（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）基于電力線載波通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究與實現(xiàn).pdf

山東大學碩士學位論文 中文摘要 電力線載波通信( p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n s ，p l c ) 是利用電力線作為 介質傳輸信號的一種新通信技術，它充分利用了現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡資源，在不影響 電力線路傳輸電能的同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、視頻等多媒體傳輸。p l c 具有不需 要重新布線、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡建設速度快和投資少的特點，可以實現(xiàn)傳輸速度高于 現(xiàn)有無線技術的通信。而且由于電力線網(wǎng)絡分布廣泛，p l c 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡和寬帶 接入具有其他技術難以比擬的優(yōu)勢。 然而，電力線是為電能輸送設計的，p l c 需要克服電力線信道的惡劣環(huán)境。 因此，本文從電力線信道的輸入阻抗特性、信道衰落特性、噪聲特性和時變特性 等幾個方面進行了分析討論。電力線信道的輸入阻抗總體上隨頻率增加而增加， 在某些頻率上有劇烈波動；電力線上信道衰落正比于通信距離和通信速率，會出 現(xiàn)頻率選擇性衰落；信道噪聲來源復雜，包括有色噪聲、窄帶噪聲、周期噪聲和 隨機噪聲等；因不同時間電力線上的用電設備不同，電力線的噪聲及其他參量具 有時變性。在p l c 中采用了各種不同的調(diào)制技術( f s k 、擴頻通信和o f d m ) 來 克服這些不利因素，本文對它們的工作原理和特點進行了探討。論文主要工作如 下： ( 1 ) 設計并實現(xiàn)了基于p l c 芯片s t 7 5 3 8 低壓窄帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。包括電力 線載波自動抄表系統(tǒng)和p l c 公共照明等用電設備監(jiān)控系統(tǒng)。 ( 2 ) 設計了樹形結構的三相電力線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。通過中繼實現(xiàn)遠距離傳輸， 克服了p l c 傳輸距離相對短的問題。考慮電力線信道特點，通信采用應答方式和 超時重發(fā)機制，根據(jù)信道的時變特性完成數(shù)據(jù)通信。 ( 3 ) 設計并實現(xiàn)了具有串行通信接口的基于s t 7 5 3 8 的p l c 模塊，制定了用 于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，具備中繼傳輸功能，可擴展性、通用性好。 ( 4 ) 在自動抄表系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)終端站的硬件設計、數(shù)據(jù)采集、存儲、查詢 和讀取的軟件設計、以及數(shù)據(jù)通信協(xié)議的軟件實現(xiàn)方法等幾個方面進行了詳細介 紹。在公共照明設備自動監(jiān)控系統(tǒng)中，對控制終端的硬件設計及其工作原理進行 山東大學碩士學位論文 了分析說明，并對軟件編程方法進行了介紹。 ( 5 ) 研制了p l c 自動抄表系統(tǒng)樣機，并通過了實驗測試。 關鍵詞：電力線載波通信；調(diào)制技術：通信協(xié)議；終端；自動抄表系統(tǒng) i i 山東大學碩士學位論文 a b s t r a c t p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n s ( p l c ) i san e wt e c h n i q u ew h i c hu t i l i z e st h e p o w e rl i n ea sm e d i u mt ot r a n s f e rs i g n a l s i tt a k e sf u l la d v a n t a g eo fp o w e rn e t w o r k r e s o u r c e st or e a l i z em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ( d a t a , s p e e c ha n dv i d e o ) ，a n dd o e sn o t a f f e c tt r a n s m i s s i o no fe l e c t r i ce n e r g y p l ch a st h ea d v a n t a g eo fw i t h o u tr e w i r i n g ， h i - s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb u i l d i n ga n ds m a l li n v e s t m e n t i tc a nt r a n s f e r s i g n a l sf a s t e rt h a nt h ee x i s t i n gw i r e l e s st e c h n i q u e s s i n c et h ew i d ed i s t r i b u t i o no fp o w e r l i n en e t w o r k ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n db r o a d b a n da c c e s so fp l ch a v em o r e s u p e r i o r i t yt h a no t h e rt e c h n i q u e s h o w e v e r p o w e rl i n ew a sd e s i g n e df o re l e c t r i ce n e r g yt r a n s m i s s i o n ，p l ch a sb a d c o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n ti nt h ep o w e rl i n ec h a n n e l s s o ，w ea n a l y s i st h ec h a r a c t e r s o fp o w e rl i n ec h a n n e l sw h i c hi n c l u d ei n p u ti m p e d a n c e ，c h a n n e lf a d i n g ，n o i s ea n dt i m e v a r y i n g t h ei n p u ti m p e d a n c ei n c r e a s e w i t hc o m m u n i c a t i o nf r e q u e n c yi n c r e a s i n g g e n e r a l l y , a n d w i l lf l u c t u a t e w i l d l y a ts o m ef r e q u e n c y t h ec h a n n e l f a d i n gi s p r o p o r t i o n a lt oc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ea n df r e q u e n c y t h e r ea r em a n yn o i s es o u r c e s ， s u c ha sc o l o r e dn o i s e ，n a r r o w - b a n dn o i s e ，p e r i o d i cn o i s e ，s t o c h a s t i cn o i s e ，e ta 1 b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n te q u i p m e n to ft h ep o w e rl i n eu s i n gi nd i f f e r e n tt i m e ，t h en o i s e a n do t h e rp a r a m e t e r sa r et i m ev a r y i n g t oo v e r c o m et h e s ea d v e r s ef a c t o r s ，w ea d o p t v a r i o u sm o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ( f s k ，s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o na n do f d m ) t h em a i nc o n t e n t so fp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( i ) d e s i g na n dr e a l i z eal o wt e n s i o nn a r r o w - b a n dd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m b a s e do np l cc h i p s t 7 5 38 ，w h i c hi n c l u d e sa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e ma n d m o n i t o r i n gs y s t e mo fp u b l i cl i g h t i n ge q u i p m e n t ( 2 ) d e s i g nt h et r e es t r u c t u r eo ft h r e ep h a s ep o w e rl i n ed a t ac o m m u n i c a t i o n n e t w o r k o v e r c o m et h ep l ct r a n s m i s s i o nd i s t a n c ep r o b l e mb yr e l a y i n ga p p r o a c h c o n s i d e r i n gt h ep o w e r l i n ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ，w ea d o p ta n s w e rm o d ea n do v e r t i m e r e t r a n s m i s s i o nt oa c h i e v ec o m m u n i c a t i n g ( 3 ) d e s i g na n dr e a l i z eap l cm o d u l eb a s e do ns t 7 5 3 8w i t hs e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e d e v e l o p ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw i t ht h e p r o p e r t i e s o fr e l a y i n g t r a n s m i s s i o n ，e x p a n d a b i l i t ya n dg e n e r a l i t y ( 4 ) ad e t a i l e di n t r o d u c t i o no fh a r d w a r ed e s i g n ，d a t ap r o c e s s i n g ( a c q u i s i t i o n ， i i i 山東大學碩士學位論文 s t o r a g e ，i n q u i r ya n dr e a d i n g ) ，a n dt h es o f t w a r er e a l i z a t i o no fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li s g i v e ni ns e c t i o n4 1 i ns e c t i o n4 2 ，a l la n a l y s i so ft h eh a r d w a r ed e s i g na n dw o r k i n g p r i n c i p l eo fc o n t r o lt e r m i n a li sg i v e n ，a n dt h ep r o g r a m m i n gm e t h o di ni n t r o d u c e d ( 5 ) d e v e l o pa m o d e lm a c h i n eo fp l ca u t o m a t i cr e a d i n gm e t e rs y s t e mw h i c hp a s s t h ee x p e r i m e n tt e s t i n g k e y w o r d s ：p o w e rl i n ec a r d e rc o m m u n i c a t i o n ，m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，c o m m u n i c a t i o n i v p r o t o c o l ，t e r m i n a l ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m 山東大學碩士學位論文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i e n g l s i h a b s t r a c t i i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo f p l c 1 1 2d e v e l o p m e m sa n da p p l i c a t i o n so fp l c 2 1 3a r r a n g e m e n to f t h ep a p e r 4 c h a p t e r 2c h a n n e lc h a r a c t e r so fp l c 6 2 1p o w e rg r i dt o p o l o g y 6 2 2t r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so f l o wv o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e l 8 2 2 1i n p u ti m p e d a n c e 8 2 2 2c h a n n e lf a d i n g s 9 2 2 3t u n ev a r y i n gt r a n s m i s s i o n 9 2 3n o i s ep r o p e r t yo f l o wv o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e l 1 0 2 4c o n c l u d i n gr e m a r k s 11 c h a p t e r3p l c t r a n s m i s s i o ns y s t e m 1 2 3 1p l ct e c h n o l o g ya n dc l a s s i f i c a t i o n 1 2 3 2t h ec o m p o s i t i o no f d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m 1 3 3 2 1w o r k i n gp r i n c i p l eo f p l c 1 3 3 2 2s i n g l ep h a s ep l cn e t w o r k 1 4 3 2 3t f i p h a s ep l cn e t w o r k 1 4 3 3m o d u l a t i o nt e c h n i q u e si np l c l5 3 3 1c o n v e n t i o n a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e s 1 6 3 3 2s p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u e s 17 3 3 3o f d m 2 1 3 3 4b r i e fs u m m a r y 2 3 3 4s t a n d a r d so f p l c 2 4 3 5c o n c l u d i n gr e m a r k s 2 5 c h a p t e r 4d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fl o w v o l t a g en a r r o wb a n d d a t at r a n s m i s s i o n s y s t e m 2 6 4 1d e s i g no f a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do np l c 2 6 山東大學碩士學位論文 4 1 1s y s t e md e s i g n 2 6 4 1 2s n u c t u r eo f d a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r k 2 8 4 1 3d e s i g no f d a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 2 9 4 1 2d e s i g no fs y s t e mh a r d w a r e 3 6 4 1 3d e s i g no fs y s t e ms o t t w a r e 4 2 4 1 4s y s t e mm o d e l m a c h i n ea n de x p e r i e m e n t a lt e s t 4 9 4 2d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f p u b l i cl i g h t i n ge q u i p m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m 5 2 4 2 1s y s t e mc o m p o s i t i o n 5 3 4 2 2d e s i g no fs y s t e mh a r d w a r e 5 3 4 2 3d e s i g no fs y s t e ms o f t w a r e 5 6 4 3c o n c l u d i n gr e m a r k s 5 8 c h a p t e r 5c o n c l u d e sa n d p r o s p e e t i v e s 5 9 r e f e r e n c e s 6 1 a c k n o w l e d g m e n t s 6 5 r e l a t e ds c i e n t i f i cr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s 6 6 山東大學碩士學位論文 第一章緒論 1 1 電力線載波通信技術的研究意義 電力線載波通信也稱作電力線通信，簡稱p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) ， 是利用電力線作為通信介質來進行載波傳輸?shù)囊环N通信方式，該技術將載有信息 的通信信號通過耦合電路耦合到電力線上，高頻的載波信號與電力線上的5 0 i - i z 交 流電信號占用不同的頻段，實現(xiàn)共用電力線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。電力線載波通信 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)借助電力線進行數(shù)據(jù)傳輸，不需要重新布線，利用現(xiàn)有的電力線網(wǎng) 絡資源，在不影響電能傳輸?shù)幕A上，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、圖像等信息的傳輸， 簡化了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計。 基于電力線載波通信技術的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，目前已在很多個領域得到應用， 如電力系統(tǒng)供電設備的遠程監(jiān)控，遠程智能抄表系統(tǒng)，智能家電遠程監(jiān)控，互聯(lián) 網(wǎng)接入等。但是電力線主要是用來傳輸電能的，利用電力線作為通信信道也有很 多缺點，主要表現(xiàn)在電力線網(wǎng)絡中各種用電設備的接入和斷開并不固定，具有隨 機性，對數(shù)據(jù)傳輸中的發(fā)送端設備的輸出阻抗和接收端設備的輸入阻抗很難和線 路的阻抗匹配，造成通信信號在傳輸過程中衰減嚴重，同時電力線上也存在用電 設備帶來的多種較大噪聲干擾，要在電力線上實現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸還需要 開展進一步的研究，這也是基于電力線載波通信技術的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)沒有得到大 規(guī)模應用的重要原因之一，電力線載波通信技術目前仍然是一個重要的研究領域。 電力線載波通信技術具有著廣闊的應用前景和潛在的巨大市場。在國家電網(wǎng) 公司制定的“十一五”通信規(guī)劃中，已經(jīng)把電力線載波通信技術的研究列入了重大研 究課題，反映出了我國電力系統(tǒng)的發(fā)展對電力線載波通信技術和相關通信設備的 需求，這將大大促進電力線載波通信技術的研究和在各個領域的應用。電力線載 波通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究可以幫助我們了解電力線載波通信系統(tǒng)的構成和相關 技術，掌握數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，為將電力線載波技術應用到某些具體課題 中積累研究基礎和經(jīng)驗。 山東大學碩士學位論文 1 2 電力線載波通信技術的發(fā)展及應用 基于電力線載波通信技術的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究最早可以追溯到2 0 世紀2 0 年代，主要產(chǎn)品是電力線載波機，應用在1 1 0 k v 以上的高壓遠距離輸電線路上， 采用頻分復用，單邊帶調(diào)制技術，工作頻率在1 5 0 k h z 以下，能夠實現(xiàn)語音傳輸， 為電力系統(tǒng)的變電站和電站之間提供了一條雙向的語音信道，在電話網(wǎng)還沒有廣 泛覆蓋的初期，對供電系統(tǒng)的管理和監(jiān)視起到了重要的作用。隨著技術的發(fā)展， 到2 0 世紀5 0 年代，高壓電力線載波通信除了可以實現(xiàn)語音傳輸功能外，還能實 現(xiàn)低速率數(shù)字信息傳輸，應用范圍和領域逐漸擴大，在電力輸電系統(tǒng)中可以實現(xiàn) 對輸電設備的遠程監(jiān)控和保護控制等。利用高壓電力線進行載波通信，線路上的 噪聲干擾對通信性能影響相對較小，其通信距離能夠滿足人們的要求，通過提高 發(fā)射機的發(fā)射功率，傳輸距離可以達到9 0 0 k m 1 1 。 與高壓供電線路相比，中壓、低壓電力線作為通信信道，其信道特性與高壓 電力線信道特性相比要復雜一些，特別是低壓供電線路，由于用電設備的多樣性 和隨機性，在供電線路上產(chǎn)生大量的噪聲和隨機性的信道損耗。因此電力線載波 通信在中壓、低壓供電線上的應用要稍晚些。從5 0 世紀5 0 年代后期開始，通過 近3 0 年的研究，到9 0 年代早期，利用中壓和低壓電力線進行載波通信的技術開 始出現(xiàn)，其應用主要包括電力線自動抄表、電網(wǎng)負載控制和其他用電設備的監(jiān)控 等窄帶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，應用領域開始進入人們的日常生活所涉及的范圍。低壓電 力線載波數(shù)據(jù)通信是目前電力線通信技術主要研究的領域。 隨著技術的不斷發(fā)展，電力線載波通信技術的研究領域開始從窄帶通信進入 到寬帶通信，從低速數(shù)據(jù)傳輸發(fā)展到高速數(shù)據(jù)傳輸，應用的領域也更加廣泛，能 夠實現(xiàn)的功能也越來越強大。在i n t e m e t 網(wǎng)絡接入技術方面，各種寬帶接入方式和 技術在該領域展開競爭，利用電力線上網(wǎng)，通過電力線載波通信技術將用戶的計 算機連接至寬帶網(wǎng)絡設備上，成為很多科研工作者研究的內(nèi)容。憑借電力線網(wǎng)絡 資源的優(yōu)勢，使用低壓配電網(wǎng)和家用電力網(wǎng)進行寬帶通信的研究在二十世紀9 0 年代興起，并在電力線信道特性、調(diào)制技術的研究和通信協(xié)議的研究中所做的工 作和取得的進展，促進了寬帶電力線通信集成電路的研制和電力線通信系統(tǒng)的開 發(fā)，得到了國內(nèi)外許多大公司的青睞。 2 山東大學碩士學位論文 國外對于電力線載波通信技術研究比較早，技術相對比較成熟，在電力線載 波通信應用領域取得了較快的發(fā)展。在高速電力線載波通信方面，英國聯(lián)合電力 公司的子公司n o r w e b 通訊公司與加拿大n o r t e l ( 北電網(wǎng)絡) 公司聯(lián)手，在1 9 9 7 年1 0 月l 利用低壓配電網(wǎng)實現(xiàn)了傳輸速率達1 m b i t s 的數(shù)據(jù)傳輸。隨后，美國、西 班牙、以色列、意大利、德國、瑞士、韓國等國家的研究機構也紛紛開展了高速 電力線通信技術的研究和開發(fā)，研制出的相關產(chǎn)品傳輸速率不斷提高，目前已有 傳輸速率達2 0 0 m b i t s 、5 0 0 m b i t s 的相關產(chǎn)品出現(xiàn)。在寬帶接入系統(tǒng)商用化運營方 面也取得了很大進展，很多個國家都建立了寬帶接入實驗網(wǎng)。 我國是世界上較早開展電力線載波通信技術研究和寬帶接入應用的國家，但 與歐美相比，在技術上還存在一定差距，主要體現(xiàn)在獨立設計開發(fā)的電力線載波 通信芯片還比較少。通過跟蹤國外電力線載波技術的發(fā)展，我國在此領域也取得 了一定的成果。中國電力科學研究院是我國研究電力線載波通信技術的主要科研 機構，從1 9 9 7 年開始成立專門研究電力線載波通信技術的研究機構，在低壓電力 線載波通信技術的應用方面開展了研究工作，研制了基于低壓電力線網(wǎng)絡的自動 抄表系統(tǒng)產(chǎn)品樣機，并于1 9 9 9 通過現(xiàn)場試運行，取得了產(chǎn)品登記許可。同時針對 我國低壓配電網(wǎng)絡的傳輸特性進行了研究，取得了一些我國低壓配電網(wǎng)傳輸特性 和參數(shù)，為進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳钊胙芯亢蛻瞄_發(fā)提供了參照和依據(jù)。我國在p l c 調(diào)制解調(diào)芯片的研制方面的技術相對比較落后，最初是在引進國外的芯片的基礎 上研制自己的產(chǎn)品。2 0 0 3 年進行了低壓配電網(wǎng)電力線載波高速通信技術研究，2 0 0 5 年完善了電力線載波通信寬帶接入系統(tǒng)，并在北京建立了覆蓋5 0 0 多個居民小區(qū)， 用戶超過4 0 0 0 0 戶的寬帶接入實驗網(wǎng)。另外北京中電飛華通信股份有限公司、深 圳國電科技公司、青島東軟載波科技有限公司和深圳市力合微電子有限公司等多 家科研機構也進行了電力線載波通信技術、產(chǎn)品的研究與開發(fā)，利用自主研發(fā)的 電力線載波通信芯片，或采用國外芯片，研制出多種傳輸速率的低壓和中壓電力 線通信產(chǎn)品。 電力線載波通信技術是一種無新線( n on e ww ) 概念的通信方式，不需要 布線的特點和分布最廣的電力線網(wǎng)絡，使得電力線載波通信技術可以作為網(wǎng)絡通 信的有效手段，是未來國家四網(wǎng)融合的技術支持，可以有效地補充和完善我國現(xiàn) 有的通信平臺，同時也會促進物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展。 山東大學碩士學位論文 基于電力線載波通信技術的通信系統(tǒng)的應用在我國已經(jīng)有相對比較成熟的產(chǎn) 品和應用，但還沒有大規(guī)模地使用，除了技術上的原因外，我國低壓配電網(wǎng)的網(wǎng) 絡布局結構特點、用電設備的電氣特性和供電方式，以及供電線路的設計、安裝 的規(guī)范性要求等方面，與國外都有很大不同，依據(jù)國外電力線環(huán)境研制的的產(chǎn)品 可能不能適合我國配電線路的實際情況，需要根據(jù)我國配電線路的結構特點，對 產(chǎn)品進行改進，研究并解決技術上的難題以適應我國電網(wǎng)的實際情況。但是隨著 國家智能電網(wǎng)建設的開展和國家電網(wǎng)“十一五”通信規(guī)劃的具體實施，給電力線載波 通信技術的應用創(chuàng)造了更加有力的條件，相信隨著國家投資力度的加大和科研實 力的厚積薄發(fā)，電力線載波通信技術一定會廣泛應用到各個數(shù)據(jù)通信領域。 1 3 論文內(nèi)容安排 論文主要從電力線載波通信技術的特點、基于電力線載波通信系統(tǒng)的構成、 相關技術和低壓窄帶通信系統(tǒng)的實現(xiàn)三個方面對電力線載波通信系統(tǒng)進行論述和 研究。 論文內(nèi)容分為五章，具體安排如下： 第一章緒論 第二章電力線載波通信信道特性 第三章電力線載波數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 第四章低壓窄帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第五章總結與展望 論文首先介紹了電力線載波技術的特點、發(fā)展及其應用。對電力線作為電力 線載波通信信道的特性進行了分析，從電力線通信信道的阻抗特性、衰減特性、 噪聲特性和時變性等幾個方面做了具體分析和討論，說明電力線信道對數(shù)據(jù)通信 造成的影響和特點。針對電力線通信信道的惡劣環(huán)境，要設計適合在電力線上進 行載波通信的調(diào)制解調(diào)模塊，需使用對應的調(diào)制解調(diào)技術。論文對電力線載波通 信中使用的f s k 、擴頻通信、o f d m 技術等相關技術內(nèi)容進行了討論，并分析了 其在電力線通信中應用的特點。針對低壓電力線載波通信系統(tǒng)，從電力配電網(wǎng)絡 特點對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構和系統(tǒng)中各個通信節(jié)點的位置和關系進行了分 4 山東大學碩士學位論文 析。 在理論分析研究的基礎上，設計完成了基于低壓窄帶數(shù)據(jù)技術的實際應用系 統(tǒng)：電力線載波自動抄表系統(tǒng)和公共照明等用電設備的自動監(jiān)控系統(tǒng)。通過對系 統(tǒng)總體設計、硬件設計和軟件設計的論述，給出了一種低壓電力線載波數(shù)據(jù)通信 系統(tǒng)設計的基本思路和實現(xiàn)方法。 最后對論文工作進行了總結，對未來的研究工作進行了展望。 山東大學碩士學位論文 第二章 電力線載波通信利用輸電網(wǎng)絡中的電力線作為通信信道，而輸電線路的功能 是輸送電能，不是為通信而設計的。供電網(wǎng)的網(wǎng)絡布局是滿足供電線路的需要， 同時電力線上有多種形式的供電設備和用電設備，而且用電設備的接入和關閉也 不確定。因此電力線作為通信信道進行數(shù)據(jù)傳輸，供電網(wǎng)絡的自身特性會給數(shù)據(jù) 通信造成很大影響，其信道特性非常不理想。電力線載波通信技術只能適應供電 線路本身所具有的特性，通過相關通信技術研究來克服或避免給通信帶來的影響。 輸電線路根據(jù)電壓的等級可以分為高壓配電線( 3 5 k v 以上) 、中壓配電線( 1 0 k v 。 3 0 k v ) 和低壓配電線( 2 2 0 3 8 0 v ) ，高壓、中壓配電線路和低壓配電線路對電力線 載波數(shù)據(jù)通信的影響不同，相比較而言，低壓電力線的通信信道環(huán)境更為惡劣。 目前電力線載波通信的技術研究和產(chǎn)品開發(fā)，主要集中在市場更為廣闊的低壓電 力線載波通信領域，本章主要針對低壓電力線的通信信道特點進行分析。 2 1 電力線網(wǎng)絡的拓撲結構 電力輸電系統(tǒng)將發(fā)電廠的電能輸送到用戶的輸電線路示意圖如圖2 1 所示，發(fā) 電廠輸出的電能通過升壓輸送到高壓或超高壓輸電線路上，通過架空高壓電力線 將電能輸送到不同的地區(qū)，不同的地區(qū)通過降壓變電站進行降壓，從高壓輸電線 路上獲取電能，再通過高壓或中壓配電線路輸送到用戶具體所在地，最后經(jīng)過變 壓器得到線電壓3 8 0 v 、相電壓2 2 0 v 的低電壓，并通過三相四線制的低壓配電線 路輸送到用戶。 高壓輸電線路將各個電廠的升壓變電站和不同地方的降壓變電站連接起來， 可以借助輸電線路進行數(shù)據(jù)傳輸；降壓變電站通過配電線路、變壓器、低壓配電 線路與周邊一定范圍內(nèi)的用戶相連，從某種意義上可以說輸電線路和配電線路可 以把所有的用電用戶連接在一起，因此可以形成一個巨大的有線通信網(wǎng)絡。但是 這個龐大的通信網(wǎng)絡實施起來在技術上目前還存在很多限制，另外這樣的龐大系 統(tǒng)工程只有國家電網(wǎng)公司的智能電網(wǎng)建設中才能實施。利用低壓配電線路進行數(shù) 據(jù)通信的電力線載波通信系統(tǒng)是目前一個重要的研究領域，下面具體分析一下低 6 山東大學碩士學位論文 壓配電線路的網(wǎng)絡拓撲結構。 核能發(fā)i 乜j 燕， 夯 寺 q 高壓 萋飆，贏 贏 強輟 i i l j i i 蚋 若i3 。vv 住宅小區(qū) 。、妻降壓變i 瞄中：低壓配辦路 冬瑟 輸電線路 一”一 一、器1 7 慕” 其他 一 圖2 1 供電系統(tǒng)輸電線路不蒽圖 低壓配電線路可能位于不同的位置，如居民住宅區(qū)、工業(yè)區(qū)或商業(yè)區(qū)，因此 其網(wǎng)絡組成形式及規(guī)模各不相同，沒有固定的典型結構，但是整個配電網(wǎng)絡和它 的分支都具有樹形的拓撲機構，如圖2 2 所示。變壓器輸出的是三相電，每個用戶 多數(shù)都連接在其中的一相( 部分用電設備連接在三相電上) ，各個區(qū)域的用戶密 度各不相同，與變壓器之間的距離也各不相同，但是每相上的用戶通過電力線構 成一個樹形的網(wǎng)絡拓撲結構，整個網(wǎng)絡通過變壓器形成一個大的樹形拓撲結構。 口a 相用戶 囹b 相用戶 囫c 相用戶 圖2 2 低壓配電網(wǎng)的拓撲結構示意圖 供電線路的網(wǎng)絡拓撲結構形式，決定了電力線載波通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構。 低壓配電線路的樹形拓撲結構中網(wǎng)絡分支數(shù)的多少、各分支上的用戶數(shù)量和密度 以及用戶距離變壓器的距離都是由具體用戶所分布的具體位置確定的，但這些因 素都會影響電力線載波通信的傳輸性能，在系統(tǒng)設計中都要考慮。 山東大學碩士學位論文 2 2 低壓電力線信道的傳輸特性 電力線的設計功能是用來輸送電能的，不是用來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，利用電?線作為通信信道進行載波數(shù)據(jù)傳輸，首先要考慮電力線自身的固有特性和特點對 數(shù)據(jù)通信的影響。低壓電力線作為通信信道，對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生較大影響，主要表 現(xiàn)在信道干擾性復雜、高頻信號衰減較大，而且具有隨機性和時變性1 2 】。 2 2 1 輸入阻抗特性 電力線的輸入阻抗特性直接影響電力線載波通信發(fā)射機信號的發(fā)射效率，對 傳輸距離影響較大。根據(jù)功率傳輸時的阻抗匹配原理，發(fā)射機的輸出阻抗應該與 耦合電路端的電力線輸入阻抗相匹配。但是由于電力線上連接的用電設備眾多， 用電設備的電力線接口特性也各不相同，隨信號頻率變化會呈現(xiàn)不同的阻抗特性， 同時家用電器等用電設備的接入和關閉也具有隨機性，使得電力線的阻抗特性具 有隨時間、頻率變化而變的動態(tài)特性。一般來說居民家庭用電設備在白天使用較 多，夜晚使用較少，使得電力線呈現(xiàn)的阻抗特性在白天較低，夜晚相對較高。 i i ) o2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 頻i k h z 兩曲線是在同一個氍壓電力線同的不同地點潮得的 圖2 3 輸入阻抗隨頻率變化曲線圖 圖2 3 給出了一個根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制的輸入阻抗與信號發(fā)射頻率之間的關系 曲線【3 】。從圖中可以看出，輸入阻抗隨頻率的變化而劇烈變化，變化沒有規(guī)律，變 化范圍也很大，相差近1 0 0 0 倍，在從最小0 1 d 到最大1 0 0 f l 之間發(fā)生變化。由于 電力線以及負載可能形成許多共振電路，在許多頻率點上阻抗非常小。圖中兩條 曲線也反映出即使在同一個配電網(wǎng)中，不同地點的變化情況也不相同，這和不同 地點電力線上負載不同相一致。 研究表明，雖然輸入阻抗隨頻率的變化有波動，但是從總體上來看隨頻率的 升高有上升的趨勢，意法半導體( s t ) 公司在其s t 7 5 3 8 應用文檔中給出的由i b m 山東大學碩士學位論文 電磁兼容實驗室在多個國家實際測量的數(shù)據(jù)結果反映了這個變化趨勢【4 】。 2 2 2 信道衰減特性 通信信號在電力線信道傳輸中的衰減復雜性，給電力線載波通信帶來了困難【5 】。 衰減主要來源于發(fā)射機和電力線信道的耦合衰減和在電力線信道上傳輸產(chǎn)生的線 路衰減，耦合衰減與電力線的輸入阻抗與耦合關系有關，線路衰減是指信號在電 力線及電力線所接各種負載上的能量損耗，線路衰減對電力線載波通信的影響更 為顯著。 低壓電力線一般都是銅、鋁等金屬導線，對于電的良導體其阻抗較小，而且 阻抗特性與工作信號頻率的關系不大，相對比較穩(wěn)定。因此電力線上的線路衰減 特性主要來源于電力線上連接的各種負載的特性，同時與通信節(jié)點所處電力線上 的地理位置和電力線配電網(wǎng)絡的連接方式和分布有很大關系。不同性質的負載對 信號的衰減產(chǎn)生不同的影響，同時由于電力線網(wǎng)絡有多個分支，通信信號在電力 線上會產(chǎn)生多徑傳播，在電力線上某些節(jié)點處會產(chǎn)生頻率選擇性衰減。 從整體而言，信道衰減與通信距離和通信信號的頻率有關，通信距離越遠衰 減越嚴重，同時信號的衰減隨頻率的增加而逐漸加強。文獻 6 】對信號衰減與頻率 之間的關系進行了研究，并在同一個工業(yè)建筑內(nèi)，在不同時間和不同通信距離點 進行了實際測量。結果表明，在l o r e 左右的短距離電力線上，信號衰減較小，而 且衰減基本上不隨頻率的變化而改變。在長距離測試中，衰減隨頻率的變化非常 明顯，衰減隨頻率的增加而增強，同時在某些頻率點上有波動，衰減很大。對比 相同的線路在白天和晚上的不同測試結果，可以看出晚上的衰減基本上比白天要 小，這與電力線上負載的變化有很大關系。 2 2 3 時變傳輸特性 電力線上的負載很多，負載的通斷具有隨機性，網(wǎng)絡的拓撲結構也不是恒定 不變的，這造成了電力線信道傳輸特性的時變性，但這種時變性并不是很強【7 8 】。 文獻【7 】和文獻【8 】分別在不同的低壓電力線網(wǎng)絡進行的電力線信道特性測試實驗， 測量結果表明，電力線傳輸特性曲線具有某種內(nèi)在的不變性，在相對較短的時間 內(nèi)傳輸特性隨時間變量是一個平穩(wěn)隨機過程，當系統(tǒng)通信速率大于1m b s 時，信道 在相當長的碼元時間里都可以按照時不變信道來處理；在幾十分鐘或幾小時的較 9 山東大學碩士學位論文 長時間內(nèi)，信道傳輸特性呈現(xiàn)時變性，信號衰減幅度波動較大，發(fā)射機的發(fā)射功 率要有一定的裕量來適應可能出現(xiàn)的較大衰減突變。 2 3 低壓電力線信道的噪聲特性 信道噪聲特性是通信信道的重要參數(shù)，電力線網(wǎng)絡連接著不同的用電設備， 他們會產(chǎn)生各種各樣的噪聲，同時由于用電設備接入的隨機性，即使在同一地點， 不同時間的噪聲特性變化也很大【9 】，形成了噪聲源比較復雜的低壓電力線信道噪聲 特性。低壓電力線信道的噪聲特性與不同區(qū)域特點和不同通信頻段有關，不同地 區(qū)電力線網(wǎng)絡上的噪聲特性、不同頻段上的噪聲分布，在類型上和程度上呈現(xiàn)不 同的特點。同國外電力線路相比，我國低壓電力線上的噪聲要嚴重得多，一般來 說晚上電力線上的噪聲功率譜分布比較平滑，居民區(qū)的低頻噪聲主要集中在 2 0 0 k h z 以下，從噪聲的整體頻譜分布來看，2 5 v i i i z 以上的背景噪聲十分平坦【l o 】。 電力線信道上的噪聲按照噪聲幅度隨時間的變化規(guī)律可以分為背景噪聲和沖 激噪糾1 1 j ，背景噪聲持續(xù)時間較長，其幅度均方根值隨時間的變化相對較慢，沖 激噪聲持續(xù)的時間非常短，一般為微秒級，周期性或隨機性瞬時出現(xiàn)。 根據(jù)噪聲的頻譜分布特性將背景噪聲可以分為有色背景噪聲和窄帶噪聲。有 色背景噪聲是一種電力線上多種噪聲源產(chǎn)生的組合干擾，噪聲頻譜幾乎占據(jù)了整 個通信帶寬，其功率譜密度相對比較低，并且隨頻率變化，但功率譜密度隨時間 的變化比較慢，可以在幾分鐘甚至幾個小時的時間內(nèi)沒有明顯變化。有色噪聲的 主要來源有兩個方面，一個是低功率負載中電阻、導線等分立元件的電子熱運動 產(chǎn)生的熱噪聲，另外一個是電鉆、電吹風和攪拌器等小型電動機工作時產(chǎn)生的諧 波信號。窄帶噪聲的頻譜只分布在某些特殊頻率上，主要來源于周圍環(huán)境中的廣 播通信信號，多為調(diào)幅的正弦信號。雖然頻帶比較窄，但是它的干擾持續(xù)時間很 長。與一般干擾源不同，晚上的干擾強度一般要比在白天強。 背景噪聲中還存在周期性重復出現(xiàn)的脈沖噪聲，但重復頻率與5 0 h z 的工頻并 不同步，取決于負載工作時存在的周期性信號的頻率。比如電視機或計算機顯示 器工作時都存在不同頻率的掃描信號，它們會在電力線上產(chǎn)生周期性脈沖噪聲， 重復頻率一般為5 0 2 0 0 h z 。 i o 山東大學碩士學位論文 沖激噪聲包括與工頻同步的周期性脈沖噪聲和隨機脈沖噪聲。電力線上的負 載中存在與電源同步工作的用電設備，比如電源中的整流二極管，其開關頻率為 5 0 h z 或i o o h e ，這種開關會產(chǎn)生同頻率或更高諧波頻率的脈沖噪聲。另外電力線 上的電力設備的瞬時開關動作也會產(chǎn)生脈沖噪聲，這種噪聲是認為因素造成的， 是隨機出現(xiàn)的，但白天發(fā)生的概率更大。這兩種沖激脈沖噪聲出現(xiàn)時持續(xù)的時間 都比較短，一般在幾個微妙。 背景噪聲雖然持續(xù)時間比較長，可以保持幾秒鐘或幾分鐘，有的甚至能夠達 到幾小時，但其功率較低，可以通過增加發(fā)射機發(fā)射功率或縮短通信距離來克服。 沖激脈沖噪聲持續(xù)時間非常短，但是其噪聲功率較高，在數(shù)據(jù)傳輸中可能會引起 數(shù)據(jù)的位誤碼或者是突發(fā)性誤碼，需要通過不同的數(shù)據(jù)編碼方式來克服。 2 4 本章小結 從輸電線路和配電線路兩個方面，對電力線網(wǎng)絡總體拓撲結構進行了說明， 在此基礎上，依據(jù)不同電力線網(wǎng)絡的功能和分布特點，分析了利用高壓、中壓和 低壓電力線進行電力線載波數(shù)據(jù)傳輸時的不同特點。重點分析了低壓配電線路的 拓撲關系和特點，目的是在理論上找到在低壓電力線網(wǎng)中設計數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡結構 的理論依據(jù)。對電力線信道特性的已有研究成果，從電力線信道的傳輸特性和電 力線信道的噪聲特性兩個方面進行了總結。電力線信道傳輸特性包括信道輸入阻 抗特性、信道的信號衰減特性和信道的時變傳輸特性等幾個方面。通過理論分析 和總結，對電力線通信信道的惡劣通信環(huán)境有了更進一步的了解。電力線信道特 性對數(shù)據(jù)傳輸會產(chǎn)生很大影響，在系統(tǒng)設計和實現(xiàn)時均需要考慮這些因素的影響， 選擇適合系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸要求的調(diào)制技術，并設計合理的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡和傳輸方式。 山東大學碩士學位論文 第三章電力線載波數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 3 1 電力線載波通信技術及其分類 電力線