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關(guān)鍵詞：電力線載波通信;電磁兼容;共模干擾;EMI濾波

中圖分類號：TN914 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)11-170-02

Research on EMI Filter Circuit of Power Line Carrier Communication

ZHAO Zhipeng,LUO Yinghong

(School of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou,730070,China)

Abstract：Power Line Communication(PLC) is a brand-new subject,which develops rapidly in rescent years.However,as the power line transmission without shielding,There are serious EMI and EMC problems.Based on the in-depth analysis of the main reason that the PLC system produces electromagnetic interference,this paper researches the design of the EMI filter circuit,and through experiments show that the filter circuit for inhibiting PLC EMI feasibility.

Keywords：power line carrier communication;electromagnetic compatibility;common-mode interference;EMI filter

基金項目:甘肅省自然科學(xué)基金資助項目(3zs062-b25-013)

電力線通信技術(shù)目前發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在已經(jīng)進入初步應(yīng)用階段。PLC系統(tǒng)充分利用電力系統(tǒng)的廣泛線路資源，通過OFDM等技術(shù)可以在同一電力線不同帶寬的信道上傳輸數(shù)據(jù)。 但是由于電力線傳輸?shù)臒o屏蔽性，電網(wǎng)的穩(wěn)定性比傳統(tǒng)的通信網(wǎng)差得多，使得電力線通信線路的電磁環(huán)境極為復(fù)雜，這就給電力線通信系統(tǒng)提出了更高的電磁兼容要求，電磁兼容技術(shù)也成了實現(xiàn)電力線通信所需的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文在深入分析了電力線通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的主要原因的基礎(chǔ)上，對EMI濾波電路進行了設(shè)計研究，并通過實驗驗證了該濾波網(wǎng)絡(luò)對于抑制電力線載波通信EMI的可行性。

1 電力線載波通信電磁兼容問題分析

1.1 電磁兼容分析模型

一個電子系統(tǒng)如果能與其他電子系統(tǒng)相兼容的工作，也就是不產(chǎn)生干擾又能忍受外界的干擾則稱為該電子系統(tǒng)與區(qū)環(huán)境電磁兼容。對于一般的電磁兼容問題的基本分析模型如圖1 所示。

對于PLC系統(tǒng)來說，干擾源要整體考慮。不僅包括PLC設(shè)備，而且要考慮當信號加到電力線上時，由于電力線是一種非屏蔽的線路，有可能作為發(fā)射天線對無線通信和廣播產(chǎn)生不利影響。此外還要考慮多種PLC 設(shè)備間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常復(fù)雜的，是不同的途徑相互作用的結(jié)果。總體上分為兩種，一種是空間的輻射，對應(yīng)的擾設(shè)備是無線通信和廣播信號；另一種是沿電力線的傳導(dǎo)騷擾，主要造成對電能質(zhì)量的影響。因此PLC 系統(tǒng)的電磁兼容問題涉及多個PLC 系統(tǒng)的共存，以及與無線網(wǎng)絡(luò)的共存等。

圖1 電磁兼容基本分析模型

1.2 PLC系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生機理

由于電力線的特性和結(jié)構(gòu)是按照輸送電能的損失最小并保證安全可靠地傳輸?shù)皖l(50 Hz)電流來設(shè)計的，不具備電信網(wǎng)的對稱性、均勻性，因而基本上不具備通信網(wǎng)所必須具備的通信線路電氣特性。而PLC系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁干擾問題正是由于電力線的這種對地不對稱性產(chǎn)生的[1]。

電力線產(chǎn)生干擾的機理有兩種(如圖2)，一種是電力線中的信號電流Id(差模電流)回路產(chǎn)生的差模干擾，另一種是電力線上的共模電流IcР生的共模干擾。差模電流大小相等方向相反，因此一般近似認為由其產(chǎn)生的電磁場相互抵消。而共模電流的方向是一致的，其產(chǎn)生的電磁場相互疊加[2]，所以電力線的干擾主要來自共模干擾。

1.3 改善PLC系統(tǒng)電磁兼容性的主要措施

(1) 充分利用或改善PLC系統(tǒng)電力線的對稱性

PLC系統(tǒng)的輻射強度取決于PLC網(wǎng)絡(luò)或其電纜的對稱性。高度對稱線路的特征是異模電流與共模電流的比值很大，故輻射非常小。可以選擇對稱性好的導(dǎo)線，例如4芯電纜，但此法不適用于室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，而且成本較高。

(2) 減小PLC系統(tǒng)中高頻信號的功率譜密度

減小PLC信號的功率譜密度(PSD)能降低輻射電平，但不影響總的發(fā)送功率。因此，PLC系統(tǒng)適宜采用寬帶調(diào)制技術(shù)，但其擴頻效率受電力線低通特性的限制。

(3) 合理選擇調(diào)制技術(shù)

OFDM是一種高效的調(diào)制技術(shù)，其基本原理是將發(fā)送的數(shù)據(jù)流分散到許多個子載波上，使各子載波的信號速率大為降低，從而提高抗多徑和抗衰落能力[3]。

(4) 合理設(shè)計EMI濾波網(wǎng)絡(luò)

將濾波器安裝在緊鄰變壓器和緊鄰家庭用戶的連接點上，或者直接在電力線調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部引入濾波器[4]。這樣既可以保持PLC信號的異模傳播，又可以阻止PLC信號進入輻射效率高的導(dǎo)線或其他附接設(shè)備。本文將主要對EMI濾波網(wǎng)絡(luò)進行研究設(shè)計。

圖2 電力線EMI模型

2 濾波電路設(shè)計

基于以上對于電力線通信電磁兼容性的分析，可以在電力線通信系統(tǒng)的收端接一個EMI濾波器，用以抑制系統(tǒng)所產(chǎn)生的共模干擾。由于兩根電力線不可能完全重合，也就是說差模電流所產(chǎn)生的電磁場不能完全抵消，所以在設(shè)計濾波電路時，也應(yīng)考慮到差模干擾的抑制。

EMI濾波電路基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 EMI濾波電路基本結(jié)構(gòu)

圖3中，差模抑制電容為C1和C2，共模抑制電容為C3和C4，共模電感為L，Р⒔共模電感纏繞在鐵氧體磁芯圓環(huán)上，構(gòu)成共模扼流圈。共模扼流圈對于共模信號呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用[5]。由于干擾信號有差模和共模兩種,因此濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理為:

(1) 利用電容通高頻隔低頻的特性，將電源正極，電源負極高頻干擾電流導(dǎo)入地線(共模)，或?qū)㈦娫凑龢O高頻干擾電流導(dǎo)入電源負極(差模)。

(2) 利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源。

3 實驗結(jié)果

在圖3濾波電路中取差模電容C1,C2為7 000 pF，共模電容C3,C4為0.015 μF，共模扼流圈磁芯采用錳-鋅鐵氧體，每路繞30匝，電感量為3.7 mH。

3.1 EMI濾波網(wǎng)絡(luò)濾波性能仿真

圖4為干擾噪聲隨頻率關(guān)系的模擬仿真，由此可見干擾信號的頻率越高，則干擾信號通過該濾波網(wǎng)絡(luò)后衰減越大。共模干擾的頻率一般在2MHz以上，所以說該濾波電路能對共模干擾起到良好的抑制作用。

圖4 干擾噪聲隨頻率關(guān)系

3.2 EMI濾波網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果分析

當采用輸入為24 V，輸出為12 V，功率為25 W的開關(guān)電源模擬輸入信號時，用帶寬為20 MHz的示波器測得濾波前后信號紋波分別為50 mV和5 mV。由此可見該濾波網(wǎng)絡(luò)對干擾信號衰減了20 dB，良好地抑制了電路中所產(chǎn)生的干擾噪聲。

4 結(jié) 語

電力線通信技術(shù)作為一種強有力的手段,有著雄厚的發(fā)展基礎(chǔ)和廣闊的市場,應(yīng)有其使用和生存的發(fā)展環(huán)境和空間。但是,低壓電力線并不是專門用來傳輸通信數(shù)據(jù)的,它的拓撲結(jié)構(gòu)和物理特性都與傳統(tǒng)的通信傳輸介質(zhì)(如雙絞線、同軸電纜、光纖等) 不同。它在傳輸通信信號時信道特性相當復(fù)雜,負載多、噪聲干擾強、信道衰減大,通信環(huán)境相當惡劣。目前還有很多亟待解決的問題，例如PLC的電磁輻射問題，調(diào)制技術(shù)和編碼技術(shù)的改進，通信信號衰減的抑制等。本文研究的EMI濾波電路旨在抑制接收端由于共模電流和差模電流產(chǎn)生的共模和差模干擾，今后還有待于結(jié)合電磁原理，在PLC設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的電路及電磁輻射特性等方面做深入研究。

參 考 文 獻

［1］張力波，柴守亮.寬帶電力線通信對無線通信的影響及其頻帶的管理［J］.中國無線電,2006:12-15.

［2］Clayton R Paul.Introduction to Electromagnetic Compatibi-lity［M].John Wiley&Sons,Inc.1992.

［3］張淑娥,孔英會,高強.電力系統(tǒng)通信技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社,2005.

［4］丁道齊.要正視和研究電力線通信技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵問題［J］.電力系統(tǒng)通信,2003,24（4）:1-12.

篇2

論文摘要：隨著社會信息化程度的提高，網(wǎng)絡(luò)已成為人們生活中不可缺少的一部分。網(wǎng)絡(luò)接入帶寬迅速提升，以適應(yīng)大容量、高速率的數(shù)據(jù)、視頻、語音等高質(zhì)量的信息傳輸與服務(wù)。目前常用的寬帶接入方式有電話撥號（即XDSL）方式、有線電視線路（CableModem）方式、雙絞線以太網(wǎng)方式，隨著科技的迅速發(fā)展，電力線通信已成為一種新型的寬帶接入技術(shù)，并且有著良好的發(fā)展前景。

電力線通信簡稱PLC（PowerLineCommunication0）是利用配電網(wǎng)低壓線路傳輸多媒體信號的一種通信方式。在發(fā)送時利用GMSK（高斯濾波最小頻移鍵控）或OFDM（正交頻分多路復(fù)用）調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進行調(diào)制，把載有高頻信息的高頻加載于電流，然后再電力線上傳輸，在接收端先經(jīng)過濾波器將調(diào)制信號取出，再經(jīng)過解調(diào)，就可得到原通信信號，并傳送到計算機或電話，實現(xiàn)信息傳遞。類似的電力線通技術(shù)信早已有所應(yīng)用，電力系統(tǒng)中在中高壓輸電網(wǎng)(35千伏以上)上通過電力載波機利用較低的頻率以較低速率傳送遠動數(shù)據(jù)或話音，就是電力線通信技術(shù)應(yīng)用的主要形式之一，已經(jīng)有幾十年歷史。

PLC接入設(shè)備分局段設(shè)備和用戶端PLC調(diào)制解調(diào)器。局段負責與內(nèi)部PLC調(diào)制解調(diào)器的通信和與外部網(wǎng)絡(luò)連接。在通信時來自用戶的數(shù)據(jù)進入調(diào)制解調(diào)器后，通過用戶配電線路傳輸?shù)骄侄嗽O(shè)備，局端設(shè)備將信號解調(diào)出來，再轉(zhuǎn)到外部的Internet。該技術(shù)不需要重新布線，在現(xiàn)有低壓配電線路上實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、和視頻業(yè)務(wù)的承載。終端用戶只需插上電源插座即可實現(xiàn)因特網(wǎng)接入，電視接收、打電話等。同樣電力線通信技術(shù)也可應(yīng)用于其他相關(guān)領(lǐng)域，對于重要場所的監(jiān)控和保護，一直需要投入大量的人力和財力，現(xiàn)在只需利用電源線，用極低的代價更新原有監(jiān)控設(shè)備即可實現(xiàn)實時遠程監(jiān)控。目前電力系統(tǒng)抄表,基本上主要依靠人工抄表完成。人工抄表的準確性、同步性難以保證。同時由于抄表地點分散，表記數(shù)量眾多，所以抄表的工作量巨大。基于電力線路載波(PLC)通信方式的自動抄表裝置，由于不需要重鋪設(shè)通信信道，節(jié)省了施工及線路費用,成為現(xiàn)代電力通訊的首選方式，使得抄表的工作量大大減少。近年來居民小區(qū)及大樓朝智能化發(fā)展，現(xiàn)在的智能化建筑已經(jīng)實現(xiàn)了5A。但是這些不同的系統(tǒng)自動化需要不同的網(wǎng)絡(luò)支持；給建設(shè)和維護網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來了巨大的壓力。借助電力線通信技術(shù)，無論是監(jiān)控、消防、樓宇還是辦公或者通信自動化都可以利用電力線實現(xiàn)，便于管理和擴展。

電力線通信主要優(yōu)勢：

電力線通信有無可比擬的網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)勢，我國擁有全世界排名第二的電力輸電線路，擁有用電用戶超過10億，居民家里誰都離不開電力線；顯然連接這10億用戶的既存電力線是提供上網(wǎng)服務(wù)的巨大物質(zhì)基礎(chǔ)。在廣闊的農(nóng)村地區(qū)，特別是那些電話網(wǎng)絡(luò)不太發(fā)達的地區(qū)，PLC更有用武之地，畢竟電力網(wǎng)規(guī)模之大是任何網(wǎng)都不可比擬的。雖然這些地區(qū)上網(wǎng)短期需求量并不大，市場發(fā)展成熟較慢，但會存在電力線上網(wǎng)先入為主的局面，對PLC的長遠發(fā)展和擴展非常有利。

電力線通信可充分利用現(xiàn)有低壓配電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，不需要任何新的線路鋪設(shè)，隨意接入，簡單方便的安裝設(shè)備及使用方式，節(jié)約了資源和費用，無需挖溝和穿墻打洞，避免了對建筑物和公共設(shè)施的破壞，同時也節(jié)省了人力，共享互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接，高通訊速率可達141Mbps（將未通過升級設(shè)備可達200Mbps）。PLC調(diào)制解調(diào)器放置在用戶家中，局端設(shè)備放置在樓宇配電室內(nèi)，隨著上游芯片廠商14M產(chǎn)品技術(shù)相對成熟。PLC設(shè)備整體投入不斷下降，據(jù)調(diào)查當前14M的PLCModem產(chǎn)品其成本已降到普通的ADSL接入貓相仿的水平，而局端設(shè)備則更便宜。由于一般一個局端拖帶PLC調(diào)制解調(diào)器的規(guī)模為20-30臺，因此隨著用戶的增長，局端設(shè)備可以隨時動態(tài)增加，這一點對于運營商來說，不必在設(shè)備采購初期投入巨大的資金。因此也有寬帶網(wǎng)絡(luò)接入最后一公里最具競爭力的解決方案之稱。

電力線通信的缺點

傳輸帶寬的問題。PLC與電話線上網(wǎng)從本質(zhì)上講并沒有區(qū)別，都是利用銅線作為傳輸媒質(zhì)，銅線上網(wǎng)的最大問題是不能解決傳輸帶寬問題。雖然14M的產(chǎn)品已經(jīng)成熟，但電力線上網(wǎng)是共享帶寬，若同一地區(qū)多個用戶同時上網(wǎng)則數(shù)據(jù)傳輸速度將會相應(yīng)降低，如何保證用戶能夠獲得足夠帶寬成為挑戰(zhàn)噪聲安全性問題。由于電力網(wǎng)使用的大多是非屏蔽線，用它來傳輸數(shù)據(jù)不可避免的會形成電磁輻射，從而會對其它無線通信，如公安部門或軍事部門的通信造成干擾；再次電力線上網(wǎng)存在不穩(wěn)定的問題，家用電器產(chǎn)生的電磁波對通信產(chǎn)生干擾，時常會發(fā)生一些不可預(yù)知的錯誤。與信號潔凈特性恒定的Ethernet電纜相比，電力線上接入了很多電器，這些電器任何時候都可以插入或拆開，并機或關(guān)閉電源。因而導(dǎo)致電力線的特性不斷變化，影響網(wǎng)速。

篇3

1.1噪聲干擾強而信號衰減大

突發(fā)性噪聲（由于用電設(shè)備的隨機斷開或者隨機接入而產(chǎn)生）、周期性噪聲（由脈沖干擾而產(chǎn)生）、背景噪聲（在整個通信頻帶均有分布）是三種主要影響到電力線載波通信的噪聲。

1.2通信信道的頻率選擇性

由于低壓配電網(wǎng)中存在著噪聲強度大、噪聲種類多、負荷情況復(fù)雜、負載變化隨機、負載變化程度大等特點而導(dǎo)致信號出現(xiàn)駐波、諧振、反射等現(xiàn)象，或多或少都會造成信號被衰減，因此，通信信道務(wù)必要具有較強的頻率選擇性。

1.3通信信道的時變性

由于載波信號在低壓電力線是不能均勻分布的，再加上在低壓配電網(wǎng)的任意位置，不同的電力負載可以不同的電力負載，這樣一來，就讓通信信道出現(xiàn)較強的時變性。

2低壓電力線通信技術(shù)概述

2.1電力線載波通信技術(shù)分類

通常而言，電力線載波通信可分為兩大類，分布是窄帶電力線載波通信（通信速率小于1Mbit/s，帶寬限制為3-500kHz）和寬帶電力線載波通信（通信速率大于1Mbit/s，帶寬限制為2-30MHz）。基于頻帶傳輸技術(shù)來看，電力線載波通信可分為擴頻傳輸和頻帶傳輸。主要的擴頻傳輸包括：OFDM（正交頻分復(fù)用）、DSSS（直接序列擴頻）、調(diào)頻等，其中，OFDM（正交頻分復(fù)用）的應(yīng)用最為廣泛。OFDM（正交頻分復(fù)用）是一種高速傳輸技術(shù)，多用于無線環(huán)境下，它的思想是在將給定信道在一定的頻率內(nèi)將其分成若干個正交子信道，一個子載波來調(diào)制一個子信道，各子載波并行傳輸。這樣一來，雖然總信道是有頻率選擇性，非平坦的，但是每個子信道是相對平坦的，可讓信號波形間的干擾得到大幅度降低，且還會讓頻譜利用率得以提高。再加上信息傳輸?shù)目煽俊⒎€(wěn)定性可以通過信道編碼、前向糾錯、自動重發(fā)、交叉糾錯等技術(shù)來予以保證，所以，OFDM（正交頻分復(fù)用）目前已經(jīng)成為了主導(dǎo)的電力線通信方式。

2.2低壓電力線載波通信技術(shù)難點

由于大范圍的線路阻抗、線路衰減，低壓電力線載波通信技術(shù)也存在著一些較難解決的技術(shù)問題，這就需要我們加強研究自適應(yīng)均衡、自適應(yīng)濾波等一系列模擬前端技術(shù)，同時，還要進一步研究在穿越變壓器和變壓器跨相方面的低壓載波通信技術(shù)等，這些都離不開對外干擾標準的制定。低壓電力線載波通信實現(xiàn)低價格、高性能的關(guān)鍵在于制造、設(shè)計出性能穩(wěn)定的專用芯片，這也是目前微電子行業(yè)需要努力的方向。

3低壓電力線載波通信組網(wǎng)方式

眾所周知，低壓電力線網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，就存在著較多的時變性和未知性，這樣一來，就很難讓低壓電力線完成組網(wǎng)應(yīng)用工作。本文希望能夠利用一種簡單的方法來將網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)找到。這種方法從主載波節(jié)點開始，將網(wǎng)絡(luò)中的全部從載波節(jié)點都找遍，最終找出孤點，以便能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)邏輯拓撲結(jié)構(gòu)予以確定。假設(shè)此網(wǎng)絡(luò)中的從載波節(jié)點有a個，主載波節(jié)點有1個，那么基本步驟如下：

（1）主載波節(jié)點將測試輪詢包向a個從載波節(jié)點發(fā)出。假定接收到測試輪詢包并回復(fù)的從載波節(jié)點有b個，那么就能夠?qū)⒛切c主載波節(jié)點進行直接通信的從載波節(jié)點在第一時間內(nèi)找出。如果a=b，那么輪詢過程就會自動結(jié)束。

（2）1-b個載波節(jié)點將測試輪詢包向剩余的從載波節(jié)點發(fā)出，假定接收到測試輪詢包并回復(fù)的從載波節(jié)點有c個，那么就能夠?qū)⒛切c主載波節(jié)點進行直接通信的從載波節(jié)點在第一時間內(nèi)找出。如果c=0，那么說明剩下的節(jié)點為孤點，既不能連接第一層從載波節(jié)點，又不能直接連接主載波節(jié)點，那么輪詢過程就會自動結(jié)束。如果0<c<(a-b)，那么又會再次按照前述程序來將測試輪詢包向剩余的從載波節(jié)點發(fā)出，直到c=0為止。如果c=(a-b)，那么則說明可以間接或者直接將全部讓載波節(jié)點與主載波節(jié)點相連，那么輪詢過程就會自動結(jié)束。基于此算法可以將一組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)找出，不是唯一的通信路徑，而只是一種中繼策略。

4仿真實驗與結(jié)果分析

為了對這種邏輯拓撲結(jié)構(gòu)算法的有效性和可行性進行有效地嚴重，利用載波機來將測試網(wǎng)絡(luò)搭建好，對子節(jié)點位置、節(jié)點總數(shù)、中繼節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)等進行人為改變，然后對此邏輯拓撲結(jié)構(gòu)建立完成所花費的時間及各種不同情況下輪詢次數(shù)進行統(tǒng)計計算。結(jié)果表明：一次點對點輪詢的時間通常為0.5s。

5結(jié)語

篇4

    目前,我省主要采用的窄帶調(diào)制解調(diào)技術(shù)主要有:(1)PSK相移鍵控。該方式通過調(diào)制載波的相位來傳輸數(shù)據(jù),也是一種線性調(diào)制技術(shù),同樣存在邊瓣再生的問題,特別在發(fā)生相位突變時,包絡(luò)不恒定而導(dǎo)致在通過帶限信道后頻譜發(fā)生擴散。(2)FSK頻移鍵控。通過2個不同的載波代表二進制數(shù)據(jù)中的2種狀態(tài),來完成數(shù)據(jù)的調(diào)制,它屬于非線性調(diào)制。同時,不管調(diào)制信號如何改變,載波的幅度是恒定的,所以它也是一種恒包絡(luò)調(diào)制。它可以使用功率效率高的C類放大器,而不會使發(fā)送信號占用的頻譜增大;帶外輻射低;接收機設(shè)計簡單。不過其占用帶寬比線性調(diào)制大。在大多數(shù)情況下,數(shù)字調(diào)制是利用數(shù)字信號的離散值去鍵控載波。對載波的幅度、頻率或相位進行鍵控,便可獲得ASK、FSK、PSK等。這三種數(shù)字調(diào)制方式在抗干擾噪聲能力和信號頻譜利用率等方面,以相干PSK的性能最好,目前已在中、高速傳輸數(shù)據(jù)時得到廣泛應(yīng)用。以上調(diào)制方式都屬于窄帶通信技術(shù),同時窄帶通信技術(shù)還包括QAM調(diào)制、無載波調(diào)幅調(diào)相(CAP)、DMT調(diào)制及擴展頻譜技術(shù)等。窄帶通信方式易于實現(xiàn),但抗干擾能力弱,配電網(wǎng)各頻帶的衰減隨著負荷的動態(tài)投切而隨機變化,會出現(xiàn)衰減很大的頻帶,這使得想要選出一段完美的電力線通信頻帶很難,通常依靠選擇載波頻率在衰減小的頻帶里或者均衡技術(shù)來克服信道的變化。但這使得均衡技術(shù)非常復(fù)雜,以至于成本難以接受。同時盡管接收機具有較窄的通帶,使僅有一部分噪聲進入接收機,由于接收裝置中的濾波器具有高品質(zhì)因數(shù),瞬間的脈沖噪聲會使其發(fā)生自干擾,而低品質(zhì)的濾波器又會使通帶帶寬加大,令更多噪聲進入接收器。所以窄帶通信的抗脈沖噪聲性較差。

    2波芯片在集抄中的應(yīng)用

    如圖1所示是典型的具有載波通訊功能的單相表設(shè)計原理框圖,載波電路的核心是載波發(fā)送和載波接收電路的設(shè)計及載波芯片外圍調(diào)制電路的設(shè)計。如圖2所示是采用載波通訊方式的集抄方案拓撲圖。臺區(qū)集中抄表系統(tǒng)是以計算機應(yīng)用技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)、低壓電力線載波數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的大型信息采集處理系統(tǒng)。由系統(tǒng)主站、臺區(qū)集中器、客戶側(cè)直接載波電能表,以及主站與集中器、集中器與載波電能表之間的數(shù)據(jù)傳輸信道組成。下面對集抄應(yīng)用中的幾個載波相關(guān)功能進行說明和介紹。由于各個載波芯片廠家的方案略有不同,所以只是做原理性介紹。

    2.1耦合電路(Coupling電路)。耦合電路如圖3所示,其是載波信號的輸出和輸入通路,并起隔離220V/50Hz的工頻的作用。該電路在設(shè)計時需考慮220V線路側(cè)的阻抗特性。信號耦合變壓器,220V線路側(cè)阻抗一般取3~30n。然后確定線圈初次級的匝數(shù)比或阻抗比。最后設(shè)計功率放大器的輸出匹配電阻。

    2.2濾波電路(Filter電路)。如圖4所示濾波電路,該濾波器為帶通濾波器。其不僅要將帶外雜波濾除,還要保證前后級之間的阻抗匹配,以達到順利傳遞信號的目的。由于主晶振的工作頻率不同,載頻也不同;調(diào)制周波數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸速率不同,帶寬也不同。因此,濾波器的參數(shù)在主晶振頻率不同時也將有所變化的。本電路的帶通頻率范圍是400kHz~600kHz。

    2.3信號放大電路(PAMP電路)。如圖5所示為信號放大電路,其放大的目的是將濾波后的信號不失真的放大75倍以上,以達到30dB以上增益的要求。特別注意的是小信號的不失真。因為主要是完成小信號的放大。并注意電路本身的噪聲干擾不能過大。經(jīng)該放大電路放大后可接入運算放大器繼續(xù)將信號放大。

    2.4自動路由功能。集中器與載波表之間的傳輸距離受線路特性的影響,而一次成功的通信,首先要滿足本地接收信號的解調(diào)信噪比。根據(jù)我國電網(wǎng)的實際經(jīng)驗,500m以內(nèi)的范圍是單級載波可靠傳輸?shù)睦硐刖嚯x。要做到任何情況下抄通率的100%,肯定需要中繼。在集抄系統(tǒng)中,自動路由算法包含在集中器內(nèi),通過載波協(xié)議,每一電表終端模塊都可作為其他電表的中繼。當需要中繼時,集中器能根據(jù)線路的情況,實時、智能、快速地調(diào)整路由,完成集中器到目的電表的通信,無需人工干預(yù)。而固定中繼是不可取的,既難以維護,實效性也差。綜合各地需求,集中器的自動路由最多要求達到7級,保證系統(tǒng)2km的最遠距離。

篇5

[關(guān)鍵詞]電力線載波通信技術(shù) 低壓載波 中壓載波 高壓載波

中圖分類號：TN913.6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）15-0317-01

引言：

電力通信網(wǎng)是為了保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行而產(chǎn)生的，它同電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)，調(diào)度自動化系統(tǒng)，被人們合稱為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的三大支柱。長期以來，電力線載波通信網(wǎng)一直是電力通信網(wǎng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，它自誕生之日起便隨著通信技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。由于信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)已經(jīng)存在，無須再投入大量資金進行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并且可以通過電力線訪問到與它連接的任意通信設(shè)備，因此使用到處可見的電力線作為傳輸介質(zhì)的設(shè)想便被人們實際應(yīng)用起來。

一、電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的發(fā)展過程。近年來高壓電力線載波技術(shù)突破了僅限于單片機應(yīng)用的限制，進入了數(shù)字化時代，并且隨著電力線載波技術(shù)的不斷發(fā)展和社會的需要，中、低壓電力載波通信的技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用亦出現(xiàn)了方興未艾的局面。電力線載波通信這座被國外傳媒喻為“未被挖掘的金山”正逐漸成為一門電力通信領(lǐng)域乃至關(guān)系到千家萬戶的熱門專業(yè)。

二、電力線載波通信技術(shù)概述

電力線載波通信技術(shù)是指利用高壓電力線、中壓電力線或低壓配電線作為信息傳輸媒介進行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。它可以使用現(xiàn)有的電力線和插座組建成網(wǎng)絡(luò)，來連接PC、機頂盒、音頻設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備以及其他的智能電氣設(shè)備，來傳輸數(shù)據(jù)、語音和視頻。它具有即插即用的特點，能通過普通電力線傳輸網(wǎng)絡(luò)IP數(shù)字信號。

其中，高壓電力線載波技術(shù)是指應(yīng)用于35kV及以上電壓等級的電力線載波通信技術(shù)。該技術(shù)由于載波線路狀況良好，主要用于傳輸調(diào)度電話、遠動、高頻保護及其它監(jiān)控系統(tǒng)的信息。但是數(shù)字多路復(fù)接型的電力載波機在進行遠動數(shù)據(jù)傳輸時，有時會產(chǎn)生瞬時中斷現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對于語音傳輸無大影響，但對于數(shù)據(jù)傳輸尤其是一些重要的控制信號的傳輸將會帶來不良的后果。因此，需要技術(shù)上的不斷完善以及根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用的實際情況來選擇合適的載波機類型來避免這一情況的發(fā)生。同時，對于遠動的防衛(wèi)度問題，應(yīng)當盡可能地設(shè)計為自適應(yīng)地保持恒定的防衛(wèi)度水平。其次，載波機的電路設(shè)計在性能指標上要能夠保證設(shè)備整機指標和長期運行的可靠性，符合相關(guān)的行業(yè)質(zhì)量標準。以此來不斷提高高壓電力線載波技術(shù)的運行性能。

中壓電力線載波通信技術(shù)是指應(yīng)用于10kV電壓等級及以下的電力線載波通信技術(shù)。目前10kV配電網(wǎng)的傳輸特性十分復(fù)雜，傳輸設(shè)備需要考慮在傳輸距離不能到達時的中繼問題，不同的調(diào)制方式采用的中繼方式可能有所不同，且對于大型、多用戶的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的載波數(shù)據(jù)傳輸，目前還缺少實際的第一手運行資料，整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度也需要由此來實地考核，因此對這一技術(shù)應(yīng)該進行不斷研究，掌握其傳輸特性，從而為電力工程等提供實際的應(yīng)用價值。

低壓電力線載波通信技術(shù)是指應(yīng)用于380V電壓等級及以下的電力線載波通信技術(shù)。這一技術(shù)目前常用的有窄帶調(diào)制和寬帶調(diào)制兩種調(diào)制方式。窄帶調(diào)制成本較低，但不能有效抵抗窄帶噪音；寬帶調(diào)制成本較高，通常采用擴頻技術(shù)，在一定程度上可克服窄帶噪音干擾，但是有限的擴頻增益對于較大功率的窄帶噪音干擾仍無能為力。因此，需要不斷研究來突破這一技術(shù)局限，并在載波機設(shè)備出廠檢驗時一定要考慮在加入噪聲的情況下進行性能測試，以保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

三、電力線載波通信技術(shù)的特性

1.高壓載波路由合理，通道建設(shè)投資相對較低

高壓電力線路的路由走向沿著終端站到樞紐站，再到調(diào)度所，正是電力調(diào)度通信所要求的合理路由，并且載波通道建設(shè)無須考慮線路投資，因此當之無愧成為電力通信的基本通信方式。電力線載波通道往往先于變電站完成建設(shè)，對于新建電站的通信開通十分有利。為此，只要妥善解決電力線載波信道的容量問題，載波通信的優(yōu)勢就會顯現(xiàn)出來。在中壓配電網(wǎng)載波和低壓用戶電網(wǎng)載波中，節(jié)省線路建設(shè)費用，無須考慮破壞家庭已裝修環(huán)境，也仍然是載波通信的優(yōu)勢。

2.傳輸頻帶受限，傳輸容量相對較小

在高壓電網(wǎng)中，一般考慮到工頻諧波及無線電發(fā)射干擾，電力線載波的通信頻帶限制在一定的范圍內(nèi)，理想情況下一條線路可安排115條高壓載波通道。但由于電力線路各相之間及變電站之間的跨越衰減有限，不可能理想地按照頻譜緊鄰的方式安排載波通道。因此，真正組成電力線載波通信網(wǎng)所實現(xiàn)的載波通道是有限的。在當今通信業(yè)務(wù)已大大開拓的情況下，載波通道的信道容量已成為其進一步應(yīng)用的“瓶頸”。盡管在載波頻譜的分配上研究了隨機插空法、分小區(qū)法、分組分段法等方法，并且規(guī)定不同電壓等級的電力線路之間不得搭建高頻橋路，使載波頻率盡量得以重復(fù)使用，但還是不能滿足需要。

3.可靠性要求高

電力線載波機要求具有較高的可靠性，一是在電力系統(tǒng)中傳輸重要調(diào)度信息的需要；另一是電壓隔離的人身安全需要。為此，電力線載波機在出廠前必須進行高溫老化處理，最終檢驗必須包含安全性檢驗項目。為此，國家質(zhì)檢總局從80年代開始即對電力線載 波機（類）產(chǎn)品實行了強制性生產(chǎn)許可證管理。目前大多數(shù)高壓及中壓電力線載波機生產(chǎn)企業(yè)已按照生產(chǎn)許可證的要求建立了較為完善的質(zhì)量體系。

4.線路噪聲大

電力線路作為通信媒介帶來的噪聲干擾遠比電信線路大得多，在高壓電力線路上，游離放電電暈、絕緣子污閃放電、開關(guān)操作等產(chǎn)生的噪聲比較大，尤其是突發(fā)噪聲具有較高的電平。因此，電力線載波機一般都采用較大的輸出功率電平來獲得必要的信噪比。

5.線路阻抗變化大

高壓電力線阻抗一般為300～400Ω，在線路上呈波動狀態(tài)，現(xiàn)場實測表明，在波動幅度達到1/2左右 時，對載波通道衰減將產(chǎn)生嚴重的影響。在通道加工不合理、不完善、存在容性負載以及分支線時，會加劇載波通道的阻抗變化甚至中斷通信。低壓用戶配電網(wǎng)載波通道的阻抗變化更大，這使得載波裝置不能采用固定的阻抗輸出。

6.線路衰減大且具有時變性

高壓電力線載波通道衰減與頻率的平方根成正比，且具有時變性。工頻運行方式的改變、分支線的長短以及絕緣子污穢、刮強風、下小雨、線路冰凌及阻波器調(diào)諧線圈性能等多種因素會對載波通道的衰減產(chǎn)生影響。為此，電力線載波機必須設(shè)置大于30dB范圍的自動增益調(diào)整電路。

結(jié)束語：電力線載波通信技術(shù)伴隨著通信技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。它從發(fā)展之初起以其特有的便捷、環(huán)保、經(jīng)濟等優(yōu)點而快速被應(yīng)用，其技術(shù)也隨著市場的不斷需求及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展而不斷改進與完善，雖然目前這項技術(shù)還存在一定的技術(shù)缺陷，但相信隨著科技的不斷發(fā)展與人們的不斷研究，電力線載波通信技術(shù)一定會突破現(xiàn)有的技術(shù)缺陷而不斷適應(yīng)人們的發(fā)展需求，從而被廣泛應(yīng)用。

參考文獻

篇6

關(guān)鍵詞：電力線；載波通信；發(fā)展現(xiàn)狀；信號衰減；可靠性

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）20-0129-02

電力線載波通信技術(shù)是利用整個電力系統(tǒng)的輸電線路作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體的一種新型通信模式，這種技術(shù)不需要重新架設(shè)數(shù)據(jù)傳輸通道，可實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳輸，具有很好的經(jīng)濟性和便利性。

1 電力線載波通信的發(fā)展及現(xiàn)狀

電力線載波通信技術(shù)出現(xiàn)于20世紀20年代，40年代電力線載波技術(shù)最初應(yīng)用在我國的長距離電力調(diào)度的通信中，60年代我國開始自主研發(fā)第一代電力載波機，80年代中期由于單片機和集成化的出現(xiàn)和發(fā)展，出現(xiàn)了小型化功能多的第二代載波機，90年代中后期出現(xiàn)了利用數(shù)字信號處理技術(shù)的第三代電力載波機，具有了軟件調(diào)制、濾波、限幅和自動增益的功能。

進入21世紀，我國輸電線路架設(shè)腳步加快，為電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊空間。2001年底，“電力線高速數(shù)據(jù)通信”技術(shù)的核心產(chǎn)品―電力調(diào)制解調(diào)器及多個相關(guān)產(chǎn)品成功研發(fā)，其傳輸速率可以達到10 Mbps；到2005年，北京已經(jīng)有五500多個居民小區(qū)覆蓋了由電力線寬帶接入的實驗網(wǎng)絡(luò)，電力線寬帶用戶多達4萬多戶。2010年國內(nèi)首個電力線載波通信實驗室投運使用，大力為研發(fā)我國智能用電服務(wù)關(guān)鍵電力線通信設(shè)備。到如今，我國高中壓輸電線路載波通信技術(shù)已經(jīng)比較成熟，低壓配電網(wǎng)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線路多、阻抗大等特點使得載波通信技術(shù)在其上應(yīng)用還有較多難點需要攻克。

2 電力線載波通信的優(yōu)點和不足

2.1 電力線載波通信的優(yōu)點

電力系統(tǒng)輸電線工作運行條件苛刻，具有很高的可靠性、自愈性、快速反應(yīng)能力以及高覆蓋率等特點，使用輸電線作為通信媒介，可以不占用無線頻道資源、無需布線、省工省錢、維護簡單，為輸電線載波通信技術(shù)提供了其他通信無法比擬的優(yōu)點。

2.1.1 高覆蓋率

電力系統(tǒng)網(wǎng)高中低壓各級的輸電線路聯(lián)絡(luò)全國各個省市配電網(wǎng)遍布了每個家庭每個房間，使用這些線路進行載波通信傳輸信號將比無線通信技術(shù)擁有更高的覆蓋率。因為無線通信技術(shù)會在一片區(qū)域內(nèi)建設(shè)一定數(shù)量的無線發(fā)射塔，不僅在某些偏遠地區(qū)會出現(xiàn)沒有信號的情況，在人口密集的地方同樣會出現(xiàn)信號弱或者信號被屏蔽無法連接的狀況。

2.1.2 運行可靠經(jīng)濟

電力輸電線作為主要適用于電力的輸送，要求必須能承受非常惡劣自然環(huán)境和電磁環(huán)境，不易因外力中段線路，使用年限長遠。以此作為通信載體較之于專門的有線通信，具有運行可靠、使用年限久、無需重新架設(shè)線路、運行維護方便的優(yōu)勢，大大減少了通信的成本，具有很好的經(jīng)濟宏觀性。

2.1.3 傳輸速度快

電力線載波通信有高速和低速之分，各有其長。低速電力線載波通信主要應(yīng)用在配電網(wǎng)自動化和部分地區(qū)載波抄表中，高速電力線載波通信主要應(yīng)用在智能配電網(wǎng)高級測量體系和用戶側(cè)電力線增值業(yè)務(wù)。電力線載波的數(shù)據(jù)傳輸速率是有線數(shù)據(jù)傳輸，比無線傳輸速度快很多，其傳輸速率目前可以達到4.5～45 Mbps。

2.1.4 實時性和雙向通信

電力線載波通信可以實現(xiàn)一直在線，且可以實現(xiàn)雙向通信，同時保證數(shù)據(jù)的傳輸和下載。

2.2 電力線載波通信的不足

同樣，由于電力系統(tǒng)輸電線其自身的特點，會對載波通信造成一定的局限性，這方面主要體現(xiàn)在輸電線路有自身波阻抗，會產(chǎn)生熱損失和輻射等，信號在傳輸時會有一定的衰減和損耗，且隨著頻率和距離的增加，衰減的程度也會增加。另外，輸電線路有成千上萬的節(jié)點，節(jié)點兩端的輸電線路很有可能波阻抗是不相同的，因此信號在輸電線中傳輸會發(fā)生多次折反射，導(dǎo)致信號不能完全的傳輸?shù)较乱欢屋旊娋€路，形成多徑折反射衰減。同時由于輸電線路主要是用于電力輸送，輸電線上面會存在游離放電電暈、絕緣閃絡(luò)、斷路器重合閘以及檢修線路等情況。這不僅會給通信信號造成噪聲干擾，還會出現(xiàn)通信信號的中斷的情況。

因此，電力線載波通信將面臨信號衰減，噪聲、強脈沖干擾等問題。必須采取相應(yīng)的手段和措施對干擾進行改善，否則電力線載波通信技術(shù)的優(yōu)點將不能完全體現(xiàn)出來。

3 電力線載波通信可靠性提高措施

電力線載波通信信道的噪聲干擾和衰減性能，這些對電力線通信的可靠性影響很大。必須采取相應(yīng)的措施來對其可靠性進行提高，具體有提高網(wǎng)絡(luò)層可靠性的組網(wǎng)措施和提高數(shù)據(jù)鏈路層可靠性的差錯處理機制等方法。

3.1 組網(wǎng)措施

電力線組網(wǎng)主要是為了確保網(wǎng)絡(luò)中集中收發(fā)器和每個通信終端都能夠?qū)崟r的進行數(shù)據(jù)的相互傳輸。在理論網(wǎng)絡(luò)中，主要有線形、星形和樹形三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，但是由于配電網(wǎng)絡(luò)錯綜復(fù)雜，現(xiàn)實中的網(wǎng)絡(luò)層是多種拓撲結(jié)構(gòu)糅合在一起的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。因此其組網(wǎng)也顯得十分復(fù)雜，可以使用自動組網(wǎng)的方法：定時的發(fā)送和接收每個通信節(jié)點的數(shù)據(jù)信息包，中心節(jié)點負責統(tǒng)計、分類以及判斷數(shù)據(jù)包的內(nèi)容是否有效，實時更新記錄能連接的信息包。該方法使得載波通信節(jié)點可以隨意的切換工作狀態(tài)，并且不會引起數(shù)據(jù)的丟失，提高了網(wǎng)絡(luò)層的可靠性。

3.2 差錯處理機制

在通信傳輸系統(tǒng)中一般都會使用差錯處理機制來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕缭跀?shù)據(jù)傳輸時在數(shù)據(jù)中加入校驗編碼，接收端接收到數(shù)據(jù)后只用對校驗編碼進行核對比較，如果出現(xiàn)錯誤將會再次重新傳輸，這種方式能過實現(xiàn)自動判斷錯誤，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，在數(shù)據(jù)鏈路層提高了電力線載波通信的可靠性。

4 電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用

電力線載波通信因其利用現(xiàn)有的電力線為通信媒介，不需重新鋪設(shè)通信線路，覆蓋面廣，成本低，維護簡單的特點，現(xiàn)在已經(jīng)有較多的實際應(yīng)用范例。在遠程抄表、家居智能網(wǎng)絡(luò)以及醫(yī)療體系領(lǐng)域有了較為成熟的使用。

4.1 遠程抄表

我國遠程抄表出現(xiàn)在20世紀80年代，但是在隨后的20年內(nèi)進展不大，直到21世紀初電力系統(tǒng)和計算機技術(shù)的大力發(fā)展，才逐漸的走向?qū)嵱秒A段。遠程抄表由終端電表、采集器、收集器和中心控制計算機組成，可實現(xiàn)遠程停送電、收集用水電量等功能。該技術(shù)的應(yīng)用使得抄表人員的工作量大大減少。

4.2 家居智能網(wǎng)絡(luò)

隨著人們生活水平的提高，對家居生活的質(zhì)量要求越來越高，需要建立一個智能化的家居網(wǎng)絡(luò)。在分布住處各個角落的微控制器和家電內(nèi)部安裝電力線載波通信芯片，以室內(nèi)的電力線為通信媒介，將他們連成一個網(wǎng)絡(luò)，不用布設(shè)信號線和雙絞線和紅外等接口，就可以有效的實現(xiàn)家居的智能化。

4.3 在醫(yī)療體系中的應(yīng)用

利用已有的電力線網(wǎng)絡(luò)，在醫(yī)院和家庭之間建立起醫(yī)療監(jiān)控網(wǎng)，實現(xiàn)重病監(jiān)護功能，病人的血壓、心率等信息可以通過電力線監(jiān)控網(wǎng)傳送至醫(yī)療單位，進行分析、處理和監(jiān)護。

5 結(jié) 語

隨著社會生活水平的提高，通信技術(shù)在人們的生活中扮演著不可缺少的重要角色。實時、高速、可靠的通信技術(shù)才能滿足人們?nèi)找骖l繁的信息交流。成熟的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國每家每戶，電力線布設(shè)到每個房間，運用電力線載波通信的技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。但是在低壓電力線載波通信技術(shù)方面還有一些需要提高的地方，例如如何增強模擬前端自適應(yīng)濾波和自適應(yīng)均衡以適應(yīng)時變的、大范圍的線路衰減和線路阻抗的變化。同時還需要大力研發(fā)成本低、功能齊全、使用可靠地載波通信芯片。

參考文獻：

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篇7

關(guān)鍵字：試驗平臺；OFDM；耦合器；放大器

中圖分類號：TN914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2009）01-0112-03

已有的研究表明，電力線是一種復(fù)雜的通信媒體――無處不在的噪聲、負荷變化及一些不可預(yù)測的干擾都會嚴重影響信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。要保證通信質(zhì)量，提高通信速率，選擇合適的調(diào)制方式是一個關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的單載波調(diào)制系統(tǒng)不適用于高速數(shù)據(jù)傳輸，因為需要對信道進行多級均衡，設(shè)備復(fù)雜且收斂性差。多載波頻分復(fù)用（OFDM―Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)，以其抗干擾能力強、帶寬利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，為實現(xiàn)高速低壓電力線載波通信提供了一個有效的解決方案。

一、OFDM定義

正交頻分復(fù)用是一種正交多載波調(diào)制技術(shù)。傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，符號序列被調(diào)制到一個載波上進行串行傳輸，每個符號的頻率可以占有信道的全部可用帶寬。OFDM調(diào)制方式是將可用的頻譜分成N個頻帶較窄、相對低速率傳輸?shù)淖虞d波，子載波的幅頻響應(yīng)相互重疊和正交。串行傳輸?shù)姆栃蛄幸脖环殖砷L度為N的段，每段內(nèi)的N個符號分別調(diào)制到N個子載波上一起發(fā)送。也就是說，OFDM是把一組高速傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)流化為低速的并行數(shù)據(jù)流，再將這些并行數(shù)據(jù)調(diào)制在相互正交的子載波上，實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸。雖然每個子載波的傳輸速率并不高，但是所有的子信道加在一起可以獲得很高的傳輸速率。

二、OFDM系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

采用OFDM實現(xiàn)高速低壓電力線載波通信主要有以下的技術(shù)優(yōu)勢:

（一）OFDM的結(jié)構(gòu)簡單，成本低

與一般均衡器相比，利用離散傅立葉變換（DFT）對并行數(shù)據(jù)進行調(diào)制、解調(diào)，大大降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜程度。隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI）和數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)的不斷進步，用DFT實現(xiàn)OFDM已付諸實用。

（二）能夠有效地消除ISI及子載波間的串擾

正交頻分復(fù)用OFDM本質(zhì)上是一種通過延長傳輸符號的周期來克服多徑干擾的并行數(shù)字調(diào)制技術(shù)。它將高速串行數(shù)據(jù)分解為多個并行的低速數(shù)據(jù)，這樣每路數(shù)據(jù)碼元寬度加長，從而減少了ISI的影響。例如，一個10Mbps的BPSK碼元的長度只有100ns，而一般電力線中的時延擴展為1μs，這樣接收到碼元會受到10個延時碼元的干擾；OFDM將信道頻帶劃分為100個子載波，每個子載波的單位碼元的長度為10μs，從而大大提高了抗ISI的能力。

（三）有效地降低電力線的衰減特性對載波通信的影響

作為一種信息傳輸媒介，低壓電力線亦具有射頻信道的多徑效應(yīng)，從而帶來信號的頻率選擇性衰減。OFDM將頻率選擇性衰減引起的突發(fā)性誤碼分散到不相關(guān)的子信道上，從而變?yōu)殡S機性誤碼。這樣可利用一般的前向糾錯(ECE)有效地恢復(fù)所傳信息。然而，OFDM本身并不能抑制衰減，各子載波在頻域內(nèi)的位置不同，受到不同程度的衰減影響。OFDM可以根據(jù)信道特性進行子信道分配，這樣就能夠保證信號只在誤碼率能夠滿足通信要求的頻帶范圍內(nèi)傳輸。

（四）頻譜利用率高

OFDM使用正交函數(shù)系列作為子載波，子載波的頻譜正交且相互重疊，可使載波間隔達到最小，從而提高了頻帶的利用率。如圖1所示，OFDM信號的頻譜非常接近矩形，因此頻帶利用率可接近香農(nóng)信息論的極限。在低壓電力線載波通信中，單載波系統(tǒng)的頻帶利用率很少超過80%，而OFDM系統(tǒng)的效率則可接近100%。

三、低壓電力線OFDM 通信系統(tǒng)平臺總體設(shè)計

在低壓電力線載波通信中，將OFDM 技術(shù)與信道編碼、均衡、同步、解碼等技術(shù)相結(jié)合，可以組建一個比較穩(wěn)定可靠的高速通信系統(tǒng)。為了建成一個基于OFDM 的低壓電力線載波通信實驗平臺，考慮軟件模塊和硬件模塊相結(jié)合的總體方案。采用軟件模塊在PC 機上實現(xiàn)發(fā)送信息的編碼、調(diào)制、解調(diào)、解碼過程，由硬件模塊實現(xiàn)信號的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號的放大耦合以及信號的上下變頻。發(fā)送信號經(jīng)過寬頻帶功率放大器后由耦合器耦合到低壓電力線中進行傳遞。本文中設(shè)計的低壓電力線OFDM 系統(tǒng)平臺如圖2所示，主要由兩大模塊組成，軟件模塊實現(xiàn)信號的處理，硬件模塊實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換和傳遞。

（一）OFDM系統(tǒng)設(shè)計

從信源發(fā)出的信號首先經(jīng)過級聯(lián)編碼，在本系統(tǒng)中，級聯(lián)編碼由卷積碼和RS碼級聯(lián)而成。經(jīng)過編碼的信號進入映射模塊，采用DQPSK將信號調(diào)制成復(fù)信號。將這些復(fù)信號送入串并轉(zhuǎn)換模塊后變成N個子數(shù)據(jù)流進入到IFFT模塊進入OFDM調(diào)制，得到OFDM碼元。為了進一步抑制由信道的多徑性引起的ISI，我們在得到OFDM碼元之后在OFDM碼元中插入保護間隔，實際的做法通常是將OFDM碼元中最后的數(shù)據(jù)復(fù)制到OFDM碼元前，然后形成一個新的OFDM碼元濾波成形，最后發(fā)送到模擬前端。

將接收到的信號變成為數(shù)字信號，然后經(jīng)過同步模塊，得到整個系統(tǒng)的時間同步和頻率同步后得到正確的OFDM碼元組，將這些OFDM碼元組中的循環(huán)前綴去除，然后送入FFT模塊進行OFDM解調(diào)。然后將通過發(fā)射端插入的已知的導(dǎo)頻符號進行信道估計和均衡，然后進行解映射和解碼的步驟，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)流。

為了達到高速數(shù)字通信的要求，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為2M，電力線信道的延時為2μs，則一般考慮取整個OFDM碼元符號的保護間隔為6μs，取整個OFDM符號的時間為30μs，則每個OFDM符號所攜帶的bit數(shù)為數(shù)據(jù)速率和符號的有效時間之積，即2M*24μs =48bit。由于采用的卷積碼的編碼效率為1/2，則經(jīng)過編碼之后每個符號對應(yīng)了96bit，而系統(tǒng)采用QPSK的調(diào)制方式，也就是2bit調(diào)制成一個復(fù)數(shù)信號，則每個OFDM符號必須攜帶48路復(fù)數(shù)信號，也就是在進行OFDM調(diào)制時需要將信號串并轉(zhuǎn)換為48路并行的子數(shù)據(jù)流分別加載到48個子載波上，子載波的間隔為1/（30-6）μs =41.7kHz。系統(tǒng)除使用48個子載波加載數(shù)據(jù)之外，還使用8個子載波插入導(dǎo)頻符號，作為信道估計和頻率跟蹤用，同時在兩端流出8個子載波，一共使用64個子載波，則所使用的帶寬為41.7k*64，約為2.67M的帶寬。

（二）高頻寬帶功率放大器的設(shè)計

由于低壓電力線網(wǎng)絡(luò)是為了傳送50Hz 工頻電功率而設(shè)計的，它對于1MHz 以上的信號的輸入阻抗很小。這意味著發(fā)送器需要提高發(fā)送功率，或者設(shè)計輸出阻抗很小的放大器，才能達到將一定功率水平的信號發(fā)送到電力網(wǎng)絡(luò)中去的目的。已有的試驗結(jié)果表明，低壓電力線網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗在幾歐至幾十歐之間。因此設(shè)計的放大器輸出阻抗必須盡可能的小。

為了實現(xiàn)阻抗匹配，設(shè)計輸入匹配變壓器；使用耦合電容來傳輸高頻信號，阻隔工頻電流；采用MOSFET 管芯片 BLF177 實現(xiàn)寬帶功率放大，通過直流電源電路來驅(qū)動 BLF177，同時采用去耦阻隔器阻隔來自電源的高頻信號干擾，由于是高頻信號，因此在設(shè)計中除了排除外來頻率信號干擾外，還要考慮電路本身各個元件的高頻特性的影響。

（三）低壓電力線OFDM 系統(tǒng)的耦合電路設(shè)計

設(shè)計一個有效的低壓電力線高速通信耦合電路，主要應(yīng)該解決以下幾個問題：

1.能夠適應(yīng)低壓電力網(wǎng)開放式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其動態(tài)多變的網(wǎng)絡(luò)特性，保證以較低的介入損耗傳輸高頻信號，同時阻止電力線50Hz 的工頻電流進入通信終端。

2.提供足夠?qū)挼膸挘约傲己玫淖杩固匦院洼^小的工作衰減。

3.應(yīng)考慮到實際應(yīng)用，裝置應(yīng)盡量簡易、經(jīng)濟，便于現(xiàn)場的安裝使用。

低壓電力線載波通信系統(tǒng)中，載波信號耦合方式主要有電容耦合和電感耦合。本文選用電容耦合，屬于直接耦合，電路簡單，傳輸特性較電感耦合更理想，工作衰減小。電容耦合采用耦合電容器為主要元件，其電路圖如圖4所示。該耦合電路將高頻載波信號直接注入到電網(wǎng)，同時從電力線上接收高頻載波信號。

高頻電容C00一端接入低壓電力線，另一端與耦合變壓器相連。C00采用高壓電容，其耐壓值大于275 V。C00一方面用來耦合高頻載波信號，另一方面起到高壓工頻隔離的作用，這里建議耦合電容C00選用0.0047F。

耦合變壓器T00不僅具有隔離作用，同時也實現(xiàn)了信號線平衡D不平衡的變換及其阻抗的變換作用。T00的初級線圈與C00組成高通濾波電路，阻止了50 Hz的工頻電流，并盡可能削弱低頻的電力線電壓信號，減少衰減低頻噪聲及干擾信號；同時保證高頻信號的通過，并為其提供盡可能小的衰減及線性幅頻、相頻特性。

四、結(jié)語

本章給出了低壓電力線OFDM 載波通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，分別描述了試驗平臺中各個環(huán)節(jié)的算法以及具體實現(xiàn)方法；具體闡述了模塊中寬頻帶功率放大器、耦合器的設(shè)計，給出了詳細的原理說明、實現(xiàn)方法等。論文對基于 OFDM 技術(shù)的低壓電力線載波通信實驗平臺整體設(shè)計方案給予了說明。整套實驗平臺的成功研制表明將OFDM 技術(shù)應(yīng)用于低壓電力線載波通信，以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信是可行的。

參考文獻

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篇8

關(guān)鍵詞:解調(diào);FPGA;擴頻通信

Design of spreadspectrum Integuate Circuit

for data communication over power line

RONG Yue-dong1 ,XU Dong-ming2 ,ZHOU Xiao-gang3

(1.Xi‘a(chǎn)n University of Posts and Telcommunications Xi‘a(chǎn)n 710061;

2.Xi‘a(chǎn)n University of Posts and Telcommunications Xi‘a(chǎn)n 710061;

3.Xi‘a(chǎn)n Supermicro Electronics Co., LTD Xi‘a(chǎn)n 710061)

Abstract: In order to adapt the development of intelligent electric power net, the design of spread-spectrum Integrate circuit for data communication over power line is presented.Based on the latest technologySystem View in theory modeling and the large numbers of analyze and comparison about the concerned design referred in many related documents,this design is accomplished and validated by using Verilog-HDL and FPGA independently.The experiment result demonstrates that by utilizing this circuit the digital signal can be resumed well from power line and can meet the related performance index. It also verifies that this design can satisfy the digital communication in power line.

Key words: demodulation; Field Programmable Gate Array; spread-spectrum

1引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們生活水平的提高,傳統(tǒng)的人工抄表模式已無法適應(yīng)信息時代數(shù)字化的要求,因而,遠程數(shù)字抄表系統(tǒng)應(yīng)運而生。目前,遠程抄表可以通過無線電波,電話線,低壓電力線等介質(zhì)進行傳輸。但考慮到成本以及實現(xiàn)的過程,低壓電力線載波利用已有的電網(wǎng),而且不必占用已有的頻譜資源,因此低壓電力線載波通訊傳輸方式比其他通訊方式具有明顯的優(yōu)勢。雖然由于信號在電力線上的衰減以及背景噪音的干擾等都很大,電力線并非理想的通信信道。但是根據(jù)香農(nóng)定理,在信道容量固定的前提下,犧牲帶寬可以以較低的信噪比獲取可靠的數(shù)據(jù)傳輸,本文正是根據(jù)這一理論進行了設(shè)計。

2擴頻通信工作原理

擴頻通信與一般現(xiàn)有的常規(guī)通信方式完全不同[1]。它用偽隨機編碼把基帶信號(信息數(shù)據(jù)窄帶信號)的頻譜進行擴展,形成相當帶寬的低功率譜密度信號發(fā)射出去。使用不同的偽隨機編碼,不同通信用戶可在同一頻段、同一時間工作,互不影響或影響極小地進行通信。因此,擴頻通信在調(diào)制、解調(diào)上是與眾不同的。擴頻通信的基本原理如圖1所示。信息數(shù)據(jù)D經(jīng)通常的數(shù)據(jù)調(diào)制后變成帶寬為B1的信號(B1為基帶信號帶寬),用擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機碼(PN碼)去對基帶信號作擴頻調(diào)制,形成帶寬為B2(B2>>B1)、功率譜密度極低的擴頻信號后再發(fā)射出去。在接收端,首先使用與擴頻信號發(fā)送端相同的偽隨機碼做擴頻解調(diào)處理,把寬帶信號恢復(fù)成通常的基帶信號,再使用通常的通信處理手段解調(diào)出發(fā)送來的信息數(shù)據(jù)D。其理論基礎(chǔ)是信息論中的香農(nóng)定理[2]:

C=W log1+

其中:C為信道容量(比特/秒);N為噪聲功率;W為信號帶寬(赫茲);S為信號功率。由此可見,C不變時,增加帶寬,則信號的信噪比在較低的情況下,也可以以相同的速率可靠的傳輸信息。因此,增加信號帶寬,可以使信號甚至在被噪聲淹沒的情況下,仍能保持可靠的傳輸。擴頻通信正是使用了這一點,采用擴展信號帶寬的方法以提高數(shù)據(jù)傳輸中的抗干擾性。

3系統(tǒng)及主要模塊設(shè)計

3.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它的工作模式為半雙工工作模式。

該電路主要有以下幾個電路模塊組成:差分編解碼模塊,擴頻調(diào)制模塊,偽隨機發(fā)生模塊,捕獲與跟蹤模塊,解擴解調(diào)模塊,低通濾波器模塊,帶通濾波器模塊以及收發(fā)控制接口模塊等。

當系統(tǒng)處于發(fā)射態(tài)時(I/O_C=0),SYNO腳由芯片內(nèi)部的PN碼電路產(chǎn)生同步信號。外部的單片機在SYNO的下降沿時將數(shù)據(jù)置于DATA_IO管腳,該管腳將數(shù)據(jù)送入內(nèi)部的差分編碼及擴頻調(diào)制單元與PN碼及80 kHz的載波信號產(chǎn)生80 kHz的直序擴頻信號(調(diào)制信號)。該信號經(jīng)過功率放大之后即可以耦合到低壓電力線上進行傳輸。

當系統(tǒng)處于接收態(tài)時(I/O_C = 1),管腳ASI輸入的80 kHz載頻信號與芯片內(nèi)部電路進行混頻產(chǎn)生320 kHz的中頻信號,該320 kHz的混頻信號經(jīng)過帶通濾波電路,低通濾波電路,最后再經(jīng)過與發(fā)送端同步的的m序列相關(guān)同步解擴及數(shù)字信號處理之后,便恢復(fù)出原始信號。

3.2主要模塊設(shè)計

3.2.1 m序列發(fā)生器

m序列發(fā)生器是在n級線性移位寄存器的基礎(chǔ)上,加上反饋邏輯電路構(gòu)成的。m序列信號發(fā)生器有兩中結(jié)構(gòu):Fabonacci型和Galois型[3]。本文采用Fabonacc型移位寄存器產(chǎn)生m序列。該結(jié)構(gòu)的特點是移位寄存器的反饋抽頭位置與本原多項式一致,序列與初始狀態(tài)相對應(yīng),碼序列的產(chǎn)生速度主要受反饋網(wǎng)絡(luò)的時延限制。

本設(shè)計電路采用m序列發(fā)生器[4],其生成的多項式為G(x)=X4+X+1。圖3為其產(chǎn)生電路。其中,4個小方格代表4個寄存器D,把他們從左至右依次叫做第1級、第2級、第3級、第4級寄存器。對于系數(shù)C1=1,表示第1級輸出參與反饋。開始時,設(shè)初始狀態(tài)為0001,則根據(jù)圖3可生成15位的偽隨機序列。圖4為采用Verilog對圖3電路設(shè)計仿真的結(jié)果。從圖中可以看出15位偽隨機序列的產(chǎn)生,即111101011001000序列。

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3.2.2同步電路模塊設(shè)計

同步技術(shù)是擴頻通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。只有實現(xiàn)了同步,使收發(fā)兩端相關(guān)的信號在頻率、相位上取得一致,整個系統(tǒng)才能正常的工作。

這一過程分為兩個階段,第一階段為捕獲過程即粗調(diào)過程[5],它通過調(diào)節(jié)送到解擴器的本地碼相位實現(xiàn)兩個偽碼之間初始同步,當捕獲過程完成時用于解擴的本地參考信號碼相位與接收擴頻信號碼相位偏差將小于直擴系統(tǒng)一個PN碼單元,這時接收機能大致正常解調(diào)出信息。第二階段為PN碼的定時跟蹤即細調(diào)過程[6],跟蹤是通過相位鎖定方法不斷調(diào)節(jié)補償本地碼相位漂移,以達到進一步縮小同步誤差和保持這種精確同步的目的。在擴頻碼同步系統(tǒng)工作過程中,同步捕獲和跟蹤狀態(tài)應(yīng)該可以相互轉(zhuǎn)換[7]。在捕獲出現(xiàn)因強干擾引起失步時,同步系統(tǒng)必須能夠能迅速地從跟蹤狀態(tài)重新轉(zhuǎn)入捕獲狀態(tài)。而在捕獲真正鎖定時,同步系統(tǒng)也應(yīng)迅速轉(zhuǎn)入到跟蹤狀態(tài)。所以同步系統(tǒng)應(yīng)采用同步識別控制系統(tǒng)以控制捕獲和跟蹤之間的相互轉(zhuǎn)換。

本設(shè)計也是基于以上的理論方法而進行的同步電路的設(shè)計。圖5為本設(shè)計所采用的同步電路原理圖。如圖所示,接收到的信號經(jīng)寬帶濾波器后,在乘法器中與本地PN碼進行相關(guān)運算。此時,捕獲電路調(diào)整壓控鐘源,使PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地脈沖序列的頻率和相位重復(fù)接收信號的頻率和相位,以捕獲有用信號[8]。一旦捕獲到有用信號后,則啟動碼跟蹤電路,由其來控制壓控鐘源,使本地PN碼發(fā)生器與外來信號保持同步。如果由于某種原因引起失步,則重新開始新的一輪捕獲和跟蹤過程。圖6為同步電路仿真結(jié)果,從圖中可以看到同步電路工作的兩個過程即捕獲和跟蹤過程。

4系統(tǒng)仿真結(jié)果

本設(shè)計應(yīng)用SystemView進行理論建模仿真,應(yīng)用Verilog-HDL語言進行代碼設(shè)計。

圖7為系統(tǒng)配置成接收端,芯片主要信號的仿真波形。圖8為整體仿真局部放大后的電路仿真波形。圖中DATA_IN為所要經(jīng)過電力線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號,top_data_out_1為系統(tǒng)解調(diào)后接收到的數(shù)據(jù)。SYNC_SH_FA為發(fā)送端系統(tǒng)的同步信號SYNC;SYNC_SH_SHOU為接收端系統(tǒng)的同步信號SYNC;從圖可以看出系統(tǒng)在同步的前提下可以正確的解調(diào)出電力線上數(shù)據(jù)信號,從而完成電力線通信的功能。

5結(jié)束語

本文設(shè)計了一款基于擴頻通信的低壓電力線載波調(diào)制解調(diào)芯片,詳細的描述了其工作原理及主要模塊的設(shè)計思想,并用Verilog語言進行了代碼設(shè)計。此外,本設(shè)計通過了嚴格的FPGA驗證,驗證結(jié)果表明本設(shè)計能很好的滿足設(shè)計要求,因而具有很高的實用價值。

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作者簡介

榮岳棟,碩士,通信專用集成電路與系統(tǒng)設(shè)計

徐東明,教授,碩士,通信專用集成電路與系統(tǒng)設(shè)計。

篇9

關(guān)鍵詞：電力線通信；監(jiān)控系統(tǒng)；硬件設(shè)計

中圖分類號：TM764

隨著目前城市建設(shè)的高速發(fā)展和一戶一表工程的廣泛實施，客戶電能表的數(shù)量不斷增加，而由于利益的驅(qū)動，存在不少用戶竊電的現(xiàn)象，況且電表設(shè)備安裝在用戶端，給違章竊電提供了便利，給電力系統(tǒng)的維護和管理造成了巨大的不便，易造成資源的浪費和電耗的居高不下。這種情況給用電管理部門帶來了越來越繁重的任務(wù)，迫切需要提高現(xiàn)代化用電管理的技術(shù)水平。然而電表箱的安裝地點卻是無法改變的，因此只能在防竊電、防電表箱的破壞和開啟上進行設(shè)計和開發(fā)。本文是基于電力線傳輸?shù)碾姳硐溥h程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分進行設(shè)計的，通過此監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分，就可以及時的反饋電表箱的開關(guān)狀態(tài)并通過電力線進行傳輸。這樣就可以通過設(shè)計的監(jiān)控軟件將所有的監(jiān)控設(shè)備聯(lián)系在一起構(gòu)成一個電表箱防竊防破壞系統(tǒng)，進而實現(xiàn)對所有電表箱的統(tǒng)一實時監(jiān)控和管理，掌握電表箱的開啟時間，防止電表箱的破壞。

1 基本現(xiàn)狀

電力供應(yīng)在現(xiàn)代社會中扮演著非常重要的角色，人們的工作和生活都離不開它。但電力系統(tǒng)目前面臨著十分嚴峻的形勢和非常復(fù)雜的環(huán)境，其中最大的挑戰(zhàn)是電耗高、傳輸過程損失較大和部分不法分子的竊電。針對這種情況采取的一般都是低端的防盜報警方法，這種方法通常用于遠程不動點報警的場合，雖然可以防止了破壞和盜竊現(xiàn)象，但該傳統(tǒng)方法具有高發(fā)射功率、覆蓋面積小和管理方面的制約因素等很多缺點，不利于電力系統(tǒng)的管理和維護[1]。而基于電力線的遠程監(jiān)控系統(tǒng)則可以使用現(xiàn)有電力設(shè)備，利用電力線傳輸報警信息，可以實現(xiàn)低成本，高效率的防盜，防破壞報警。

發(fā)展基于電力線的電表箱遠程監(jiān)控系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的缺點方法，可以有效解決功耗問題。目前有很多電力部門使用一些低端報警設(shè)備，防盜設(shè)備或軟件，但是當前報警系統(tǒng)有很多缺陷和不足。例如很多電力報警系統(tǒng)，使用的軟件或系統(tǒng)獨立，不依賴于電力傳輸線，這就給電力行業(yè)造成了很大的壓力，同時需要架設(shè)額外的信號線，也會為能源消耗帶來許多壓力。而基于電力線的電表箱遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以使用的區(qū)域范圍廣泛，不僅用于分布集中的住宅區(qū)，更主要應(yīng)用于大型工礦企業(yè)和自助變電站、儲存?zhèn)}庫、停車場等等，可以有效的防竊電和防電表箱的破壞。

2 硬件系統(tǒng)方案確定

2.1 總方案的確定

運用原有電力線傳送信號，在每個電表箱中安裝一個監(jiān)控按鈕和報警芯片，當表箱開啟或惡意破壞時，報警芯片識別并發(fā)送報警信號由原有220V電力線傳遞報警信息，并由報警監(jiān)控指揮中心接收，并及時通知工作人員進行查看，本方案是利用高壓電力線、中壓配網(wǎng)電力線或低壓配電線作為信號傳輸媒介進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。把載有信息的高頻載波信號加載于電流，然后用電力線傳輸，接收信息的適配器再把高頻載波信號從電流中分離出來以實現(xiàn)信息傳遞。前臺使用Visual Basic 6.0編寫軟件界面，后臺數(shù)據(jù)庫使用SQL2005。

2.2 電力線載波通信技術(shù)的使用

電力線載波是指利用高壓、中壓或低壓配電線作為信息傳輸媒介進行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。該技術(shù)是把載有高頻載波信號加載于電流，然后用電力線傳輸，接收信號的適配器再把高頻載波信號從電流中分離出來以實現(xiàn)信息傳遞。電力線通信可以利用現(xiàn)有的電力基礎(chǔ)設(shè)施，通信可靠性高，具有等時性，能夠為電力系統(tǒng)管理提供傳輸通道，實現(xiàn)電力、數(shù)據(jù)和圖像綜合業(yè)務(wù)傳輸[2]。

本系統(tǒng)采用電力線載波通訊模塊來進行信息的轉(zhuǎn)換，其核心芯片采用專用電力載波集成電路，配合新形科技專門研發(fā)的通訊算法及電力線接口信號驅(qū)動電路，使得產(chǎn)品具有通信速率高，通訊可靠，抗雜波干擾能力強，通訊距離遠等特點，是專門為適應(yīng)中國國內(nèi)電力線應(yīng)用環(huán)境而研發(fā)的高性能電力線載波通訊產(chǎn)品。其實物圖見圖1。

2.3 單片機的選擇和開發(fā)

硬件系統(tǒng)由于要實現(xiàn)電表箱報警狀態(tài)信息的傳輸，因此采用既不太簡單又不是過于復(fù)雜的單片機即可，因此選擇采用STC89C52RC，該單片機是宏晶科技推出的新一代高速低功耗超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容8051單片機，可以任意選擇6時鐘機器周期和12時鐘機器周期，其容量和速度完全滿足該監(jiān)控系統(tǒng)對硬件的方案需求[3]。監(jiān)控系統(tǒng)硬件實物圖如圖2所示。

單片機的開發(fā)語言采用德國Keil Software公司的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)C語言的語法類似，在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上比匯編語言有明顯的優(yōu)勢，易學(xué)易用，可以大大的提高工作效率和項目開發(fā)周期，還可以在關(guān)鍵的位置嵌入?yún)R編語言，使程序達到接近于匯編的工作效率。編譯代碼高效、快速，生成的目標代碼效率非常高，在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

對于供電企業(yè)來說，在不改變原有電力系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過電力載波模塊和單片機實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計，并將信息直接利用電力線進行傳送，可以節(jié)省大量的人力、物力和財力，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程的監(jiān)控，方便了電力系統(tǒng)的日常維護和管理。同時采用電力線通信解決了數(shù)據(jù)信息的采集和傳送，提高了系統(tǒng)的安全性，隨著電力線通信技術(shù)的不斷成熟和GPRS網(wǎng)絡(luò)的逐步完善，基于電力線通信的監(jiān)控系統(tǒng)將會得到廣泛的應(yīng)用[4]。

參考文獻：

[1]張振華.高壓電力線路在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)工程應(yīng)用及實踐[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，8：149-152.

[2]王梟，林平分.基于電力線通信的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，7：72-75.

[3]陳海宴.51單片機原理及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[4]孟逢逢.基于電力線通信的信息家電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報，2013，6：230-232.

篇10

【關(guān)鍵詞】配電自動化；電力線載波通信技術(shù)；數(shù)據(jù)庫

前言

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，在用電量日益增加的同時，也對生活的用電質(zhì)量提出了更高的要求。但就我國配電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)狀來說，由于資金短缺、設(shè)備落后等問題，嚴重制約了配電網(wǎng)的發(fā)展，甚至導(dǎo)致了一些配電事故的發(fā)生。鑒于此，加強對配電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)刻不容緩。當前，在科學(xué)技術(shù)的影響下，配電自動化技術(shù)作為融合計算機技術(shù)、電力系統(tǒng)技術(shù)以及通訊技術(shù)為一體的新型系統(tǒng)，能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)中的設(shè)備進行實時的監(jiān)控，從而確保配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，提高了供電質(zhì)量，并減少了工人的工作強度，大大降低了供電企業(yè)的運行成本。在配電自動化系統(tǒng)的運行過程中，通常以通信手段為基礎(chǔ)，一是將控制中心產(chǎn)生的命令傳輸至各個不同地方的遠方終端，二是將遠方設(shè)備的相關(guān)運行情況以數(shù)據(jù)信息的方式傳回控制中心，從而保證實現(xiàn)配電網(wǎng)的自動化管理。由上可見，通信技術(shù)是決定配電自動化技術(shù)高低的重要標志。

1.配電自動化通信系統(tǒng)的概述

所謂配電自動化，就是對配電網(wǎng)中各種數(shù)據(jù)信息進行集成，構(gòu)成一個自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)對配電網(wǎng)以及相關(guān)設(shè)備運行的實時監(jiān)督，不斷優(yōu)化配電網(wǎng)的運行方式；一旦配電網(wǎng)在運行時發(fā)生故障，也能夠根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)及時找出故障區(qū)域，及時采取補救措施，盡量減少停電的時間和面積，保證用戶的用電需求。在這個過程中，與輸電網(wǎng)調(diào)度的自動化系統(tǒng)相同，配電自動化系統(tǒng)也需要以一個通信網(wǎng)絡(luò)為依托，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)、控制命令等在控制中心與遠方終端之間的傳輸。

1.1 配電自動化通信系統(tǒng)的特點

配電自動化通信具有如下特點：一是終端節(jié)點的數(shù)量非常多。配電網(wǎng)的遠方終端包括變電站、配電變壓器以及線路負荷開關(guān)等多種設(shè)備，要想實現(xiàn)對這些設(shè)備的實時監(jiān)控，就需要大量的終端節(jié)點。二是通信節(jié)點比較分散。配電設(shè)備的分布區(qū)域比較廣泛，在安裝配電自動化終端時，其節(jié)點的分布比較分散。三是通信距離很短。配電網(wǎng)所覆蓋的一個區(qū)域相對比較小，各個配電自動化通信節(jié)點間的距離短。當在配電自動化通信網(wǎng)中將主通道與小區(qū)的分支通信網(wǎng)結(jié)合的時候，配電自動化終端設(shè)備之間的通信距離只有二到三公里。四是通信數(shù)據(jù)的量很小。由于配電自動化遠方終端的控制對象主要是線路開關(guān)以及配電變壓器等設(shè)備，監(jiān)控的數(shù)量有限，配電自動化通信系統(tǒng)所傳輸?shù)男畔⒘啃　?/p>

1.2 配電自動化通信系統(tǒng)的基本要求

在配電自動化通信系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，需要注意以下要求：首先，配電自動化通信系統(tǒng)的運行條件是非常苛刻的，對可靠性的要求非常高。這主要是因為大多數(shù)的配電自動化通信裝置都處于戶外環(huán)境，容易受到溫度、降水等惡劣自然條件的影響。在通信設(shè)備的安全過程中需要進行防雨、防潮等保護措施，尤其是對于安裝在電力線柱上的設(shè)備來說，要保證其具有很強的抗干擾能力，避免受到高電壓、雷電等不良條件的破壞。其次，要確保在配電線路發(fā)生故障時，通信系統(tǒng)能夠正常進行通信功能，這樣就可以保證配電自動化系統(tǒng)仍具有故障定位的能力。特別是對使用電力線載波的通信方式來說，還需要考慮當線路開關(guān)打開后的信號通道問題。再者，配電自動化通信系統(tǒng)還應(yīng)該具有雙向通信、可靠性高以及操作維護方面等特性。

2.配電自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)

2.1 配電自動化中的電力線載波通信系統(tǒng)的研究

2.1.1 配電自動化中的電力線載波通信系統(tǒng)的概述

就當前的配電自動化系統(tǒng)的通信方式來說，按照信道的不同，主要分為光纖、無線、微波以及電力線載波等多種方式。其中，電力線載波作為電力自動化通信的重要方式之一，是通信高速公路中的重要組成部分。電力線載波分為輸電線載波和配電線載波，相比較光纖通信方式來說，具有很多優(yōu)點。比如說，電力線載波在通信過程中不需要再鋪設(shè)通道，通常與功率通道為一體，因而在通信中不易受到網(wǎng)絡(luò)變化的影響；通信通道設(shè)備的操作維護也是非常方便。相對的，這種通信方式也具有一些缺陷，首先，電力線載波在通信過程中會產(chǎn)生較大的噪聲，尤其是在高壓電力線路中，游離放電電暈和開關(guān)操作等過程都會產(chǎn)生較大的噪聲；此外，電力線路上的阻抗變化也是很大，一般高壓電力線的阻抗在300～400Ω 左右，而且呈現(xiàn)波動的狀態(tài)，這樣就會嚴重影響載波通道的衰減。當通道的加工不完善或是存在容性的負載，這就會使載波通道的阻抗加劇變化，嚴重時會導(dǎo)致通信的中斷。

2.1.2 低壓電力線載波通信的應(yīng)用

電力線載波通信可以依據(jù)高壓電力線、中壓電力線、低壓配電線三種電力線進行信息傳輸。其中高壓的電力線載波主要用于地、市級或是以下的供電部門的調(diào)度通信管理；中壓電力線載波可以作為配電網(wǎng)自動化的應(yīng)用傳輸通道；而低壓電力線載波則能夠為用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入以及智能家居等服務(wù)。就中壓電力線載波的應(yīng)用現(xiàn)狀來說，主要用于10 kV的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)當中，通過作為數(shù)據(jù)的傳輸通道，為實現(xiàn)配電網(wǎng)的自動化管理作依托。10 kV的配電網(wǎng)傳輸具有非常復(fù)雜的特性，只能夠通過測試來得到數(shù)據(jù)在傳輸過程中的特性。在對配電網(wǎng)自動化中的電力線載波通信進行研究的過程中，應(yīng)當充分分析具體應(yīng)用的現(xiàn)狀。對于電力線載波的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備應(yīng)用中，一旦因傳輸距離過長而不能夠及時送達時，要根據(jù)不同的調(diào)制方法采取不同的中繼方式，并對現(xiàn)場進行驗證。再者，面對突發(fā)的噪聲干擾現(xiàn)象，并不只是簡單的進行校驗，要采取恰當?shù)慕鉀Q措施。在大型的、多用戶的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中，電力線載波在傳輸數(shù)據(jù)過程中，往往缺少實際的第一手資料，所以為了快速的響應(yīng)這個問題，就需要不斷完善現(xiàn)有的傳輸設(shè)備和數(shù)據(jù)庫，有效的實現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動化管理。

2.2 配電自動化中的數(shù)據(jù)庫設(shè)計

配電網(wǎng)自動化具有信息量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，無論是從計算機硬件系統(tǒng)還是軟件體系來說，都應(yīng)該不斷滿足配電自動化系統(tǒng)的發(fā)展。在配電自動化中的數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，要不斷滿足實時高效的要求，然而當前大型的商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫很難滿足這個需求，可以與專用的實時數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，從而形成集網(wǎng)絡(luò)功能與透明傳輸功能于一體的全網(wǎng)實時數(shù)據(jù)庫，這樣不僅方便了相關(guān)程序的開發(fā)過程，也使得整個系統(tǒng)具有良好的擴充性。

3.結(jié)束語

綜上所述，配電自動化中的電力線載波通信作為一種以電力線為傳輸媒介的信息傳遞方式，廣泛的應(yīng)用于我國的配電網(wǎng)系統(tǒng)當中。但與此同時，面對電力線噪聲大、阻抗變化大的缺點，還需要對其進行進一步的研究，從而保證配電自動化系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，不斷提高配電自動化通信的可靠性。

【參考文獻】

[1]孫海翠，張金波.低壓電力線載波通信技術(shù)研究與應(yīng)用[J].電測與儀表， 2006，9（08）：48-50.