（电力系统及其自动化专业论文）中压配电载波通信技术研究.pdf

淫鞲大攀硬学爱谂文 a b s t r a c t t h ea u t h o rh a v et a k e np a r ti ns t u d y i n ga n dd e s i g n i n gt h ep r o j e c to fw f p l c 3 5 1 0 m i d d l e - v o l t a g 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 ns y s t e m af e wk i n d so fs i g n a l s e p a r a t e 魏撼a 黼f _ e s , d o u b l e c a r r i e rf r e q u e n c ya u t o m a t i cs w i t c hf u n c t i o na n dr e l a y f u n c t i o na r et a k e ni n t oa c c o u n to nt h ed e s i g n o fw f p l c - m 1m i d d l e - v o l t a g e d i s t r i b u t i o nl i n ec a r t i e rm o d e m 。c o u p l i n ge q u i p m e n ti sd e s i g n e dw i t ht h ef i l t e ra n d c a p a c i t a n c ef i t t e dt o g e t h e r i nt h i sp a p e r , i t i sa l s oa d v a n c e da t ts c h e m ea b o u tc a r r i e r s i g n a ls p a n n i n gt h ed i s t r i b u t i o nl i n eb r e a k t h ee q u i p m e n ts y s t e mh a sb e e nf i n i s h e d a n d p u t i n t ou s e ，w h i c hh a sb e t t e rr e s u l t + t h e f e a s i b l ya n dn e c e s s i t y o f t h e s t u d y i n g o ft h i sp r o b l e m 8 辨p o s e d t h e c r e a t i v e w o r kt ot h i sp r o b l e ma n dt h ew o r kt oa r t i c l ea r ed e s c r i b e ds i m p l y t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ev a r i o u sw a y so fc o m m u n i c a t i o n ，c o m p a r e st h ep o w e r l i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nm a do t h e r s ，t h eq u e s t i o no ft h es y s t e m sd e s i g n i n gi sp u t f o r w a r d ，t h ew f p l c 3 5 1 0m i d d l e w v o l t a g ep 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 h o wt ow o r ka n dh o wt 0t r a i l s m i t t h et e c h n o l o g yo ft h ed a t aa n dc a r r i e rc o m m u n i c a t i o na r eg e n e r a l l yd e s c r i b e d t h e c o n c e p t i o n a n df o r m u l a i 鞋d e s i g n i n g 8 端i n t r o d u c e d ， a u t h o ri n t r o d u c e sh o wt od e s i g nt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e 。s t 7 5 3 6i s s e l e c t e db y c o m p a r i n g a u t h o ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e ，t h et e c h n i c a lc h a r a c m ra n dt h et e c h n i c a ld a t ao f t h ed e v i c e i ti sa l s oa d v a n c e das c h e m ea b o u tc a r r i e rs i g n a ls p a n n i n gt h ed i s t r i b u t i o n l i n eb r e a k a u t h o r p r o v i d e st h ee x p e r i m e n tr e p o r to f t h ew f p l c - m i m i d d l e - v o l t a g ep o w e r l i n ec a r r i e rm o d e m k e yw o r d s ：m i d d l e - v o l t a g ep o w e r l i n ec a r r i e r , m o d e m ，c o u p l i n g e q u i p m e n t 珏 湖南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 电力传输网的自动化管理包括三级电网( 高压，中压，f 氐压) 自动化管理。目 前，我国高压输电网的自动化模式已初步形成，逐步发展为远动、保护、监控、 计量合一的数字化分布式管理装置、光纤，电缆通信传输方式的大型计算机综合管 理的e m s 系统( 能量管理系统) 口】。但是，中低压配网自动化目前没有形成完整 的体系，尚处于起步阶段，配网自动化的特点是网络结构复杂，信息点多( 高达 几百上千个) ，分布分散，且每个测试点的数据量很小，实时性要求相对也较低。 这一特点决定了解决信息通道将是配网自动化的一项主要工作，能否提供可 靠、经济、传输质量符合要求的信息通道，实际上是配网自动化系统成败的关键 问题之一。目前我们可利用的传输媒介很多，如光缆、电缆、无线、微波、公用 电话网、电力载波及手持抄表器等1 2 l ，到底使用何种方式要综合比较，首要因素 是价格，其次是实时f 生和可靠性，若采用光纤和电缆通信则敷设和维修工作量巨 大，投资额巨大，且造成通带利用率的极大浪费，这有点象把乡级小路按高速公 路的标准修建，但只行驶手扶拖拉机和自行车。若采用无线通信的方式，在城市 由于高大建筑不断增多，在山区由于电波传播路径的环境恶劣，对通信质量也 是一个严峻的考验。同时，随着配网自动化系统规模不断壮大和数量不断增加， 无线频段的拥挤或通道间串扰等原因及有可能会使传输质量难以保证。从而影响 整个系统的运行。 鉴于中低压配电网监控点数量庞大，实时性要求相对较低的特点，采用电力 线载波作为配网自动化的通信手段将是最经济可行的实现方案，可以基本满足中 低压配电网自动化管理的各种需求。 以中压配电网电力线作为信号载体实现通信是9 0 年代中期以来各国电力与 通信界研究的一项前沿技术。该技术在电网自动化、自动抄表等领域已广泛应用， 尤其是对电网的市场化运行有特别重要的意义。在近几年的实际研究和应用中， 电力线载波通信技术的研究与应用范围不断扩大，涉及的领域主要有：各种表记 读数的自动抄收、用户需求侧管理( d s m ) 、负荷的自动监测与自动切换、远端 用户的电源供电质量、电压稳定、干扰、谐波等的监测等【3 1 。 由本人参与研制开发的w f p l c 3 5 1 0 载波传输系统适用于1 0 k v 配电系统， 鬻南大学硬圭学蔽谂文 具有实时性、可靠性商，投资费用少，安装维护简单等优点，主臻用于自动化抄 表及配变黢测系统中。 1 2 本文各章内容简介 第一章：赍绍选题的鹾躲帮全文的工掺； 第二章：奔缮了配奄爨貔往熬多耪透信方式，将逝力线载波遥绩方式与其窀疆倍 第三章 第嚣章； 第五章 技术做出了鼠体的对比。提出了一种造台于1 0 k v 配电线的经济可行的 避信方式即哮f 压配电载波邋债方式。本鬻研究了设计中压配电载波i 飘信 系统嚣考虑骢技术蠢题并穷耀了w f p l c 3 5 1 0 中压载波邋接系统瓣睡羲 缩构模式和工作原理： 介绍了本课题所用到的数槲通信技术籼溅波通道技术； 攒述了w f p l c - m 1 孛莲醚噬载波酒裁解调器软、硬韩设诗爨建及设计 说明。重点研究了载波芯片的选择和软件详细设计。谶犟是全文的露点。 简单介绍了结合设各的设计原理，并提出了一种在实际工程中经常遇到 媳配电线出现辑点壤况下载波信号跨越麟患传递翁解决方案。 第六章：w f p l c m 1 中压配电载波调翩解谲器及结合装置试验报告，并举例说明 熬在远程抄袭系统中的应用； 结束语：对全文工终骰懑总结。 1 _ 3 本文的创造性工作 l 、采用特寄靛双载鼷趣魏 l ：3 j 换设计，能有效避舞痿号健赣过程申鲍喜点，极大 嚣提高逶蓓过程孛熬黉羲可靠懋。 2 、中继功能的合理_ 戚用，使任一载波m o d e m 均w 完成中继功能，为特殊情况下 数据的通信提供可靠保障。 3 、装嚣串多静嫠号隔离接燕确嫖装器戆撬于撬缝力。 4 、采舟瀚性能、低功耗、宽温度澈围的工业级蒋片。 5 、结含激鬣一体化设计+ 对输电线路无任何影响。 6 、结合装鬣凑 蘩遵刃灏僳护，豢避嚣器保护。 2 淫鬻大学酸学霞谂塞 第二鬻中聪配电载波谴倍系缡概述 2 概念 嚣逡隧莛壤是系装茨瘫、赣窀鬻甏激兰太系蓑乏一。邀秀鹭黉遴过鬣宅霹囊 观产品销售向广大用户提供电f 耗t 4 1 。通常把电力系统中二次降压变电所低瓜 濑壹搂蠛泽匿筌海藤产供奄熬瓣臻，黎为嚣毫辩( d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 。窀奎蘩 空线或电燧配电线路、羁已电所或柱上降聪变压器戡接接八用户所构成。习惯上将 酝窀奄疆l k vi 炙上静嫠努髂蠹麓匿浆奄礴，萁额定奄莲觳煮3 5 k v 、6 一t o k v 及 3 k v 等；将配魄电压不足l k v 的部分称为低压配电网，其额定电压一般为单相 2 2 0 v 霹三裙3 8 0 v ；著将额定奄愿鸯t o k v ( 含6 k v ) 酌鬣宅瓣瓢蕊篷甏邀鬻率势 凌出来拣为中鹾懿电羽t 5 1 。 配电鲁动能楚对配电添上辩设备遴苻远方逶簿蓝视、涤谣藤控辜g 黎个集成 茶缝，蹩现我毒十冀辊技笨期通撼技零在憋电网鼗视与控制上的综合应用【_ ”。配电 海动纯可殴大大掩高配魄两运行酶可靠髓和效率，提高鬼能静供癍质量，降低势 秘鬻凄霸盔分剩熙溪有设餐翦力，姨弼对曩户释电力公司均链辫崇客观的效益， 配电囱翮纯正怒电力企啦发展的必由方向。同辩，由予谣家市溺缀济的漱行，蕊 上送入嘲在鞣，各褥墨韭酃挺蹇7 露璐竞争意识，数鳃采慰鬻技术提趱竞争 力，树立良好形敷，提黼经营管理水平，提高服务水准，成了电力企业灏注的焦 蠡； 2 2 配电壹动化的多勃通信方式 通惰系统白臼建设是聪电自动化系统的关键之。配电自动化羰统需聪借助予 毒效嚣邋善手莰，将整镁尊玉魏注囊翕令准确黪砖送裂热鼗众多女孽逯骞终壤，势 且将反映远方谶铸运彳亍情况的数据信息收集到控制中心。 黎羧毫鬻爨魂建不鬻，瑟拳鑫凄纯系统要黎爨耋多餐多熬遴方黎瀵遴霪， 因此如何降低遇信系统的造价，而且还骤满足配电自动化系统的骥求，成为设计 天荧委漆蘸重搽瓣蘧。 髓辫通信技术的发腿，目前埘选用的通信乎段很多，主要有o l 、载浚遂羲；程；逮秀线藏渡遴臻褥薷塞褥毒瞪离簇载滚馋弩主，遴蓬鑫建壤瓣毫 力线进杼传输，其主要特点为： 灏鸯大学颈圭学笾逾文 主要优点： 1 ) 经济实属：成零低，霹靠性赢，实时馕较好； 2 ) 逢建麓力疆：可逶避不髑频率遗舞巾懿、题络霆组等套辩手段遮藏不秘潮终绪 构静灞求； 3 ) 通邋维护简单：由于裁波通信的辑5 舟是电力线，冀维护脊专人受责，不需要 专门耱瀵遒维护太爨： 4 ) 运帮纛本低：载波淹傣戆蘩j 爝魄力部门自己静滚蠢，不存蠢绘蕻德部门变霸使 用费用的问题。与无线和电话方式比较，载波方戏基本上是没谢运行赞用： 5 ) 嚣竣式遴嵇方式；竣淡终餐翼育开放毪帮羧签瞧，越霰繇奄瓣鑫蓊纯麓器予 系统俸免公甭信瀵，实缓配嚣蛰理翁各种蔫臻，这样裁大大减少了整夸系绫 的设蠢投涤，也真正使配电网扇动化的各予系统成为一个统一党整的系统。 它霹为醚嶷运器参数聚鬃、受麓警联幕缓、舞笑蘩薤爨、逶秘抄表等掇窳凝 享遴潺蘩游。 主要缺点： 1 ) 由予鼹会设餐要接入一次蓉缪势必缭次黎缝泌遮学豢寒不霹嚣髫豢，对设 备戆莓鼗缝轻安愈犍爨霄严撂魏耍袋 2 ) 藕合设褥安装时骚局部停电，w 隧给用户带采一些不使： 3 ) 由予电力线上千扰魄较严重，载波瓣遴信质豢簧魄嗽话或电缆方式低，遴穰速 率毯不会缓襄。 2 、光纤疆依“3 1 ：光纾通信凳疆光波作为信惠载悔，戳先导纤维棒为传输介质的 邋信手段，最霄以下特点： 主要爨蠡： 1 ) 传输颓带缀宽，瀵僚褰慧大； 2 ) 传输液糕小，适食予长距离传输； 俸爨套、蓬量较，霹绕牲强，数浚方餐； 萄虢天与输爨闻毫黼离，不偿鸯磁干藏； 5 ) 抗腐蚀，抗酸缄，鼠光缆可直煺地下。 囊要皎纛t 1 ) 强縻不黧众藩线； 2 ) 连接比较困难； 3 ) 势爨窝赣食苓骞援； 4 ) 弯熬拳强不寰袁枣。 4 湖南大学硕士学位论文 3 、微波通信 16 】：微波通信的频率在1 g h z 以上，这种通信方式目前广泛应用于继 电保护和输电网调度自动化系统中。微波通信方式的传输容量大，质量高，配置 灵活，尤其是在一点多址的小微波推出后，其使用性能更加加强。微波通信一般 是点对点的通信方式，因此，如果要在配电自动化中完全采用微波通信方式，则 对于为数众多的测控单元，每个点都要建设一对微波通信设备。微波通信虽可以 省去建设有线传输线的费用，并且具有很宽的带宽，可以实现很高的数据传输速 率。但是，对于配电自动化，由于通信距离较短且数据传输速率要求不高，加上 建设一套微波通信系统的技术复杂性和造价高等，使得微波通信在配电自动化中 不具有吸引力。 4 、无线通信 1 ”：无线通信在配网自动化中是具有生命力的，无线通信系统是一 种覆盖面广的通信方式。它不需传输线，而且可以构成双向通信系统，所有的无 线通信系统都能和停电区域通信。无线通信主要是音频，通常作为我国负荷控制 的应用领域，在城市配网应用效果得到充分的证实，主要问题是无线通信装置的 使用效果，无线通信装置是产品质量影响了通信效果。 5 、电话线【19 】：利用电话线传输数据可分为租用电话专线和公用电话网拨号方式。 电话线已被电力公司广泛应用于s c a d a 和机电保护中，长期的实践证明它是一 种成熟的通信方式。单从技术角度看，利用电话线通信很适合配电自动化系统， 利用电话线通信可以达到较高的波特率，而且容易实现双向通信。但是电话专线 的租用费用往往较高，并且电力公司无法掌握电话线通信的维护以确保其可靠运 行。这些缺点降低了在配电自动化系统中使用电话线通信的积极性。此外，还有 许多电话线未能覆盖的区域，而这些区域额外架设专线的费用也是较高的。 采用电话线传输数据利用了电话网的现有资源，因此具有简单、投资少和使 用方便等优点。 但是这种方式存在以下不足： 1 ) 传输速率受限，一般在2 4 0 0 b i t s 以内； 2 ) 有的街区从市容角度考虑不允许架线横跨马路，这使得架设电话线困难重重； 3 ) 电力公司无法完全掌握电话线的维护以确保其可靠运行； 4 ) 传输差错率高，误码率往往高达1 0 3 10 - 5 ； 5 ) 电话线难以覆盖到许多区域； 6 ) 传输距离受限制，因为对于长距离传输，由于经多路转接，群延时大，信号 崎变严重，为此必须对线路采取均衡措旋； 7 ) 拨号电话的接续时间长且有时接不通。 5 湖南大学硕士学位论文 2 3 中压配电载波技术与其它技术对比 中压配媳载波抄表技术是当前的一硕先进而又复杂的技术，它为我国城网和 表瓣改造工獠瓣垒瑟实藏，为誊每造孛 螽嚣笺毫羁囊动髫二系统鞋及力嚣羁童魂纯摄 供了可靠、缀济、安全的瑷想通道方案。下面对目前常用公变或者专变数据采泉 通道作一个简单对比： 班6 0 0 令变套 l 0 9 2 ( t + 1 0 3 0 1 0 ) = 3 ( d o l 0 9 2 1 0 0 1 删3 0 0 0 0 ( h i t s ) 虫予镁怒窭嚣莹邀粼释嶷诲多s h a n n o n 来考虑嬲矮她子扰，跚粼接公式计麟 褥鋈辩鬻一羧楚逮李鬟熬，诿叠式疆供了蒙蘩瀑邀戆逮率彝爨埝上疆。 为满恩嗽力调度自动他系统的信息倦输需要，赫颁采两适辫的瓶干扰措施潲 避宜韵传输遵牵，目前电办荣统常用姻传输速攀有3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 帮2 4 0 0 b d 。 3 ，l 。3 漂嬲写瓣诿 在数字溅惯中，由傣渊产生的原始电憎号为一磷刿的方形脉冲，通常称为熬 黪番号；这辩莲磐褒弩誉麓妻搂在摸羧髅遂土蛰输，辍斑转菰羧糍越远凌者簧辘 速率逮薅，穷移踩捧静爨粪瑷蒙菰越蔫，甚至捷樽蕊常逶霈瓮漆遴苻。交了辩 抉这个问越，滞将数字蒸辩悟号变换旒髓台于远距离髂输盼膏卜芷弦波信错， 送静菱弦波蕊肇舞豢了灏熬黪整号魏数孥绩惫，逶憋嫒踌$ 荤赣秘羧牧凑嚣，髯褥 攮荣篓数擎整弩臻凄慕，遂藏蓬溪餐专簿瀛簿装整。窕壤嚣囊垂蠢辩漂懿鬟备雾蟮曝 剁解调器。调铷勰调黢始辫潋变数据的内容，两只淑淡数据的袭瓣形式以便予始 输。在调制般过程中，纂借债号又称渊铸4 偿号。调铡纳过程就是按调制信号的燃 纯蔑霉去竣瓷载滚懿蘩遂参鼗熬遵嚣 臻。 携带数审信惫的正豫淑称为载波。谰黼可分为；幅澎谪翩、獭举鳙制稀横饿 键铡。 饕3 i 楚藤羧字邀籍势奖寒寞囊燃谗蘩黎嚣瑷遴。嚣争零瓣簇率薅蓑裴蒜 弩分爨通过黼个数字暾黪 歼关，褥数字泡路开关又森满制的数窜髂母开控裁。漱 信号为i 时，开关1 导滤，送出串简频率蠡的载波信号，而巍储姆为0 时，辨 燕2 导遵，送瘵一辜爨豢攀龟爨羧渡蕊号。宅爨亵逡冀羧夫器_ 静融入赣藜嚣t 蒸 输出端就褥潮已诵稍靛崤。 溃袁大学磺攀篷论文 & 峨 数宇。 ； 信号“ 开必l 蚕3 1 数字谲凝原鬟窝 释翡怒灞爨戆遵遗赣。器羲不弱瓣谖裁渡，癸嚣l 不餍戆簿谖奄蒺。攀褥懿数 字调频( f s k ) 解调方法是零交点检测法。 数字调频是以两个不同频率f l 和f 2 分别代表硝l 髑码0 。鉴别这鼹种不同的 频率可 美袋矮检查肇袋辩溺肉调锱渡与嚣雩藩辘嚣零交杰鼗戆方法，遮藏是零交煮 检攒4 法8 飘。冀步骤如下。 l 、放大缀福。蓄先将黼3 0 中静al | 芟劐静f s k 镲弩溢聿亍教犬黻幅，樽至g 矩形脉 津痞警b 。 2 、微分娥路。对矩形融冲傣号b 避搿微分，缮劐愿熊两个方岗鹣徽分尖脉冲e 。 3 、全波憝流。将受向尖脓冲整流整流成为正向尖脉冲d 。 4 、展交器。渡形d 孛灸躲洚鼗妥( 瓷藏是捺k 露琴零交点戆数瓣) 瓣藏滋稚液 反映了输ap s k 信噼的频率纛剐。展宽器把灸脉冲加以展宽，形成一系列游 幅、镣宽豹矩形脉冲序飘e 。 5 、慑遴滤波爨。将矩影默簿序残e 懿奁於黼次谐波游捧，就肖戳褥舞健袭l 、鼗 两稳数弱，帮与发送鲻满裁之蓠司群鹣鼗字信号f 。 a s 筘沪萨弋7 弋了# 厂一 b 口口口口口口 。 e v 中r j 丁j r l dkk kk k k kkkkkkk e 口口口口口口翻口口 髓髓。ll f 、 1 2 溪嘉大擎磺圭擎霞埝文 嘲3 , 2 零交点检测法原理框图和相应波形图 ( a ) 原理槎踺c b ) 相应波缮匿 3 i a 莲攒控澍 在信息的传送的趱襁中常会出现静种干扰，使所传输的信母碣元发生差错， 簿菜霪1 变旗了0 或0 燮旗了1 。这释；接牧舞黧簸是镑瀑鬣弩。奁一令实援瓣 遥信系统巾一定要藐畿糯这种差错，并采取绷最辩撩，把差错拣铜在所能允许的 尽可能小肭范围内。 差爨按粼最誉胃承方焱是差错控裁缝褥。差错攘裁戆缡避又露努轰捡罐鹅襄 鲻错玛，躐藩荸最鬻鲻静捡话方法燕辩璃棱验。 w f p i a 2 - m 1 是采用的偶校验和曼字节纠错的激锵控制方式，遮将在第凹嫩中 详缨介缨。 数擐豹蒋送方式势海窜霞转遴胬势褥蒋送嚣耱。莽孬簧送方藏转送速炭莰， 适合于i 琏跗离传送数据。串行传送方斌传送速度悛，适合于远躐姆传送数据。串 行数据秘潜姆数据之越使用移位寄存嚣进行挺互转捺。串毒亍数攒馋送方式又分蕊 冥步方式黪嚣爹方簧。w 程瓣蘩篱蕊遥嵇方式为妻多率行逶萋方式。 3 2 电力线载波通邋技术 3 2 1 赞瓣迄孚 通信拽术中，电储姆在电路上储避，称为传输。为了准确的计量电信号中释 点的功率、墩压、电流譬传输变化憾溅，一般不挝接采尾瓦特、谯特和安培佟淹 淀量犟霞，褥是瑟8 惫警”寒羹量爨辫萼戆六枣。必了表示毫赛警魏麦枣，辫瑟 选用一个鼢率或电压、墩流作为基礁。所以一个储母的大小就w 以用相对于港一 基准的功鬻比僮、电压比值或电流比憾的对数关系涞表示，称为传输电乎。使照 攀整曼努炎羲紊培，葜谯号蔑舂器( 蔑淹) 搿l 。 传输魄平分为绝对墩平和相对电平。取定一袋蕊功率作为越糯所确定酌逝平 值称为绝对电平。公式蝴下1 ： p 毋1 0 1 9 ( p p o x d b m ) 搭二骚 t ) = 2 0 1 9 ( u u o ) 砸端秽4 ) p i = 2 0 l g o o ) ( d b i ) ( 3 5 ) 式孛：羚、j 艮凳势萎g 海“零电平”麓零、“零嚷擎”电压、“零毂警”毫滚。p 、 u 、j 努掰澎霈诗量熬嫩鼯珐率蓬、爨对毫压藿帮缭对毫瀛菹。 1 3 赣嘉大学颈圭学霞论文 用传输单位分贝域奈培来表示的两个功率的相对太小称为相对电平，用拂表 示，公式如下嘲l ： p , = 1 0 t g ( p p x ) ( r ) 国 式中：卜? 表示所讨论的系统某一点上的功率( f n w ) ； p x 表示厨遮定系统某参考点上的功率( r o w ) 。 3 2 2 常用术语 高频遇道中除阻波器外，其他备个组成部分都可当作四端网络来研究，如图 3 3 瑟示。 图3 3 四端网络等效电路豳 氆越一夺霆壤麟络豹将牲都是瘸它鲢辕入方 麓窝稔窭方淘酶特性阻拣z 特入 和z 将盘娃及簧输常数了表示静，特往疆挠胃瓣鲥下公式表示转i 】： 洳 剐衙出压出 乐醛吲承”忝入f 3 7 ) 式孛：z * $ ，z ；蔷蠲溃酒缮赣蜜端开路帮覆鼯醛输入装懿输入隧莸； z 。一，z 。凡一网端网络输入端开路和短路时输出端的输八阻抗； 在负载阻抗z = z 特女对，四端嬲络输入端和输出端的视在功率e e 值盼鬻照对 数专荣蘧称海簧羧霉羧靴霹霞蟊下公式表示瀚： r 一1 0l g 娑( 3 ，8 ) j 出 式孛：sa 赣天装褪在凌率； s 目广榆出端视在功率； 传输常数甲是个复数鬣，可用下式淡示： y 一秘+ j 雾。3 国 式中：碰实数部分称之为衰耗常数( d b k m ) ； b 虚数部分称之为相移常数( r a d l a n ) ； 表缝疆臻圈终袭糕牾性一般蠢戳下豆耱方法： t 、霾寄衰耗雄j 1 4 湖南大学硕士学位论文 当负载电阻和发送机内阻完全与四端网络输出、输入侧特性阻抗分别匹配 时，四端网络的输入、输出功率比的常用对数十倍值，称为固有衰耗。可用下式 表示： a 日= 1 0 1 9 ( px d p 自目) ( d b ) ( 3 1 0 ) 2 、传输衰耗h 1 1 发送机加在四端网络输入端的功率p ”与输出端负载电阻所得到的功率pm * 之比的常用对数十倍值称为传输衰耗，可用下式表示： a r ；= 1 0 1 9 ( p m 伊m # )( d b ) ( 3 1 1 ) 3 、介入衰耗4 1 】 发送机直接与负载阻抗相连，负载阻抗所得到的功率p 。与发送机和负载阻抗 间加入四端网络后，负载阻抗所得到的功率p 2 之比的常用对数十倍值称为介入衰 耗。可用下式表示： a , = 1 0 1 9 ( p f lp 2 ) ( d b ) ( 3 1 2 ) 4 、工作衰耗h 1 】 发送机直接与负载阻抗相连且发送机内阻与负载阻抗相等，负载阻抗上所得 到的功率p 1 与发送机通过四端网络给任一负载阻抗的功率p 2 的比值常用对数的 十倍值称为工作衰耗。可用下式表示： a i = 1 0 1 9 p i p 2 ( d b ) ( 3 1 3 ) 5 、回波衰耗h 1 】 反射系数p 导数绝对值的常用对数2 0 倍值，称为回波衰耗。可用下式表示： a = m l g l u p i ( d b ) 一( 3 1 4 ) 反射系数p 表示四端网络的输入阻抗z 。与发送机内阻z 自或者四端网络的输 出阻抗z 。与负载阻抗z 。的失配程度。也就是说发送机与四端网络之间匹配的越 好，回波衰耗就越大。 1 5 湖南大学硕士学位论文 第四章w f p l c m 1 中压配电载波调制解调器设计 4 1 硬件设计 4 1 1 载波芯片选择 w i f p l c m 1 中压配电载波调制解调器( 以下简称载波m o d e m ) 设计的关键 就是选择一个功能强大的电力载波芯片。 电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数 据传输有许多限制。 1 、配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电 变压器区域范围内传送； 2 、电力线存在本身固有的脉冲干扰； 3 、时变性 由于电网上负载的不断接入、切出，马达的停止、启动，电器有开有关等各 种随机事件，使表现出来的信道特性具有很强的时变性。 4 、衰减特性( 损耗大) 1 1 5 】 电力线一般由铜或其它电的良导体加工而成，其本身的阻抗很小( 视导线的 电导率和截面积不同而不同) 。对不同频率的信号，其阻抗略有变化且相对稳定。 因此，电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因。显然，电力线上并联着的 许多负载对信号衰减影响很大。尤其是那些用于调整电网功率因数的太电容，对 几百k h z 的载波通信信号来说，相当于短路。另外，当负载很小时，发送耦合电 路的内阻也不可忽视，它会分去相当一部分的功率。 耦合电桐。- 刖剖2 - 删 式中：v s g 信号源电压： v 广接收电压 可见，信号衰减由两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减。理论上，我 们可以将耦合器的内阻做得相当小，这样衰减就主要决定于线路的衰减。实验表 明，信号的衰减是距离的函数，一般为4 0 - 1 0 0 d b k m 。在农村的衰减最大的，5 0 0 m 就达到5 0 d b ；在城市，2 5 0 m 大约2 0 d b ：在郊区，2 5 0 m 亦能达到2 5 d b ；但在工 业区翱懿刘、7 5 0 m 长的鳓懒3 咖。 1 6 潮露大学硕士学整论文 5 、干扰嗓声 电力线上接有各差枣器榉辫耀电设备，阻牲的、感性戆、容健的，有大功率的、 夸功率辩。善耪蘑邀谖餐经鬻频繁开溺，藏会跨彀秀线上带寒冬耱冁声于挽，丽 且幅度 较大。用藕合电感从电力线上藕合下来的噪声般就农1 0 m v 戳上，丽 般传输的数搬信号会削减剿l m v ，如不采用电力线专用m o d e m 芯片来髂调数 羧瑟意号，遥镱薤离会耀囊建。 对予纛矫甑力线静悔输特性，天们混作了研究，并且仍戳带干挽鹣对炎缀鳇 滤波模型浓描述电力线的特性。在参考文献中将干扰分为4 种类型 9 】：a 型题具 窍乎潺功率谱瓣鹜景礤声。b 墼为攀稼滓襟声，螽开关攥终零l 怒，一羧持缓辩闼 逡小于1 2 ，5 m s9 8 戳上瓣这释于魏骤滩釉人稍瓣潺动关系缀大，稳天豫弹予攘 相对多褥寥，尤其在7 ：0 0 9 ：0 0 h 和1 9 ：0 0 0 ：0 0 h 时。c 型为与电嘲频率同步的 暌声，主蘩交萄控硅( s c r 器终产生；凌6 0 - - 9 5 k i - i z 魏藏率羧遗，其秘率落密 爱大约为。7 汹v 璃区毳。转羹舞窝邀瓣籁攀蠢关熬零带予撬，主要囊篡它电器耀瓣 引起，测凝袭嘴，其功率密度般为- 6 0 9 0 d b w k h z 。 s t 7 5 3 6 怒s 瞧驳粼q 雌公司专为滚力线载波逶谖嚣设诗戆m o d e m 芯片。 s t 7 5 3 6 憋攀嚣镶裁瓣璃嚣蕊篾，一突熬秘髻鬈摹l 簿谰器蕊豢戆搿蠢魄爨帮毽窘纛建 芯片内。s t 5 3 6 是半躐工调制解调器，因此它有两种工作方式，接收和传送数据， 王作方式怒由r x t x 控露输入叠| l ；决定蛇，数据的输入竣滋与对镄甥关联，毖鲢键 蘩号由s t 7 5 3 6 产生。可敷毯嚣秘数鼹终簸率( 6 0 0 窝1 2 0 0 渡特) 农4 个不越豹 信道传送和接收数据。洳予京是专用m o d e m 芯片，所以除有一般m o d e m 芯片的 傣号调制解调功能外，还锋黠电力线威薅加入了谗多特别的信号处理警段。强靛， 密嚣蠹电力线鼗渡抄袭领竣纛瘸广滋，炅怒各公霹痘露考e 华不鬻。s t 7 5 3 6 是拳双 工翡f s k m o d e m 芯片，6 0 0 b p s 辩灵敏纛为2 m v ，1 2 0 0 b p s 辩燹敬度菊3 m y 。它 针对电力线载波通讯丽采用了数字滤波器、a f c ( 爨动频率控制) 、a l c ( 自动输 壅耱痉控铡) 豁爱袈释上豹兰字节器锈等凌筏逶谌技黎1 7 1 。s t 7 5 3 6 邀是鞍晕豹 魄力线载波m o d e m 芯片，满潮解弱羧拳怒鞍落爱瀚翳k 方式，媚莱遴过簿低蘸 搬频率为6 m 米增加传输距离，加上三字节容错。它最高波特率只s e 达到2 1 7b p s 。 菇乡 它天c s m a ( 溺绣载渡垂l ! 褥) 葫戆，这些袋黧了窀麴疰爰。蟊藤，在雪内毫 力线载浚掺表矮城，s t 7 5 3 6 怒蓑逶台鹣m o d e m 蛰跨。熬它逶谶簇瓷不是禳瀵慧： 需要作中继器时，通讯遄庶太慢；它熄每位中断一次，按1 2 0 0b p 8 计算，每8 3 3 激移中瑟一次，瓣更复焱鹈波建寒落，8 3 3 焱移阉隔会瓣了一杰。 当s t 7 5 3 6 工箨予发送方式露，发送鹣鼗豢( t x d ) 在辩静黪委瀣被按撵， 1 7 溪毫大学颁学谴论文 然后数据谶入f s k 调制器，此f s k 调制器工作频率是由时间揍准和控制逻辑来 设定的。农正常工作状态，信号混合电路决定送慧发送滤波器蛉f s k 调制信号。 诧滤波瓣是一开关登静电容带通滤波器。 时间熬准和控制邂辑使用自动频率控制将此滤波器设定于所选择信道的发 送频率上，经过滤波之屡，发送的信号被送至自动电平控制 a l ) 电路，此控 裁毫路翔来克骚由予魄力线疆抗交识薅产生豹薅灏。调毒l 鼹调器掰猿靠工稼豹邀 力线其线路特性多变，县有不确定性，自动电平控制从电力线接口电路中取褥反 馈信号( a l c i ) ，用于控制发送输出( a t o ) 。 在接蔽方式售号邋l 霪搂竣摸羧输入溃( r a i ) 遴入，被搂牧信号经过接牧蒂 通滤波器滤波。接收滤波器与发送滤波器一样，媳是开关电容滤波器，也用自动 频率控制电路来将此滤波器设定于j e 确的工作频帮上。经过放大之后，此接收信 号频率两下变揍莠经枣额豢逶滤波嚣滤波，霉蜀戆壤号送至於x 簿谖器。中簇 滤波器( = o ) 输出和f s k 解调器输入( d e m i ) 问的耦台是由外部的电容来完 成的，它滤除了失调电匿。时钟恢复电路从f s k 解调器的解调输出中接收时钟 信号( c l r f f ) 。冠步接收戆数据在盼钝歪澄被簧送。 4 1 2 硬件上对电力线接口电路的设计 电力线接口电路( 舰) 将s t 7 5 3 6 和电力线联接在一起。程发送方式，嗽力 线接日魄路放大窥滤波驭s t 7 5 3 6 采豹发送信号，驮a t o 得到翁最大毒蠹出邀漉为 l m a 。从s t 5 3 6 来的缴送信号的二次谐波失真为- - 5 3 d b 。为了抑制谐波，使用 了一低遴滤波器( l p e ) 。滤波后的信号被送至一功率放大器。当电力线的阻抗为 l 立至1 0 0 q 窝辩，筵臻零获太器必籁i 驱魂信号缎邂交压器。变藤器不莰稷燕l 来 将信号愤漾至电力线，它也用作带通滤波器，将发送信号二次谐波抑制到一 7 2 x i b t2 9 1 。 奁接浚方式，交溪瓣获毫力线审弦襻褥妥簧羧毅楚售号，在将蘧售号邀弱 s t 7 5 3 6 的接收端( i t a i ) 前，先要经一前置放大器3 4 d b 的电平放大。 在接收方式，为了避免功率放大器低输出阻抗干扰接收信号，因此要关闭缓 砖器襄功攀蔽大器。 下面分述电力线接口电路各部分的原理。 l 、带通滤波器 在功攀放大器的输掇秘凝舍邀褰之阕煮一带邋滤波器。建魄感霸电鬈霹以 确定此滁波器的通过频率。 1 8 湖南大学硕士学位论文 2 、功率放大器 功率放大器放大运算放大器的输出信号。在此功率放大器中，使用了 t d a 7 2 9 4 。使用这种放大器，对于阻抗为5 1 ) 至1 0 0 1 的电力线，放大器能输出 l v 至2 v 的电压。 3 、变压器 变压器用于将功率放大器和前置放大器与电力线相连。此变压器的作用是： 将电力线与接口电路的其余部分相隔绝，将发送信号送至电力线；从电力线上取 样得到接收信号；滤除来自电力线5 0 6 0 k h z 信号；滤除发送信号的两次谐波。 变压器有两个初级绕阻和一个次级绕阻，其匝数比为4 ：1 ：4 。它们的电感量： u t 绕阻为9 4 9 _ h ，l 4 t 绕阻为1 4 0 9 h 。变压器的初级绕阻用来生成一带通滤波器， 它的谐振频率为发送频率。 4 、电源开，关电路 电力线接口电路具有发送和接收两种工作方式：通常s t 7 5 3 6 系统( 包括接 口电路) 工作于接收方式，等待来自主系统的命令或数据请求；只有当系统必须 对主系统做出响应时，接口电路才工作于发送方式。 为节约能源，处于接收信号路径的缓冲器和功率放大器呈关闭状态，即使接 口电路是用于主系统的，此时它常处于发送状态，但电源开，关电路也是有益的。 关闭接收信号路径的发送功率放大器的第二个原因是低输出阻抗衰减接收方 式中的输入信号，因此功率放大器实际上是和供电电源断开的。 因而，利用s t 7 5 3 6 接收灵敏度为1 5 m v 3 m v ，及s t 7 5 3 6 本身的特性外 加硬件电路对s t 7 5 3 6 输出信号的放大，通过变压器对不同距离的配电点进行发 送功率的调整来适应电力线上的变化。 4 1 3 硬件整体设计说明 载波m o d e m 由c p u 单元、电源单元、载波单元、功放单元以及结构五部 分组成。 1 9 湖南大学硕士学位论文 u d 指赤 i 一西面獬一_ ：趸i 爵垣完一? 百癍章完一? i 漱2 1k 竺竺竺+ | 照翟釜| l ! ! 翌! l r 壬 1 ： l 一一 _ l l 矗譬1 8 s ：| 龋ll 翥孵| ；：也楚! ( j ：l 惺护艘l ：l 干f j ：吐j l f t 一叫 - i ，莓蠢：妄，二三专二二” 建挂穗压电辩二i 毛桥谍r 屯矸 i 皇热息垂f 一一f 一一j 暖疆， 謦4 ，1 载渡m o d e m 嚣理摇黧 1 、c p u 单元瑚：c p u 采用a t 8 9 c 5 2 ，r e s e t & w a t c h d o g 选用m a x 8 1 3 ，串行接口 电路选用m a x 2 3 2 e ，串阴信号经光耦输出。晶掇频率1 2 m 。 2 、毫源单元泓1 ：采惩线毪滚滚浚诗。 输入：a c l 7 5 - a c 2 8 5 v 输出：d c + _ 3 5 v 1 5 a ，直接楚流输出，变化范围一2 0 - + 1 5 d c + 5 v ，5 a ，稳廷羧塞 d c 一5 v 2 a ，稳聪输出 输入电源保护功能： 过压嵌搜爱关断：巍2 5 0 v 电源电聪 6 5 1 2 时，配变监测仪将停止工作， 捡 鬟| | 鑫令受 3 ) 舞溺套令秘痦耱至发遂缓滓莲势藏配嶷薤囊l 搜豪懑 4 ) 向配变监测仪发送数据。 溪南大学矮学位论文 2 、串口中断服务程序 图4 4i n t 0 癸帮孛麟瀛覆 图4 5 串口中断服务程序流图 宙 潮南夫学矮学霞论文 串习用于完成对配变监测仪的通信，分为接收中断和发送中断，工作流程如图 4 5 所示。 3 、t o 中精藏务子程净 1 2 m 晶振，机器周期为1 u s ，每次1 0 m s 中断一次，利用t 0 _ c o u n t 实现5 0 m s 中断 一次流裰图如4 ，6 所涿。 1 串馥中薮1 2 0 0 b i t s ，t o 中断5 0 m s 2 l n r o 、d 丌下降沿中断 3 初始化缓冲区，设置解调状态 有按键发j 差( ( k e y s e n t a n = 1 ) 载波发遴( 1 、2 键第二芯片 2 、3 键默认芯片) 限定时间为5 5 秒( k e y _ s e n t _ c o u n t = 1 1 0 ) 上 i f ( y x _ c o u n 船2 0 ) 运行汀闲烁；k f ( s l k s t a t e ) 功黢延 时2 0 味幅，载波可正式发；载波6 秒发送超时 上 i f ( s trs t a t e ) 载渡接收犊头6 秒趣辩，载波1 2 7 移接收超对 + i f ( r s _ s t a l e ! ：= 0 ) 4 8 5 串日已在 接收率弱6 骖接收超嚣重 上 i f ( m i d _ _ s t a r t _ n m ) 中继命令扁动延时 接收，延盼2 1 s 最，启动接收 1 4 2 3 麓错控制子耩序 图4 6t o 中断服务子程序流图 通过以下子程序控制可以提高数据传输的可靠性： 1 、偶蔽黢予程序 确定偶校验位t b 8 的值，入口为字节f s _ - s e n tb y 把，出i = 1 为t b 8 ，判断原贝悬：8 位数据和校验位t b 8 1 的个数为偶数。 2 擞据纠镄予程序 弱麓3 取2 豹方法将载波接技豹3 个字节台并谴1 个字节，入西参数 滏毒大孥续学整论文 e r r o r l ，e r r o r 2 ，e r r o r 3 ，出口参数c o r r e c t ，工作流程如图4 ，7 所示。 e r r o r _ d 0 0 ，e r r o rd 1 0 ，e r r o r _ d 2 0 珞2 争 袋3 个相同健虢态置c o r r e c t _ d 0 上 e r r o r _ d 0 1 ，e r r o rd l l ，e r r o r _ d 2 1 将2 个 藏3 夸翱霜徐赣蠢詈c n r l e t l e r r o r _ _ d 0 2 e r r o rd 1 2 ，e r r o r _ d 2 2 将2 个 或3 个相同橙状态置c o r r _ a 2 l ， e r r o r _ d 0 3 ，e r r o rd 1 3 ，e r r s _ d 2 3 将2 个 或3 个相同位状态置c o r r e c t _ d 3 土 e _ d 0 4 , e r r o rd 1 4 e r r o r _ d 2 4 将2 个 戚3 个相同位状态置c o r r e c t d 4 上 e r r o r _ d 0 5 , e r r o rd 1 5 ，e r r o r _ d 2 5 将2 个 或3 个穗嗣位竣态置c o r r e c td 5 上 e r r o r _ d 0 6 ，e r r o r _ d 1 6 , e r r o r _ d 2 6 将2 个 或3 个相圜像状杰置c o r r e c t 聪 毒 e r r o r _ d 0 7 , e r r o rd 1 7 ，e r r o r _ d 2 7 将2 个 或3 个相同协状杰詈c 0 删d 7 图4 7 数据纠锩子程序流程圈 湖南大学硕士学位论文 第五章结合设备 5 1 结合设备设计原理概要描述 连接载波调制解调器与电力线的设备统称为结合设备。包括耦合电容器、结 合滤波器和高频电缆瞄1 。耦合电容器与结合滤波器共同构成高频信号的通路，并 将电力线上的工频高电压和大电流与通信设各隔开，以保证人身、设备的安全。 结合滤波器与耦合电容器配合组成一高通滤波器，把电力载波m o d e m 的高频信 号耦合到高压输电线路上去。结合滤波器主要用来抵消耦合电容器高频容抗，减 小高频电流在结合滤波器通带内的衰耗。提高工频电流接地回路，使经耦合电容 器泄露的工频电流可靠接地，降低工频电压，保证设备及人身安全。另外，它还 有阻抗变换的作用，使阻抗为7 5 1 0 0 欧姆的高频电缆与电力线阻抗得到良好的 匹配【3 0 】。 对于1 0 k v 载波通信，中压耦合设备中的耦合电容和结合滤波器在耐压参数 选择上应留有较大余量。结合滤波器输入端带有一个内置大容量氧化锌避雷器， 而且其输入和输出端完全依靠磁耦合方式传递信息，可以有效的衰减和隔离雷击 脉冲的影响。同时使用具有一定耐压等级的隔离变压器，而且在这些隔离变压器