第31讲电力线载波通信.ppt

电力线载波通信 2 内容提要 概述载波通信基本原理电力线载波通信的特点电力线载波通信系统的组成电力线载波机电力线载波在电力系统中的应用 3 概述 电力线载波通信电力线载波 PowerLineCarrier PLC 通信是利用高压电力线 在电力载波领域通常指35kV及以上电压等级 中压电力线 指10kV电压等级 或低压配电线 380 220V用户线 作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式 4 概述 电力通信网电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而应运而生的 它同电力系统的安全稳定控制系统 调度自动化系统被入们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱 目前 它更是电网调度自动化 网络运营市场化和管理现代化的基础 是确保电网安全 稳定 经济运行的重要手段 是电力系统的重要基础设施 5 概述 电力系统专用通信网由于电力通信网对通信的可靠性 保护控制信息传送的快速性和准确性具有及严格的要求 并且电力部门拥有发展通信的特殊资源优势 因此 世界上大多数国家的电力公司都以自建为主的方式建立了电力系统专用通信网 6 概述 高压电力线载波通信网电力线载波通信是电力系统通信专网特有的一种通信方式 它以电力线为信道 以变电站 发电厂为终端 特别适合于电力调度通信的需要 而且 电力线载波通信系统具有投资少 施工期短 设备简单 通信安全 实时性好 无中继距离长等一系列优点 输电线架设到哪里 通信线路就可以延伸到哪里 在不少工期比较紧张的输变电工程中 往往只有电力线载波通信才能够和输变电工程同期完成建设 目前 我国110kV以上电力线载波电路己超过65万话路公里 还有大量的电力载波机在110kV以下的农电网上运行 庞大的电力线载波通信网担负着电网内调度电话 继电保护和远动信息的重要传输任务 对于电网的安全稳定经济运行发挥着重要的作用 7 概述 中低压电力线载波在10kV电力线作为配电网自动化系统的数据传输通道在380 220V用户电网作为集中远方自动抄表系统的数据传输通道目 采用的载波通信方式有扩频 窄带调频或调相 10kV电网或380 220V用户配电网中 以窄带调制类型的设备为多数 因为成本低廉 正在开发并取得阶段性成果的电力线上网高速MODEM的应用 要求的速率至少需要达到512kbit s 10Mbit s 由于采用正交频分多路复用技术OFDM调制具有突发模式的多信道传输 较高的传输速率 更有效的频谱利用率和较强的抗突发干扰噪声的能力 再加上前向纠错 交叉纠错 自动重发和信道编码等技术来保证信息传输的稳定可靠 因而成为电力线上网应用的主导通信方式 8 载波通信基本原理 频分多路复用单边带调制双向通信的实现 9 载波通信基本原理 频分多路复用 FDM 在通信系统中 为了充分发挥信道的有效作用 提高信道的利用率 往往采用多路复用技术 即将多路相互独立的信号汇集在一起 通过同一条信道传输 在接收端再使用相应的处理技术 将各个信号分离开来 复用方式 FDM TDM CDM频分多路复用 在发送端运用频谱搬移技术 将多路信号的频谱搬移到互不重叠的频段上 从而构成一个群频信号 经信道发送出去的复用方式 接收端只需使用不同频率的滤波器 即可方便地从群频信号中将各路信号分离出来 最终实现多路通信 当然 群频信号所占据的频带范围 必须在传输信道的有效通带之内 10 载波通信基本原理 FDM 11 载波通信基本原理 单边带调制 SSB 在载波通信系统中 发送端有一个变频调制器和带通滤波器对原始信号进行处理 接收端则用同样的变频调制器对接收到的信号进行解调 或称反调 调制的主要目的则是把话音信号的频带搬移到适合线路传输的频段 12 载波通信基本原理 SSB调制的优点 占用信道频带窄 从而可在一定的频带内传输更多的话路 由于抑制了载频分量 故能节省输出功率 使设备功率容量能得到充分利用 因占用频带窄 故外来干扰也相应减小 13 载波通信基本原理 双向通信的实现载波通信的基本过程可归纳为 一变二分三还原 变 是用调制器把话音频带变换到高频频带 分 就是频率分割 在收信端用滤波器把各路信号从群信号中分割出来 还原 就是利用解调器把高频频带还原成话音频带 按照频率搬移 频率分割原理实现传输线路频分多路复用的设备叫做载波机载波机 14 载波通信基本原理 双带二线制所谓双带二线制指的是在一对通信线路的两个传输方向上 采用两个不同的线路传输频带 利用方向滤波器把收 发两个方向的线路传输频带分开 防止 自发自收 从而实现双向通信 应用 这种方法主要用在线路传输线对较少的载波通信系统中 如架空明线 电力线载波通信系统中都采用这种通信方式 15 载波通信基本原理 双带二线制 16 载波通信基本原理 单带四线制所谓单带四线制指的是在线路上收 发两个传输方向上采用相同的传输频带 而用两对导线 四根导线 来各自传输一个方向的信号 防止 自发自收 实现双向通信 应用 这种方法主要用在对称电缆和同轴电缆载波通信系统 17 载波通信基本原理 单带四线制 18 载波通信基本原理 三路载波机简化方框图 19 载波通信基本原理 频谱搬移图 20 电力线载波通信的特点 独特的耦合设备线路频谱安排的特殊性以单路载波为主线路存在强大的电磁干扰 21 电力线载波通信的特点 独特的耦合设备电力线路上有高压大电流通过 载波通信设备必须通过高效 安全的耦合设备才能与电力线路相联 这些耦合设备既要使载波信号有效传送 又要不影响工频电流的传输 还要能方便地分离载波信号与工频电流 此外 耦合设备还必须防止工频高压 大电流对载波通信设备的损坏 确保安全 22 电力线载波通信的特点 线路频谱安排的特殊性电力线载波通信能使用的频谱 是由3个因素决定的 1 电力线路本身的高频特性 2 避免50Hz工频谐波的干扰 3 考虑载波信号的辐射对无线电广播及无线通信的影响 我国统一规定电力线载波通信使用频带为 40 500 kHz 23 电力线载波通信的特点 以单路载波为主电力系统从调度通信的需要出发 往往要依靠发电厂 变电所同母线上不同走向的电力线 开设电力线载波来组织各方向的通信 由于能使用频谱的限制 通信方向的分散 以及从组网的灵活性考虑 电力线载波通信不象邮电载波那样在一条线路上开通十几路 几十路 甚至几百路的载波电话 而是大量采用单路载波设备 在某些特定情况下使用多路载波 也均在千路以下 24 电力线载波通信的特点 线路存在强大的电磁干扰由于电力线路上可能存在强大的电晕等干扰噪声 要求电力线载波设备具有较高的发信功率 以获得必需的信噪比 另外 由丁50Hz谐波的强烈干扰 使得 0 3 3 4 kHz的话音信号不能直接在电力线上传输 即不可能在电力线路上直接进行音频通信 只能将信号频谱搬移到40kHz以上 进行载波通信 25 电力线载波通信系统的组成 26 电力线载波通信系统的组成 各组成部分功能介绍电力载波机ZJ的作用是对用户的原始信息信号实现调制与解调 并满足通信质量的要求 在电力系统中载波站一般设置在发电厂或变电所内 耦合电容器C和结合滤波器JL构成一个高通滤波器 共同完成耦合作用 其作用是通过高频载波信号 阻止电力线上的50Hz的工频高压和工频电流进入载波设备 保护载波设备和人身的安全 线路阻波器GZ串接在电力线路和母线之间 是对电力系统一次设备的 加工 故称之为 加工设备 作用是通过电力电流 阻止高频载波信号漏到电力设备 变压器或电力线分支线路 以减少变压器或电力线分支线路对高频信号的介入衰减 以及同母线不同电力线路上高频通道之间的相互串扰 27 电力线载波通信系统的组成 电力线高频通道由结合滤波器JL 又称结合设备 耦合电容器C 阻波器GZ 又称加工设备 和电力线路组成 为了实现高频信号在高压输电线路上传输需要安装耦合装置 耦合装置耦合装置包括结合设备 加工设备及耦合电容器耦合方式相相耦合方式 相地耦合方式和混合耦合方式 28 电力线载波通信系统的组成 耦合方式 29 电力线载波通信系统的组成 相地耦合方式将载波设备连接在一根导线和大地之间 它的特点是只需一个耦合电容器和一个阻波器 在设备的使用上比较经济 因而得到了广泛的应用 但这种方式所引起的衰减比相相耦合方式大 而且在相导线发生接地故障时高频衰减增加很多 需要指出的是 这种方式虽然耦合是一相对地 但实际的信号传输却包括其它两相在内 以复杂的相间波方式进行着 相相耦合方式需要两个耦合电容器和两个阻波器 耦合设备费用约为相地耦合方式的两倍 但相相耦合方式的优点是高频衰减小 并且当电力线路故障时 由于80 的故障属于单相故障 所以具有较高的安全性 目前国内外在一些可靠性要求较高的电力线高频通道中已采用了相相耦合方式 30 电力线载波通信系统的组成 31 电力线载波通信系统的组成 32 电力线载波机 差分 汇接系统压缩扩展器调制器载供系统呼叫系统自动电平调节系统 33 电力线载波机 差分 汇接系统定义 把一个传输通路分成两个及以上的传输通路称为差分 而把两个及以上的传输通路合并为一个传输通路称为汇接 在各种类型的载波机中 凡是多个通道 或多个信号 需要分开或汇接的地方 均广泛使用差分网络或汇接网络 有的电路网络能同时实现差分和汇接作用 故称为差分汇接网络 简称差接网络 作用 直接的通道 信号 差分 汇接功能音频用户端的2 4线转换 34 电力线载波机 35 电力线载波机 36 电力线载波机 37 电力线载波机 压缩扩展器作用 抑制噪声 提高通路信噪比 保证通信质量压缩器和扩张器统称为压扩器 主要用在话音信号通路中 为了保证话音信号不失真 信号的最高电平将受到通路最大发信功率的限制 故发信支路设备的功率容量无法得到充分利用 而信号的低电平部分 又要受到线路噪声的严重干扰 压缩器 用于发信支路入口 它将话音信号的动态范围加以压缩 扩张器 用于收信支路的出口 将信号的动态范围按一定比例扩张 恢复原始信号 38 电力线载波机 39 电力线载波机 显然 在发信端 压缩器提升了小信号的电平 客观上提高了信噪比 改善了通信质量 而处于收信端的扩张器在恢复信号动态范围的同时 抑制了信号间隙时的背景噪声 在主观感觉上也改善了通信质量 实践证明 在一定条件下 电力线载波通路采用压扩器后 客观上能将信噪比提高10dB 而主观感觉上则可提高15dB左右 40 电力线载波机 调制器调制是实现载波通信的基础 调制器是载波机中非常重要的部件 在单边带载波通信机中 常使用环形调制器 环形调制器工作原理为便于分析 作如下合理假设 1 环形调制器与信号源和负载阻抗匹配 2 调制器工作于小信号状态 即uF uf 3 变量器为理想变量器 且完全平衡 4 晶体二极管为理想二极管 41 电力线载波机 42 电力线载波机 43 电力线载波机 环形调制器输出产物的频率分布理想环形调制器的输出产物比较简单 没有直流 没有载漏 没有信漏 没有偶次谐波及其组合波 44 电力线载波机 载供系统提供各种载频信号的系统 简称载供系统 数字锁相环频率合成器载供系统 45 电力线载波机 载供系统的技术要求频率稳定度电平稳定度载频纯洁度载频准确度可靠性 46 电力线载波机 锁相环工作原理锁相环路由鉴相器PD 环路滤波器LPF和压控振荡器VCO三个基本部分组成 47 电力线载波机 鉴相器鉴相器是相位比较电路 它将输入的基准频率信号uin的瞬时相位和压控振荡器输出信号uout的瞬时相位进行比较 然后输出与两个信号相位差Q t Qin t Qout t 成比例的误差电压ud t ud t Kd Qin t Qout t KdQ t 一般uin的频稳度相当高 但VCO的输出uout频率可能漂移 ud t 正是反映了uout的频漂程度 故用ud t 可对VCO的输出信号频率进行有效的控制 上式中的Kd称为鉴相器的增益系数 48 电力线载波机 环路滤波器环路滤波器接在鉴相器之后 是一个低通滤波器 用于滤除鉴相器输出ud t 中的高频噪声 以提高系统的稳定性 保证环路性能 压控振荡器压控振荡器的振荡角频率 v t 受控制电压uc t 控制 当uc t 0时 压控振荡器在其固有振荡角频率 0上振荡 当uc t 在正负之间变化时 v t 即在 0上下变化 VCO的控制特性可表示为 v t 0 Kvuc t 式中Kv为压控振荡器的控制灵敏度 49 电力线载波机 50 电力线载波机 结论锁相环路实质上是一个相位自动控制系统 它利用鉴相器比较得出输入 输出信号的相位差 并以此控制输出信号频率 保证相位差稳定 为零 最终达到uout与uin频率相同 频率稳定度也相同的目的 如果在锁相环反馈电路中串入一个n分频器 如图3 15中虚线框所示 这时由于分频器对于uout作n分频后再送到PD与uin进行比较 不难想象 反馈控制的最终结果 将使uout信号频率为uin的n倍 并同样具有相同的频稳度 锁相环式的载供系统就是根据这个原理 选取适当的石英晶体振荡器产生基准频率信号 通过锁相环来获取各种 基准频率的n倍 载频信号的 51 电力线载波机 呼叫系统呼叫系统是完成用户间接续联络的信号系统 其目的是向被叫用户话机送低频铃流 实现振铃呼叫 因此 呼叫系统也称为振铃系统 当载波机采用自动选呼方式时 主叫要发出直流选择脉冲 通过呼叫发送转换成音频脉冲呼叫信号 并借助载波机发信电路 才能送往对方 这一过程称为呼出 而在接收端 将由呼叫接收电路把音频呼叫信号转换成直流脉冲选择用户 然后再向被叫用户话机送低频铃流 这个过程称为呼入 52 电力线载波机 呼叫系统基本要求呼叫信号发信电平稳定和频率准确呼叫接收动作范围l 选择性2 灵敏度对通路正常信息的影响须尽可能小呼叫系统制式呼叫系统的音频呼叫信号频率设置在话音频带之内的 称为带内制 设在话音频带之外的 称为带外制 53 电力线载波机 频谱安排在话音频带为 30 2000 Hz的窄带通信中 呼叫信号频率选为 2220 30 Hz 300 3400 Hz的宽带通信则选为 3660 30 Hz 调制方式 频移键控式 FSK 54 电力线载波机 55 电力线载波机 呼叫系统的工作过程呼出 静止时双方用户挂机 自动交换系统向载波机的M线送出 地 信号 由频移键控电路控制 使移频振荡器产生振荡频率2250Hz 用户摘机时 交换系统停送 地 键控使振荡频率变为2190Hz 拨号时 用户拨号盘的脉冲触点断续 使用户话机直流回路断续接通 交换系统则断续送出 地 信号 致使移频振荡频率在2250Hz和2190Hz两个频率点上变化 这样便将用户话机的直流脉冲信号转换成频移键控的音频呼叫信号 经发信支路送出 完成呼出过程 56 电力线载波机 呼入 双方挂机时 对方连续送来的2250Hz信号 经 呼叫带 选出 限幅放大 鉴频后 输出的直流电压经过差动放大 使收铃继电器KR不动作 对方摘机后送来的2190Hz信号则使KR动作 其触点闭合 将 地 信号经载波机的E线送给自动交换系统 此后 对方拨号时发出的2250Hz和2190Hz频移键控信号则使KR断续动作 使其触点实现给自动交换系统传送拨号直流脉冲信号的目的 完成呼入过程 57 电力线载波机 自动电平调节系统的作用就是用来补偿各种因素引起的传输电平的波动 保证传输电平的稳定 引起传输电平波动的主要因素1 设备增益和衰减的变化2 线路衰减的变化自动电平调节系统组成由导频发送和导频接收两大部分组成 分别位于载波设备的发信支路和收信支路 58 电力线载波机 59 电力线载波机 调节过程当采用反控方式时 其调节过程为 LO ud ud ud E uc RT 负反馈量 调节网络增益G LO 这样不断循环的调节 直到导频电平在平调放大器的输出端基本恢复正常 调节停止 系统处在一种新的稳定状态 从而起到了补偿线路衰减变化的作用 保证了传输电平的稳定 60 电力线载波在电力系统中的应用 电力线通信 PowerLineCommunication 技术简称PLC 是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式 电力线通信并不是新技术 已经有几十年的发展历史 在中高压输电网 35kV以上 上通过电力载波机利用较低的频率 9 490kHz 以较低速率传送远动数据或话音 就是电力线通信技术应用的主要形式之一 在低压 220V 领域 PLC技术首先用于负荷控制 远程抄表和家居自动化 其传输速率一般为1200bps或更低 称为低速PLC 近几年国内外开展的利用低压电力线传输速率在1Mbps以上的电力线通信技术称之为高速PLC 61 电力线载波在电力系统中的应用 近年来 随着Internet技术的飞速发展 登录上网的人数成倍增长 然而 采用何种通信方式使用户终端连接到最近的宽带网络连接设备 成为长期困扰人们的难点之一 也是Internet普及的瓶颈之一 被业内人士称为宽带网络接入的 最后一公里 问题 利用四通八达 遍布城乡 直达用户的220V低压电力线传输高速数据的PLC技术以其不用布线 覆盖范围广 连接方便的显著特点 被业内人士认为是提供 最后三百米 解决方案最具竞争力的技术之一 目前高速PLC已可传输高达45Mbps的数据 而且能同时传输数据 语音 视频和电力 有可能带来 四网合一 的新趋势 62 电力线载波在电力系统中的应用 典型应用之一在配电变压器低压出线端安装PLC主站 将电力线高频信号和传统的光缆等宽带信号进行互相转换 PLC主站的一侧通过电容或电感耦合器连接电力电缆 注入和提取高频PLC信号 另一侧通过传统通信方式 如光纤 CATV ADSL等连接至Internet 在用户侧 用户的计算机通过以太网接口或USB接口与PLC调制解调器相连 普通话机通过RJ 11接口连至PLC调制解调器 而PLC调制解调器直接插入墙上插座 如果PLC高频信号衰减较大或干扰较大 可以在适当的地点加装中继器以放大信号 63 电力线载波在电力系统中的应用 64 电力线载波在电力系统中的应用 典型应用之二 低压电力线抄表系统工作原理过程 计算机根据设计的指令 通过服务器与数据集中器通信连接 根据 上位机 软件与集中器的通信协议 由上位机控制集中器的程序 集中器根据计算机指令程序开始工作 集中器的程序命令指挥集中器内的各种电路工作 把应发送和接收的指令通过电力线与各载波表通讯 接收电表计量的各种数据 各个载波表又同时接受集中器的设定程序 互相传递信息或委托某个载波表把信息转送集中器 在整个过程中 它受集中器设置的程序执行功能控制 形成一个智能化自适应中继通信系统 65 电力线载波在电力系统中的应用 66 电力线载波在电力系统中的应用 高速PLC同其他接入技术的比较 67 电力线载波在电力系统中的应用 高速PLC具有如下优越性 1 充分利用现有的低压配电网络基础设施 无需任何布线 是一种 NoNewWires 技术 节约了资源 无需挖沟 无需穿墙打洞 避免了对建筑物和公用设施的破坏 2 可以为用户提供价格低廉的高速因特网访问服务 IP话音服务 从而使用户上网和打电话增加了新的选择 有利于同其它电信服务商的竞争 3 对家庭联网提供支持 使人们可以尽享由PLC技术带来的家庭音 视频网络 多人对抗游戏等娱 4 是家居自动化的生力军 通过遍布各个房间的墙上插座将智能家电联网 提前享用数字化家庭的舒适和便利 5 利用PLC的永久在线连接构建的防火 防盗 防有毒气体泄漏等的保安监控系统 让上班族高枕无忧 构建的医疗急救系统 让家有老人 孩子和病人的家庭倍感方便 68 电力线载波在电力系统中的应用 高速PLC具有如下优越性 续 6 远程自动读出水 电 气表数据 为公用事业公司节省大量的抄表费用 也方便了用户 7 为电力公司提供负荷控制 需求侧管理的新手段 提高电力公司管理水平 8 电力公司以极低的投资就可以进入ISP ICP和话音等电信服务市场 成为新的利润增长点 9 实现数据 话音 视频 电力 四网合一 创造巨大的经济和社会效益 69 电力线载波在电力系统中的应用 当前国际上高速PLC厂商和产品状况 70 电力线载