（电力系统及其自动化专业论文）低压电力线载波通信可靠性研究.pdf

1 i l ll ll ll llll l l ll l l llllll 18 8 4 2 3 2 t h er e s e a r c ho nr e l i a b i l i t yo fl o w - v o l t a g ep o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n b y k o n g x i a n g b i n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g d i s c i p l i n eo fv e h i c l eo p e r a t i o ne n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs us h i p i n g a p d l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 ，作者签名m 绎状 隰训年一月l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名劭揖状吼年毛月v 日 导师签名： 日期：抄f 年厶月多一日 、 摘要 在我国智能电网建设的蓬勃进程中，低压电力线载波通信是最具发展潜力的研究热 点之一，其核心竞争力是利用我国低压电力线基础设施资源作为信息传输的媒介，因而 避免额外投资建设新的通信网络，是我国建立低压电力用户数据库的关键技术，可大力 提升电力管理办公自动化水平，提高人们的生产生活水平。 但作为非均匀分布的低压电力线，当初设计的出发点是为千家万户提供电能，由于 低压电力线网络时变性强负荷复杂，尤其是当今大量变频设备的应用推广，降低了低压 电力线载波通信可靠性。 在低压电力线载波通信应用推广过程中，亟待解决的问题有阻抗匹配，抑制信号衰 减和噪声干扰以及多径效应等，这些严重影响了其系统的可靠性，是设计低压电力线通 信产品的基础。基于此，本文提出了一种低压配电网载波通信混沌跳频改进算法，提高 系统可靠性。 首先，综论了低压电力线载波通信国内外研究现状和意义，列举几款低压电力线载 波芯片，介绍了我国在电力线载波芯片的不足之处。对低压电力线载波通信系统组成、 基本原理和特点作了阐述，分析了系统调制技术。 其次，对低压电力线信道进行分析和建模，分析了信道网络特性和通信组网结构， 对阻抗特性和衰减特性和噪声干扰特性进行分析，建立相关模型，并给出了仿真结果。 最后，分析低压电力线载波通信调制方式，介绍当今广泛研究的跳通信和o f d m 技 术理论以及关键技术，结合混沌理论改进了一种混沌跳频序列算法，并应用于o f d m 编码系统中，研究表明，该混沌跳频序列对有效提高低压电力线载波通信系统的可靠性。 由于配电网开放性，该序列对系统保密性也大有益处。 关键字：低压电力线通信；可靠性；信道特性；o f d m ；混沌跳频序列； a b s t r a c t i n t h eb o o m i n gp r o c e s so fo u rs m a r tg r i dc o n s t r u c t i o n , t h el o w - v o l t a g ep o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o ni so n eo ft h em o s td e v e l o p m e n tp o t e n t i a l sr e s e a r c hh o t s p o t s i t sc o r e c o m p e t e n c ei su s i n gt h ee x i s t i n gi n f r a s t r u c t u r er e s o u r c e so ft h el o w - v o l t a g ep o w e rl i n ea sa l l i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nm e d i u m t h u si ta v o i d sa d d i t i o n a li n v e s t m e n ti nan e w c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k i t sa l s oo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i n g l o w - p o w e ru s e rd a t am a n a g e m e n ts y s t e m i tc a ng r e a t l ye n h a n c et h ep o w e rm a n a g e m e n to f o f f i c ea u t o m a t i o nl e v e la n di m p r o v ep r o d u c t i o na n dl i v i n gs t a n d a r d so fp e o p l e b u ta san o n - u n i f o r md i s t r i b u t i o no fl o w - v o l t a g ep o w e rl i n e ，t h eo r i g i n a ld e s i g no ft h e s t a r t i n gp o i n tf o rt h o u s a n d so ff a m i l i e st op r o v i d ep o w e r , a sl o w - v o l t a g ep o w e rl i n en e t w o r k v a r i a b i l i t ys t r o n gl o a di sc o m p l e x ，e s p e c i a l l yi nt o d a y sl a r g en u m b e ro ff r e q u e n c yc o n v e r s i o n d e v i c e a p p l i c a t i o n s a n d p r o m o t i o n , r e d u c i n g t h e l o w - v o l t a g ep o w e r l i n ec a r d e r c o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t y i nt h ep r o c e s so ft h el o wv 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 na p p l i c a t i o na n d p r o m o t i o n , t h e r ea r em a n yp r o b l e m st ob eu r g e n t l ys o l v e d ，s u c ha sp o w e rl i n e si m p e d a n c e m a t c h i n g ，s i g n a la t t e n u a t i o n , n o i s es u p p r e s s i o n , a n dm u l t i p a t he f f e c t s ，e t c ，w h i c hs e r i o u s l y a f f e c t e dt h er e l i a b i l i t yo ft h e i rs y s t e m si st h eb a s i sf o rd e s i g no fl o w - v o l t a g ep o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o np r o d u c t s b a s e do nt h i s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sal o wv o l t a g ed i s t r i b u t i o nl i n e c a r d e rc o m m u n i c a t i o ni m p r o v e dc h a o t i cf r e q u e n c y - h o p p i n ga l g o r i t h mt oi m p r o v es y s t e m r e l i a b i l i t y f i r s t , t h ep a p e ri n t e g r a t e sl o w - v o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o no ft h ec u r r e n tr e s e a r c h s t a t u sa n ds i g n i f i c a n c e ，c i t e ss e v e r a ll o w - v o l t a g ep o w e rl i n ec a r r i e rc h i p s ，i n 仃o d u c e st h e i n a d e q u a c i e so fo u rp o w e rl i n ec a r r i e rc h i pa n dl o w - v o l t a g ep o w e rl i n ec a r d e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e mc o m p o n e n t s ，d e s c r i b e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，a n da n a l y z e st h e s y s t e mm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y z e sa n dm o d e l st h el o w - v o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e l ，a n a l y s i so f c h a n n e ln e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks t r u c t u r e ，i m p e d a n c ea n d 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 o i s ec h a r a c t e r i s t i c s ，e s t a b l i s h e st h er e l e v a n tm o d e l sa n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l yt h ep a p e ra n a l y z e st h el o w - v o l t a g ep o w e rc o m m u n i c a t i o nm o d u l a t i o n , i n t r o d u c e s w i d e l yr e s e a r c h e do ft h ef r e q u e n c yh o p p i n gc o m m u n i c a t i o n sa n do f d mt e c h n o l o g ya n di t s k e yt e c h n o l o g i e s ，c o m b i n e d 诵t l lc h a o st h e o r y , p u t sf o r w a r d ac h a o t i cf hs e q u e n c e s i m p r o v e da l g o r i t h m ，a n da p p l i e st oo f d mc o d i n gs y s t e m , r e s e a r c hs h o w st h a tc h a o t i c f r e q u e n c yh o p p i n gs e q u e n c e st h a te f f e c t i v e l yi m p r o v et h el o wv o l t a g ep o w e rl i n ec a r r i e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t y a sa no p e nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , t h es e q u e n c eo fs y s t e m s e c u r i t yi sa l s oag r e a tb e n e f i t k e yw o r d s ：l o w - v o l t a g ep o w e rc o m m u n i c a t i o n ；r e l i a b i l i t y ；c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ； o f d m ；c h a o t i cf r e q u e n c yh o p p i n gs e q u e n c e s i l l 目录 摘要i a b s t r a c t 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义。l 1 2 低压电力线载波通信国内外研究现状2 1 2 1 低压电力线载波通信的国外研究现状2 1 2 2 低压电力线载波通信的国内发展现状4 1 3 论文的主要工作及章节安排5 第二章低压电力线载波通信的原理 2 1 低压电力线载波通信系统组成7 2 2 低压电力线载波通信基本原理9 2 2 1 低压电力线载波经典调制技术的基本原理1 0 2 2 2 低压电力线载波扩频通信技术的基本原理1 3 2 2 3 正交频分复用调制技术的基本原理1 5 2 3 低压电力线载波通信质量的影响因素1 7 2 4 小结18 第三章低压电力线载波通信的信道特性 3 1 引言一1 9 3 2 低压电力线载波通信系统拓扑结构1 9 3 2 1 低压电力线网络结构1 9 3 2 2 低压电力线载波通信组网拓扑结构2 0 3 3 低压电力线阻抗特性2 1 3 4 载波信号衰减特性2 2 3 5 低压电力线噪声特性2 4 3 5 1 常见低压电器噪声干扰分析2 4 3 5 2 低压电力线信道噪声分类与建模2 5 3 6 低压电力线载波通信信道模型一2 8 3 7 本章小结一3 0 第四章低压电力线载波通信的可靠性 4 1 低压电力线载波通信可靠性定义3 1 4 2 低压电力线载波通信可靠性指标31 4 3 低压电力线载波通信系统可靠性模型3 2 4 4 传统载波通信调制技术的可靠性3 3 4 5 低压电力线载波跳频通信可靠性分析3 4 4 6 基于c f h o f d m 调制技术可靠性分析3 6 4 6 1 混沌跳频改进算法3 6 4 6 2c f h o f d m 载波通信系统可靠性分析4 1 4 7 本章小结4 2 第五章提高低压电力线载波通信可靠性的关键技术 5 1 跳频通信的关键技术4 3 5 2o f d m 关键技术4 6 第六章总结与展望 6 1 研究工作的总结4 8 6 2 有待进一步开展的工作4 8 参考文献4 9 致谢5 3 附录a ( 攻读学位期间发表论文目录) 5 4 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 目前，通信技术的发展应用日新月异，新兴通信业务和通信容量的需求迫切需要开 辟通信网络和更新传输技术。信息化、自动化和互动化是我国智能电网的基本特征，电 力系统通信在电力工业中角色的重要性也与日俱增。复利四通八达的电力线路以完善建 设智能电网是一项利国利民的宏伟工程。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 n 简称p l c ) 是一种以电力线作为信号传输媒介来实现信息传递和互动的 技术。根据我国电力工业中电压等级可分为：高压( 3 5 k v 及以上电力等级) 电力线载 波通信、中压( 1 0 k v ) 电力线载波通信和低压( 3 8 0 或2 2 0 k v ) 电力线载波通信。 从通信系统的接入、分配和传输层次可知，接入网直接与用户终端设备相连接并为 其在半径几百米范围内各终端提供接入服务。但是，接入网的实现、安装和维护费用较 高，通常大约一半的投资集中在接入网领域中。电力线载波通信技术已有几十年的发展 历史，电力线载波通信在国外被称为“未被挖掘的金山 ，近年来，随着计算机网络技 术的高速发展，人们对通信业务和容量的需求越来越大，利用低压电力线网络来实现接 入网是一种有效解决“最后一公里 问题的低成本可行方案。 显而易见，利用低压电力线进行通信，对家庭用户而言则无需额外架设专用信道， 只需在用户终端电源接口并入专用的p l c 信号调制解调设备即可，即插即用，亦可提 高家庭自动化应用水平；对电力行业管理部门而言则增强工作效率，提高管理水平，对 电力系统的安全可靠经济运行与维护起着越来越重要的作用。本文的研究对象是2 2 0 v 低压电力线载波通信。 低压配电网络是世界上覆盖程度最广且与人们关系最密切的有线网络，且比其他任 一有线信道通信网络更坚固和现代化。目前，低压电力线载波集中抄表系统、智能楼宇、 家庭自动化和宽带p l c 技术是目前低压电力线载波通信技术研究和应用的四大方向。 当初设计电力线是为传输电能之需，使得信号在电力线信道中的传输特性不同一般的有 线信道。特别是现今变频技术的发展应用，采用变频技术的家电因其节能效果明显、运 行可靠、调节方便、维护简单等优点，已经得到广泛应用。无论是那种家电，其变频器 都使用了非线性电力电子元件，不管采用那种整流、斩波和逆变方式，都避免不了变频 器的开关特性。变频器的开关特性将产生影响电力线载波通信可靠性的干扰。低压配电 网是一种开放性的网络，其多径效应又是低压电力线载波通信面临的难点，对其通信系 统可靠性影响严重。 在这一背景之下，本课题进行相关的理论分析和仿真实验研究，为“四网合一 的 发展应用做一些阶段性的初级工作。 1 2 低压电力线载波通信国内外研究现状 低压电力线载波通信是一种具有电力系统特色的通信方式，利用覆盖全国的低压配 电网络作为数据传输媒介进行通信，随着我国智能电网建设的开展，低压电力线载波通 信网络将会是又一个密布全国的数据通信新网络，为千千万万用户和各级管理部门带来 工作和生活上的各种自动化便利，受到越来越广泛的重视，其主要有以下二个优点： 1 投资少见效快且运行维护应用成本低 低压电力线载波通信二次利用电力线资源，使电力线即能传递能量又能传输不同类 型用户所需要的信息，减少不必要的额外布网投资，推广潜力巨大。由于低压电力线机 械强度高，抗人为破坏能力较强，又可相互利用电能信号和载波信号作为低压电力线断 路故障诊断，在配电系统管理工作中减少了作业量，减轻了作业难度。由于电力线的开 放性，有电的地方就可接入i n t e r n e t ，这将大大地开拓了互联网的应用领域，在互联网 运营商和用户之间实现双盈。 2 组网灵活使用方便 低压电力线网络是四通八达的，即可在配电台区内部以及台区之间组建通信网，又 可在居民楼宇内部甚至一个家庭内部实现互联，推进智能楼宇和智能家居以及公共用电 基础设施智能化建设进程。 但是，低压电力线载波通信又存在着固有缺陷，特别是电力线信道环境极其恶劣。 低压电力线载波通信缺点主要有噪声干扰强、信号衰减大、随机性和时变性等。 1 2 1 低压电力线载波通信的国外研究现状 电力线载波通信技术并不是一项新技术，电力线载波通信技术的发展经历了从模拟 时代和数字时代两个发展过程。电力线载波通信技术出现于2 0 世纪2 0 年代初期，它以电 力线路为传输通道，具有物理可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚 的优点砼3 。 国外很早就对低压电力线载波通信技术进行研究，许多公司自主研发出电力线载波 通信调制解调芯片，并制定出电力线载波通信适用频率范围的标准，主要适用于ll k v 以 上的高压远程数据通讯，载波工作频率在1 5 0 k h z 以下，该载波频率带宽也是欧洲电技术 标准化委员会电力线通信的正式频段。上世纪五十年代，高压电力线通信技术应用已成 熟，被广泛用于远程监控显示、电气设备继电保护以及语音传输等领域。之后，经过年 2 三十年的发展，电力线载波通信技术逐渐引入到中低压领域。在一些发达国家如英国、 美国、德国和日本等，低压电力线载波通信技术的应用已取得实质性的进展。 电力线载波芯片是智能电网信息化的重要组成部分，是p l c 通信产业链上非常关键 的环节，其二次开发对提升产业链水准非常重要。许多国外知名公司( 如i n t e l l o n 、 n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 、i t r & n 、x e l i n e 、a s c o n 、p o l y t r a x 和d s 2 等) 均已根据本国 电网实情和相关标准开发出多款p l c 芯片。 针对低压电力线载波信号的参数要求( 频段、频带和电平等) ，欧洲制定了全球唯 一的针对性很强的b se n 5 0 0 6 5 标准，其频段参数要求为3 - 1 4 8 5 k h z ，以9 k h z 和9 5 k h z 为 界点分别专属于电力公司管理部门专用频段、电力公司和经电力公司许可的用户使用频 段和其他用户使用的频段。据文献 3 ，4 记载，1 9 9 2 年和1 9 9 3 年由n o r t e l 和u n i t e d u t i l i t y 融资组建的n o r w e b 公司在配电网电力线载波通信上取得了突破，于低压配电网 中的2 5 家用户中完成了世界上第一次语音与数据通信试验之后，又在高速电力线通信研 究领域取得阶段性成果，其数据传输速率在2 m h z 带宽内达至u i m b i t p s ；1 9 9 6 年美国a n 公 司研发的电力线m o d e m 芯片数据传输速率为l o o k b i t p s ，1 9 9 9 年a b b 公司成功开发具有跳 频调制方式和传输速率为7 2k b s 中低压配电网电力载波通信系统d a r t n e t 系统。 据文献 5 记载，2 0 0 0 年3 月由当初的松下、英特尔、惠普、夏普等1 3 家公司成立的 家庭插座电力线联盟( h o m ep l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ，简称h o m ep l u g ) 是电力线通 信标准制订成果最多的主要p l c 国际联盟，其成立之初，中点在于p l c 家庭网络技术规范 的制定，近年来加盟公司已达9 0 家，主要进行中、低压p l c 宽带接入标准的制订。2 0 0 0 年1 月和4 月该联盟应用正交频分复用技术( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 在配电网电力线上实现了1 4 m b i t s 的数据传输速率。从2 0 0 0 年成 立以来，h o m ep l u g 陆续制订了一系列的p l c 技术规范，包括h o m e p l u g1 0 、h o m e p l u g 1 0 一t u r b o 、h o m e p l u ga v 、h o m e p l u gb p l 、h o m e p l u gc o m m a n d & c o n t r o l ，形成了一套 完整的p l c 技术标准体系，基本上覆盖了所有电力通信技术的应用领域。2 0 0 4 年元旦， 欧盟启动了一个称为o p e r a ( o p e np l ce u r o p e a nr e s e a r c ha 1 l i a n c e ) 的计划，旨在制定 欧洲的p l c 统一技术标准，并推广大规模商业化应用，将电力线通信技术作为实现信息 化欧洲的技术支持。美国联邦通信委员会( f c c ) 一直在鼓励启动基于现有设施的宽带 网络平台，促进该国的宽带业务。为推广电力线宽带接入技术的应用，f c c 批准对某些 技术规则的修改意见。在美国和欧洲许多电力企业通信过合作建立了p l c 试验网络，积 极进行中低压p l c 试验。走在p l c 宽带接入商用化运营前列的是德国的莱茵公司，早在 2 0 0 1 年4 月，德国就通过了允许电力线i n t e r n e t 服务和电信服务的法律。 2 0 0 7 年9 月2 5 日，为推动普及h d - p l c 高速电力线通信及扩大其相互融通性，松下电 器产业创立了“h d - p l c 联盟”，目前几乎囊括日本所有主流3 c 厂商。日本松下电器产业 株式会社提倡的高速电力线通信方式为h d - p l c ，2 0 0 8 在中国举办的国际消费电子博览会 ( s i n o c e s2 0 0 8 ) 上展出了电线通信适配器“b l - p a i o o k t ，其最大数据传输速度可达 1 9 0 m b i t s ，根据使用条件的不同，实效速度可达到7 0 8 0 m b p s 。b l p a i o o k t 由“主适 配器和“终端适配器”2 部分构成。另外还准备有用于增设的终端适配器b l - p a l 0 0 ，1 个主适配器最多可登记1 5 个终端适配器，这些适配器之间的通信采用1 2 8 b i t ，a e s j j n 密 技术。目前，p l c 的试验网络已遍布欧、亚、非、南北美及大洋洲的四十多个国家和地 区。 1 2 2 低压电力线载波通信的国内发展现状 我国低压电力线载波通信技术的发展整体特点为气势宏伟壮观，以“区域性试点 为主，前景任重道远，标准化体系日趋完善。 当前，电力线载波通信的应用范围已从当初的电力调度通信发展到当今的更广泛的 领域，如数据采集、配网自动化、继电保护、远程抄表、系统监控、图像传输、直流输 电、小水电控制及宽带电力线i n t e r n e t 网络等方面，应用的电压等级也从单一的高压应 用扩展到中压和低压嘲。早在上世纪四十年代，东北已有日本生产的电力线载波机应用 于远程电力调度。从五十年代起，我国自主研发的电力线载波机型有z d d 一1 、z d d - 5 、 z d d - 1 2 、z j - 5 、z b d - 3 、s - 2 、s n c - 5 、p l c 一0 7 5 和d l c 一2 1 0 0 型电力线载波机。八十年代中 期，全国各省电力部门均组建了电力线载波通信网。中高压电网具有线路阻抗稳定、噪 声小、网络结构规范以及信号衰减小等信道特性，因此通信质量较好。目前，中高压通 信技术基本上已处于成熟期。 2 0 0 0 年左右，我国电力线载波应用技术进入低压领域。国内低压配电网有其特殊性， 需要根据中国的具体情况，统一规划。低压电力线载波通信主要应用领域为自动集抄系 统、家居自动化和电力线上网。中国电力用户数量和整个欧洲几乎相同，因此相对国外 来说，中国电力载波市场无论规模和数量都是其他国家无法相比的。国外一个国家有多 家电力公司，而且每个公司都由多个财团投资，自主性、独立性较强，而中国的电力公 司只有两家而且都属国有企业，因此相对国外市场来说，国内电力载波市场更容易受国 家政策影响。 2 0 0 1 年，国电通信中心为推进电力线载波通信技术的发展设立p l c 技术推进办公室， 建立p l c 家庭模拟实验室和首个p l c 宽带接入i n t e r n e t 试验小区；2 0 0 2 年，首次实现了电 力线上网和打电话，开通了首次由我国自主研发的p l c 宽带接入系统。2 0 0 8 年，由中国 电科院与吉林省电力有限公司合作的“低压电力线载波通信测试 项目顺利通过验收， 该项目为国家电网公司制定低压电力线载波通信的技术标准提供了有力的技术支撑，填 4 补了国内低压电力线载波通信现场测试领域的空白，达到了国际先进水平。同年7 月l o 日，我国信息产业部科技司批准的闪联( i g r s ) 组织在“2 0 0 8 中国国际消费电子博览会 上与h d p l c 联盟联袂参展，且签署正式战略合作协议，成为h d p l c 的第1 9 位成员。 2 0 1 0 年1 月1 6 日，国内首个电力线通信技术实验室一“国家电网公司电力线通信应 用技术实验室 通过国家电网公司科技部组织的验收，实验室主要从事先进的电力线通 信理论研究及创新，为国家电网公司提供技术支撑，为智能电网建设研发智能用电信息 采集，为用户提供技术应用咨询，为产品及系统开发制造商提供测试及评估服务。 我国也有知名企业( 如福星晓程、东软、力合微、鼎信、弥亚微和瑞斯康等) 研发 自主芯片。整体而言，国外产品较国内较优越，体现在调制技术和算法两个方面。 电力线载波芯片是根据本地区的电网特性，采用针对性技术研发设计。针对电力线 上脉冲干扰，芯片调制解调方式从s s b 和f s k 调制，发展到抑制脉冲干扰效果较强的扩频 调制、o f d m 和o m c m 调制。 提高电力线载波通信系统的可靠性还要从如下几点着手：信道编码技术、通信信道 估计与选择、噪声滤波器设计、载波信号功率分配、调制解调方式、组网模型与算法、 通信协议和低压电器入网规范等。 总之，随着国家电力载波相关标准的完善，低压电网电能质量管理措施出台和芯片 产业链整体水平的提升，国内p l c 市场定会迎来一个高速发的阶段。 1 3 论文的主要工作及章节安排 本论文的题目为“低压电力线载波通信可靠性研究 ，本文主要研究低压电力线载 波通信可靠性分析与建模。首先总结了国内外电力线载波通信的研究现状，并简要介绍 几款电力线载波芯片，然后分析低压电力线信道特性和调制解调方式，分别给出可靠性 模型。 全文章节编排如下： 第1 章概述低压电力线通信国内外发展现状，概述几款低压电力线载波芯片，并介 绍文集的主要内容及全文章节安排。 第2 章讲述低压电力线载波通信系统组成、特点、通信的基本原理和调制方式。 第3 章分析低压电力线载波通信信道特性，包括网络拓扑特性、阻抗体特性、衰减 特性以及噪声干扰特性，并对常用的低压电器产生的干扰进行测试分析，利用r a t l a b 软 件仿真出低压电力线载波通信信道模型。 第4 章分析低压电力线载波通信调制技术，基于混沌跳频理论仿真设计o f d m 载波通 信系统，并分析其可靠性。 5 第5 章介绍提高低压电力线载波通信可靠性的关键技术。 第6 章是全文总结，总结了作者完成的主要工作并提出了有待进一步研究的问题。 6 第二章低压电力线载波通信的原理 低压电力线主要功能是传输电能，当初设计电力线时并没有考虑现在作为信道的需 求。利用低压电力线解决“最后一公里”问题，使低压电力线载波通信系统成为当前的 研究热点。低压电力线载波通信是电力系统通信应用的新领域，国内的低压配电网结构 复杂。受时域和地域影响，在城市和农村低压电力载波通信的具体方案也不尽相同，电 力营销部门对此也制订相关规范。低压配电网结构复杂，日常管理和维护工作量大，与 人们生活息息相关，利用低压电力线载波通信作为技术手段可以提高电力营销部门的工 作效率，提高人们的生活水平。 低压电力线载波通信系统的拓扑结构是低压p l c 测试实验的基础，也是首先考虑的 基本要素，主要是基于配电网电气线路及家庭布线结构而提出的。现在低压电力线载波 通信主要的应用有二大类：低压电力线载波集中抄表系统和电力线上网服务。低压电力 线载波通信系统主要由主站、集中器和载波电表采集模块和采集终端等组成；电力线上 网服务的主要产品是电力猫和路由器等，二者如今均有产品和接入方案。但就通信而言， 低压电力线传输特性并不十分理想。本章针对其低压电力线载波通信系统特点及拓扑结 构进行分析论述。下面介绍常见的低压电力线载波通信系统组成。 2 1 低压电力线载波通信系统组成 在低压电力线载波通信系统中主站通过电力线与终端相连来实现信息互动，必须安 装p l c 调制解调器，p l c 调制解调器从智能载波表、电话或计算机等通信设备中获得数据 信号后转换成适合电力线传输的形式，在电力线另一端它接收到数据信号后，经过转换 处理后传输至通信设备。低压电力线载波通信系统主要是采用低压电力线传输语音或数 据。低压电力线载波通信的目标为“四网合一 ，当前应用主要集中在低压电力线载波 集中抄表系统和宽带电力线上网。从广义上讲低压电力线载波通信系统由主站、中继和 终端组成。下面介绍常见的低压电力线载波通信系统产品。 1 采集模块和采集终端 采集模块常与智能仪表封装设计，将智能电表保存的负荷单元数据处理转换后通过 信道( 电力线、电话线、r s 4 8 5 或无线电波等) 传输到上一级设备的通信模块。而采集 终端负责收集多个采集模块的数据以备向上一级通信设备传输。采集模块在产品化过程 中通常和智能电表在一起设计，将用户个人信息和用电信息传到采集终端，采集终端经 7 处理可以得到用户每小时用量、每天用量、每月用量以及个个时间段内的用量等信息。 并且相应上级通信指令完成拉闸切断报警。 2 中继器 由于低压电力线信道特性，其载波信号的耦合功率受到不良影响，且在信道中，信 号的功率衰减严重，数据信号衰减到一定程度时会造成失真，低压电力线载波通信系统 中中继器就是针对这一情况而设计。它完成物理线路的连接，对衰减的载波数据信号进 行放大并保持与原数据相同。在低压电力线载波通信系统中，中继器是常见的设备。中 继器的功能主要是放大数据信号，补偿衰减量，扩大了通信距离，提高低压电力线载波 通信系统可靠性。但是中继器也有一定的缺点：增加了数据信号的延时，容易造成数据 丢失，从而影响通信的正常进行。 3 集中控制器 集中控制器是收集并存储各种具有载波通信功能的智能仪表、采集终端或采集模块 以及各类载波通信终端的电量数据的设备，并通过上行信道与主站或手持设备进行数据 交换。其下行信道可以是低压电力线或r s - 4 8 5 串行信道，上行信道采用公用通信网。集 中控制器的功能主要有定时发送呼叫命令；接收、储存处理并向主站发送数据；相应主 站控制命令并向下一级传达。集中控制器是低压电力线载波集中抄表系统中的关键设 备。 4 主站 主站是低压电力线载波通信系统中相当于人的大脑，负责对集中器中保存的数据进 行收集，经过处理数据来达到对终端设备的管理功能。主站由调制解调器和电脑以及和 电脑相连的打印机等设备组成。图2 1 是低压电力线载波集中抄表系统的典型示意图。 终端髦终端糜霜中继 终端 皖磁溉龆 电表1 2i 卜 气表；嶝- 劈l 磅_ 磅一瞬l 劈 水表气表水表 电表 恳 1 0 k v 电网 变压器 集中器 l 学水表 l 营叫孥 水表电表 图2 1 低压电力线载波集中抄表系统的典型示意图 5 电力猫 电力猫是一种p l c 调制解调器，全称为电力线以太网信号传输适配器。在家庭或小 办公室内通过电力线构建局域网，电力猫可以提供最方便、最安全的方式，有效扩展了 相关通信系统的辐射范围。电力猫在电力线上网技术中应用十分广泛，它利用低压电力 线传送高频信号，将高频信号耦合到电力线上进行传输，接收信息的p l c 调制解调器再 把高频信号从电力线上解调出来传送到电脑或电话等设备上，在不需额外布线的基础上 实现上网，打电话或看i p 电视以及实现远程监控设备的控制等。电力猫必须匹配成对使 用，最大的优点是即插即用。其在低压电力线载波通信系统中的位置如下图2 2 所示。 ，吖1卜 广 互联网 路由器 、一 、” 一广广1j 业 电力猫 i 瓯匝吧j 绥 电力猫电力猫电力猫 p c 机 口电话i p 电视 图2 2 宽带电力猫连接图 2 2 低压电力线载波通信基本原理 低压电力线载波通信是利用低压电力线路作为载波传输通道的通信方式。它根据频 率搬移原理和频率分割原理，将原始信号对载波进行一次或多次调制，搬移到不同的线 路传输频带，送到电力线上进行传输。其基本原理是：在发送数据时，先将数据调制到 某一高频载波上，再经功率放大后耦合到电力线上。此高频信号经电力线路传输到接收 机，接收机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 路还原成二进制数字信号。 从通信的角度看，低压电力线载波通信系统的原理框图如下图3 所示。信息的传输 是双向的，可采用全双工或者半双工方式。信号由数字终端( 一般是p c 机或者微控制器) 进入电力线调制解调器进行编码调制，经过一系列的处理后，将信号调制到高频信号， 成为适合低压电力线传输的信号后，通过电力线接口( 一般是耦合装置) 送上低压电力 9 线上传输，在接收端同样通过电力线接口解调信息，然后通过电力线调制解调器解调解 码后，传送到数字终端。 图2 3 低压电力线载波通信系统的原理框图 2 2 1 低压电力线载波经典调制技术的基本原理 为了使数字信息在信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，数字调制最 常用的方式是二进制键控法n 。低压电力线载波通信经典的调制技术有幅移键控( a s k ) 、 频移键控( f s k ) 、相移键控( p s k ) 等。下面分别介绍这三种二进制调制技术： 1 二进制幅移键控 二进制幅移键控( 2 a s k ：2a m p l i t u d e s h i f tk e y i n g ) 中最简单的键控形式称为通 断键控法( o o k ) ，即载波在数字“l 和“o 的控制下通或断。其o o k 信号的时域表达 式为： e o o ko ) = a a c o s ( o c t ( 2 1 ) 式中：a 。为二进制数字信息；q 为载波频率；a 为载波幅值。2 a s k 信号是双边带调 幅信号。2 a s k 调制的原理和波形如下图2 4 和图2 5 所示： 图2 42