信芯片的物理层 通信能力来工作。从物理层分析，现在的低压载波通信的调制方式采用扩频、 f s k ，b p s k ，这些都是从系统的抗干扰能力考虑；而对于系统信号衰减，单纯提 高发射信号幅度，无法弥补信道衰减的损失，人们只能通过中继转发来解决，也 2 硕l ：学位论文 就是通过网络层通信解决。由于通过中继转发，能够以几何级数提高系统的通信 能力。有些研究者想到采用专用中继器，但他们很快发现载波芯片自身就有发送 与接收信号的能力，只要在软件设计上，加上相关报文处理能力，它就可以具有 中继器的能力。 低压电网载波通信环境的动态变化的范围，己经远远超出了系统自动调节的 范围，大大压缩了物理层通信范围，使得现有的技术手段，在提高电力线载波通 信物理距离方面无明显作为。因此要解决低压电力线通信的覆盖范围，就需要借 用通信中继的方式。在现有低压窄带载波通信技术的条件下，自动路由已经成为 其存在的必须条件，如果没有好的中继自组网来适合窄带载波的情况，低压载波 通信会在新一轮的技术竞争中死亡。 本文课题来源于威胜集团有限公司终端与通信开发部的相关开发项目，根据 低压窄带载波通信现实运用中的这个难点，以现有网络的中继技术为基础更以低 压载波的固有特点为出发点，提出以骨干树作为载波通信网络的骨架，以节点相 关度动态分簇算法作为区域节点通信路由，以似然概率洪泛机制末完成网络重构 和紧急通信的路由算法。如果本算法能在现场大规模推广，将给低压窄带载波通 信能力很大的提高，促使自动抄表、智能家居等行业水平有较大程度的发展，为 国家电网新提出来的智能电网提供数据采集的一种可用方案。 1 2 低压电力线载波通信发展现状 1 2 1 低压电力线载波通信研究现状 早在2 0 世纪9 0 年代初，一些国家己经p l c 技术方面的研究，由于技术不 成熟，发展速度缓慢。进入2 1 世纪以来，其发展速度明显加快，目前正朝着实 用化方向发展。 电力线通信在i n t e r n e t 高速接入网上的应用研究主要集中在欧洲1 7 培j 。欧洲 的电力公司凭借其拥有的通达各家各户的电网资源以及欧洲半导体器件厂商开 发的高速p l c 芯片，积极参与了接入网市场的竞争。在美国联邦通信委员会的 推动下，在不久的将来，美国家庭尤其是广大的农村用户，可以通过电力线上网， 并享受到更加廉价的网络电话服务。美国辛辛那提天然气电力公司，计划通过该 公司的电力网提供高速互联网接入服务。德国r w e 电力线通信公司于2 0 0 0 年5 月开始进行2 0 0 户的现场试验，2 0 0 l 春季推出了r w ep o w e r n e t ( p l c 上网) 、r w e p o w e r s c h o o l ( p l c 学校联网) 和r w ee h o m e ( 智能家庭自动化) 三项业务及相应产 品，自2 0 0 1 年7 月lr 起正式丌始商用化。在德国的e s s e n 埃森安装了l5 0 0 户， 从而使r w e 公司成为世界上首家宣布实现p l c 接入系统商业化运营的企业。 r w e 公司的p l c 最大传输速率为2 m b p s ，采用扩频调制技术，2 0 0 2 年开始在德 国全面普及。同本东京电力计划在2 0 0 5 年上半年，在该公司的住宅内进行最高 低压【乜力线窄带载波通信路由设计 速度为2 0 0 m b i t s 的电力线通信( p l c n ) 实验，并希望从2 0 0 5 年秋季开始提供电 力线通信商用服务，以便利用电力线通信建立家庭内部网。 我国研究p l c 技术起步较晚，但发展速度较快。中国电力科学研究院自1 9 9 7 年开始研究p l c 技术，主要考虑p l c 技术用于低压抄表系统，传输速率较低。 l9 9 8 年开发出样机，并通过了试验室功能测试，19 9 9 年在现场进行试运行，获 得了产品登记许可。l9 9 9 年5 月开始进行p l c 系统的研究开发工作，主要对我 国低压配电网络的传输特性进行测试，并对测试结果进行了数据处理和分析，基 本取得了我国低压配电网传输特性和参数，为进行深入研究和系统开发提供依 据。2 0 0 0 年开始引进国外的p l c 芯片，研制了2 m b p s 的样机，2 0 0 1 年下半年 进行了小规模现场试验，实验效果良好。2 0 0 4 年0 4 月由深圳国电科技发展公司 控股，作为国家电网公司系统内的专业生产电力线通信产品的深圳市国电科技通 信有限公司己率先在全国推2 0 0 m b p s 电力线接入产品及解决方案。2 0 0 m b p s p l c 产品成功地突破了前两代产品( 14 m b p s ，1m b p s ) 带宽不够、传输距离相对较短的技 术瓶颈，更好地解决了信号衰减、噪音干扰等问题，网络更加稳定、通畅。 1 2 2 低压电力线载波通信在自动抄表系统中的应用 根据文献报道l 引，美国电世界19 9 4 年lo 月号摘要介绍了c h a r t w e l l 公 司对北美( 美国和加拿大) 2 2 个电力公司和31 个产品供应商的调查结果，在l9 9 4 年初，该地区已装设了314 0 6 3 块具有自动抄收功能的电能表，年底计划发展到 10 4 8 0 0 0 块。其中g e o r g i a 电力公司在l9 9 3 年内已经装设了5 0 0 0 0 个车载无线电 自动抄收单元；b o s t o n e d i s o n 公司已经装设了17 0 0 0 个固定式和车载无线自动 抄收单元：加拿大的q u e b e c 水电局也己经安装了6 4 0 0 0 个自动读表单元。另根 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19 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抄收数据。 对西稚图和奥林匹亚供电的p s e 公司约有15 0 万个电能表，19 9 9 年已完成 8 3 万单元自动抄收装置的安装，其方式是在半径0 4 k m 0 5 5 k m 的居民小区内约 每2 干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19 个2 5k 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收装置。 根据a m r a l9 9 9 年的s c o t t 报告，美国己安装和投用超过l0 0 万单元自动抄 表系统的电力公司有a m e r eu e 公司( 12 0 万单元，固定无线电方式) 、p r e p a 公司 ( 13 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( 15 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 己安装，1 6 在试点，2 3 己列入计划。 欧盟各国都有电能自动抄收实施的报告。例如，英国l9 9 8 年即巳实现对约 4 硕f 二学位论文 9 万户大于l0 0 h w 用电负荷用户的每o 5 h 电量数据抄收。比利时i n t e r t e c t r a 公 司在19 9 7 年就已用s i e m e n s 的s e m m s 系统对用户电能自动抄收。最具有代表 性的无疑是意大利，其在2 0 0 1 年2 0 0 7 年安装的3lo o 万只智能电表项目，采用 了美国e c h e l o n 公司的p l 3 1 2 0 载波芯片和s g s t h o m s o n 公司的s t 7 5 3 8 载 波芯片区实现电力线载波自动抄表 国外电力载波芯片在国内自动抄表系统中应用非常多，但是国外的电力载 波芯片大多是根据本国本地区电网结构和特点设计的，发达国家电网运行状况比 较完善，电网干扰比较小，载波通信速率高，因此在国内的应用并不十分理想， 很难实现我国低压电力网的可靠载波通信咿j 。我国的低压电力线作为传输通道仍 然存在很多问题，如信道衰减、电网污染、通讯的成功率、跨变压器不可传输和 在事故情况下载波频率分配等。我国一些专业厂家已经利用扩频通信技术、结合 各种方式的中继技术等研制出更适合我国电网水平的载波芯片和通信技术，尽管 也存在一定的缺陷和问题，但是就我国特殊的低压电力线载波通信环境下，我国 这方面的研究处于领先地位。 我国的低压电力线窄带载波通信在自动抄表系统中的应用起步于2 0 0 0 年， 清华大学在这一年研制成功了基于s s c 技术的配电网通信实验平台【l ，可在两 台计算机之间通过2 2 0 v 低压电力线实现文件或数据的传输，速率为l o k b p s 。现 在的低压载波通信芯片的两大厂家青岛东软有限公司和北京福星晓程也先后成 立。从2 0 0 5 年开始国内窄带扩频技术p l c 取得了较大程度的发展，如青岛东软、 北京福星晓程、深圳瑞士康等公司在窄带p l c 实用性技术方面有较大程度的提 高。但由于它们的产品是以窄带技术( 通信速率2 4 k b p s 以下) 和集中式路由为 技术基础的，在国内的推广应用中还存在这样、那样的问题，制约了电力线载波 通信大规模在现场中的应用。 1 3 本文组织结构 本文的内容安排如下： 第1 章分析国内电力集中抄表系统方案，比较了无线通信、电话线通信和电 力载波等下行通信方式的区别，介绍了本课题研究的目的和意义，阐明了本文的 研究内容和组织架构。 第2 章详细介绍了电力线载波通信物理特性、及它们对载波通信的影响，并 在后半部分分析了现有载波通信路由工作情况和它们的局限性。 第3 章首先分析了电力线载波通信网络的特殊性对自组网的技术要求；然后 分析现在网络通信技术中基于骨干网的树形路由；并在详细介绍了骨干述路由工 作流程的基础上设计应用于低压电力线窄带载波自动抄表系统软件路由器。并以 实验台区中出现的问题为例总结了骨干数路由的局限性。 低压电力线窄带载波通信路由设计 第4 章首先介绍了a dh o c 网络中常用到的分簇路由算法，然后根据骨干树 路由在电力线载波通信应用的局限性提出了基于树形骨干网和节点相关度分簇 的树簇动态路由算法，并详细介绍了算法的工作流程；最后当网络出现较大故障 并又急需通信时采用基于似然概率的洪泛来完成局部网络通信。 第5 章首先分析了树簇动态路由的性能，然后对分簇路由法进行仿真测试， 证明算法的可行性和优点。 最后，对本文的研究成果进行了总结和展望。 6 硕_ f 学位论文 第2 章电力线通信特性及路由技术 2 1 电力线载波通信物理特性 2 1 1 电力线阻抗特性 低压电力线载波通信信道的输入阻抗是指在信号发送装置和信号接收装置 驱动点处配电线的等效阻抗，它的大小直接影响到传输信号耦合的效率，是低压 配电网用做载波通信信道的一个重要参数。 1 9 7 3 年j r n i c h o l s o n 和j a m a l a c k l l l 】公布了他们在2 0 k h z 3 0 k h z 范围内 2 5 个离散频率下，对美国3 6 个未滤波的商业电源1 15 v 、2 2 0 v 、2 0 8 v 等进行的 阻抗测量结果，表明商业电源阻抗随频率的升高有上升的趋势( 平均从2 欧姆到 1 0 0 欧姆左右变化) 。1 9 7 6 年j a m a l a c k 和j r e n g s t o r m 【1 2 j 公布了在相同的频 率范围内，对6 个欧洲国家的8 6 个商业电源进行的阻抗测量结果，表明欧洲各 国之间商业电源的阻抗值变化不是很大，并目在整个l f h f 频段上 ( 2 0 k h z 3 0 m h z ) 与j r n i c h o l s o n 在美国商业电源上测得的阻抗值相似，而在 m f h f 频段上( 3 0 0 k h z 3 0 m h z ) 两者完全一致。 测量结果表明，低压电力线上的输入阻抗与所传输的频率密切相关。图2 1 分别给出了不同情况下测得的典型输入阻抗与频率的关系【l3 1 。图2 1a ) 是欧美国 家测得输入阻抗频率特性，两曲线测自同一低压电力线网的不同地点；图2 1b ) 是在韩国某地不同时间测得的输入阻抗随频率变化曲线。 1 0 0 嘲执1 0 盆l l o - l l0 ( 2 ( ) o 4 ) 06 g t 砌i 饭1 0 羰肆掣k h z a ) 溅试地点在欧美国家 5 0 0 i ( m 塞 霞1 0 l 频率k z b ) 溅试地点谯韩围 图2 1 输入阻抗一频率关系图 从图2 1 中可以看出，不同时间或不同地点都会对输入阻抗的值产生很大影 响，在l0 0 k h z 以下频段，输入阻抗值较低，其后随频率的升高总体呈增大的趋 势，但是在频率的变化过程中会出现阻抗低谷区，呈现剧烈变化的波动现象。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， 低压i 乜力线窄带载波通信路由设计 这些负载及电力线本身组合成许多谐振回路，在谐振频率及其附近频点上形成低 阻抗区，从而造成了在局部频率段内阻抗随着频率增加而减小的现象。同时，由 于负载在电力线上随机地连接或断开，所以在不同时间，电力线的输入阻抗会发 生较大幅度的改变，其结果是在同一频率下测量的阻抗有很大波动。出于同样的 原因，加之在许多电阻、电容和电感组成的网络中，从不同的点看进去，阻抗显 然不同，因此电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。 总体来说，低压电力线网络的输入阻抗与频率、信号输入地点、信号输入的 时刻都有很大关系，造成这些现象的原因是：电力线在高频信号传输时分布电感、 分布电容产生的影响；负载的阻抗随频率的变化而产生变化；负载本身及负载与 电力线间在一定频率范围会出现谐振现象；信号输入点不同，改变了相对于输入 点的网络结构，引起等效阻抗变化；负载在电力线上的随机通断造成随着时间不 同，阻抗亦发生变化。即电力线本身参数、负载参数、电网络结构、负载随机通 断等是输入阻抗大幅波动的主要原因。 下面是几个分析结果【悼1 8 1 ： 1 在居民家中测量到的阻抗由网络所包含的电气设备决定，这些设备包括 配电变压器、电阻性负载、电力线容性负载等电气装置，有时还包括功率因数调 节电容器等电力设备。 2 在各种负载中，电阻性加热负载在低频段引起的阻抗变化最大。而感应 电动机在k h z 频段却不会引起太大的阻抗变化。 3 发生在居民配电回路中的通信信号谐振( 包括并联谐振和串联谐振) ，频 率一般高于4 0 k h z ，它们使较高频率上的阻抗波动更大。这些谐振一般是由容性 负载引起的，如电视机、计算机等。 4 从居民家中到配电变压器的连接线对阻抗的影响一般较小，但使用不同 规格的电缆相连，影响就可能很大。 2 1 2 电力线的衰减特性 高频信号在低压电力线上的衰减是低压电力线通信的又一个实际困难。低压 电力线是传输5 0 h z 或6 0 h z 电能，而不是为通信专门设计的。由于低压电力线 路分支很多，各种性质负载在任意位置随机地连接或断开，它连通信系统所要求 的最基本阻抗匹配都不能作到，所以信号会遇到反射、驻波等种种复杂现象【l 引， 其衰减特性非常复杂，具有很强的时变性。这种衰减与通信距离和频率等都有密 切关系1 20 1 。 在2 0 k h z 2 4 0 k h z 频率范围内对工业建筑、医院、居民楼和居民家庭的低压 电力网进行了大量的信号衰减特性实验。工业建筑内所测信号衰减特性曲线如图 2 2 f 2 l 所示。 图2 2a ) 中，l s 曲线的衰减随频率变化比较平缓，小于5 d b 。由于距离很近， 8 硕。1 ：学位论文 发送与接收之间的负载对信号衰减影响不大，i 曲线是在较长距离同一相上测得 的曲线，与i s 曲线比较，其传输距离对衰减的影响非常明显，在某些频率，衰 减的变化可达5 0 d b 以上。它们与跨相传输曲线a l 和a 2 相比，可知高频信号 在跨相传输时，衰减一般比同相传输大，但不绝对。图2 2b ) 为晚上在同一建筑 内同一地点测得的衰减曲线，从中可以看出，同相传输一般比白天小，而跨相传 输的衰减波动比较大。 曼 囊 额雉；l 【h z 鋈 饼： o5 0i o o1 5 02 0 02 5 0 频蹿妒k i l z a ) 实验辩间为自天b ) 实验时间为晚上 图2 2 不同频率的衰减曲线 从以上分析可知，低压电力网的衰减特性是极其复杂的。对不同建筑物或 相同建筑物电力网中不同的节点问，甚至同一对节点在不同的时间，其衰减值 都相差很大。该情况主要是由于电力网负载的变化所致。 根据文献提供的测量结果，可总结出低压电力线通信衰减的一般特性： 1 除了短距离传输外，即使收发信机同相，信号衰减仍可高达2 0 d b 或以 上： 2 同相衰减整体上小于跨相衰减，但在一些频率点上有所例外； 3 当频率上升时，信号衰减随之增大，但这种变化并不是单调的； 4 在某些特定的频率点上，有可能发生窄带衰减； 5 电力网上的电力负载将极大地影响信号的衰减。由于负载情况随着时间 发生变化，因此在任何给定的频率点上，衰减都会随着时间而变化。其变化围可 达2 0 d b 或更高。 因此低压电力网通信信号的衰减特性很难建立准确的数学模型，也不能用简 单的数学公式表述，它更适合用统计的方法计算分析1 2 引。 电力线通信信道对各种频率信号衰耗的程度是电力线通信选择载波频率的 主要依据之一。信号的衰耗主要决定于经由的路径和网络上所连接的负载。用于 调整功率的电容以及各种具有电容特性的电器，对高频载波信号来说相当与短 路，造成极大的衰耗；网络中的一些负载对某些频率构成了谐振电路，产生谐振。 当网络上负荷很重时，线路阻抗可达到1k 欧姆以上，造成载波信号的高衰耗。 总的 兑来，信号传输距离越远，衰耗越严重，但是由于负载阻抗的不匹配，信号 9 低压i 乜力线窄带载波通信路由设计 的传输会出现反射、驻波、散射等复杂现象，导致近距离点比远距离点衰耗大。 由于网络负载频繁地接入、切出等各种随机事件，p l c 信道表现出很强的时 变性。信道在1s 内对某一频率信号的衰耗变化可达到2 0 d b ；在1s 内信噪比的 变化也可达到1o d b 左右。而且三相电力信道间有很大的信号损失( 1 0 d b 3 0 d b ) 。 通信距离很近时，不同相间可能会收到信号。载波信号一般只能在单相电力线上 传输；不同耦合方式导致p l c 信号的损失也不同。同时，不同相位的耦合也会 引起衰耗，跨相传输比同相传输衰耗大1o d b 左右。此外，配电变压器阻碍信号 的通过，在配电变压器原、副两边的信号衰耗可达到6 0 d b 10 0 d b ，次级间也会 有2 0 d b 4 0 d b 的衰耗。 总体上说，p l c 信号衰耗随频率上升、距离增大而增加，但并不是单调的。 高频信号的衰减，首先和线路的等效输入阻抗有关。基于前面分析的结果，高频 信号在低压电力线上传输的衰减，必然与通信距离、信号频率、传输时间等因素 有密切的关系： 1 信号衰减和通信距离的关系从理论上说，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，甚至会出现近距离点的衰减比远距 离点还大的现象。 2 信号衰减和载波频率的关系为了研究低压电力线上载波传输信号频率与 信号衰减的关系，许多的研究者进行了理论的探讨和实验，在研究了多种典型低 压线路衰减特性的实验数据的基础上，采用了线性拟合和r c 曲线拟合的方法均 无法得出二者的理论关系式，遇到的最主要问题是随机变化的负载曲线。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， 频率较高信号会有较大的衰减。幅频曲线中会出现突然性的衰减跌落。 2 1 3 电力线的噪声特性 电力线通信的最大干扰是噪声，其主要来源是电力网上的所有负载，以及无 线电广播、天电等。就噪声特性而言，同一配电变压器下的所有用户负荷噪声以 及变压器上的原边噪声都会对信道产生噪声干扰。噪声很大时，必然要求提高信 号功率来满足数据传输的要求，这样，除了导致产品成本和体积增加外，对其他 用户也是一种交叉干扰1 2 引。 低压电力线上的噪声主要是由连接在电力线上的用电设备产生的，它们对 数据通信有严重的影响。低压电力线上的干扰并不是简单地白噪声，通常可以将 电力线上的噪声分为5 类1 2 4 j ： 1 有色背景噪声：这种噪声随频率而发生变化，具有相对低的功率谱密度。 1 0 硕1 j 学位论文 它主要是由各种低功率的噪声源所产生，它的功率谱密度随时间的变化而缓慢发 生变化。 2 窄带噪声：一般由中、短波广播所引起，它随时间发生变化。 3 与工频异步的周期性脉冲噪声：这种噪声的重复频率一般为5 0 2 0 0 h z ， 由电视机或电脑显示器干扰所造成。 4 与工频同步的周期性脉冲噪声：脉冲的重复频率为工频或工频的整数倍。 脉冲的持续时间很短，频率覆盖范围大，功率大，功率谱密度随频率的升高而下 降。它主要是由可控硅整流器件造成的。 5 随机脉冲噪声：闪电或网络上负载( 如电容器组，自动调温器、冰箱、空 气调节器等) 的开关操作会产生脉冲噪声，每个脉冲噪声都会影响很宽的频带。 它的到达时间是随机的，持续时间从几微秒到几毫秒。脉冲噪声的功率谱密度有 时会比背景噪声高出5 0 d b 。 通常，前二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。 低压电力线中的噪声具有频域特征。总的来说，噪声特性有一定的规律性，比如 噪声随频率的增高有下降的趋势，并目无论噪声多复杂都是可由各种特定性质的 噪声源叠加而成。与工频同步的周期性脉冲噪声产生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产生噪声。例如随机脉冲噪声通常是由于 高压开关的操作、较大的负荷变化、电力线路上的短路故障等引起的，往往持续 时间较短，但能量很集中【25 。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 计算机等的开关也会产生较大的突发脉冲噪声而影响通信。这些噪声的持续时间 较短，强度大小不等，出现时问随机变化，但如果它们正好发生在数据通信过程 中，由于其高能量、宽频谱的特性，通常会严重影响数据传输。 2 2 现已应用的电力线载波通信路由技术 目前基于电力载波组网的研究主要集中在以下几个方面：如文献【2 6 】和【2 7 】 中提出的基于蚁群的最短路径路由算法，不过其大量的时间资源消耗在路径探测 上面，由于现有低压窄带载波速率的限制很难达到网络通信q o c 的要求；文献【2 8 】 中提出了基于传输矩阵的路由算法，这种算法简单且易于使用，但树型结构的路 由表较难跟上载波网络的动态变化；文献 2 9 】提出d q r a ，其以具有并行运算的特 点能较好的避免寻址的时候演变成完全n p 问题，但由于其是基于估计网络拓 扑的技术，所以在电力网络运用的前景也不明朗。下面就其中两种路由的工作流 程和局限性进行分析。 低压电力线窄带载波通信路由设计 2 2 1 基于传输矩阵的电力线载波通信路由 基于传输矩阵的路由算法【2 8 】主要分为三个模块：初始化模块、单个发送路 径搜索模块和群体发送路径搜索模块，本文主要对前两个模块进行分析： 初始化路由模块：其初始化过程的目的是建立满足电力线信道环境的传输路 径，即将所有节点连接成一个以根节点o 为根节点的树。每个节点除具有固定的 物理i d 外，在初始化时还将被赋予一个逻辑i d ( x ，y ) ，其中x 表示节点在连接树 中的层次，y 表示节点在该层中的序号。节点0 的逻辑i d 默认为( o ，1 ) 。初始化 算法主要包括以下步骤： 1 根据节点的物理i d 建立传输矩阵。如果系统除根节点外有n 个节点，则 应建立传输矩阵a = 【a i ，j 】( n + 1 ) 。n ，新建立的矩阵为零矩阵。下面以1 0 个节点的系统 为例子进行传输矩阵的演示。 2 根节点0 发送广播，收到广播信号的节点在延时t d 后向主机发送应答信号， 其中t d = m 逻辑i d ( m s ) ，如节点3 在收到广播信号后延时m 3 m s 发送应答信号 ( m 表示延时单位时间) 。由于信号传播速度较快，可以认为节点0 的广播信号同时 到达能接收到此信号的所有节点，且每个节点的应答延时不同，所以没有节点会 在相同时间发送应答信号，电力线上也就不会产生信号冲突。节点o 收到节点j 的应答信号后，则置传输矩阵中的a o i 为l 。假设主机收到节点l 、3 、9 的应答， 则置传输矩阵为将应答后的节点设置为沉默状态，该节点不再对以后收到的广播 信号进行应答。根据本次广播节点的逻辑i d 和节点应答的先后顺序设置应答节 点的逻辑i d ，例子中分别设置节点l 、3 、9 的逻辑i d 为1 ( 1 ，1 ) 、3 ( 1 ，2 ) 和9 ( 1 ，3 ) 。 节点0 等待3 0 9 ( m s ) 后认为不再会有节点应答，此步骤完成。完成步骤( 2 ) 后 确定的传输路径如图2 4 所示。 a =2 6 7 4 8 5 图2 4 完成步骤( 2 ) 后的传输矩阵和传输路径 3 检查传输矩阵，如果传输矩阵中已经有9 个元素为l ，则说明已经找到了 能到达所有节点的传输路径，初始化过程完毕。如果为l 的元素少于9 个则进行 1 2 o o 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 l 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o 0 0 0 0 0 0 l 0 0 0 o 0 0 o 0 硕l ：学位论文 初始化步骤( 4 ) 。 4 将广播权交给逻辑i d ( x ，y ) 中y 最小的节点。此节点发出广播信号后，收 到广播且不为沉默状态的节点向广播节点发送应答信号。广播节点收到应答信号 后，将传输矩阵中的a ，j 置为1 ，其中：i 为广播节点的物理i d ；j 为应答节点的物 理i d 。将应答后的节点设置为沉默状态，并设置其逻辑i d 。节点i 等待3 0 m ( m s ) 后认为不会再有节点应答( 其中m 为列元素全为o 的最大列号) ，并将广播权交还给 它的父节点，此步骤完成。本例中假设首先获得广播权的节点是1 ( 1 ，1 ) 。它发出 广播信号后收到节点2 和节点6 的应答，故设置a 2 。2 = 1 且a 2 ，6 = 1 ，并分别设置节点 的逻辑l d 为2 ( 2 ，1 ) 、6 ( 2 ，2 ) 。由于此时列元素全为0 的最大列号为8 ，节点l 将等 待3 0 8 = 2 4 0 ( m s ) 后将广播权交还给节点0 。修改后的逻辑矩阵为本步骤完成后所 确定的传输路径如图2 5 所示。 1ol00 o o ol 0l0 o 0l0oo 00 o o o0 00 0 0 oo o0 0o oo 00 o 0 00 0o 00 o o o o o0 o0 0 o o o o0 o0 o o 0 0 00 o 0 o0 0o 4 8 5 图2 5 完成步骤( 4 ) 后的传输矩阵和传输路由 5 重复步骤3 ，如果传输矩阵中为l 的元素个数仍然少于9 个，则按广度优先 原则将广播权逐个交给各节点并重复步骤( 4 ) 。例子中主机将广播权从节点1 收 回后将其依次交给节点3 、9 、2 、6 直到传输矩阵中为1 的元素达到9 个。最 后确定的传输矩阵为传输路径如图2 6 所示。 1olo0 0 1 oo0 0 o ol0 a - l ： o o 0 0 00 o o 0 0 o o o o 01 oo o 0 00 o 0 2 ( 2 ，1 ) 图2 6 完整最后步骤的传输矩阵和传输路由 1 o o 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 o ，0 0 o o 0 l 0 0 0 0 0 o 1 0 0 0 o 0 0 o 低压i 乜力线窄