输电线载波通信技术及其应用毕业论文.doc

输电线载波通信技术及其应用毕业论文输电线载波通信技术及其应用毕业论文 目目 录录 摘摘 要要 i i AbstractAbstract iiii 1 1 引言引言 1 1 2 2 国内外技术发展现状及发展趋势国内外技术发展现状及发展趋势 3 3 2 1 输电线载波通信发展的历程 3 2 2 输电线载波通信发展的背景 4 2 3 输电线载波通信技术的发展方向 6 3 3 输电线输电线载波通信可行性分析载波通信可行性分析 7 7 3 1 低压输电线载波信道分析 7 3 2 输电线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变 7 3 3 输电线载波通信的特点 11 3 3 1 高压载波路由合理 通道建设投资相对较低 11 3 3 2 传输频带受限 传输容量相对较小 11 3 3 3 可靠性要求高 11 3 3 4 线路噪声大 11 3 3 5 线路阻抗变化大高压 12 3 3 6 线路衰减大且具有时变性 12 3 3 7 对外界的干扰 13 3 3 8 网络应用要求更高 13 4 4 输电线输电线载波通信的特点及主要技术和规范载波通信的特点及主要技术和规范 1414 4 1 输电线通信特点 14 4 2 输电线通信的相关技术规范 15 5 5 基于基于输电线输电线载波通信的自动抄表系统设计载波通信的自动抄表系统设计 1818 5 1 基于输电线载波通信的自动抄表系统设计的必要性 可行性 18 5 2 系统优点 20 5 3 系统结构 21 5 4 自动抄表系统设计中的注意事项 22 5 5 硬件设计 24 6 6 输电线输电线载波技术存在的问题及发展展望载波技术存在的问题及发展展望 3 39 9 结结 论论 4 40 0 结束语结束语 4141 致致 谢谢 4242 参考文献参考文献 4343 1 1 引言引言 输电线载波通信技术 Power Line CommunICation Technology 简称PLC 是指利用 遍布城乡的各级高 中 低压 输电线作为信息传输媒介 在其上构筑高速数据通道 为用户提供进行高速互联网访问 视频点播 IP电话 远程数据传输等服务 从而形成 集数据 语音 视频及电力在内于一体的 四网合一 的一种通信方式 输电线载波通 信并不是新技术 但以前该技术只被电力行业作为长距离调度的通信手段 目前全世界 范围内几年来对电力网的研究有了很大的进展 很多机构和公司都推出了各自先进的输 电线载波通信技术 输电线通信技术 已经有几十年的发展历史 在中高压电力网 35 kV以上 上通过输电线载波机利用较低的频率 9 490 kHz 以较低速率传送远动数据或话 音 就是输电线通信技术应用的主要形式之一 在低压 220 V 领域 PLC技术首先用于 负荷控制 远程抄表 配网自动化系统和家居自动化 其传输速率一般为1200 bps或更 低 称为低速PLC 近几年国内外开展的利用低压输电线传输速率在l Mbps以上的输电线 通信技术称之为高速PLC 随着Intemet技术的飞速发展 利用220V低压输电线传输高速数据的价值越来越为人 们所重视 它所创造出巨大的经济和社会效益正日益引起人们的关注 利用该技术 不 仅可以组成小区配电变压器供电范围内的宽带接入网 而且可以利用遍布家庭各个房间 的电源插座组成家庭局域网 作为其他宽带接入方式的延伸和补充 目前 输电线载波 通信技术突破了仅限于单片机应用的限制 已经进入了数字化时代 并且 随着输电线 载波技术的不断发展和社会的需要 中低压电力载波通信的技术正逐渐成为一门电力通 信领域乃至关系到千家万户的热门专业 尽管随着互联网技术的飞速发展 上网的人数越来越多 由于网络的网速是由带宽最 窄的一段网络决定最终的速度 因此 采用何种通信方式使客户终端连接到宽带网络设 备 成为长期困扰人们的难点之一 也是普及的瓶颈之一 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低压输电线传输 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 是解决方案最具竞争力的技术之一 同时 由于输电线载波通信环境恶劣 许多技术问 题一直困挠人们 其中 最主要的问题在于噪音和信号衰减 输电线载波通信的噪音主 要来自于低压电网相连的负载 以及无线电广播的干扰 而信号的衰减是与通信信道的 物理长度和低压电网的阻抗匹配相关的 由于负载的开关会引起输电线上供电电流的波 动 从而导致在输电线的周围产生电磁辐射 所以 沿输电线传送数据时 会出现许多 意想不到的问题 在这种形势下 本文描述了输电线载波通信技术的发展历程 国内外 现状 发展趋势 特点 优点 实现的技术难点及其关键技术和规范 对PLC技术在互联 网接入 电力配网自动化及远程自动抄表中的实际应用进行了一定的探索 并将PLC接入 方式与其它的一些互联网接方式进行了比较 为实施配网自动化及用户远程抄表作相关 准备 2 2 国内外技术发展现状及发展趋势国内外技术发展现状及发展趋势 2 1 输电线载波通信发展的历程 PLC作为电力系统传输信息的一种基本手段 在电力系统通信和远动控制中得到广泛 应用 经历了从分立到集成 从功能单一到微机自动控制 从模拟到数字的发展历程 PLC中的核心 输电线载波机历经了模拟输电线载波机 准数字输电线载波机 全数字 输电线载波机三个阶段 大约20世纪20年代初期国外就开始了PLC的研究 国内开展较晚 第一代模拟输电线 载波机普遍采用频分复用技术和模块化结构 调制方式选用单边带调制技术 载供系统 采用稳定度高的锁相环频率合成技术 可以很容易地得到收发信所需的各种载频 无需 更换器件即可切换高频收发滤波器及线路滤波器 切换频段也很简单 具有多功能 通 用 系列化的特点 只提供单工传输 载波工作频率为40 500kHz 外加专用的调制解 调器实现数据通信 早期的模拟输电线载波机解决了利用输电线进行通信的问题 但是 它具有模拟通信固有的通信质量差 通信容量小 传输速率低等缺点 第二代输电线载波机仍然采用模拟体制实现通信 和第一代模拟输电线载波机相比 关键技术的实现方式不同 准数字输电线载波机采用了数字信号处理技术 模拟调制 滤波 自动增益控制 AGC 等采用DSP实现 由于数字技术和中央处理机的应用 准数字 电力载波机提高了整机的性能 同时增加了许多控制功能 如 技术人员可以使用微机 通过串口对DSP和中央处理机进行编程 对系统参数进行设置和更改 目前PLC已经发展到第三代全数字PLC 在全数字PLC中可以采用当前先进的数字信号 处理技术 完全采用数字体制 在信源编码 复接 基带调制等各个环节采用数字技术 对信号进行处理 可以获得更好的整机性能 可以采用多电平调制技术提高频带利用率 因此大大提高了PLC的容量和质量 这就使得PLC作为最后一公里解决方案成为可能 下表是模拟 数字化 数字式 和全数字输电线载波机的性能对比 表2 1模拟 数字化 数字式 和全数字输电线载波机的性能对比 2 2 输电线载波通信发展的背景 为适应电力系统内部管理的需要 电力系统内部已经建成以IP技术及ATM技术相结合 的管理管理信息网络 但随着电信和电力市场的逐渐开放 电力公司寻找支持其在市场 上竞争优势的新方法 高速PLC提供一种无需额外布线 低价高效 从配变抵达每个家庭 的解决方案 这对电力公司是一个极具诱惑的网络接入解决方案 利用已经存在的电力网和电力通信网设施 电力公司仅需投入较低的PLC设备费用 就可以迅速进入通信和网络市场 为其创造新的利润 此外 利用高速PLC提供的电力增值服务为电力公司节省了大笔的费用 这些服务包 括远方自动抄表 需求侧管理 负荷控制 实时计费及实现配网自动化系统的接入等 电力公司提供电信服务 具有十分明显的优越性 首先 其拥有比电信和有线电视 信号类别 性能指标 模拟载波机数字化输电线载波 机 全数字输电线载波机 系统容量1话1数 最多1话3数 6路 数据话路灵活 配置 6路 数据话路灵活配置 频谱利用率低高高 数据数率 1200bps 0 3 19 2kbps 可 设置 0 3 19 2kbps 可设置 网管不具备简单功能具备简单功能完善 中继方式音转 存在噪声累积部分再生中继备 D I 功能 再生中继 具备 D I 功能 对信道的要求对信道的要求较低 等 同于模拟通信系统 对信道的要求非常 严格 最大的带宽 高 S N 平坦的振幅 传输特性线性相位 特性 由于信道采用全数字调制 数 字解调对传输信号有再生功能 可以对信号损伤有所修复 并 对线路采用了自动数字均衡技 术 对信道要求等同于模拟系 统 线路适虑能力好较差好 数据传输可靠性不易中断线路情况变差时易 中断 不易中断 通话质量差较好较好良好 数据传输误码率高误码率较高误码率较低 的用户多 详尽的客户信息和费单系统 其次 很多电力公司已经建立了深入各中高压 变电站的高速光纤网络 用于电网监控和用电量信息的内部传输 有的电力公司甚至己 将光纤架设到低压配电变压器 利用这些基础设施 加上高速PLC解决家庭网络方案 电 力公司投入的费用是很少的 但产生的利润却是极为可观的 在最后一公里的解决方案中 PLC能够充分利用现有的低压配电网络 无需任何布线 是一种 No NowWircs 技术 和其他接入方式相比有很多优势 以下是各种通信方式的 对比 其各自的技术性能可见下表 表 2 2 高速 PLC 同其他接入技术的比较 和其它各类接入技术相比 高速PLC具有如下优越性 1 安装简便 可以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 No New Wires 技术 节约资源 2 可利用区间变压器在可供电范围内进行局域性的双向数据传输 尤其适合在受控 点经常变化 难以架设线路的边远地区 3 利用输电线载波进行远距离控制以及双向数据传输的优势在于资源省 成本低 灵敏度高 抗干扰性强 输出功率大 载波频率宽 具有广泛的应用基础 4 输电线入户率高 覆盖范围大 是目前世界上最大的有线数据传输网 具有取代 目前所有局域通信 光纤网的巨大潜力 通信方式速率 bps 可否同线 传输话音 物理介质评价 模拟调制 解调器 56k 否双绞线应用广泛 廉价但速度慢 ISDN128k 是双绞线应用不广 费用较普通电话线稍贵 XDSL 8M 反向 2M是双绞线不干扰普通电话使用 频带专用不共享 频宽 受距离限制 目前仅在少数地区使用 不能组 网 CATV 10M 取决于 本地用户数 否同轴电缆必须拥有现成的网络接入 并改造为双向传输 在新区域开办服务和铺设线路造价高昂 共享 带宽 可组网 PLCIM 10M 是输电线无需新线 分布广泛 接入方便 未完全达到 实用化阶段 无线 LMDS 8M 是空气需室外天线 易受建筑物阻挡 对天气状况敏 感 5 可以为用户提供价格低廉的高速因特网访问服务 话音服务 从而使用户上网和 打电话增加了新的选择 有利于同其他电信服务商的竞争 6 对家庭联网提供支持 使人们可以尽情享受由PLC技术带来的家庭音 视频网络 多人对抗游戏等娱乐 7 利用PLC的永久在线连接构建防火 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 构建医疗急救系统 让家有老人 孩子和病人的家庭倍感方便 8 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 9 为电力公司提供负荷控制 需求管理的新手段 提高电力公司管理水平 10 使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 电力公司能够以低廉的价格为用户提供电信服务 在电信市场上更具竞争 力 11 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 2 3 输电线载波通信技术的发展方向 从总体来说 输电线载波通信技术在向五个方面发展 1 从个别用户到低压段区段使用 PLC 其后段部分采用电话线 光缆 无线等构筑 网络 2 仅用于低压部分 ACll0 220V 3 室内系统正在出笼 4 室外系统成为研究课题 5 向家居自动化发展 需要1Mbps以上速率 按速率和载波频率分为 1 低速率通信 1KB S以下 主要应用于长距离 1公里以上 利用25K高压电线对配电 设施进行控制 2 中速率通信 1 50KB S 主要应用于固定小区间 楼宇间的数字通信 包括自动 照明控制 消防报警 自动抄表以及数据监控等系统 3 高速率通信 100KBPS以上 主要用于小区域中的高流量数据通信 如电脑网络中 的打印 文件共享等 采用高载波频率1 7 30MHZ 3 3 输电线载波通信可行性分析输电线载波通信可行性分析 3 1 低压输电线载波信道分析 要在干扰严重的低压输电线上实现可靠的数据通信并非易事 因此在整个系统设计 之前有必要分析输电线载波的可行性 认识输电线载波方式区别于其他通信方式的特殊 性 了解低压输电线信道特性 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 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且要面对的问题 在我们使用输电线作为信号传输媒 介之前 需要输电线的这些信道特性进行分析 由于10KV以上中高压输电线信道环境较好 利用10 kV以上中高压输电线为信号传输 通道的输电线载波电话已经获得了广泛使用 对高压输电线进行高频信号传输的研究已 经非常深入和成熟 在220V 380V低压线上进行信号传输 与高压输电线载波通信相比却 有较大区别 突出表现在工作环境恶劣 线路阻抗小 信号衰减强 电力负载有对载波通 信信号近似短路 干扰大且时变性大等特点 因此 对于低压输电线载波信道 有必要 进一步具体分析 输入阻抗是表征低压输电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 低压输电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 因此输电线本身的阻抗不是产 生衰减的主要原因 但研究表明低压输电线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关 在理想情况下 当没有负载时 输电线相当于一根均匀分布的传输线 由于分布电感和分布电容的影响 传输阻抗会随着频率的增大而减小 当在输电线上有负载时 所有频率的传输阻抗都会 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 所以实际情况非常 复杂 甚至使传输阻抗的变化不可预测 3 2 输入电线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变 由于低压输电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 在低压输电线上进行数据通信时的另一个需要认真研究的重要问题是输电线上干扰 的特殊性质 输电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 如雷电在输电线上引起的干扰 人为干扰则是由连接在输电线上的用电设备产 生的 并对数据通信有更严重的影响 为了表示这种干扰的复杂特性并简化分析 我们可以近似地将其分成 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等 通常情况 下 前两类干扰占主导地位 首先说明低压输电线上的周期性干扰 在以前的研究中发现 谐波噪声以交流电频 率 fk 的整数倍出现 因此我们有理由相信干扰也会存在周期性的倾向 产生这种周期 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 信号的频谱特性 干扰信号的频谱非常不规则 存在许多突变 有些频率信号的强度很高 有些则很 低 因此 这种周期干扰主要是由大量的高频干扰组合而成的 由于通常使用的输电线 载波通信设备的工作频率都在10KHz以上 所以这种干扰必然会对它们的正常工作产生很 大的影响 如果不采取措施 这各干扰可能引起几个到十几个数据位的传输错误 消除这种干扰的困难有两点 首先 由于无法对这种干扰的周期 宽度 强度和发 生时间等做出准确的预测 而且这些参数的变化范围可能很大 所以很难有针对性地采 取措施抑制这种干扰 其次 由于这种干扰的频谱非常宽 所以对接收端滤波器的灵敏 度的要求很高 另外 有许多大功率的用电设备 如电机等 会在电网上产生很多的高次谐波 这 些高次谐波只存在于工频的整数倍的频率内 但是能量较大 且频率有可能延伸到几万 赫兹 如果信号频率正好与它们重叠 则对通信的可靠性会产生很大的影响 在实际情况下 由于有大量的用电设备同时释放出干扰 而这些干扰的瞬时功率 周期 相位等又变化很大 各不相同 因此最终会在输电线上产生时不变的连续干扰潮 幅值较低的连续干扰就属于这种干扰 这种干扰表现为平均功率较小 但是频谱很宽而 且持续存在 由于信号在输电线上传输的衰减非常大且富于变化 而且干扰频谱有可能 部分或完全覆盖信号频谱 因此 在通信过程中的信噪比可能会变得很低 通信误码率 增加 其次 来看低压输电线上的随机性干扰 除了上述的周期性和连续性的干扰外 输电线上还存在许多随机发生的干扰 这种随机干扰通常是由于高压开关的操作 雷电 较大的负荷变化 输电线路上的短路故障等引起的 往往是能量很大的脉冲干扰或脉冲 群干扰 持续时间较短 但是能量很集中 频谱也很宽 高压开关的断开和闭合在输电线路上导致的暂态过程会产生一系列的电磁脉冲 脉冲 群 而这一暂态过程受多种因素影响 分散性极大 雷电会在输电线路上产生能量很大 的电流和电压脉冲 电流峰值可达到几千安培 电压峰值可达到几万伏 雷电波沿线路 侵入变电站 并通过一 二次系统间的各种耦合或接地网进入二次回路 这样的雷击过 电压在低压网络内传播时 遇阻抗不同的节点时将发生反射 产生振荡波 其频率和传 播速度与电路内的各种参数有关 显然 这种脉冲会对载波通信产生很大的影响 另外 低压输电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 功率因数补偿 电容器的投切以及短路 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 如日光灯 计算机等的开 关也会产生较大的突发脉干扰而影响通信 上述这些干扰的持续时间较短 从几十微秒到几秒不等 强度大小也不等 出现时 间也是随机的 具有限大的不可预测性 如果它们正好在发生在数据通信过程中 由予 其高能量 宽频谱的特性 通常会使所传输数据的若干个位甚至整个数据传输过程发生 错误 在一个完善的低压输电线载波通信系统中 可以通过前向纠错码 自动重发机制 数据预取机制等措施加以克服 再次 来看低压输电线上的多变性干扰 出于与信号衰减多变性同样的原因 低压 输电线上的干扰也存在多变性 这种多变性表现在两个方面 首先是固时而变 即在不 同时刻 干扰的频率 强度都各不相同 对于一般的用户 我国采用的是220V交流两线 电 由于电网上不断有接入 切出 电机的停止 启动 电器的开关等各种随机事件 使其表现出来的信道具有很强的时变性 低压输电线在一秒内可对某频率的衰减变化达 到20dB 而且在一秒内信噪比 SNR 也可达10dB左右 其次是因地而变 即在不同的低压 电网之间 干扰情况各不相同 而在同一个低压电网之内 不同地点的干扰情况也不相 同 前者是因为在不同的电网之间 连接的负载 线路情况 电网结构等都不同 导致 电网内的各种参数都不同 则必然会影响干扰的分布 后者是因为干扰在输电线上的传 播也要遵循高频信号在输电线上的传播特性 会受到输电线上衰减特性的影响 因而对 距离 负载分布等也很敏感 因此 输电线上干扰的因地而变的特性对低压输电线载波 通信系统也会有很大的影响 高频信号在低压输电线上的衰减是低压电为线载波通信遇 到的一个实际困难 对高频信号而言 低压输电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上的任意位置随机地连接或断开 因此高频信号在低压输电线上 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的关系 总的来说 信号传输越远 信号衰减就越厉害 但是 由于输电线是非均匀不平衡 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 其三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三相上的衰减也不同 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关系 电容器对低电压输电线载波通信系统也有重大 影响 而且高频信号在低电压输电线上传输时 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 于是就将输电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 开关电源会向输电线上施放大量高频干扰 从而影响通信系统的工作 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 如电视机 计算机等的旁边 高频信号的衰减往往会增大许多 从以上分析可以看出 就总体而言 输电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10dB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 在不同的时间段 不同的地点 衰减幅度也不同 有时变化会很大 3 3 输电线载波通信的特点 3 3 1 高压载波路由合理 通道建设投资相对较低 高压输电线路的路由走向沿着终端站到枢纽站 再到调度所 正是电力调度通信所 要求的合理路由 并且载波通道建设只需结合加工设备的投入而无须考虑线路投资 因 此当之无愧成为电力通信的基本通信方式 尤其在边远地区更是这样 输电线载波通道 往往先于变电站完成建设 对于新建电站的通信开通十分有利 为此 只要妥善解决输 电线载波信道的容量问题 载波通信的优势就会显现出来 在中压配电网载波和低压用 户电网载波中 节省线路建设费用 无须考虑破坏家庭己装修环境 也仍然是载波通信 的优势 3 3 2 传输频带受限 传输容量相对较小 在高压电网中 一般考虑到工频谐波及无线电发射干扰 输电线载波的通信频带限 制于40 500kHz之内 按照单方向占用4kHz带宽计算 理想情况下一条线路可安排115条 高频载波通道 但由于输电线路各相之间及变电站之间的跨越衰减有限 13 43dB 不 可能理想地按照频谱紧邻的方式安排载波通道 因此 真正组成输电线载波通信网所实 现的载波通道是有限的 在当今通信业务已大大开拓的情况下 载波通道的信道容量已 成为其进一步应用的瓶颈问题 尽管我们在载波频谱的分配上研究了随机插空法 分小 区法 分组分段法 频率阻塞法及地图色法和计算机频率分配软件 并且规定不同电压 等级的输电线路之间不得搭建高频桥路 使载波频率尽量得以重复使用 但还是不能满 足需要 近来随着光纤通信的发展和全数字输电线载波机的出现 稍微缓解了载波频谱 的紧张程度 在10kV中压配电网和低压用户配电网中 除了新上的载波信号之外 不存 在其它高频信号 并且一般为多址传输 因此通道容量问题并不突出 3 3 3 可靠性要求高 有两个原因要求输电线载波机具有较高的可靠性 一是在电力系统中传输重要调度 信息的需要 另一是电压隔离的人身安全需要 为此 输电线载波机在出厂前必须进行 高温老化处理 最终检验必须包含安全性检验项目 目前大多数高压及中压输电线载波 机生产企业己按照生产许可证的要求建立了较为完善的质量体系 3 3 4 线路噪声大 输电线路作为通信媒介带来的噪声干扰远比电信线路大得多 在高压输电线路上 游离放电电晕 开关操作等产生的噪声比较大 尤其是突发噪声具有较高的电平 根据 国外资料描述 输电线的噪声特性可分为四种类型 1 具有平滑功率谱的背景噪声 这种类型噪声的功率谱密度是频率的减函数 如电 晕噪声 这种噪声特性可以用带干扰的时变线性滤波模型来描述 2 脉冲噪声 由开关操作引起 这种噪声与电站操作活动的关系较大 低压电力载 波通道的噪声有背景噪声 脉冲噪声 同步和非同步噪声及无线电广播的干扰等构成 表 3 2 单位带宽内杂音电平 3 电网频率同步的噪声 主要由整流设备产生 一般电晕噪声电平大致为 220kV 25dB 110kV 35dB 带宽为5kHz 在工业区 沿海地区 高海拔地区 新线路 升压线路和绝缘设备存在微小放电的线路上噪声电平 还将增高15dB左右 因此 在这样恶劣的噪声环境下 输电线载波机一般都采用较大的 输出功率电平 37 49dBm 来获得必要的信噪比 3 3 5 线路阻抗变化大高压 输电线阻抗一般为300 400Q 在线路上呈波动状态 现场实测表明 在波动幅度达 到l 2左右时 对载波通道衰减将产生严重的影响 在通道加工不合理 不完善 存在容 性负载以及T接分支线时 会加剧载波通道的阻抗变化 甚至中断通信 低压用户配电网 载波通道的阻抗变化更大 在负荷很重时 线路阻抗可能低于1Q 这使得载波装置不能 采用固定的阻抗输出 3 3 6 线路衰减大且具有时变性 高压输电线载波通道衰减与频率的平方根成正比 且具有时变性 工频运行方式的 改变 线路换位 其它载波机带外乱真发射 载波通道间的串扰 线路分支线的长短以 及绝缘子污秽 刮强风 下小雨 线路冰凌及阻波器调谐线圈性能等多种因素会对载波 通道的衰减产生影响 为此 输电线载波机必须设置至少大于30dB范围的自动增益调整 线路电压等级 KV 6 351102203303305007501150 每相导线根数 11112348 杂音电平值 dB 50 40 30 15 30 25 20 20 电路 一般来说 从500kV到220V 电压等级从高到低 电压越低线路衰减越大 时变性 越强 建立通道越困难 有时在中压或低压配电网载波通道的衰减大到难以实现通信的 状况时 设计人员不得不采用特殊的通信方式或设计多通道电路来自动进行选择 3 3 7 对外界的干扰 由于高压输电线载波频段限制在40 500kHz 只要控制载波机的谐波和交调乱真发 射功率足够小 即可避免对外界的干扰 目前值得研究的是在220V线路上的扩频电线上 网装置的干扰问题 这类装置为了实现高速数据通信 往往占用频带达30MHz甚至更多 据国外媒体报道 当输电线数据通信使用2 30MHz的频带传输数据时 将会对该频段的 短波无线电广播 业余爱好者无线电台等产生影响 目前我国还没有建立这方面的标准 应当将这种干扰限制在何种程度还需要进一步研究 3 3 8 网络应用要求更高 现代通信对输电线载波的要求也更侧重于网络方面 需要将原先仅限于通道的概念 扩展为网络概念 以往的输电线载波机主要靠自动盘和音转接口实现小范围的联网 而 将载波机与调度机协同考虑 实现载波机协同变电站调度机的组网应用以及适当设置能 够与通信网监测系统连接的数据采集变送器应当是我们近几年考虑的问题 与高压电力 载波不同 输电线载波在中 低压线路上的应用在开始阶段就是建立在网络应用的基础 之上的 4 4 输电线载波通信的特点及主要技术和规范输电线载波通信的特点及主要技术和规范 4 1 输电线通信特点 由于输电线是给用电设备传送电能的 而不是用来传送数据的 所以输电线对数据 传输有许多限制 因此输电线通信具有高削减 高噪声 高变形 使输电线成为一个不 理想的通信媒介 但由于现代通信技术的发展 使输电线载波通信成为可能 其使用中 有以下特征 一是以一个变压器为一个集中通信单元 二是采用一些有效的通信规程 使其具有较强的检错 纠错能力 三是必须能在不同相线上进行有效的通信 早在1992年国际标准化组织ISO就对输电线数据系统作过说明 它一般分低速率数据 传输 如1200bps 和高速率数据传输 如19200bps 低速率采用频移键控 FSK 调制方法 每个字符组包括一个启始位 地逻辑电平 8个数据位和一个停止位 高逻辑电平 数据 包均由启始头文件引导 数字信号过数模转换 用电压注入方式叠加在三相交流电上 通信两端采用异步 半双工方式收发信号 为了与高速率数据通信兼容 其带外频谱功 率小于lmVrms 低速率数据传输一般用于范围小 数据采集量少的场合 如电表 水表 的抄表系统 高速率数据传输系统属于宽带信号通信 采用扩频技术 网络阻抗适应技 术 以同步全双工通信方式进行高可靠性通信 数据信号采用二相相移键控 BPSK 方法 在PN码平衡调制器中 高码率PN码脉冲序列调制通信信号 输出展宽的扩展频谱 传输 信号的零到零带宽从140kHz到400kHz lOkHz带宽的输出功率是lOOmW 输出信号一般使 用适应不同线路阻抗的电压注入方式 加载到交流电上 经过长距离通信 为了保证解 调信号的正确性 接收端往往需要进行信号补偿 高速率输电线通信设备理论上可以组 成输电线局域网和广域网 为了克服低压网上传输数据的困难 人们正试图将先进的数 字信号处理技术引入到PLC中 在全数字PLC中 可以采用当前流行的语音压缩编码技术 对语音信号经过压缩编码 降低输入信号的冗余 提高了频带利用率 然后与数据信号 进行数字复接 可以采用自适应回波抵消技术实现双向通信 可以采用自适应信道均衡 技术减小信道对通信造成的影响 提高可靠性 新一代全数字输电线载波机采AMBE技术 通话质量也很好 特点 1 电网在线 所产生的辐射问题不易解决 因电力网使用的大多是非屏蔽线 用 它来传输数据不可避免地会形成电磁辐射 从而会对其他无线通信产生干扰 2 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交压 器区域范围内传送 3 三相输电线间有很大信号损失 通信距离很近时 不同相间可能会收到信号 一 般电力载波信号只能在单相输电线上传输 4 不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同 藕合方式有线 地藕合和线 中线 藕合 线 地藕合方式与线 中线藕合方式相比 电力载波信号少损失十几dB 但线 地藕合方式不是所有地区电力系统都适用 5 输电线存在本身因有的脉冲干扰 目前使用的交流电有50HZ和60HZ 在每一交流 周期中 出现两次峰值 两次峰值会带来两次脉冲干扰 因此干扰必须加以处理 6 输电线对载波信号造成高削减 当输电线上负荷很重时 线路阻抗可达1欧姆以下 造成对载波信号的高削减 实际应用中 当输电线空载时 点对点载波信号可传输到几 公里 但当输电线上负荷很重时 只能传输几十米 因此 只有进一步提高载波信号功 率来满足数据传输的要求 提高载波信号功率会增加产品成本 4 2 输电线通信的相关技术规范 PLC的理论研究已经从早期的模拟调制转移到数字调制方法 目前采用传统的频带传 输 幅移键控ASK 频移键控FSK 相移键控PSK 的PLC日趋成熟 研究的热点是三种具有 高抗干扰性的数字调制技术 多维网格编码技术 扩频通信技术 SSC 和正交频分复用 OFDM 等 CEBus 消费电子总线 家庭总线 包括两标 准 一个用于低速 低于lOkbps 控制 另一个用 于高速数据信号 如数字视频传输 因为CEBus是 点对点网络 它不需要系统控制器 其输电线载 波通信技术使用chirp扩频信号技术 该类系统中 的接收机要花几个毫秒来锁定信号 Intellon公 司的技术优势在于它可快速传输更多的信息 CEBus使用csMA cD方法来控制其节点对输电线媒 介的访问 CEBus采用NRZ编码体制 用脉冲宽度 表示信号 CEBus是参考ISO的OSI七层模型设计的 见图4 2所示 整个物理层的功能已经芯片化 某 输电线 双绞线 射频 红外线 光纤 同轴电缆 用户接口或应用过 程 层 系 统 管 理 应用层 网络层 数据链路层 物理层 图 4 2 CEBus 节点模型 些芯片还包括了数据链路层的功能 MAC子层提供带或不带应答的无连接数据传送服务 有时MAC还承担查错任务 同时MAC还要生成包的控制域 以标明包的类型 优先级 服 务级别和序列号 优先级分3级 高 级专门用于与人交互的进程和开环控制的进程 其他进程为 中 或 低 级 LLC子层是个空壳 只转发命令 无实质性工作 网络层 负责路由 路桥 确定网址 流量控制 给数据分段 丢弃无线媒体收到的重复包等 由于网络层已超然于媒体之上 所以要考虑信息的跨媒体传输问题 应用层可以通过原 语向网络层指明 优先级是否需要应答 是否有网址 是否使用流量控制 路由方式 允许在什么媒体上传输 是否使用路桥以及路桥的网址等等 CEBus覆盖了家庭中的一切传输媒体 包括红外线 射频 输电线 同轴电缆 双绞 线或光纤等 正是因为这一点 所以它有 路桥 的概念 路桥指能在无线媒体 红外线 或射频 与有线媒体 输电线 同轴电缆 双绞线或光纤 之间转发包的设备 一台内藏微 控制器 配备CEBus软件的电视是红外线和输电线之间的路桥 因为它和输电线相连 同 时还使用红外遥控器 一台类似的无绳电话则是无线电 输电线和双绞线之间的路桥 跨媒体传输提高了网络的健壮性和灵活性 同时也使生活空前方便 CEBus的应用层通过CAL和应用程序连接 CAL是CEBus专为设备之间相互通信而设计 的面向对象语言 网络资源的分配和控制也通过CAL完成 在目前的CEBus标准中只有一 个信道 将来可能要增加1个或几个data channel 届时资源分配将复杂起来 对输电线载波影响最大的干扰是PC机等使用的开关电源 其噪声覆盖了载波频段 使用小而便宜的阻波器 开关电源通过它与输电线相连 这就可以消除开关电源的干扰 当然 实际应用中可能仅部分开关电源使用了阻波器 再考虑到电器随意开关 所以线 路质量不稳定 在用户通信设备入口端上也安装阻波器 把家庭内部的输电线通信网 PL 与 外面相隔离 内部的PL网上传输的是个人信息 在外部的PL网上传输公共信息 例如每 户家庭的耗电量 用水量 整个大楼的安全信息 中央空调的控制信息等 从而提高保 密性 信息无法在外界和家庭内部之间传递 同时也降低网络负载 住户主人可以用电 话 互连网等从外面访问家中的PLC网 如何保证在输电线上可靠地传输 这在CEBus中只简单地提到两点 1 物理层要保证 收到的数据包的正确率达98 2 发送方重复发送 这实际上限制了CEBus网络的规模 如果网络规模较大便不实用了 家用输电线载波通信网的应用环境特点是由不懂计算机 的大众使用 家电的布置非常随意且经常变动 而且还要具有一定的可靠性 所以 提 出用 随机转发 方法 不要路由器 任何一台设备都负责转发数据包 保证数据包传 遍PL网 从而实现了方便性和可靠性 已经研究出的低频载波技术允许信号在输电线上 传输很远的距离 在输电线上同时使用高频和低频信号 用低频信号完成网络配置和转 发调度工作 两者取长补短 可大大提高网络性能 5 5 基于输电线载波通信的自动抄表系统设计基于输电线载波通信的自动抄表系统设计 电线作为通信线路的通信速度 根据不同需要 可从低速到高速 对高速PLC应用 用户只需要添加一个特制的调制解调器 这个调制调解器的数据线顶端是一个常规电源 插头 用户将电脑与调制解调器接通 再将调制解调器插上电源插座 电脑即可上网 在其宽带线路上可以和其他宽带服务一样提供广泛的增值信息业务 包括基于IP的话音 业务 VoIP 电视会议 视频广 播 视频点播 VOD 宽带因特网 接入 电子商务 远程教育和远 程医疗等多种服务 一个民用 220V线路的变压器只覆盖一定范 围内的用户 所以在同一条输电 线上的资源不会因为用户太多而 降低效率 相对于用电话拨号上 网和ADSL来讲大多数家庭电话线路不多 限制了可连结 图5 1是一个典型的电力宽 带接入原图 上网的电脑数 而PLC则不受这方面影响 在家庭各个插头处都可以连接电脑 同样 应 用PLC技术 除了可以方便的进行宽带互联网连接外还可以进行远程自动读出水 电 气 表数据 这样就可以方便的自动用电子货币结算用户生活的所有收费项目 节省大量人 力 物力 也极大地方便了用户 同时利用的 电线上网 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 并且 可以电力公司管 理水平 下面 我们着重讨论基于输电线载波通信的自动抄表系统设计 5 1 基于输电线载波通信的自动抄表系统设计的必要性 可行性 5 1 1 低压输电线集中抄表的必要性 当前 电力抄表基本上都是人工来完成 即由抄表人员挨家逐户查抄电表 这种落 后的方式 是与当今高度发展的科技水平不相称的 不仅需要大量的人力 物力 同时 到居民住宅内抄表也可能引发诸多问题 给用户带来不便 而且由于采集数据间跨度大 采集数据的准确度也较低 使得电力管理部门无法做到同时集中抄表 从而不能准确反 映实际线损 不能做到电网负荷的实时监测 预测及控制 以上这些方面严重阻碍了电 力行业经济效益和管理水平的提高 为此 国家有关部门决定在电网改造的同时 对居 民住宅供配电系统实施一户一表改造 并要求对传统的抄表 收费方式同步进行改造 使用质量可靠 经有关部门检验合格的自动抄表系统抄表 所谓电能表自动抄表 是指 供电部门将安装在用户的电能表所记录的用电量等数据通过遥测 传输和计算机系统汇 总到管理部门 随着通信技术的发展 已经生产基于扩频技术的调制解调器 modem 使 得在低压电网上进行数据传送变为现实 利用220v低压电网和现有的各种电表 用扩频 技术和信道编码技术进行数据的载波传输 实现电力数据的自动读取 传输及处理 5 1 2 低压输电线集中抄表的可行性 抄系统技术先进 复杂 硬件投资高 这样产品成本就高 目前衡量输电线载波集 抄系统的先进与否 关键是看它能否进行实时通信 也就是能否每时每刻都保持很高的 通信成功率 就低压输电线载波抄表系统而言 如果不考虑产品成本 目前的技术水平 和器件的发展已经完全可以建成通信十分稳定的数据传输信道 甚至可以建成实时系统 产品成本高 大量推广就不可行 也就没有实用性 只能建几个试点而已 因此 建设 居民电表集抄系统要重视性能价格比 重视实用性和先进性的关系 1 集中抄表系统数据传输的准确性与通信信道的关系 很多人认为输电线通信信道不稳定 干扰多 衰减大 因此 进行数据传输容易使 数据出错 其实这是一种误解 现代通信技术发展很快 抗干扰技术十分成熟 数据在 信道上传输是经过编码加校验 通过这些技术处理后 如果某一个电表数据在信道上传 输时受到干扰 接收时就会出现通信失败 再试一次 而不会出现一个错误的数据 这 种现象反映在实时监控系统中表现为 拒动 反映在数字话音通信时 表现为失真或阻 塞 因此输电线通信信道和有线专线一样 均可以保证数据正确传输 2 载波抄表系统通信距离的认识 目前 低压输电线载波集中抄表系统以台区为单元 在一个台区内采用输电线 数 据集中后再借助其它信道往上传 因此通信距离主要指一台变压器供电范围内数据在没 有集中前的传送距离 它是衡量系统优劣的一个重要指标 关系到系统的实用性 由于 低压输电线有时会有同频干扰的出现 因此试验中发现有时能传500米的电表 有时5米 也不能通信 所以通信距离只是常规情况下的数据 在不考虑电表模块参与中继的情况 下 一般能传500米以上 如果加上中继功能 能够大于1 5Km 电缆系统传输由于分布 电容的影响 距离要近一些 但也完全能满足城市小区的集中抄表要求 为了解决抄表 的技术问题 已有不少科技人员做过这方面的研究 并已经取得了一些阶段性的成果 比如 针对当前已趋成熟的IC卡 智能卡 技术 研究人员开发出IC卡预付费电表 成功 解决了先用电后交费的不合理问题 用户购买带一定面值的IC卡后方可用电 但由于没 有互联成网 实际上没有解决自动抄表的问题 而且其保密性能也有待提高 此外国内 外也开发出如手持式红外或无线抄表仪 抄表人员手持抄表仪就可准确抄录电表数据 再由便携式电脑将数据发给主机 从而实现自动抄表 为此技术人员提出采用无线 专 线 电话线或输电线载波的方法将各用户电表与主机互联成网进行自动抄表 采取无线 的方式虽然是一种很成熟的方案 但因所需发射功率大而且现在无线信道环境恶劣 从 而误码率较高 可靠性下降 仍难逃脱如何处理强噪声干扰的问题 此外还需遵守有关 法律的规定 申请使用频率 使用专线当然也是一种方法 但要进行大范围的布线 这 需要大量的资金 是电力部门难以承受的 采用电话线也不失为一种可行的方法 不过 由于电话线并非广泛分布 仍然需要局部布线 增加额外投资 为此科技人员设想采用 输电线载波的方式来达到此目的 用户在哪 输电线也在哪 这是其他的方法所无法比 拟的 针对输电线载波的应用已有很长的研究时间了 先前的应用研究主要在窄带方面 如何解决输电线恶劣的噪声环境一直是令人头疼的事 而且先前的研究也主要集中在输 电线噪声环境分析上 随着扩频通信技术的发展 由于其具有比窄带通信好的抗干扰性 和保密性而受到技术人员的青睐 并且己有初步的成型产品 5 2 系统优点 基于输电线载波技术的远程自动抄表系统 主要有以下几个优点 1 无需抄表员 用户的用电情况就能快速准确地反映到供电局的计算机中心 2 通过系统随意呼叫 每户人家当前用电量值 最大平均功率出现的时间 甚至整 幢楼每小时 日 月 年的用电量 最大平均功率及出现时间 停电时间和次数 以及 日 月的线损量和线损率都能清晰地显示 3 准确记录不同用户的用电负荷 4 系统自动运算各环节电量 及时发现不明电量损失 杜绝盗窃用电 以下是输电 线远程自动抄表与传统手工抄表的比较 表5 1输电线远程自动抄表与传统手工抄表的比较 5 3 系统构成 图5 2基于输电线远程自动抄表系统的实现原理图 从结构图可知 自动抄表系统是将电表数据从下而上逐级送完成 也可以根据实际 情况的需要进行数据双向传输 该系统可分为五个主要组成部分 1 用户电能表 2 数据采集器 3 输电线modem 4 集中器 5 计算机抄表中心 抄表系统各组成部分的功能如下 系统 项目 本系统传统系统 I 抄表方式全电脑自动抄表人工抄表 2 供电布线汇流排方式共用双线集中电表房后专线到用户 3 与供电局数据交换通过公用线路电话网INTERNET人工传送 4 数据准确率无误传输受人为因素制约 管理中心计算机管理中心计算机 电力载波集中器电力载波集中器 电力电力Modem 电力载波集中器电力载波集中器 电力电力Modem 电力电力Modem 电力电力Modem 数据采集器数据采集器 数据采集器数据采集器数据采集器数据采集器数据采集器数据采集器 用户电能表用户电能表用户电能表用户电能表用户电能表用户电能表用户电能表用户电能表 l 用户电能表 对于电磁式电能表需在表内加装一只传感器或光电模块 将电能表的 数据转换成电信号输出 对于电子式电能