低壓電力載波通信技術(shù)研討

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1、 主講： 吳麗文 低壓電力載波通信技術(shù) 研討 目 錄 集抄系統(tǒng)架構(gòu) 2 低壓電力線載波技術(shù)特點(diǎn)和解決方法 3 研討背景 1 國內(nèi)主流載波通信技術(shù)比較圖 5 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)合理融入 4 技術(shù)交流 6 一、研討背景 電力線載波通信是利用輸電和配電線路網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)、語音、圖像 及其它數(shù)字信息傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)。早在上世紀(jì)四十年代，國外就開始利用高壓輸電線 路傳輸遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)調(diào)度電話。經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，電力線載波通信技術(shù)取得了很 大進(jìn)步，已經(jīng)在高壓、中壓、低壓輸配電網(wǎng)絡(luò)中得到實(shí)用。尤其是近十幾年來，低壓電力 線載波通信技術(shù)在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中獲得了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，大大地提高了電

2、能表 數(shù)據(jù)抄收的效率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在市場需求的驅(qū)動(dòng)下，以低壓電力 線載波集中抄收模式為主體的電能量自動(dòng)抄表技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)形成了一個(gè)具有較強(qiáng)的 科研開發(fā)能力和生產(chǎn)制造規(guī)模的產(chǎn)業(yè)群體，并且積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 二、集抄系統(tǒng)架構(gòu) 主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程集中抄表，實(shí)現(xiàn)抄表自動(dòng)化 系統(tǒng)主要由 5個(gè)部份組成：主站系統(tǒng)、上行通信信道、集中采集設(shè)備、下行通信信道、 采集終端設(shè)備 三、低壓電力線載波技術(shù)特點(diǎn)和解決方法 電力線不是為數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的，電力線上的設(shè)備與組件是按照輸送電能損失最少、 能夠有效輸送 50HZ交流電而設(shè)計(jì)的，因此電力線不具備通信線路的特點(diǎn)?？偟膩碚f，低 壓電力線載波信道的

3、傳輸特性的特點(diǎn)是：窄帶寬、時(shí)變性強(qiáng)、衰減較大、干擾噪聲復(fù)雜。 技術(shù)障礙 時(shí)變性 信道衰減 電網(wǎng)污染 解決方法 提高功放輸出，增加發(fā)射信號(hào)幅度 提高接收設(shè)備接收靈敏度 擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用 超窄帶通信 多載波調(diào)制 自適應(yīng)跳頻技術(shù) 正交頻分復(fù)用（ OFDM）技術(shù) 技術(shù)障礙 三、低壓電力線載波技術(shù)特點(diǎn)和解決方法 造成國內(nèi)低壓載波集抄系統(tǒng)今天尷尬局面的原因，主要就是因?yàn)樾诺罆r(shí)變性、信道 強(qiáng)衰減與電網(wǎng)污染造成的： 時(shí)變性： 對于一般的居民用戶，我國采用的是 220 V交流兩線供電。由于電網(wǎng)上負(fù)載的不斷 接人、切出，比如馬達(dá)的停止、啟動(dòng)，電器有開有關(guān)等各種隨機(jī)事件，使表現(xiàn)出來的信 道特性具有很強(qiáng)的時(shí)變性。 技術(shù)障

4、礙 三、低壓電力線載波技術(shù)特點(diǎn)和解決方法 信道衰減： 據(jù)有關(guān)資料介紹：根據(jù)我國不同低壓電網(wǎng)的不完全測試，從配電變壓器出口到電網(wǎng)末 端，最大高頻（ 500KHZ以下）衰減達(dá)到 130db。 衰減的原因包括： 1)線路衰減：其中包括電纜的分布電容造成的相間衰減、對地衰減、電感感性衰減、線路 阻抗衰減等； 2)負(fù)載引起的線路衰減劇烈變化； 3)功放阻抗失配造成的衰減； 4)線路節(jié)點(diǎn)引起的高頻信號(hào)反射，特別是線路類別變化的節(jié)點(diǎn)，反射更加嚴(yán)重，架空線與 電纜接頭可能造成 80信號(hào)功率反射（約 7db衰減）； 5)多徑衰落引起的高頻信號(hào)衰減； 技術(shù)障礙 三、低壓電力線載波技術(shù)特點(diǎn)和解決方法 電網(wǎng)污染： 國

5、內(nèi)電網(wǎng)污染立法相對落后，大批劣質(zhì)電器的泛濫使用及開關(guān)變頻設(shè)備的大量應(yīng)用， 對低壓電網(wǎng)形成嚴(yán)重的污染。 下圖為某款電磁爐的干擾波形： （左圖為電磁爐未上電示波器觀察到的圖形 右圖為電磁爐上電后示波器觀察的波形） 技術(shù)障礙 三、低壓電力線載波技術(shù)特點(diǎn)和解決方法 那么這種高幅、廣譜干擾，對于不能進(jìn)行電網(wǎng)一次回路阻波、隔離的低壓配電網(wǎng)載波信 道，它將徹底破壞了通信接收的信噪比，這對電力通信來講完全是致命的！ 電網(wǎng)存在的主要干擾類型： 1）可控硅（ SCR）器件和一些電源電路產(chǎn)生的 50 Hz的倍頻諧波； 2）由負(fù)載和電網(wǎng)不同步而產(chǎn)生的具有平滑功率譜的干擾； 3）開關(guān)電子設(shè)備產(chǎn)生的單脈沖噪聲 ; 4）非

6、同步周期的噪聲，如電視機(jī)的 15.73土地的行掃描頻率。 電網(wǎng)的這種高衰減、強(qiáng)干擾、時(shí)變性強(qiáng)的特點(diǎn)造成國內(nèi)外的載波技術(shù)無法真正的實(shí)用化。 解決方法 三、低壓電力線載波技術(shù)特點(diǎn)和解決方法 提高功放輸出，增加發(fā)射信號(hào)幅度： 該技術(shù)措施受電網(wǎng)諧波系數(shù)的限制，同時(shí)必須滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。在這些法規(guī)與 標(biāo)準(zhǔn)的前提下，我們從功放最大獲取的增益，原則上不會(huì)超過 3 4db。但實(shí)際上，我們需 要的增益卻是數(shù)十分貝，同時(shí)增加發(fā)射幅度的增加必然加大通信設(shè)備的耗能及發(fā)熱，這也是 我們不愿意看到的，所以從理論上就可以否定該技術(shù)措施獨(dú)立實(shí)施的技術(shù)可行性！ 提高接收設(shè)備接收靈敏度： 鑒于通信成功與否主要取決的是接收信

7、噪比，當(dāng)在信號(hào)源發(fā)射信號(hào)時(shí)已經(jīng)有所限制，那 么噪聲干擾對通信的成功起了關(guān)鍵性的作用，從上面我們提供的干擾波形可以看出，各種劣 質(zhì)電器的干擾基本屬于廣譜干擾，這就意味著在很大一定的頻譜范圍內(nèi)均存在的干擾信息， 而我們所采用的各種濾波電路，在極低的電網(wǎng)等效內(nèi)阻作用下， Q值也會(huì)變得極低，濾波器 的濾波效果實(shí)現(xiàn)難度很大而且所取得的效果也不好；當(dāng)面對同頻干擾，信號(hào)將會(huì)淹沒在巨大 的干擾噪聲中，所以再高的接收靈敏度也無濟(jì)于事，應(yīng)此只通過增大通信的接收靈敏度這項(xiàng) 技術(shù)措施也不具備獨(dú)立實(shí)施的技術(shù)可行性！ 解決方法 三、低壓電力線載波技術(shù)特點(diǎn)和解決方法 擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用： 在通信發(fā)展的歷史長河里，對付干擾，人們早

8、就積累了相關(guān)豐富的經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)頻調(diào)制就是 一種十分有效的技術(shù)手段！目前的很多通信技術(shù)均基于擴(kuò)頻理論發(fā)展起來，如目前的 3G通 信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；的確，該技術(shù)的理論合理性和實(shí)現(xiàn)的方便性讓目前國內(nèi)很多的低壓載波芯片幾 乎都毫無例外采用了擴(kuò)頻調(diào)制方式。確實(shí)它對提高信道物理層通信能力也起到了重要的作用 。但仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，依然存在根本性矛盾解決不了！我國低壓載波通信頻段規(guī)定在 40 500KHZ左右而且由于目前成本的限制用很長的擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻明顯也是不現(xiàn)實(shí)的。再者電 力線主要的作用是用于能量傳輸?shù)模⒉皇且粋€(gè)良好的通信介質(zhì)，其帶寬也是有限的，這就 限制了擴(kuò)頻調(diào)制只能是窄帶擴(kuò)頻。通過目前所知道，國內(nèi)從事載波通信

9、技術(shù)的廠家里中，最 高采用的擴(kuò)頻碼只為 63位，那么通過擴(kuò)頻的方式，其可以獲得的窄帶擴(kuò)頻增益大約在 18db ?？墒歉鶕?jù)我國低壓載波現(xiàn)場不完全測試結(jié)果，我們需要的增益約在 60db以上！所以通過 擴(kuò)頻技術(shù)所貢獻(xiàn)的這部份增益還不足以滿足我國低壓通信的全部需求！更何況這個(gè)數(shù)據(jù)還不 包括低壓電網(wǎng)的強(qiáng)干擾影響！ 解決方法 三、低壓電力線載波技術(shù)特點(diǎn)和解決方法 超窄帶通信： 在上個(gè)世紀(jì)末，超窄帶通信技術(shù)就已經(jīng)傳到我國。它以超窄帶（傳輸帶寬可以低到 0.001HZ）、低速率、低功耗（可以低到 0.3mW）、強(qiáng)穿透、長距離、體積小而著稱。但 由于通信速率太慢，國內(nèi)基本沒有使用。 多載波調(diào)制： 多載波調(diào)制就是

10、為了應(yīng)對低壓電網(wǎng)惡劣的干擾環(huán)境而應(yīng)用的！目前國內(nèi)深圳清華力合 微電子生產(chǎn)的 LME2200芯片與以色列 itrar公司的 it800d都是采用這種調(diào)制方式。但它的指 導(dǎo)思想只是為了避開窄帶干擾，而無法應(yīng)對廣譜干擾！而且這種調(diào)制方式的缺點(diǎn)是使用頻 帶寬度比較寬，可能從 60KHZ到 120KHZ之間，在全部可使用帶寬只有 400 450KHZ的低壓 載波頻段，如果帶外抑制措施不到位，很容易形成不堪接受的雜散輻射！ 自適應(yīng)跳頻技術(shù)： 這種技術(shù)應(yīng)用于擴(kuò)頻就是為了提高頻率利用效率。每次發(fā)射采用能夠避開干擾頻率的 某一個(gè)頻道。目前 echelon公司就是采用這種調(diào)制方式。但這種調(diào)制方式與擴(kuò)頻調(diào)制方式 一

11、樣，能夠獲得的擴(kuò)頻增益依然不足以應(yīng)對我國低壓電網(wǎng)的劇烈衰減，同時(shí)由于跳頻機(jī)制 造成點(diǎn)對點(diǎn)之間如何同步進(jìn)行調(diào)頻在電網(wǎng)這種非可靠信道尚很難解決。 解決方法 三、低壓電力線載波技術(shù)特點(diǎn)和解決方法 正交頻分復(fù)用（ OFDM）技術(shù)： 也就是直角頻率多路傳輸分割復(fù)用技術(shù)。這種技術(shù)將無線通信傳輸信號(hào)分割成了多個(gè)副 載波進(jìn)行傳輸，而每個(gè)副載波由于僅僅攜帶了很小一部分的數(shù)據(jù)負(fù)載，這樣的話 OFDM技術(shù) 就能利用更長的符號(hào)周期，從而使通信傳輸信號(hào)更不容易受到多徑傳輸?shù)母蓴_或者其他外界 的特殊干擾。當(dāng)然， OFDM技術(shù)除了通過分割載波的方法來增強(qiáng)通信的抗干擾外，它還通過 提高載波頻譜利用率的方法來提高通信的穩(wěn)定性。

12、這種技術(shù)通過對多載波的調(diào)制改進(jìn)，讓各 子載波相互正交，于是擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互干擾。 在對每個(gè)載波完成調(diào)制以后，為了增加數(shù)據(jù)的吞吐量，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，它又采用了?種叫作 HomePlug的處理技術(shù)，來對所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)位的載波進(jìn)行合并處理，把眾 多的單個(gè)信號(hào)合并成一個(gè)獨(dú)立的傳輸信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。 OFDM技術(shù)比較突出的地方就是即使在 窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。 解決方法 三、低壓電力線載波技術(shù)特點(diǎn)和解決方法 但這種技術(shù)主要應(yīng)用于 2 30MHZ頻段！目前我國的 OFDM技術(shù)研究已經(jīng)起步，但電力 通信運(yùn)用中很難進(jìn)行應(yīng)用，主要是因?yàn)閮r(jià)格成本的因素決定

13、無法采用高速的 AD與 DA器件和 高速 CPU，尚無法在商業(yè)推廣應(yīng)用的程度，同時(shí)這種技術(shù)也是基于頻率避讓的一種手段，在 電網(wǎng)這種窄帶及寬頻干擾強(qiáng)度強(qiáng)的信道的確也是很難實(shí)現(xiàn)其真正的通信能力 ,同時(shí)由于總發(fā)射 功率的限制，隨著子載波路數(shù)的增加，其各個(gè)子載波的發(fā)射功率明顯降低，那么抗衰減能力 就顯著降低，因此 OFDM這種技術(shù)在電力線上的應(yīng)用可能完全是沒辦法實(shí)用化的。 通過上面的描述來看，無論利用何種技術(shù)手段無非都是為了在通信物理層上找到一種最 適合電力線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ娏€做為一種比較特別的通信媒介，根本無法對其建立一 個(gè)合理完整準(zhǔn)備的物理和數(shù)學(xué)模型，因此簡單的通過通信理論知識(shí)來研發(fā)產(chǎn)品來應(yīng)

14、用于電力 線數(shù)據(jù)通信，僅僅希望通過物理層的通信能力來解決低壓集抄的實(shí)際問題，并不明智。 四、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)合理融入 單純的通過物理層的通信能力的提升肯定無法完全解決電網(wǎng)的實(shí)際問題，那么我們就必 須在電力線載波的通信技術(shù)領(lǐng)域也充分借鑒有線、無線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，而解決電力線 載波通信的一個(gè)行之有效的手段就是中繼的引入，就是通信中的抗衰減技術(shù)措施，也就是所 謂的中繼增音的技術(shù)，在低壓載波通信領(lǐng)域，早就有人提出了中繼通信的概念。特別是當(dāng)每 臺(tái)電力線載波電能表自身已經(jīng)同時(shí)具備接收與發(fā)射能力，那么它也就具備了中繼站的基本功 能。所以利用表進(jìn)行中繼的技術(shù)就成了一種自然的選擇，而且考慮到利用中繼增音措施不僅

15、 可以提高系統(tǒng)的抗衰減能力，而且由于有用信號(hào)的幅度也以幾何級數(shù)增加，從而大大提高了 接收信噪比，對系統(tǒng)抗干擾能力提高同樣行之有效。所以近年在低壓載波通信領(lǐng)域，中繼通 信是一個(gè)十分熱門的話題。目前市場運(yùn)行的中繼處理方法主要有以下幾種： 人工選表，固定中繼 集中器抄表路徑自學(xué)習(xí) 洪泛技術(shù)的應(yīng)用 五、國內(nèi)主流載波通信技術(shù)比較圖 技術(shù)類型 多載波窄帶調(diào) 制通訊技術(shù) DPSK（相對相 移鍵控調(diào)制） 直序擴(kuò)頻通訊 技術(shù) BFSK（二進(jìn)制頻移鍵控）調(diào)制擴(kuò)頻通 訊技術(shù) 載波頻率 60-90K 120K 270K 420K 帶寬 4個(gè)頻點(diǎn) 15K 30K 30K 擴(kuò)頻碼長 度 無擴(kuò)頻 15 63 63 數(shù)據(jù)通訊

16、 速率 1Kbps 500bps/250bps 實(shí)際應(yīng)用主要 為 250bps 330 bps 100 bps/50bps 五、國內(nèi)主流載波通信技術(shù)比較圖 組網(wǎng) 方式 自適應(yīng)動(dòng)態(tài) 組網(wǎng) 路徑條件約束配合 集中器徑優(yōu)化算法 （據(jù)說已應(yīng)用洪泛 抄表機(jī)制） 集中器自學(xué)習(xí)機(jī) 制，多路徑優(yōu)化 （據(jù)說已應(yīng)用洪 泛抄表機(jī)制） 集中器自學(xué)習(xí) 機(jī)制，多路徑 優(yōu)化（據(jù)說已 應(yīng)用洪泛抄表 機(jī)制） 路由 級數(shù) 5級 3級 3級 4級 同步 方式 過零同步 自同步 自同步 過零同步 網(wǎng)絡(luò) 類型 對等網(wǎng)路 主從網(wǎng)絡(luò) 主從網(wǎng)絡(luò) 主從網(wǎng)絡(luò) 五、國內(nèi)主流載波通信技術(shù)比較圖 接收方式 采用內(nèi)部 AD進(jìn) 行采樣，然后 進(jìn)行數(shù)字濾波

17、 選頻算法進(jìn)行 處理。 采用無線調(diào)頻 接收芯片處理 后送入芯片處 理（已集成到 芯片中）濾波 器受溫度影響 大，一致性不 好 采用無線調(diào)頻接 收芯片處理后送 入芯片處理（ MC3361）濾波器 受溫度影響大， 一致性不好 采用無線調(diào)頻 接收芯片處理 后送入芯片處 理（ MC3361） 濾波器受溫度 影響大，一致 性不好 發(fā)送方式 采用推挽發(fā)射 電路進(jìn)行發(fā)送 采用推挽發(fā)射 電路進(jìn)行發(fā)送 采用 MOS管結(jié)合 選 頻電路進(jìn)行 發(fā)送 采用功率合成 電路，在不提 高電源電壓的 情況下功率增 加一倍 五、國內(nèi)主流載波通信技術(shù)比較圖 方案成本及系 統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用 成本較低 ，若可用 的話開通 和維護(hù)費(fèi) 用少 成

18、本適中，系 統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行 費(fèi)用高 成本適中，系統(tǒng) 調(diào)試和運(yùn)行費(fèi)用 高 成本適中，系 統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行 費(fèi)用高 一天 24小時(shí)整 點(diǎn)抄收成功率 （ 300戶） 很難保證 完全抄收 很難保證完全 抄收 很難保證完全抄 收 很難保證完全 抄收 單表實(shí)時(shí)點(diǎn)抄 1-6秒 3-10秒 3-12秒 3-30秒 實(shí)測情況比較 （基于我們在 小港村的現(xiàn)場 測試環(huán)璄進(jìn)行 實(shí)測） 點(diǎn)對點(diǎn)抄 收能力差 ，組網(wǎng)能 力較好 點(diǎn)對點(diǎn)抄表能 力一般，組網(wǎng) 能力一般 點(diǎn)對點(diǎn)抄表能力 一般，組網(wǎng)能力 一般 點(diǎn)對點(diǎn)抄表能 力較好，組網(wǎng) 能力較差 六、技術(shù)交流 針對電網(wǎng)的特點(diǎn)，如何提高信號(hào)的抗衰減能力？ 針對電網(wǎng)的特點(diǎn)，如何提高抗干擾能力和提高接收靈敏度？ 選擇合適的組網(wǎng)中繼技術(shù)，如何科學(xué)有效的自動(dòng)組網(wǎng)？ 謝謝！