電力線載波通信的特點.doc

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電力線載波通信的特點 一、 高壓載波路由合理，通道建設投資相對較低 　　高壓電力線路的路由走向沿著終端站到樞紐站，再到調度所，正是電力調度通信所要求的合理路由，并且載波通道建設只需結合加工設備的投入而無須考慮線路投資，因此當之無愧成為電力通信的基本通信方式，尤其在邊遠地區(qū)更是這樣。電力線載波通道往往先于變電站完成建設，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)勢就會顯現出來。在中壓配電網載波和低壓用戶電網載波中，節(jié)省線路建設費用，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。 二、 傳輸頻帶受限，傳輸容量相對較小 　　在高壓電網中，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于40～500kHz之內，按照單方向占用4kHz帶寬計算，理想情況下一條線路可安排115條高頻載波通道。但由于電力線路各相之間及變電站之間的跨越衰減有限（13～43dB），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所實現的載波通道是有限的，在當今通信業(yè)務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用的“瓶頸”問題。盡管我們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、頻率阻塞法及地圖色法和計算機頻率分配軟件，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使用，但還是不能滿足需要。近來隨著光纖通信的發(fā)展和全數字電力線載波機的出現，稍微緩解了載波頻譜的緊張程度。 在10kV中壓配電網和低壓用戶配電網中，除了新上的載波信號之外，不存在其它高頻信號，并且一般為多址傳輸，因此通道容量問題并不突出。 三、可靠性要求高 　　有兩個原因要求電力線載波機具有較高的可靠性，一是在電力系統(tǒng)中傳輸重要調度信息的需要；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，國家質檢總局從八十年代開始即對電力線載波機（類）產品實行了強制性生產許可證管理[4]。隨著時代的進步，目前管理的范圍已包括各種電壓等級的載波機、繼電保護收發(fā)信機、載波數據傳輸裝置（如配網自動化和抄表系統(tǒng)的載波部分）和電線上網調制解調器。目前大多數高壓及中壓電力線載波機生產企業(yè)已按照生產許可證的要求建立了較為完善的質量體系。 四、 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（見圖1），在高壓電力線路上，游離放電電暈、絕緣子污閃放電、開關操作等產生的噪聲比較大，尤其是突發(fā)噪聲具有較高的電平（見圖1）。根據國外資料描述，電力線的噪聲特性可分為四種類型： 1、具有平滑功率譜的背景噪聲，這種類型噪聲的功率譜密度是頻率的減函數，如電暈噪聲。這種噪聲特性可以用帶干擾的時變線性濾波模型來描述。 2、脈沖噪聲，由開關操作引起，這種噪聲與電站操作活動的關系較大。 3、電網頻率同步的噪聲，主要由整流設備產生。 4、與電網頻率無關的窄帶干擾，主要由其它電力設備的電磁輻射引起。 　　一般電暈噪聲電平大致為：220kV -25dB；110kV -35dB（帶寬為5kHz），在工業(yè)區(qū)、沿海地區(qū)、高海拔地區(qū)、新線路、升壓線路和絕緣設備存在微小放電的線路上噪聲電平還將增高15dB左右。因此，在這樣惡劣的噪聲環(huán)境下，電力線載波機一般都采用較大的輸出功率電平（37～49dBm）來獲得必要的信噪比。 低壓電力載波通道的噪聲有背景噪聲、脈沖噪聲、同步和非同步噪聲及無線電廣播的干擾等構成[6]。 五、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生嚴重的影響[7]。在通道加工不合理、不完善、存在容性負載以及T接分支線時，會加劇載波通道的阻抗變化并甚至中斷通信。低壓用戶配電網載波通道的阻抗變化更大（見圖2），在負荷很重時，線路阻抗可能低于1Ω，這使得載波裝置不能采用固定的阻抗輸出。 六、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（見圖3），且具有時變性。工頻運行方式的改變、線路換位、其它載波機帶外亂真發(fā)射、載波通道間的串擾、線路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諧線圈性能等多種因素會對載波通道的衰減產生影響。為此，電力線載波機必須設置至少大于30dB范圍的自動增益調整電路。一般來說，從500kV到220V（電壓等級從高到低），電壓越低線路衰減越大，時變性越強，建立通道越困難。有時在中壓或低壓配電網載波通道的衰減大到難以實現通信的狀況時，設計人員不得不采用特殊的通信方式或設計多通道電路來自動進行選擇。 七、對外界的干擾 　　由于高壓電力線載波頻段限制在40～500kHz，只要控制載波機的諧波和交調亂真發(fā)射功率足夠小，即可避免對外界的干擾。目前值得研究的是在220V線路上的擴頻電線上網裝置的干擾問題，這類裝置為了實現高速數據通信，往往占用頻帶達30MHz甚至更多，據國外媒體報道，當電力線數據通信使用2～30MHz的頻帶傳輸數據時，將會對該頻段的短波無線電廣播、業(yè)余愛好者無線電臺等產生影響。目前我國還沒有建立這方面的標準，應當將這種干擾限制在何種程度還需要進一步研究[8]。 八、網絡應用要求更高 　　現代通信對電力線載波的要求也更側重于網絡方面，需要將原先僅限于通道的概念擴展為網絡概念。以往的電力線載波機主要靠自動盤和音轉接口實現小范圍的聯網，而將載波機與調度機協同考慮，實現載波機協同變電站調度機的組網應用以及適當設置能夠與通信網監(jiān)測系統(tǒng)接口的數據采集變送器應當是我們近幾年考慮的問題。與高壓電力載波不同，電力線載波在中、低壓線路上的應用在開始階段就是建立在網絡應用的基礎之上的。 目前需要考慮的一些技術問題 一、高壓電力線載波 信道容量長期以來一直是電力線載波通信存在關鍵問題，如何進一步實現更高速、多路的電力線載波通信是進一步發(fā)展的主要課題。目前我們已通過成功地采用數字復接技術擴展了頻域4kHz帶寬的信道容量（達到28.8kbits/s），今后還可在線路頻率的回波抵消上進行一番深入研究。國內以前曾有過對模擬正交調制實現通道容量倍增的研究，隨著技術的發(fā)展，高精度的DDS（直接頻率合成）技術已經商業(yè)化，這一研究還可繼續(xù)進行下去。同時，在電力線載波頻率資源趨于寬松的情況下，在載波線路頻譜上采用比當前4kHz載波基本頻帶更寬的頻帶已成為可能，本文認為相關的載波標準應針對當前的實際情況考慮適當修改，并以此來規(guī)范現場的實際應用。 二、 數字多路復接類型的電力線載波機在進行遠動數據傳輸時，有時會產生瞬時中斷現象，這種現象對于語音傳輸無大影響，但是對于數據傳輸，尤其是一些重要的控制信號的傳輸將帶來不良的后果。據分析，這一現象可能是由線路上的突發(fā)脈沖干擾引起的，因此，解決這一問題可以考慮兩個方面，一是在載波機設計中有針對性地重點考慮如何解決（據說已有產品，還需現場驗證）；二是在現場應用中也要注意不能一概而論地上數字復接載波機，應針對實際應用的場合來選擇合適的載波機類型。如果線路突發(fā)噪聲比較高，頻繁出現這樣的瞬時中斷時，在目前情況下應考慮采用DSP制式的數字化電力線載波機。 三、 載波機的接口類型目前有音轉、二線E&M、四線E&M、小號、延長線、遠動等，還需更趨于完善，尤其是與數字設備和通信網管理系統(tǒng)以及調度自動化系統(tǒng)的接口更需規(guī)范、適用。載波機與程控調度交換機的結合方式應更便于組網應用，使調度機的功能覆蓋到全網。 四、 載波機的電路設計在性能指標冗余度和器件極限指標的余量上還需進行精細地設計（要有量化的指標），以保證設備的整機指標和長期運行的可靠性。整機的出廠不能僅以調試通過來判斷設備的質量，而應按照企業(yè)內控標準，在經過適當的老化運行之后，以最終檢驗的結果來判斷設備的出廠質量水平。 五、 目前載波機的設計主要針對高壓和農電兩個方向來進行，雖然我們研究了許多不同的制式，如呼叫信號有脈沖、單頻移頻、雙頻移頻和帶內編碼型；導頻制式有單導頻、無導頻、間歇導頻；調制方式有一次、二次和三次調制，但在下面一些方面還需努力，如：組合功放、線路回音抵消、高頻數字調制、抗突發(fā)噪聲的數字復接器、自適應線路阻抗匹配、工藝水平、過程質量管理等。對于遠動的防衛(wèi)度問題，應當盡可能地設計為自適應地保持恒定的防衛(wèi)度水平，而不是隨著話音和遠動電平的浮動而改變，這樣將更有利于遠動信號的傳輸可靠性。 六、載波機的電磁兼容性能，如電磁輻射抗擾度、靜電放電、快速瞬變、浪涌等性能應當在整機設計階段就加以考慮，并通過型式試驗的檢驗，在當前嵌入式CPU成為載波機的中心控制單元的情況下更是這樣。以前我們在這方面所做的工作不夠，現在已具備所有的試驗條件，可以按照國標的要求來進行。 中壓電力線載波 一、10kV配電網的傳輸特性由于十分復雜，只能通過測試來得到該時段的傳輸特性。因此，應當努力進行配電網載波傳輸特性的研究和測試，摸清其能夠為工程應用提供實際參考價值的內在特性及規(guī)律。 二、 目前的載波數據傳輸設備需要考慮在傳輸距離不能達到時的中繼問題，不同的調制方法可能采取的中繼方式有所不同，并需要現場驗證。 三、 研究對付突發(fā)噪聲干擾的有效方法，而不是簡單地進行重發(fā)校驗。目前的載波裝置在傳輸數據可靠性方面的處理應當加強。 3.2.4 對于真正的大型、多用戶的配電網自動化系統(tǒng)的載波數據傳輸，目前還缺少實際的第一手運行資料。整個系統(tǒng)的響應速度也需要由此來實地考核。 中壓電力線載波目前尚處于發(fā)展階段，有些設備采用的技術不夠先進和完善，需要在設計方案總體上認真考慮。 低壓電力線載波 一、在電力線載波集中抄表系統(tǒng)中較普遍地存在“盲區(qū)”問題，有些用戶的電表讀書無法正確讀出（如果存在的現象為時變的，則問題更嚴重），需要在技術上克服。目前一些窄帶調制的設備多采用自動切換頻道和選擇中繼的方式在一定程度上來解決這個問題。 二、需要進一步研究窄帶噪聲抗干擾技術，以獲得足夠的數據傳輸可靠性。目前常用的調制方法分為窄帶調制和寬帶調制兩種。窄帶調制成本低，不能有效地抵抗窄帶噪聲；寬帶調制一般采用擴頻技術（如DSS直接序列擴頻、FH跳頻、TH跳時、CHIRP寬帶線性調頻、交叉混合擴頻及OFDM正交頻分多路復用），能夠在一定程度上克服窄帶噪聲的干擾，但是有限的擴頻增益對于較大功率的窄帶干擾仍然無能為力[9]。 三、 進一步研究增強型的模擬前端技術，包括自適應濾波和自適應均衡，以適應時變的、大范圍的線路衰減和線路阻抗的變化，在電力載波的低壓應用中，這一點極為重要，也是目前的技術難點所在。 四、 低壓載波通信在變壓器跨相和穿越變壓器方面的實用技術需要研究，在多路供電的現場也需解決電源切換時的通信中斷問題。這一點關系到通信制式、耦合方式等多方面的設計考慮。 五、研究和考慮電磁兼容性能，制定對外干擾的標準。 六、解決目前存在的電線上網設備對安裝地點的敏感性問題，保持合適的速率并解決“馬賽克”圖象問題。 七、 對于這類載波設備的質量檢驗，一定要考慮在加入線路噪聲的環(huán)境下（即在一定的信噪比下）進行傳輸誤碼性能的測試。一些企業(yè)提出的關于傳輸距離能力的指標不能作為工程設計的依據。 八、低壓載波通信最終實現高性能、低價格的關鍵在于專用芯片的設計和制造，而這正是我國微電子行業(yè)的弱點所在，加大這一方面的研究和投資力度對于低壓載波通信的實用化至關重要。