电力线载波通信技术研究.doc

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武汉工业学院

毕业论文

设计题目：

电力线载波通信技术研究

姓名邓娟

学号071203212

院（系）数理科学系

专业电子信息科学与技术

指导教师李丹

2011年6月11日

目录

摘要 I

Abstract II

一绪论 1

（一）电力线载波通信技术介绍 1

1载波模型 1

2载波调制解调技术 3

（二）电力线载波通信技术的发展历程 4

（三）电力线载波通信技术的特点 5

1高压载波路由合理，通道建设投资相对较低 5

2以单路载波为主 5

3独特的耦合设备 5

4传输频带受限,传输容量相对较小 5

5可靠性要求高 6

6线路噪声大 6

7线路阻抗变化大 7

8线路衰减大且具有时变性 8

9网络应用要求更高 8

二高压电力线载波 10

（一）定义 10

（二）高压电力线载波的分类 10

1模拟电力线载波机 10

2数字化电力线载波机 10

3全数字电力线载波机 10

4继电保护收发信机 10

（三）高压电力线载波通道的组成 10

1耦合电容器 10

2线路阻波器 11

3结合设备 11

4高频电缆 12

（四）新技术环境下高压电力线载波面对的几个问题 12

1急需制定高压数字电力线载波机的国家标准或行业标准 12

2电力线载波通信设备的总体制式需要同国际接轨 12

3高压电力线载波通信设备的生产许可证管理 13

三中压电力线载波 14

（一）定义 14

（二）中压电网的电力线通信通道分析 14

（三）中压载波技术在配电网自动化的应用 14

1遵循原则 14

2各环节载波机连接模式 15

（四）DLC-2100网络载波机的技术特点 15

1噪声平衡处理技术 15

2交错式矩阵纠错法 15

3离散多载波调制 16

4回波抵消 16

5自适应均衡 16

四低压电力线载波 17

（一）定义 17

（二）特点 17

1信号衰减大 17

2随机性和时变性 17

3噪声干扰强 17

（三）基本原理 17

（四）在国内的具体应用 18

1家居智能化 18

2自动抄表系统 19

3新型智能化小区 19

五电力线载波通信技术的发展前程 22

（一）语音压缩技术 22

（二）宽带电力线载波 22

（三）超窄带载波技术 22

（四）扩频技术 23

结束语 24

谢辞 25

参考文献 26

摘要

随着电子技术和网络技术的不断发展，运用电力线作为载体进行信号传输受到人们越来越多的重视,得到了越来越广泛的应用。

电力线网络的特点是它覆盖的范围非常广，各种建筑物内都有接入。

由于通信线路的特点是一种近距离的通信方式，它适合“最后一英里”的通信接入。

电力线载波通信（PLC）是利用电力线作为介质传输信号一种通信手段，通常分为高压电力线（35kV及以上电压等级），中压电力线（10kV电压等级）和低压配电线（220V用户线）三种通信方式。

本文对电力线载波通信技术的发展历程和特点进行了阐述，讨论了我国电力线载波通信的现状，还特别的将高压电力线载波，中压电力线载波通信，低压电力线载波通信三种方式进行了讨论，最后对电力线载波通信技术的发展前程进行了展望。

关键词：

电力线载波通信；高压电力线；中压电力线；低压电力线

I

Abstract

Withthefastdevelopmentofelectronictechnologyandnetworktechnology,theuseofpowerlinecarrierasasignalfortransmissionbythepeoplemoreandmoreattentionhasbeenincreasinglywidelyused.Thegreatestadvantageofthepower-linenetworkisthatitcoversaverywiderange.Variousbuildingshavepowerlinesaccess.DifferentfromthecommonInternet,becauseofitscommunicationcharacter,thePLC（Power-linecommunication）isashort-distancecorrespondence,itsuitstothe“lastmile”communications.

Powerlinecarrier-currentcommunication（PLC）useelectricsignalstransmissionasamediumacommunicationmethod,usuallyconsistofhighvoltagepowerlines（35kVandabovevoltagelevel）,mediumvoltagepowerlines（consumers10kVvoltagegrade）andlowvoltagewires（220V）subscriberlinewiththreekindsofcommunicationmode.Inthispaperthepowerlinecarrier-currentcommunicationtechnologydevelopmentcourseandcharacteristicsareelaborated,andthepresentsituationofpowerlinecarrier-currentcommunicationinChinaisdiscussed,alsospeciallyexpoundhighvoltagepowerlinescarrier,mediumvoltagepowerlinecarrier-currentcommunication,lowvoltagepowerlinecarrier-currentcommunicationthreemethods,finallypowerlinecarrier-currentcommunicationtechnologydevelopmentprospectsareprospected.

KeyWords:

Powerlinecarrier-currentcommunication;highvoltagepowerlines;mediumvoltagepowerlines;lowvoltagepowerlines

一绪论

用的鼎盛时期相比，电力线载波通信已从模拟通信发展成为数字通信，其应用由电力系统通信的主要通信方式改变为备用通信方式。

电力线载波通信近二十年来的变迁和发展，在许多方面都产生了变化，主要表现在：

1.电力载波机更新换代的发展，由模拟通信发展为数字通信，由单通道发展为多通道；

2.电力线载波通信设备的使用由原来的基本通信方式变换为备用通信方式；

3.电力线载波机传输的信息由语音和远动信号发展为更多的计算机，网络和监控系统的信息；

4.电力系统通信对电力线载波通信设备的通信容量，接口功能，信息采集，网管性能和质量水平提出了更高的要求。

在这样的环境下，如何找到电力线载波通信设备的技术进步和应用需求的方向，充分发挥电力线载波通信的技术和应用的长处，更好的为电力下同运营服务，是我们在现阶段需要考虑的问题。

（一）电力线载波通信技术介绍

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。

近年来高压电力线载波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，并且随着电力线载波技术的不断发展和社会的需要，电力线载波通信这座被国外传媒喻为“未被挖掘的金山”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。

1载波模型

为了更好地理解载波通信的传输与发送的特点，首先要了解载波通信的基本原理,以载波接收实验为例,以便提供比较感性的实验材料。

如图1.1，1.2的电路图。

图1.1实验电路

图1.2发射接收部分电路图［1］

（1）发射部分

发射部分由Q1，Q2接成复合管的形式,组成频率为135kHZ的哈特利振荡器。

由C2，D1，D2，D3，C5等构成电压为30V的电源部分。

当按下发射按钮P1时，在L1的复变感应出的135KHZ的震荡信号通过C1注入电力线网络。

（2）接收部分

由发射部分过来的135KHZ的正弦波通过电力线路传播至接收部分（见图1.2）,通过C1（图1.1）并由L1,C10构成的选频电路取出135KHZ信号。

该信号Q3放大并整形至幅度为12V的方波信号。

D7，D8构成限幅电路，保证Q1（图1.1）的基极峰值电压小于1V，以防止电力线路网络中各种异样干扰脉冲损坏。

Q3，D9的作用是过滤掉信号中的负极性部分，并由Q4驱动发光二极管工作。

C9是用来保持输出部分的平稳，过滤掉信号中的残余部分。

由上述电力线载波模型可以看出，无论在电力载波的发射部分还是在接收部分,都使用了藕合电路来对信号进行处理。

实验模型采用阻容藕合与电磁藕合相结合的复合藕合技术。

对藕合电路模型分析,可以得到如下式的双口网络的电压转移函数：

（1.1）

根据电压转移函数,可对端口网络进行计算机仿真分析。

着重分析在不同的低压电力线阻抗条件下的频率特性,这也是评价接口电路藕合性能的重要指标。

仿真显示了当电力线电阻逐步增加时的频率响应曲线，如图1.3所示。

由分析结果可以看出电力线阻抗越大,接口电路的通频带越宽,对信号的藕合性能就越好，但是选择性较差，电力线阻抗越小，接口电路通频带越窄，对信

图1.3电力线电阻增加时的频率响应曲线［1］

号的藕合性能越差，但是选择性较好。

选择低压电力线通信接口电路的中心频率可以兼顾藕合性和频率选择性两个方面的要求，并且满足载波发射高阻抗的要求，提高系统的抗干扰能力。

使电路既有较高的载波信号的加载效率，又能够完全隔离电力网50HZ的工频信号。

2载波调制解调技术

为排除电力线干扰,电力线主要采用窄带载波FM和扩频通信的方式。

由于数据信号信噪比决定数据传输距离的远近,目前电力线载波通信依靠功能强大的载波模块,其所要完成的基本功能是调制和解调信号。

FSK广泛应用于中低速的远程数据通信,FSK信号由频率调制器产生不同的频率，常用的是f1和f2两种频率。

f1代表码元0,f2代表码元1。

调制数据的码元决定频率调制器的输出频率。

实现FSK的方法有：

选择法，调制法，数字调频法，其中数字调制法最先进的方法，原理框图为

晶振

脉冲形成

可变分频

固定分频

D/A

FSK

调制信号输入

图1.4数字调制法最先进的方法原理框图

扩频通信技术利用与传输数据无关的码，对被传输信号扩展频谱，使其占有远远超过传送信息所必须的最小带宽，在接收机中利用同一码对接收信号进行同步相关处理，以解扩和恢复数据。

扩频通信属于宽带通信技术，通常的扩频号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至几千倍。

（二）电力线载波通信技术的发展历程

电力线载波通信系统是以电力传输线作为传输载波信号的媒介，这看来似乎是一种实施并推广的方案，但是电力线不是理想的载波信号传输媒介。

电力线对载波信号有很大的衰减，同时电力线上有很多用电装置产生的干扰，其干扰的总功率可能远远超过载波信号的功率，有时高达数百倍，因此在电力线上建立可靠的通信系统非常具有挑战意义。

如果没有良好的系统设计，往往会导致通信完全失败或者仅能以很低的数据传输率进行通信。

早期的电力线载波通信技术多以分立元件和通用的集成电路芯片来实现。

由于硬件资源有限，不能利用先进的数字信号处理技术来产生复杂的载波信号以及处理接受到的载波信号，更不用说在电力线上组成大规模的通信网络，所以早期的载波通信系统多仅能实现“点对点”的简单通信以及小规模的系统。

随着集成电路技术的发展，先进的电力载波技术逐渐采用专用的集成电路芯片来实现，并且从简单的专用芯片发展到具有内嵌多个CPU内核的多功能系统芯片。

先进的载波通信芯片具有强大的计算机处理能力，使得大规模通信网络的实现及管理成为可能。

对于我国的电力线载波技术的发展，50—60年代，我国开始研制自己的ZDD-1型电力线载波机，未能实现产品化。

后经不断改进，形成了具有中国特色的ZDD-5型电力线载波机。

该设备为4门用户，两级调幅，具有自动增益控制电路和音频转接接口，呼叫方式采用脉冲制式。

该机代表的模拟制式电力线载波机得到了广泛的运用。

70年代，力线载波机技术已趋于成熟，以ZDD-12，ZJ-5，ZBD-3机型为代表，在技术指标上得到了较大的提高，并成为我国应用时间最长的主流机型。

80年代中期，电力线载波技术开始了单片机和集成文化的革命，产生了小型化，多功能的载波机。

在这一阶段，主要的技术进步为单片机自主盘替代了布线逻辑的自主盘。

到了90年代中期，以SNC-5电力线载波机为代表，在国内首次采用了数字信号处理技术，将载波机音频至中频部分的信号处理试用DSP器件来完成，实现了软件调试，滤波，限幅和自动增益控制。

这类载波机可称之为数字化电力线载波机［2］。

由此开始，电力线载波界进入了载波机的数字电力线载波机的技术研究。

90年代末期，采用新西兰生产的M340数据复接器，结合电力线载波机得高频部分为一体的全数字多路复接的载波机问世。

这一成果提高了载波机的通信容量，从根本上初步解决了载波机通信容量小的技术，从而为电力线载波市场代理了空前的机遇。

近十年来，包括清华大学、西安交通大学和华中科技大学在内的高校和科研单位及国内相关公司对低压电力载波通信进行了大量研究，并取得了一定的成果。

国内前期的研究主要侧重于利用国外已有的固化PLC调制技术和芯片进行扩展开发。

近几年针对国内配电网的信道特性所进行的调制技术的研究及载波芯片研制取得了突破。

但是目前国内相关的法律法规及政策还不健全，如何充分开发和利用宝贵的电力网络资源，实现低压电力载波通信高速、安全和大规模的应用，仍需要很长一段时间的研究和摸索［3］。

（三）电力线载波通信技术的特点

1高压载波路由合理，通道建设投资相对较低

高压电力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。

电力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,只要妥善解决电力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,无须考虑破坏家庭已装修环境,也仍然是载波通信的优势。

2以单路载波为主

电力系统从调制通信的需要出发，往往要依靠发电厂，变电站同母线上不同走向的电力线，开设电力线载波来组织个方向的通信。

由于受到使用频谱的限制，通信方向的分散以及从组网的灵活性考虑，电力线载波通信大量采用单路载波设备。

3独特的耦合设备

电力线上的电压高，电流大。

载波通信必须通过高效，安全的耦合设备才能与电力线路相连。

这些耦合到设备既要使载波信号有效传播，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高电压，大电流对载波设备的损害，确保安全。

4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,电力线载波的通信频带限制在40~500kHz之内,按照单向占用4kHz带宽计算,理想情况下一线路可安排115条高压载波通道。

但由于电力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,真正组成电力线载波通信网所实现的载波通道是有限的。

尽管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电力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。

近来光纤通信的发展和全数字电力线载波机的出现,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,不存在其他高频信号,并且一般为多址传输,因此通道容量问题并不突出。

5可靠性要求高

电力线载波机要求具有较高的可靠性,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,电力线载波机在出厂前必进行高温老化处理,最终检验必须包含安全性检验项目。

为此,国家质检总局从80年代开始即对电力线载波机（类）产品实行了强制性生产许可证管理［4］。

目前,管理的范围已包括各种电压等级的载波机、继电保护收发信机、载波数据传输装置（如配网自动化和抄表系统的载波部分）和电力线上网调制解调器。

目前大多数高压及中压电力线载波机生产企业已按照生产许可证的要求建立了较为完善的质量体系。

6线路噪声大

电力线路作为通信媒介带来的噪声干扰远比电信线路大得多（见图1.5）,在高压电力线路上,游离放电电晕、绝缘子污闪放电、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。

图1.5水平排列电力线通道杂音波形

（a）中相耦合;（b）边相耦合;（c）分裂相耦合;（d）工频电压波形

根据国外资料描述,电力线的噪声特性可分为4种类型：

1）具有平滑功率谱的背景噪声,其噪声的功率谱密度是频率的减函数,如电晕噪声。

其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。

3）电网频率同步的噪声,主要由整流设备产生。

4）与电网频率无关的窄带干扰,主要由其他电力设备的电磁辐射引起。

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、高拔地区、新线路、升压线路上噪声电平还将增高1dB左右。

因此,电力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。

7线路阻抗变化大

高压电力线阻抗一般为300~4008,在线路上呈波动状态,现场实测表明,在波动幅度达到1P2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（见图1.6）,这使得载波装置不能采用固定的阻抗输出。

图1.6低压用户配电网阻抗特性（两曲线是在同一低压电力线网的不同地点测得的）

8线路衰减大且具有时变性

高压电力线载波通道衰减与频率的平方根成正比（见图1.7）,且具有时变性。

工频运行方式的改变、分支线的长短以及绝缘子污秽刮、强风、下小雨、线

图1.7220kV对称高压线路衰减特性

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,

电力线载波机必须设置大于30dB范围的自动增益调整电路［5］。

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。

9网络应用要求更高

现代通信对电力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电力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接口的数据采集变送器,应当是近几年考虑的问题。

电力线载波在中、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。

二高压电力线载波

（一）定义

高压电力线载波通信技术，指应用于35kV及以上电压等级的电力线载波通信技术。

载波线路状况良好，主要传输调度电话、远动、高频保护及其它监控系统的信息。

（二）高压电力线载波的分类

在高压电力线载波设备中，根据国家质监总局《电力线载波机产品生产许可证换（发）证实施细则》［6］可分为四类：

1模拟电力线载波机

采用模拟调制方式（如SSB单边带调制）将频率搬移到线路频带进行传输，其线路频谱传输的信号为模拟信号。

2数字化电力线载波机

采用模拟调制方式（如SSB单边带调制）将频率搬移到线路频带进行传输，其线路频谱传输的信号为模拟信号。

在频率搬移过程中，采用数字信号处理（DSP）技术。

3全数字电力线载波机

采用数字编码技术，并利用数字调制方式将多路输入信号经数字处理后还到线路频带进行传输，其线路传输的信号为已调制的数字信号。

4继电保护收发信机

利用高压电力线作为媒介进行继电保护信号传输的设备［7］。

（三）高压电力线载波通道的组成

电力线载波通信是利用电力线作传输媒介的一种通信方式，为使电力线兼用于载波通信目的，需要装设耦合装置，包括耦合电容器（或电容分压器）、线路阻波器、结合设备及高频电缆等，［8］如图2.1所示

耦合装置使载波信号进入电力线，使其从电力线引出时损耗较小，使通信设备和电力线的工作电压、操作过电压、雷电过电压隔开，减少一次设备对载波信

号引起的分流损失，并使通道的线路阻抗不受电力系统操作的影响。

1耦合电容器

主要用于工频（50Hz或60Hz）高压及超高压交流电力线路中，以实现高频载波通讯、测量、控制、过电压保护及抽取电能等目的。

耦合电容器（或电容分压器连接在结合设备和电力线之间，具有承受高电压的性能。

耦合电容器的费用随电容量的增加而增加很多，耦合装置的通频带宽度又

决于耦合电容器的电容量。

因此，建议对于220kV以下线路选用10000pF；220

及以上线路选用5000pF［9］。

图2.1电力线载波电路的结构［9］

2线路阻波器

阻波器一般由电感形式的主线圈、调谐元件及保护元件组成，串联在高压电

力线上载波信号连接点与相邻的电力系统元件（如母线、变压器等）之间。

跨接于主线圈的调谐元件，经适当调谐可使阻波器在一个、多个载波频率或载波频带内呈现较高的阻抗，而