（电力电子与电力传动专业论文）基于电力线载波通信的智能小区的研究与实现.pdf

a b s t r a c t t h eu n i v e r s a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n td i s t r i c tr e q u e s ti ti sd e s i g n e dw i t h l o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c e p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) i st h eb e s t w a yt oc o r r e s p o n dw i t ht h er e s p e c to ft e c h n i c a lo re c o n o m i c a lr e a s o n s t h e p o w e rl i n et r a n s m i s s i o nm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e dt oe x p l a i nt h ed i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ( d s s s ) i st h et h eb e s tm e t h o dt om o d u l a t et h e s i g n a l t oo v e r c o m et h ep o w e rl i n e ss h o r t c o m i n g so fh i g hr e d u c t i o n ，h i g h n o i s e ，h i g hd i s t o r t i o n ，a n ds oo na n dm a k ei tp o s s i b l et ob eaw o r k a b l e c o l r e s p o n d e n c em e d i u m i nt h ei n t e l l i g e n td i s t r i c td e s i g np r o p o s a l ，t h e p o w e rl i n ea n dt h em o d e mc h i ps c 112 8w h i c hi sa d e q u a t ef o ro u rc o u n t r y s p o w e rl i n en e ts i t u a t i o na r eu s e dt oc o m p o s e t h et h ed i s t r i c t - n e t ；t h ef a m i l y n e t w o r kc a nc o m m u n i c a t ew i t hd i s t r i c ta d m i n i s t r a t i v ec e n t e rt h r o u g hf a m i l y g a t e w a y t h ed i s t r i c ta d m i n i s t r a t i v ec e n t e rh a sf o l l o wf u n c t i o n s ：f i r s t ，i t c a nc o l l e c t ，r e o r g a n i z ea n dm e m o r yt h ed a t e so ff a m i l i e s ，s e c o n d ，i tc a n c o n n e c tw i t hi n t e r n e ta n dt h ef a m i l ym e m b e r sc a nm a k el o n g d i s t a n ti n q u i r y a n dc o n t r o lf a m i l ye q u i p m e n t s t h ea r t i c l ed e s i g n st h ep l cn e to ff a m i l y b a s e do ne x p a n d i n gf r e q u e n c y ，a n dd e b u g st h ea b i l i t yo fc o r r e s p o n d e n c e b e t w e e nh o s ta n dg u e s tm o d u l e s t h ef a c t sd e m o n s t r a t et h es y s t e mi s w o r k a b l e f i n a l l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h es o f t w a r eo fa b o v em a c h i n eo ft h e d i s t r i c ta d m i n i s t r a t i v e c e n t e r ，a n dp r e s e n ta b o v em a c h i n em a n a g e m e n t s y s t e ma c c o r d i n gt ov i s u a lb a s i c6 0t of u l f i l ls u c ho p e r a t i o nw i t hd a t al i k e s a v i n g ，a n a l y s i s ，m a i n t e n a n c e ，i n q u i r y a n ds t a t i s t i ca n dr e p o r tf o r m s p r i n t i n g k e yw o r d ：i n t e l l i g e n td i s t r i c t ；p l c ；d s s s ；s c l l 2 8 ；p o w e rl i n e t r a n s m i s s i o nm o d e l ：v i s u a lb a s i c6 0 辽宁t 程扯术人学坝l 论义 1 绪论 1 1 智能小区的发展概述 1 1 1 国外智能小区的发展概述 在智能化小区网络的发展过程中，美国一直处于世界领先水平。目 i i ，美国有7 0 0 0 万家庭依靠智能化网络设备生活。美国微软公司，摩托 罗拉公司和3 c o m 公司等一批国际知名企业也先后进入智能小区网络的 研究及丌发领域。i n t e l 也推出了a n y p o i n t 小区网络系统，可以通过电话 线或无线方式将p c 机与住户家中的各种设备连接起来。日本松下电器等 一批大公司联手推出了无线连接和电力线连接并用的e c h o n e t 系统，该 系统支持即插即用，且能兼容不同厂家的家庭电器设备。在智能小区的 发展过程中，国外知名公司首先关注的是智能建筑的发展，l9 8 4 年世界 上第一座智能大厦在美国诞生，在短短的几年中美国、目本，欧洲的几 力座智能大厦纷纷建起。美国1 9 8 6 年成立了有十七家会员国参与的“智 能建筑协会”，并宣布1 9 9 5 年以后要大幅度增加智能型大楼的比例。日 本也于19 8 5 年成立了国家智能建筑专业委员会，对智能建筑的发展给予 政策上的支持，使同本成为智能建筑发展很快的国家，据统计日本新建 的建筑物中百分之六十以上是智能型的。进入9 0 年代，英国、法国、加 拿大、瑞典等国家相继建成一批有自己特色的智能建筑。随着信息技术 的发展，智能建筑正由智能大厦走向智能化居民小区和家庭。 1 1 2 国内智能小区的发展概述 国外目前既有分散的别墅也有居民小区，但是分散的别墅所占的比 例很大。我国的居住模式绝大多数是居民小区，因此我国的智能化小区 的模式与国外不同。虽然在我国目酊尚没有如美国及同本的住宅智能化 系统的技术化标准，但是已借助智能建筑的概念和技术扩展到一个区域 进行综合管理和统一管理并进行了智能住宅小区的建设。 9 0 年代仞，由于我国居民住宅建设标准逐步提高。1 9 9 4 年建设部正 式提出了小康住宅的概念并推出了小康住宅的设计标准”1 。继而国家科 委也组织了“2 l 世纪的住宅科技产业工程”提出加大科技含量，提高住 宅的功能与质量，改善居住环境。19 9 7 年国家下式进行了住宅制度的改 辽宁t 程技术人学坝l 论义 2 革，在小康住宅的基础上形成了智能小区的概念，进一步加大了住宅小 区的科技含量。 l 。2 智能小区系统方案研究 1 2 1 小区信息传输媒介的确定 智能小区系统的基本组成单元是智能家庭，所以智能小区的普及化 发展要求智能家庭系统面向低成本、高性能的目标设计”1 。目前，可以 实现智能小区的传输介质有以太网， 况住户对价格较为敏感，所以智能家 于智能家庭系统的安装商来说，更应 有线电视网，专用网络等。一般来 庭采用的技术要经济实用，同时对 该考虑系统是否易于安装，是否需 要修改用户已有的房屋居住环境，是否需要额外布线，布线的复杂程度 如何，布线是否可靠等问题。虽然目前也有设计成功的智能家庭系统， 但是这些系统或者需要另外单独布线，或者所用设备价格太高，或者使 用国外芯片，而这些芯片是基于国外电网特点设计的，不适合我国电网 特点，所以即使勉强使用，效果不佳，所以到目前为止还没有真正设计 出一套物美价廉适合普通老百姓的智能家庭系统。 低压电力线是住宅小区内遍布各个建筑物并且住户普遍使用的网络 系统，其目的是满足千家万户的照明、家用电器等用电的各种需要，无 论是新建的小区还是建好的小区，低压电力线都是我们的生活必需品。 智能化住宅小区利用低压电力线网络作为信息传输介质，因为电力线网 络是现成的，不需另行架设网络布线，从而可以节约大量的网络线路资 会，网络形成速度快，覆盖范围广，任何有低压用户的房间和部位都可 按入网络，改善了网络线路环境，原有电话、有线电视、电脑网络线路 室外纵横交错，室内密如蛛网的现象不复存在，网络线路简捷，利用方 便。可以晚充分利用现成的电力网络承载电话、电视和电脑网络，市场 潜力巨大，会产生巨大的经济和社会效益。 综合以上几方面的考虑，本文设计了一种廉价而又可靠的智能小区 解决方案，该方案既适用于新建的小区，也适用于旧楼的改造，在小区 内部采用电力线作为通信介质，采用基于直接序列扩频技术的国产电力 线m o d e ms c l l2 8 作为通信接口芯片组成家庭网络；家庭网络通过家庭 辽宁1 一程于上术人学慷i 论文 网关和小区电网与小区管理中心的连接 区各个家庭信息进行收集、整理和存储 人远程查询和控制家庭设备。 小区管理中心一方面对整个小 另方面和i n t e r n e t 相连，供家 本文利用基于d s s s 的电力线载波技术，设计出在住宅小区范围内 采用电力线载波通信，家庭内部网络和小区管理中心利用家庭网关通过 小区电网连接，并利用扩频技术提高其抗干扰性， 外利用以太网通信。这样既克服了低压电力线通信 用了以太网等现有的资源，且容易实施。这样使整 小区管理中心和小区 距离短的缺点，又利 个系统结构简单，信 息传输率高，成本较低，成功地解决了困扰实现智能小区“最后一公里” 问题，具有重要的现实意义。 1 2 2 智能小区系统的结构和工作过程 本文丌发的智能小区系统主要是由小区管理中心、家庭网关、电力 线载波网络构成”1 ，如图1 _ l 所示。小区管理中心主要由小区服务器和小 区主控制模块组成，小区服务器可以实现小区电网数据传输协议到 t c p i p 协议转换，小区主控制模块一方面可以通过电力线与各个家庭网 关进行通信，进行信息收集、整理和存储，另一方面通过小区服务器实 现小区电网与i n t e r n e t 的连接，用户可以通过小区服务器登陆i n t e r n e t ， 也可以在外边凭借其家庭密码登陆小区管理中心对家庭信息进行远程查 询和控制。由于小区主控制模块与家庭网络的通信方式与家庭主次模块 的通信方式相同，因此，本论文重点设计了家庭内部网络“3 。 家庭内部网络是出家庭主控制模块( 简称主 智能模块( 简称从模块) 通过电力线连接而成， 模块) 和各个分系统从 主控制模块对各个从智 能模块构成主从站的关系，主模块定时对各个从模块进行查询，收集各 个从智能模块的信息，传给家庭网关，并把家庭网关发来的控制信息传 给相应的从智能模块执行。主模块与从模块之间采用电力线作为通信介 质，并采用扩频技术通信。主模块主要由电力线载波扩频通信芯片 s c l l2 8 及其外围电路、单片机、存储器和与r s 2 3 2 通信接口组成。各个 从模块主要由电力线载波扩频通信芯片及其外围电路、单片机、存储器、 模拟量输入输出电路、丌关量输入输出电路、传感器和执行机构组成， 辽宁t 程救术人学帧i 论文 它们分别完成不同的功能，并根据功能的不同。其电路结构也有所不同。 家庭信息通过家庭网关传到小区管理中心。家庭网关不但可以实现家庭 内部网络与小区管理中心直接通过电力线网的连接，也可以实现家庭内 部网络数掘传输协议到t c p i p 协议转换，实现i n t e r n e t 接入。 图1 1 智能小区网络结构图 1 2 3 系统功能 本设计的智能小区可以实现多种功能： a 防盗报警 家中的各个需要保护的地方安装防盗模块，防盗模块安装有防盗报 警探头，一旦有盗窃事件发生，瞬间丌启报警设备。 b 火灾自动探测报警 火灾检测模块通过安装烟感火灾探测器来判断是否发生火灾。发生 火灾时及时发出警报。 c 煤气泄漏自动探测报警 辽宁t 程拙术人学坝i 论义 煤气检测泄露模块通过安装煤气泄露探测器来判断是否漏气，当漏 气时及时发出警报。 d 紧急求助 紧急救助分为两类，一类是家庭被盗或家人受到劫持时的紧急求助， 另一类是家人出现突发病情的紧急求助。将两种紧急救助按钮放在容易 接触的地方，当需要救助时，按下相应按钮，紧急救助模块就可根据救 助类型及时向小区管理中心发出警报。 e 水、电、气、暖气表远程自动抄收 各类智能表可以通过检测相应的脉冲量和模拟量，并经过相应处理 求得各种信息。 f 小区内部电子公告 小区管理中心可以通过小区广播方式或特定通知方式，选择单户或 多户，向各户家中家庭网关发送中、英文电子公告消息，如小区娱乐活 动安排、催缴费用通知，以及重要新闻等。 g 家庭上网 智能家庭不需要直接接入i n t e r n e t ，可以通过小区服务器上网，节省 了费用。 h 照明控制系统 照明控制模块主要是对r 光灯、吊灯、壁灯、射灯和落地台灯等的 控制。不仅可以控制丌关还可以作亮度调节，以满足各种需要。灯光会 根j ) i i ：不同的情景，做出相应的调整。 i ，家用电器控制 家用电器控制模块控制家用电器的开启关闭、时间设定和特殊功能 设定( 如空调温度等) 。 j 家庭信息的查询和控制 住户在家时可以对任一智能模块的状态进行设定，住户也可以从 i n t e r n e t 登录小区网站查询和控制家用电器设备的状况。 1 3 本论文的主要内容 本论文主要偏重于电力线传输特性分析及其模型的建立、电力线载 辽宁t 程技术人学舰l 论义 6 波扩频通信原理和主从模块的设计与通信测试。本论文的主要内容如下： 第l 章介绍了智能小区国内外的发展概况，并且确定了小区信息的 传输媒介和系统的结构框图。 第2 章介绍了电力线载波通信的发展概况，并且论述了采用电力线 载波通信实现智能小区的可行性以及需要解决的关键技术。分析了低压 电力线传输特性，在此基础上，考虑低压电力线的非均匀的传输特性， 建它全新低压电力线的传输模型。这章是第3 章确立电力线采用何种通 信方式以及第4 章小区网络的硬件设计的依据。 第3 章介绍了电力线载波扩频通信原理，提出采用具有很强抗干扰 能立的直接序列扩频通信方式。选用了适合我国电网实际情况的电力线 m 0 d e m s c l l 2 8 作为载波芯片。 第4 章介绍了小区网络硬件设计，主要介绍了家庭内部主从模块的 设计。 第5 章分析了智能小区管理中心的软件设计，主要设计了家庭内部 主从模块通信软件，并且对小区管理中心的上位机系统软件进行了探讨， 最后对主从模块的通信进行了测试。 辽 t 程拉术人学帧i 论史 2 低压电力线载波通信 2 1 电力线载波通信的概念 电力线载波通信是指以电力线作为传输媒介n3 ，在电力线通信网络 的各个节点之i 训以及在电力线通信网络与其他通信网络之间实现数据交 换和信息传输。电力线通信技术把载有信息的高频信号加载至电流中， 用电力线进行信息传输，在接收端又通过调制解调器将信号从电流中分 离出来，输送到计算机或者其他智能终端，从而实现了信息传递。 2 2 低压电力线载波通信的现状 2 2 1 国外低压电力线载波通信的现状 由于国外的公共电力网比较纯净，有专用的滤波系统，能保证数据 在传输中受到外界较小的干扰，比我国的电力线通信有着先天的优势， 加之国外的微电子技术及工艺水平远远高于我国，因此国外的电力线通 信不论是应用技术还是理论研究方面都走在前列伸1 。2 0 0 1 年初，专用调 制解调芯片制造技术的进展明显加速，许多国家的研究机构开展了电力 线通信技术的研究和开发，其中德国r w e 公司的研究颇引人注目，1 9 9 7 年丌始与瑞士a s c o m 公司合作开发电力线通信产品，2 0 0 0 年5 月开始 进行2 0 0 户的现场试验，2 0 0 0 年1 1 月起在德国埃森r w ep l u g 公司总部 大厅丌放电力线通信演示样板间，2 0 0 1 推出r w ep o w e r n e t ( 电力线通信 上网) 、r w ep o w e r s c h o o l ( 电力线通信学校联网) 和r w ee h o m e ( 智能家庭 自动化) 三项业务及相应产品。r w e 公司成为世界上首家宣布实现电力线 通信接入系统商业化运营的企业，同时德国也是迄今为止世界上唯一允 许电力线通信进入商业化运行的国家，并颁布了有关法律。 随着电力线通信技术的发展，相继成立了相关的国际性电力线通信 组织，例如：由3 c o m ，a m d ， c i s c os y s t e m s 等13 家公司组成了 h or n e p l u g 电力线联盟( h o m e p l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ) 、电力线通信技术论 坛和电力线作为可供选择的本地接入系统协会p a l a s ( p o w e r l i n ea sa l l a l t e r n a t i v el o c a la c c e s s ) 等。目前，h o m e p l u g 电力线联盟已有9 0 家公司 参与咳组织标准的制定工作，并己制定了第一个标准草案f h o m e p l u g1 0 s p e c i f i c a t i o n ) 。这些组织正在研究电力线通信技术标准、市场推进和政府 辽宁t 程扎术人学坝f 。论文 管制政策等问题”1 。 2 2 2 国内低压电力线载波通信的现状 我固已在长达6 7 0 ，0 0 0 k m 的3 5 k v 以上电压等级的输电线路上多数己 丌通电力线载波通道，形成了庞大的电力线载波通信网。该网络主要用 二地、市级或以下供电部门构成面向终端变电站及大用户的调度通信、 远动及综合自动化通道使用。中低压电力线载波的应用目前主要在1 0 k v 电力线作为配电网自动化系统的数据传输通道和3 8 0 2 2 0 v 用户电网作为 集中远方自动抄表系统的数据传输通道，还有正在开发并取得阶段性进 展的电力线上网高速m o d e m 的应用。在这些方面，1 0 k v 上的应用己经 达到了实用化，作为自动抄表系统通道的载波应用目前己能够组网通信， 完成数据抄收功能。通过p l c 传输网络和产品，可以在家庭内部或居民 楼内建立高速的小型局域网，实现语音、视频等大数据量的传输，这也 是a d s l 技术所无法实现的。因此在我国智能化小区运用电力线为载体 进行信息传输也己成为今后研究的主流。 我国电力线系统与国外相比有其特殊性，因此不能简单地引进国外 的芯片和技术，只能自主开发适应我国电力网的电力线通信产品。 2 3 实现低压电力线载波通信存在的主要问题 a 对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种 不同性质的负载在任意位置随机的连接和断开，因此，高频信号随着通 信距离、信号频率、甚至工频电源的相位的变化，其衰减都会产生很大 变化。这些变化，对载波通信设备的设计有很大的影响。 b 电力线上的干扰不能简单地认为是可加性高斯白噪声，可以近似 地分为周期性的连续干扰、周期性脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机 产生的突发于扰。通常情况下，前两种干扰占主要地位。低压电力线上 的干扰也存在多变性。这种多变性表现在两个方面：首先是因时而变， 即在不同时刻，干扰的频率、强度都不相同；其次是因地而变，即在不 同的电网之| 日j ，干扰情况各不相同，因此抗干扰是低压电力线通信的一 个难点。实现低压电力线通信的主要技术难点和关键是解决干扰问题， 山于低压电力网上负载的干变力化，同时由于用户用电的随机性，导致 j 工宁t 程扯术人学坝j 论史 9 网络负载处在不停的变化之中，具有很大的时变性，而且它们又会因地 点的变化而变化，因此网络干扰非常严重，很难给出准确的数学模型， 但是建立一个能反映低压电力线通信信道的大概传输模型对于研究电力 线载波通信的编码，传输和解调有很重要的意义。 c 输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数，低压电力线上 的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。由于电力线上负载的数量、 类型不同，使不同频率的阻抗变化也不同，电力线负载网络是由许多电 阻、电容和电感组成的网络，从不同的点看，输入阻抗显然是不同的。 所以实际情况是非常复杂，甚至使输入的阻抗变化不可预测。正是由于 低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使得发送设备的输出阻抗和接收设备 的输入阻抗难以与之保持匹配，因而会给电路设计带来很大的困难。 由于以上这些缺点，使得信号在低压电力线上传输具有相当大的困 难。为此必须寻找抗干扰能力强的通信方式，以增强通信设备的传输能 力。 另外我国对低压电器的电磁兼容性( e m c ) 控制不严格，低压电力网上 的电磁污染要比发达国家严重得多，许多欧美国家成熟的电力线产品在 我国的使用效果不理想，有的甚至不能使用。所以我国低压电力线载波 通信的主要问题是如何解决信号传输过程中的干扰问题，因此在设计具 体系统时必须兼顾这个问题，根据不同时区干扰的具体情况采用具体的 措施。 2 4 低压电力线传输特性及其模型的建立 低压电力线通信网络是实现电力线在小区中作为网络传送媒介的关 键技术，对于家用电器实现即插上网和灵活联网具有极重要的意义，也 是目日口信息家电急需解决的重大技术问题。低压电力线信息传输组网不 需重新囱线，工程量小，初期投资低，用户网络接入带宽高，改善了网 络线路环境，是“最后一公里”的最佳接入方案。电力信息网的设计目 杯就是要实现对信息进行快速、准确、可靠、无差错、不丢失的传输。 以低压电力线网络作为传输载体进行语言、数据、图像传输，首先要解 决的问题是快速性与准确性的矛盾问题，传统的电力载波技术无法担当 辽宁t 程技术人学坝i 论义1 0 今r 大数据量快速传递的重任，且低压电力线上信号传输具有工作环境 恶劣、线路阻抗大，信号衰减大、干扰强且时变性大等特点“。因而， 任建立电力线模型的基础上选择种合适的电力线信号传输技术，尤其 是选择合适的调制方式尤为重要。 建立一个能反映低压电力线通信信道的模型对研究电力线载波通信 的调制、编码、传输和解调有很重要意义。该模型充分考虑了低压电力 线的阻抗特性、噪声干扰和衰减特性等因素对低压电力线载波通信的影 响，为工程实用的信号信道模型的建立提供理论依据，为实现智能化小 区提供了保证。 2 4 1 低压电力线上输入阻抗的变化特性 剥于一般的居民用户，我国采用的是2 2 0v 交流两线供电。由于电 网上负载的不断接入、切出，马达的停止、启动，电器有歼有关等各种 随机事件，使表现出来的信道特性具有很强的时变性。 输入阻抗是表征低压电力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大意义。 低压电力线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，电力线相当于一根均匀分布的传输线。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。 在实验所测的频率范围内，输入阻抗随频率的变化并不符合一般想 象下的随频率的增大而减小的变化规律，甚至与之相反。为解释这一问 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。这 些负载电力线本身组合成许多共振电路，在共振频率及其附近频率上形 成低阻抗区。同时，正是由于负载会在电力线上随机地连上或断开，所 以在不同时间，电力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变。出于同样 的原因t 电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。在由许多电阻、电容 和电感组成的网络中，从不同的位置点计算，输入阻抗显然是不同的。 山于低压电力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 辽宁t 程技术人学坝i 论义 难。 2 4 2 低压电力线的衰减特性 低压电力线一般出铝或其它导体加工而成，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落影响很大。尤其是那些用于 调整电网功率因数的大电容，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。 总的来说，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，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的关系。 2 4 3 低压电力线的干扰特性 电力线的噪声于扰特性有其特殊性，电力线上存在各种噪声干扰， 各种电网设备产生的噪声以及外界噪声在不同时间和不同地点是不同 的，因此电力线信道的噪声必然随着时问和地点变化而变化3 。 各种干扰噪声主要来源于4 个方面： 1 可控硅( s c r ) 器件和些电源电路产生的5 0 h z 的倍频谐波； 2 由负载和电网不同步而产生的具有平滑功率谱的干扰，如普通 电动机产生的干扰： 3 丌关电子设备产生的单脉冲噪声： 4 非同步周期的噪声。 背景噪声是典型离散高斯型的，它对通信系统的影响很好理解。其 余就是脉冲噪声，它对通信系统有着重要的影响，可以产生突发性干扰 辽宁t 程技术人学倾i 论文 1 2 引起瞬i n j 的高误码率。 在低压电力线上进行数据通信时的另一个需要认真研究的重要问题 是电力线上干扰的特殊性质。电力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，在电力线上引起的干 扰。人为干扰则是由连接在电力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4 类：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。通常情况下，前两类干扰占主导地位。 a - t ：扰的周期性 在以f 的研究中发现，谐波噪声以交流电频率的整数倍出现，因此 有理由相信干扰也会存在周期性的倾向。图2 1 是某一时刻电力线上的 干扰波形。图中显示电力线上的主要干扰是周期性出现的，其频率和幅 值比时不变连续干扰要离。 l 踺， 瓷2 ： 埘i 萄i b 图2 1 电力线上的干扰波形 产生这种周期性干扰的原因是由于许多用电设备在工频交流电基波 的某个固定相位上释放出干扰。例如，可控整流电源在a c 电源基波正 半周和负半周的4 5 度切换，则在一个工频周期中a c 电源上会出现2 个 缺口，从而会以1 0 0 h z 为周期，每周期2 次释放出强烈的干扰，而且这 种干扰与a c 电源有着固定的相位关系。每次干扰的持续时间受多种因 素的影响，如可控整流电源在a c 电源上产生缺口的宽度，电力线对高 频干扰的衰减强度等。在图2 一l 中，每次干扰的持续时间约为3 m s 。许多 丌关电源、逆变器等还可能产生频率高于1 0 0h z 的周期性干扰。 为对这种周期干扰进行进一步分析，画出图2 一l 干扰信号的对数频 谱特性如图2 2 所示。从图2 2 中可以看出，干扰信号的频谱非常不规则， 辽畸+ 丁程于上术人学坝i 论文 存在许多突变，有些频率信号的强度很高，有些则很低。但是，从总体 上来看，9k h z 以上的干扰信号的强度比8k h z 以下的信号的强度平均要 大7 d b 一8 d b 。因此，这种周期干扰主要是由大量的高频干扰组合而成的。 由于通常使用的电力线载波通信设备的工作频率都在1 0 k h z 以上，所以 这种干扰必然会对它门的正常工作产生很大的影响。如果不采取措施， 这种干扰可能引起几个到十几个数据位的传输错误。 | | 黼州州 警弹 丐：_ i _ 育再1 1 ；i i 蟊m , a , a 1 z 图2 2 干扰的对数频率特性 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，出于这种 干扰的频谱非常宽，所以对接收端滤波器的灵敏度有很高的要求。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 延伸到几力赫兹。如果信号频率j 下好与它们重叠，则对通信的可靠性会 产生很大的影响。在实际情况中，由于大量的用电设备同时释放出于扰， 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 终会在电力线上产生时不变的连续干扰。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。 由于信号在电力线上传输的衰减非常大并富于变化，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。 b 干扰的随机性 除了上述的周期性和连续性的干扰外，电力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、电力线路上的短路故障等引起的，往往是能量很大的脉冲干扰 辽宁t 程投术人学坝卜论义 j 4 或脉冲干扰群，持续时间较短，但能量很集中，频谱也很宽。 高压丌关的断丌和闭合在电力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。 雷电会在电力线路上产生能量很大的电流和电压脉冲，电流峰值可 达几千安培，电压峰值可达几万伏。这种波形的上升时间很短，通常不 大于55 微秒，下降时间相对较长，但通常也不大于7 5 微秒，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 叫路。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， 最具典型的是上升时间为0 5 微秒、振荡频率为1 0 0k h z 的衰减振荡波。 显然，这种脉冲会对载波通信产生很大的影响。 另外，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、功率因数补偿电容器的切换以及短路、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 较大的突发脉冲干扰而影响通信。 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，出现时问也是随机的，具有很大的不可预测性。如果它们正好 发生在数掘通信过程中，由于其高能量、宽频谱的特性，通常会使所传 数据的若干个位甚至整个数据传输过程发生错误。在一个完善的低压电 力线载波通信系统中，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。 c 干扰的多变性 低压电力线上的干扰存在多变性，这种多变性表现在两个方面。首 先足因时而变，即在不同时刻，干扰的频率、强度都各不相同；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j 1 日j ，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”“。后者是因为干扰在电力线 辽宁t 程扯术人学坳i 论史 上的传播也要遵循高频信号在电力线上的传播特性，会受到电力线上衰 减特性的影响，因而对距离、负载分布等也很敏感。因此，电力线上干 扰的因地而变的特性对低压电力线载波通信系统也会有很大的影响。 通过以上讨论可以看到，低压电力线上的信号衰减特性和干扰特性 非常复杂，而且随机性、时变性大，难以找到一个较为准确的解析式或 数学模型加以描述，这也是为什么长期以来对低压电力线高频信号传输 特性的分析多以定性分析和实验数据测试分析为主的原因，而这对低压 电力线载波通信设备的设计提出了很高的要求，即要求其有很好的自适 应能力。但同时，出于实用的角度，为了获得合理的性价比，又要求其 成本要限制在一定的范围内。这些对系统的设计而言是一个很大的挑战。 2 4 4 建立低压电力线模型的理论基础 传输线可以看作是由许多微小的电容、电感、电阻构成的，所以它 可以被看作是二端口网络的一种。那么，我们就可以利用二端口网络的 各种研究方法来研究传输线，建立其数学模型n “。 在传输线的特性分析中，采用传输线方程和t 参数分析二端口网络 i u 。= a u 。| + b l l i ，。= c u 。+ d ，川 上式为二端口网络的传输方程，a ，b ，c ，d 为二端口网络的t 参数。 根掘特性阻抗的定义，由式上式得 亳一乙：拿：罢堑旦霉 因为 u 。n = z n l w 从脯得： 三一赫群 辽宁- i - 程技术人学坝卜论文 1 6 同理 讧赫丽d z “+ b 解联立方程得： 互 耻筹 如果网络对称，a = d ，则z l = 乙。= z ：= j 昙 图2 - 3 ( a ) 为一均匀传输线，接电源的一端为始端，接负载的一端为终 端。两根导线中，上面从始端到终端的导线称为去线，下面从终端到始 端的导线称为回线。传输线的总长度为，。建立数轴x ，数轴的原点o 定 在传输线的始端。设传输线上任意处a ，b 到始端的距离为x ，d x 为一个 微分段。由于微分段极小，故可以忽略该段上电路参数的分布性，而用 图2 - 3 ( b ) 所示的集总参数电路模型等效代替。其中r d x ，l o d x ，g o d x ，c ，d x 分 别为微分d x 段的电阻、电感、电导、电容。这样整个均匀传输线，就相 当于由无穷多个这样的微分段级联而成。对于确定的时间t 而言，沿x 正方向电压的距离增加率为抛3 x ，电流的增加率为o i 苏，若设图2 - 3 ( b ) 中a 点的电压、电流分别为t l 、i ，则在a ，b 处的电压、电流分别 “+ ( o u a x ) d x ，i + ( o i & ) a b e 。故对节点a 可列出k c l 方程为 卜( f + 罢出) = g o ( “十o 出u d x ) d x + c o 讲a - ( “+ 詈出) 出。x0 xo i。) c 可以列回路a a 。b b 列k v l 方程为 “一 斗o 苏u d x ) = f 出十l o 优o i d x 将上两式加以整理化简，并略去二阶无穷小，即得传输线的方程为 可见，它是组偏微分方程。第一个方程的物理意义是，单位长度上电 厝 l i 卜 瑶孝 + r 瓯 j j = (蔷一西拼一缸 辽宁t 程| 土术人学帧l 论文 压的减小率( 一锄玉) ，等于单位长度上的电阻电压降r f 与单位长度上的 电感电压降l o o i 3 x 之和；第二个方程的物理意义是，单位长度上电流的 减小率( 一西苏) ，等于单位长度上的电导电流g o u 与单位长度上的电容电 流( j ，锄西之和。若传输线的边界条件( 即始端和终端的情况) 与初始条 件( 即时i s j 起始时刻的条件) 己知，则求解此方程，即可得传输线中的 电i iu = u ( t ，x ) 和电流i = i ( t ，x ) ，u 和i 都是时间变量t 和距离变量x 的二元 函数。 若均匀传输线的始端由角频率为w 的正弦电压源激励，则当传输线 达到稳定工作状态时，沿线各处的电压u 和i 就都是同一频率w 的正弦 时日j 函数，因此，可以用相量法分析传输线上的电压和电流。 设距离始端为x 处的电压和电流相量为u ( x ) 和l ( x ) ，如图2 - 4 中所示， u o ) 和，( 石) 都已是距离变量x 的函数而与时间变量t 无关了。为了方便， 可将u ( x ) ，l ( x ) 简写为u ，。此时式2 1 即可写成相量形式为 一警毗+ j w l o ) i = z o 一i d l = ( g o + ，w c o 肌6 ( 2 2 ) 式中( r + 一，厶) = z 0 为传输线单位长度的阻抗，( g o + j w c o ) = t o 为传输线单位 长度的导纳。式2 - 2 是一组常微分方程；第一个方程的物理意义是，单 位长度上电压相量的减小率( 一d u d x ) ，等于单位长度阻抗z n 上的电压降 乙，：第二个方程的物理意义是，单位长度上电流相量的减小率( 一j 力出) ， 等于单位长度导纳k 中的导纳电流相量v o u ，求解上式，即可得沿线电压 和巾流的相量0 和；。 ，、【 辽宁t 程技术人学烦i 论义 始端 2 ：- - 线 a ff a ， 终端 电源 a c o ( a ) bb ( b ) 图2 3 均匀传输线及其等效电路 ( a ) 均匀传输线( b ) 均匀传输线的等效电路 i i l ( x ) l ，2 + + u 2 ，【，( x ) 一 一 负 载 图2 - 4 均匀传输线的正弦稳定工作状态 为了求解2 2 ，可对该式再取x 的一阶倒数，得 d 2u ，d 1 万2 z o 面 d 2 ，、，d u 万叫o i 辽宁t 程技术j 、学倾i + 论义 1 9 再将式2 2 中的掣和掣代入上式得 a xa x 令y = 口+ 垆= 瓜= 舨瓦了万瓦顶瓦了万丽，代入上式得 这是一组常系数线性二阶常微分方程组，解之即可得沿线电压电流 的相量u 和，。式中y 称为传输常数，由传输线的固有参数决定，它是 髓角频率m ；而变化的复数。上式的通解为 i u = a t p l l + 4 p ” 【l = b 1 e - + 马 式中4 ，a ：，b l ，b 2 为积分常数。由式2 - 2 的第一式可得 知一去等一去卅即坪个击e 一一去 、kk ：鱼p 一鱼p ，一：b p + b 、p ， z 。z 。 一 式中 互= 辱= 豇+ j 。c o 互称为传输线的特性阻抗或波阻抗，为一复数，由传输线的固有参 数决定，也是角频率w 的函数。从而2 4 式可以写成 u ， q ， y 户 7 辽十t 程 上术人学坝l 论文 2 0 ”+ a ，e h ，一一生。” z ( 2 5 ) 根据式2 - 5 ，当得知初始端的电压电流( s ) ，u ，( j ) 时，可以得出在另 一端口处的电压电流1 2 ( s ) ，u 2 ( s ) ： u ：o ) = ! 生尘掣e p + 三量生堕掣e ” “加型蒜掣e 一一型茹产 整理之后得： u ( s ) = 丁e - r x + e y x u ( s ) + z ：( j ) 三：；二兰：，l ( s ) ( 2 6 a ) m ) = 箭+ 竿帕) ( 2 - 6 b ) 通过二端口网络的t 参数的定义我们可以求出在单频点上二端口网 络的t 参数： a ：= ，e - y 。- i - e x y x 2 占：! ：二竺z 2 c ：e - r x _ e r x 2 z d ：竺竺 ( 2 7 ) 其中y 为传输常数，而z 为线路的特性阻抗。 二端口网络中传输常数y 的求法 定义，：三“等( 2 8 ) u li m q 又因为线路阻抗匹配，将u w = ，”，互，u 。w = ，m ，互2 代入2 - 8 式得 p 4 生乏 以置 ，、【 辽j t 程技术人学帧i 论义 岸”兰压 根据传输方程定义： ，。，= c u 。+ d 1 。，= c ，。，z ：2 + d i o = ( c z c 2 + d ) i o u l 妣州“c z ：彻) 偿 又因码= 厝心= 厝 所以y = 三”( 正历+ 扫西 y 的另一种表示方法，根据式2 8 有 ，：三l 。监：土上疗匕! ：! ：! ! ! ：竺 ?2 u 。t j 。| 2u 。te ，a ml 。ie j 。t 从而y ：丢门旦生+ 昙水办_ 办。) + ( 饥一破k ) = 口+ 伊( 2 - 9 ) u m nj | 口为固有衰减常数，单位为( n p ) 。其物理意义是输入端i e i 与输出端 口视在功率之比的自然对数的1 2 ，反映了二端口网络在传输电信号过程 中电压与电流大小的衰减情况： 口为固定相移常数