電力線載波通信詳解.ppt

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第三章電力線載波通信 概述電力線載波通信系統(tǒng)數(shù)字電力線載波機電力線載波通信新技術(shù) 第一節(jié)概述 電力線載波通信 也稱PLC PowerLineCarrier 是利用高壓輸電線作為傳輸通路的載波通信方式 用于電力系統(tǒng)的調(diào)度通信 遠動 保護 生產(chǎn)指揮 行政業(yè)務(wù)通信及各種信息傳輸 電力線路是為輸送50Hz強電設(shè)計的 線路衰減小 機械強度高 傳輸可靠 電力線載波通信復(fù)用電力線路進行通信不需要通信線路建設(shè)的基建投資和日常維護費用 在電力系統(tǒng)中占有重要地位 電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信方式 一 電力線載波通信的特點 1 獨特的耦合設(shè)備電力線路上有工頻大電流通過 載波通信設(shè)備必須通過高效 安全的耦合設(shè)備才能與電力線路相連 這些耦合設(shè)備既要使載波信號有效傳送 又要不影響工頻電流的傳輸 還要能方便地分離載波信號與工頻電流 此外 耦合設(shè)備還必須防止工頻電壓 大電流對載波通信設(shè)備的損壞 確保安全 一 電力線載波通信的特點 續(xù) 2 線路頻譜安排的特殊性電力線載波通信能使用的頻譜由三個因素決定 1 電力線路本身的高頻特性 2 避免50Hz工頻的干擾 3 考慮載波信號的輻射對無線電廣播及無線通信的影響 我國統(tǒng)一規(guī)定電力線載波通信使用的頻率范圍為40 500KHz 一 電力線載波通信的特點 續(xù) 3 以單路載波為主電力系統(tǒng)從調(diào)度通信的需要出發(fā) 往往要依靠發(fā)電廠 變電所同母線上不同走向的電力線開設(shè)載波來組織各方向的通信 由于能使用頻譜的限制 通信方向的分散以及組網(wǎng)靈活性的考慮 電力線通信大量采用單路載波設(shè)備 一 電力線載波通信的特點 續(xù) 4 線路存在強大的電磁干擾由于電力線路上存在強大的電暈等干擾噪聲 要求電力線載波設(shè)備具有較高的發(fā)信功率 以獲得必需的輸出信噪比 另外 由于50Hz諧波的強烈干擾 使得0 3 3 4KHz的話音信號不能直接在電力線上傳輸 只能將信號頻譜搬移到40KHz以上 進行載波通信 二 我國電力線載波通信的現(xiàn)狀 在以數(shù)字微波通信 衛(wèi)星通信為主干線的覆蓋全國的電力通信網(wǎng)絡(luò)已初步形成 多種通信手段竟相發(fā)展的今天 電力線載波通信仍然是地區(qū)網(wǎng) 省網(wǎng)乃至網(wǎng)局網(wǎng)的通信手段之一 仍是電力系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域最廣泛的通信方式 仍是電力通信網(wǎng)重要的基本通信手段 從理論研究 到運行實踐 都取得了可喜的成效 二 我國電力線載波通信的現(xiàn)狀 續(xù) 1 電力線載波無論是在所具有的規(guī)模范圍 裝機數(shù)量還是在從事人員數(shù)量上 都是空前的 2 電力線載波通信綜合業(yè)務(wù)能力有了很大的發(fā)展 3 載波技術(shù)裝備水平有了很大提高 4 理論研究成果卓著 第二節(jié)電力線載波通信系統(tǒng) 一 電力線載波通信系統(tǒng)構(gòu)成電力線載波通信系統(tǒng)主要由電力線載波機 電力線路和耦合設(shè)備構(gòu)成 如圖3 1 其中耦合裝置包括線路阻波器GZ 耦合電容器C 結(jié)合濾波器JL 又稱結(jié)合設(shè)備 和高頻電纜HFC 與電力線路一起組成電力線高頻通道 圖3 1 各構(gòu)成部分的作用 電力載波機 是電力線載波通信系統(tǒng)的主要組成部分 主要實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào) 即在發(fā)端將音頻搬移到高頻段電力線載波通信頻率 完成頻率搬移 載波機性能好壞直接影響電力線載波通信系統(tǒng)的質(zhì)量 耦合電容C和結(jié)合濾波器JL組成一個帶通濾波器 其作用是通過高頻載波信號 并阻止電力線上的工頻高壓和工頻電流進入載波設(shè)備 確保人身 設(shè)備安全 各構(gòu)成部分的作用 續(xù) 線路阻波器GZ串接在電力線路和母線之間 是對電力系統(tǒng)一次設(shè)備的 加工 故又稱 加工設(shè)備 加工設(shè)備的作用是通過電力電流 阻止高頻載波信號漏到變壓器和電力線分支線路等電力設(shè)備 以減小變電站和分支線路對高頻信號的介入損耗及同一母線不同電力線路上高頻通道 結(jié)合設(shè)備連接載波機與輸電線 它包括高頻電纜 作用是提供高頻信號通路 輸電線既傳輸電能又傳輸高頻信號 1 電力線載波通信系統(tǒng)的構(gòu)成 高壓線 變電站B 變電站A 高壓電力線 阻波器 耦合電容器 結(jié)合濾波器 載波機和高頻電纜組成 耦合設(shè)備 載波機發(fā)送功率較大 1 100W 為集中利用發(fā)送功率 一般使用單路載波機具備有較好的自動電平調(diào)節(jié)系統(tǒng) 接收信號電平變化在30dB變化范圍內(nèi)時 音頻信號輸出電平變化 1dB主要傳輸調(diào)度電話 自動化信息 電力線路保護信號 2 電力載波機 ZDD 2000D4 ETL500系列 載波機典型應(yīng)用圖解 電力載波機方框圖 3 電力載波通道設(shè)備介紹 耦合電容器連接在結(jié)合設(shè)備和電力線之間 具有承受高電壓的性能CC 耦合電容器專用于電力線載波通信 用于繼電保護的二次測量回路和電力線載通信的信號耦合回路 CVT 電容分壓器 結(jié)合濾波器與耦合電容器一起組成結(jié)合設(shè)備 在電力線和高頻電纜之間傳輸載波信號 實現(xiàn)線路側(cè)和載波側(cè)的阻抗匹配 結(jié)合濾波器 結(jié)合濾波器樣例 MCD80 結(jié)合濾波器原理圖 設(shè)計耦合系統(tǒng)采用的線路阻抗值一般是 單根導(dǎo)線 相地耦合為400 相相耦合為600 分裂導(dǎo)線 相地耦合為300 相相耦合為500 電纜側(cè) 載波側(cè) 一般為75 線路阻波器 線路阻波器串接在電力線路和變電站母線之間 阻塞高頻信號 減少變電站一次設(shè)備對高頻信號的分流 由強流線圈 調(diào)諧元件和保護元件組成 強流線圈通過全部線路電流 電感值為0 2 2mH 分流損失不應(yīng)超過2 6dB 阻塞阻抗 電阻分量 線路阻波器 高頻電纜 接在結(jié)合設(shè)備的次級端子和載波機之間 由內(nèi) 外導(dǎo)體組成 兩個導(dǎo)體同軸布置 傳輸信號完全限制在外導(dǎo)體內(nèi) 外導(dǎo)體接地作為屏蔽層傳輸線 從而保證其屏蔽性能好 傳輸損耗低小 抗干擾性強 使用頻帶寬 單元護套外導(dǎo)體外絕緣內(nèi)絕緣內(nèi)導(dǎo)體 分類代號 S 同軸射頻絕緣介質(zhì)材料 Y 聚乙烯護套材料代號 V 聚氯乙稀特性阻抗 75歐姆絕緣介質(zhì)芯線外徑整數(shù)值 以毫米為單位1 2 3 4 5 屏蔽層 一般屏蔽層有一層 兩層 三層及四層 常用型號SYV 75 7 2 電話遠動遠方保護信號允許傳送和判別的時間很短 發(fā)送信號的次數(shù)極少 每年僅數(shù)次 沒有預(yù)定的發(fā)送時間 而且要求保護裝置正確動作的概率很高 安全性很高 和丟失命令的概很低 可依靠性很高 4 電力載波傳輸?shù)臉I(yè)務(wù) 二 電力線載波機的體系結(jié)構(gòu) 一 電力線載波機的特點與技術(shù)要求 1 電力線高頻通道雜音大 線路直通距離長 衰減大 為保證收信端有足夠的信噪比 要求電力線載波機的發(fā)信功率較大 2 電力線載波機確保在電力線路故障或系統(tǒng)操作 造成高頻通道衰減突然增大很多時 仍能維持通暢 因此 要求電力線載波機要有較快調(diào)節(jié)速度和較大調(diào)節(jié)范圍的自動電平調(diào)節(jié)系統(tǒng) 3 為便于靈活組織通信和頻率分配 并避免因發(fā)信功率太大引起制造困難 電力線載波機大多是單路機 4 現(xiàn)代電力線載波機大多為多功能 標準化 系列化 通用化的載波通信設(shè)備 能適應(yīng)在110 500kV各種不同電壓等級的電力線上傳送電話與非電話業(yè)務(wù)的需要 5 為了提高電力線高頻通道和載波設(shè)備的利用率 國產(chǎn)電力線載波機本身常帶有自動交換系統(tǒng) 并可為重要用戶提供優(yōu)先權(quán) 二 調(diào)制方式 電力線載波機采用的調(diào)制方式主要有雙邊帶幅度調(diào)制 單邊帶幅度調(diào)制和頻率調(diào)制三種 其中單邊帶幅度調(diào)制方式應(yīng)用最為普遍 本節(jié)主要介紹這種調(diào)制方式 單邊帶幅度調(diào)制 SSB 也稱單邊帶調(diào)幅 一般采用兩次調(diào)制及濾波的方法 將雙邊帶調(diào)幅產(chǎn)生的兩個邊帶除去一個 載頻也被抑制 它有以下優(yōu)點 1 接收頻帶減為一半 噪聲及干擾影響減小 2 提高了電力線載波頻譜的利用率 3 發(fā)送功率集中在一個邊帶中 利用率高 國際電工委員會 IEC 在出版物495號 單邊帶電力線載波機輸入輸出特性的推薦值 1 載波頻率范圍由國家電信主管部門批準供電力線載波使用的全部頻帶 我國規(guī)定為40 500kHz 電力線載波傳輸頻率范圍的下限由耦合裝置的下限及其費用確定 上限由電力線衰減以及無線電干擾確定 絕緣地線載波傳輸頻率范圍約為5 500kHz 2 基本載波頻帶在載波頻率范圍內(nèi)劃分的基本單元 供給一路單方向電力線載波通路傳輸?shù)念l帶寬度 基本載波頻帶的具體選擇 主要由不同國家所采用的實際分配方法確定 通常為4kHz 有的國家選用2 5kHz或3kHz 3 標稱載波頻帶一臺實際電力線載波機單方向載波通路所占用的頻帶寬度 它等于基本載波頻帶寬度或其整數(shù)倍 4 話音有效傳輸頻帶指音頻頻帶中話音信號所占用的頻率范圍 不包括呼叫通路 電力線載波常用的話音有效傳輸頻帶有兩種 一種話音頻帶是0 3 2 4kHz 通常應(yīng)用于在4kHz標稱載波頻帶內(nèi)復(fù)用話音及信號的情況 另一種話音頻帶是0 3 2 0kHz 可用于在4kHz或2 5kHz標稱載波頻帶內(nèi)復(fù)用話音及信號的情況 這時通話質(zhì)量會有所降低 但還能滿足實用要求 5 信號有效傳輸頻帶音頻頻帶中用以傳輸電力系統(tǒng)操作所需信號 包括數(shù)據(jù)傳輸 保護信號及其他信號 的頻率范圍 可以包括呼叫通路 6 標稱阻抗指設(shè)計輸入 輸出電路所選取的 以及在使用條件下所適用的阻抗值 在載波機外線側(cè)載波輸出端的標稱阻抗應(yīng)為75 不平衡式 或150 平衡式 要求在標稱載波頻帶內(nèi)發(fā)送方向的回波衰減應(yīng)不小于10dB 在話音及信號輸入 輸出端 應(yīng)采用平衡式電路 標稱阻抗為600 且有效傳輸頻帶內(nèi)的回波衰減應(yīng)不小于14dB 7 亂真發(fā)射亂真發(fā)射指在標稱載波頻帶以外的一個或多個頻率處的功率發(fā)射 它的電平可以減低而不影響信息的傳輸 亂真發(fā)射包括諧波 寄生信號和交調(diào)產(chǎn)物 帶陰影的倒漏斗線代表在標稱載波頻帶以外的各個頻率處所允許的亂真發(fā)射的最高電平值 BN表示標稱載波頻帶 B表示距離標稱載波頻帶的間隔 縱坐標尺A1適用于標稱載波功率小于或等于40W的電力線載波機 它的坐標刻度值代表實測亂真發(fā)射電平Lsp 縱坐標尺A2適用于標稱載波功率大于40W的電力線載波機 A2縱坐標尺的刻度值為相對電平值 它表示實測亂真發(fā)射電平Lsp 與電力線載波機標稱載波功率電平Ln之差 對于某一臺具體載波機 當將其實測得到的亂真發(fā)射電平值 或其相對值 標注在圖中時 若其值于倒漏斗線以下時則為合格 否則其亂真發(fā)射指標不合格 例如 對于標稱載波功率大于40W的載波機 應(yīng)選用A2縱坐標尺 并由此可確定在緊鄰頻率 OB 處所允許的最高亂真發(fā)射電平為 56dB 而在間隔1B處為 68dB 而在問隔2B處為 80dB 8 峰值包絡(luò)功率指在規(guī)定的工作條件下 在調(diào)制包絡(luò)最高峰值處載波一周期內(nèi)送到規(guī)定負載上的平均功率 9 標稱載波功率電力線載波機的標稱載波功率是指在滿足亂真發(fā)射要求 并在載波機輸出端終接以等于標稱阻抗值的電阻負載的情況下 設(shè)計該設(shè)備時所取的峰值包絡(luò)功率 10 自動增益控制當接收載波信號電平在自動增益控制調(diào)節(jié)范圍內(nèi)變化30dB時 話音及信號的音頻接收電平的變化應(yīng)小于1dB 11 機內(nèi)雜音在一對不用壓擴器的電力線載波機的話音輸出端 測得的電話加權(quán)雜音電平應(yīng)不超過 60dBmOP以上 12 近端及遠端串音在一對不用壓擴器的電力線載波機中 由一個或幾個信號通路引起的近端及遠端串音 不應(yīng)使話音通路的加權(quán)雜音功率增加到 60dBmOP以上 三 典型電力線載波機的組成 單邊帶電力線載波機由音頻匯接電路 發(fā)信支路 收信支路 自動電平調(diào)節(jié)系統(tǒng) 呼叫系統(tǒng)等部分組成 典型電力線載波機的組成框圖 1 音頻匯接電路 電力線載波機為實現(xiàn)電話通信 不僅要傳輸話音信號 同時還應(yīng)傳輸呼叫信號 尤其是為電力系統(tǒng)專用通信網(wǎng)服務(wù)的電力線載波機 除電話通信外 還同時要傳輸遠動信號和遠方保護信號 這些信號均在 0 4 kHz的音頻段中傳輸 通常話音信號采用0 3 2 0kHz或0 3 2 4kHz的窄帶傳輸 其2 4kHz或2 6kHz以上的音頻段用于傳輸遠動信號 呼叫信號插在其中 如2 220kHz 30Hz 或插在二者之上3 660kHz 30Hz 遠方保護信號一般采用與話音 遠動信號在時間上交替?zhèn)鬏數(shù)霓k法 所有這些信號均在音頻部分匯集后再送入發(fā)信支路 相應(yīng)地在收信支路要將其分離后分別輸出 電力線載波機的音頻匯接電路就是實現(xiàn)匯集 分離的接口電路 2 發(fā)信支路從用戶來的話音信號首先進入自動交換系統(tǒng) 亦稱自動盤 自動盤的作用是提高載波通路利用率 并保證電力調(diào)度通信的迅速可靠完成振鈴呼叫 自動交換接續(xù)任務(wù) 電話信號從自動盤出來送至二 四線轉(zhuǎn)換盤的音頻二線端 一般稱音頻二線端為載波通路的始端 通路始端電平為0dB 600 通常定義為通路傳輸電平的參考點 或稱為 零電平點 在測試中 常用800Hz OdBm 600 的單頻信號作為測試信號來代表始端話音信號電平 話音信號進入二 四線轉(zhuǎn)換盤 盤中的混合線圈將二線轉(zhuǎn)換為四線 使收信支路與發(fā)信支路隔離 防止收后重發(fā) 混合線圈左右兩側(cè)為二個3 5dB的衰減器 對混合線圈起到改善阻抗匹配的作用 下側(cè)為匹配變量器 將阻抗300 變換為600 從混合網(wǎng)絡(luò)上側(cè)輸出 經(jīng)調(diào)節(jié)電平用的2dB衰減器 使信號在二 四轉(zhuǎn)換線盤 發(fā)送 塞孔處的電平達到 9dB 600 這里的幾對塞孔除了用來測量電平外 還可以用作音頻四線轉(zhuǎn)接 當進行自動音頻轉(zhuǎn)接時 由自動盤送來的信號 控制K1繼電器動作 其K1觸點將話音通路由二線制轉(zhuǎn)變?yōu)樗木€制 話音信號經(jīng)四線發(fā)塞孔 OdB 600 送入 在壓縮器輸出端與發(fā)送低通盤輸入端之間的連接線上 跨接有1 8kHz優(yōu)先強拆信號 如圖所示 話音信號進入壓縮器盤 盤內(nèi)壓縮器電路的作用是將話音動態(tài)范圍按照2 1比例進行壓縮 并提供了13dB的增益 以改善通路信雜比 當中間轉(zhuǎn)接站載波機需要自動音頻轉(zhuǎn)接時 由自動盤送來的信號通過盤內(nèi)繼電器K將壓縮器退出 此時壓縮器盤變成了固定增益為13dB的放大器 壓縮后的話音信號 由限幅器抑制話音信號的瞬時過幅 防止發(fā)信支路線路放大器過載而產(chǎn)生非線性失真 本盤中入口處的衰減器可以通過調(diào)節(jié)其衰減量 保證本盤出口電平為 13dB 600 平時優(yōu)先強拆信號輸出線處于開路狀態(tài) 當優(yōu)先用戶摘機時 通過自動交換系統(tǒng)優(yōu)先盤控制 接通1 8kHz優(yōu)先強拆信號至話音通路 從而強拆對方還在通話的普通用戶 發(fā)送低通盤中的低通濾波器用來選出2kHz以下的話音信號 阻止2kHz以上的話音信號 以免干擾遠動和頻移呼叫信號 呼叫信號由呼叫發(fā)送盤產(chǎn)生 呼叫頻率由自動交換系統(tǒng)控制 當用戶摘機時 發(fā)送2190Hz啟動信號 用戶掛機時發(fā)送2250Hz復(fù)原信號 用戶撥號時發(fā)送2220士30Hz交替變換的移頻呼叫信號 話音 遠動和呼叫信號由中頻調(diào)輻盤入口處的有源低阻匯接網(wǎng)絡(luò)匯接后 再與要復(fù)用的遠方保護信號匯接在一起送至300Hz的高通濾波器 組成一個頻譜為0 3 3 7kHz的復(fù)合信號 復(fù)合信號經(jīng)中頻調(diào)制和中頻帶通濾波器取出上邊帶 得到12 3 15 7kHz的中頻信號 12kHz中頻振蕩器既提供中頻載頻 又提供導(dǎo)頻信號 12kHz的導(dǎo)頻信號在高頻調(diào)幅盤的輸入端與中頻信號匯接并加以放大 然后進行高頻調(diào)制 調(diào)制輸出經(jīng)放大后送入高頻帶通盤 取出下邊帶作高頻信號 在電力線高頻通道40 500kHz的載波頻率范圍內(nèi) 規(guī)定每4kHz為一個基本載波頻帶 共有115個載波信道 因此總共需要115種高頻帶通濾波器 每一臺載波機根據(jù)其工作頻帶 選擇相應(yīng)通帶的高頻帶通濾波器 高頻信號從高頻帶通輸出 送入線路放大器提高電平 最后通過方向發(fā)送濾波器 經(jīng)外線端輸出到高頻通道 3 收信支路從高頻電纜送來的高頻信號經(jīng)外線側(cè)塞孔首先進入方向接收盤 該盤中裝有訪問接收濾波器 其作用是選擇接收對方送來的有用信號 抑制并機和本機發(fā)送功率對收信支路的干擾 輔助提高收信支路的選擇性 該盤中的兩個可變衰減器主要用來調(diào)整收信支路的接收電平 使收信支路各部件的標稱工作電平不隨高頻通道長短不同而變化 經(jīng)電平調(diào)整后的高頻信號進入高頻帶通盤 高頻帶通濾波器進一步抑制收信頻帶4kHz之外的高頻干擾 從而保證收信支路的高頻選擇性 但對頻率間隔在4kHz 1B 以內(nèi)的緊鄰頻帶干擾則不能有效抑制 高頻信號在高頻反調(diào)盤中實現(xiàn)解調(diào) 經(jīng)輔助帶通濾波器濾除解調(diào)后的無用產(chǎn)物和載漏 輸出12 3 15 7kHz的中頻信號 輔助帶通濾波器還與后面的中頻帶通濾波器配合 提高對緊鄰干擾的抑制作用 改善收信支路對緊鄰干擾的選擇性 解調(diào)后的中頻信號送入導(dǎo)頻調(diào)節(jié)盤 通過自動電平調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用 放大 整流 并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號 控制調(diào)節(jié)放大器的增益 使導(dǎo)頻調(diào)節(jié)盤輸出一個電平恒定的中頻信號 電平恒定的中頻信號進入中頻帶通盤 該盤的中頻帶通濾波器具有很好的中頻選擇性 對高頻緊鄰干擾有足夠的抑制 從而保證了收信支路的選擇性指標 中頻信號進入中頻反調(diào)盤 經(jīng)過解調(diào) 從3 7kHz低通濾波器輸出端得到0 3 3 7kHz的音頻復(fù)合信號 中頻解調(diào)用的載頻有兩個來源 在正常工作時 把對方送來的12kHz導(dǎo)頻信號提取出來 作為中頻解調(diào)載頻 并由此取得接收信號的 最終同步 在進行單機測量和調(diào)整時 則由本機中頻振蕩器供給 中頻解調(diào)器下面的限幅器用于穩(wěn)定中頻解調(diào)載頻的幅值 以防止載頻電平突升時損壞解調(diào)器元件 中頻反調(diào)盤輸出的0 3 3 7kHz的音頻信號進入低頻放大盤 該盤一方面給音頻信號提供增益 另一方面還能提供均衡頻率特性 以補償載波機多次音頻轉(zhuǎn)接時頻率特性的累積 低頻放大器輸出端采用有源低阻匯接電路 把0 3 3 7kHz的音頻復(fù)合信號差分到呼叫 遠動話音信號通路和遠方保護信號輸出通路 接收低通盤內(nèi)的低通濾波器 選出2kHz以下的話音信號 再由可變衰減器調(diào)節(jié)電平 保證擴張器內(nèi)的入口電平為 17 4dB 600 擴張器按1 2關(guān)系恢復(fù)話音信號的動態(tài)范圍 在自動音頻轉(zhuǎn)接時 同壓縮器一樣 擴張器也受繼電器控制而退出 此時擴張器變成了固定增益為21 4dB的放大器 擴張器輸出有兩路 一路通往二 四線轉(zhuǎn)換盤收信支路 另一路通往1 8kHz強拆信號接收盤 1 8kHz接收盤高阻跨接在收信支路上 隨時準備接收對方優(yōu)先用戶摘機時發(fā)來的強拆信號 話音信號進入二 四線轉(zhuǎn)換盤收信支路 收信支路中的K2繼電器觸點為接收閉塞觸點 它受自動盤控制 在本地用戶摘機時 K2繼電器動作 其觸點閉合 打開收信支路閉塞 話音經(jīng)過K2接點 衰減器 混合線圈由音頻二線端送往自動盤 進行四線轉(zhuǎn)接時 話音信號由K1繼電器動合觸點經(jīng)0 13dB衰減器 從 四線收 輸出 調(diào)整此衰減器的衰減值 可調(diào)整輸出接口電平 以與不同的通信設(shè)備進行轉(zhuǎn)接 由低頻放大盤輸出的呼叫信號進入呼叫接收盤 該盤將對方送來的移頻呼叫信號轉(zhuǎn)換為直流撥號脈沖 送至自動盤完成對被叫方用戶的選擇與振鈴呼叫任務(wù) 由低頻放大盤輸出的遠動信號則進入遠動高通盤 并經(jīng)過遠動接收盤放大輸出 4 自動電平調(diào)節(jié)系統(tǒng) 電力線載波所用的高頻通道的傳輸特性非常不穩(wěn)定 它的線路衰減隨氣候條件 電力設(shè)備的操作和線路故障有很大變化 為保證通信質(zhì)量 在收信端設(shè)有自動電平調(diào)節(jié)系統(tǒng) 用于補償高頻通道在運行過程中的衰減變化 保證收信端傳輸電平的穩(wěn)定 自動電平調(diào)節(jié)的過程是 在發(fā)送端發(fā)送一個導(dǎo)頻信號 為了簡單 采用中頻載波作為導(dǎo)頻信號 在對方收信支路 用窄帶濾波器濾出導(dǎo)頻信號 經(jīng)放大 整流后作為控制信號 控制收信支路中可調(diào)放大器的增益或可調(diào)衰減器的衰減 實現(xiàn)自動調(diào)節(jié) 5 呼叫系統(tǒng) 自動交換系統(tǒng) 電力線載波機在傳輸語音信號之前 首先應(yīng)呼出對方用戶 因此在發(fā)信支路中要發(fā)送一個稱為呼叫信號的音頻 在對方收信支路中接入呼叫接收電路 即收鈴器 這樣才能溝通雙方用戶 電力線載波機采用自動呼叫方式 通常機內(nèi)附設(shè)有自動交換系統(tǒng) 國產(chǎn)載波機一般設(shè)四門用戶交換系統(tǒng) 實現(xiàn)通過自動撥號選叫所需用戶 但幾個用戶分時占用同一條載波通路 進口載波機一般不設(shè)交換系統(tǒng) 而是連接小交換機 以提高通路的利用率和實現(xiàn)組網(wǎng)功能 如在電力線載波機圖中 主叫用戶 摘機 撥號 呼叫對方用戶 則本側(cè)自動交換系統(tǒng)控制呼叫系統(tǒng) 發(fā)出相應(yīng)的音頻脈沖 對方收信支路的收鈴器選出呼叫信號 取出音頻脈沖 去控制其自動交換系統(tǒng)工作 選中用戶 并對其振鈴 溝通雙方用戶 實現(xiàn)通話 電力線載波機結(jié)構(gòu)上有以下幾個特點 為實現(xiàn)話音信號的頻率搬移 發(fā)送和接收 以及為二次復(fù)用信號 遠動 保護等 提供公共傳輸通道 電力線載波機設(shè)有話音信號傳輸系統(tǒng) 該系統(tǒng)包括發(fā)信和收信支路 由載波機中話音信號所要經(jīng)過的全部分盤電路組成 除傳輸電話信號外 電力線載波機還常傳輸遠動信號 數(shù)據(jù)等多種信息 因此 從結(jié)構(gòu)上還設(shè)有遠動信號復(fù)用系統(tǒng)和保護信號復(fù)用接口 運動信號復(fù)用系統(tǒng)由遠動發(fā)送支路和遠動接收支路組成 其主要作用是一方面把遠動裝置送來的音頻遠動信號電平調(diào)整到載波機規(guī)定的標稱值 并匯接到載波機的發(fā)信支路 另一方面則是將遠動信號從載波機收信支路中提取出來 并按規(guī)定電平發(fā)送給遠動裝置 除此之外 該系統(tǒng)還應(yīng)防止遠動裝置與載波機之間相互影響 保護信號復(fù)用接口是用來復(fù)用 高頻保護信號的 它主要由輸入接口和輸出接口組成 同時在電力線載波機中往往還需采取某些技術(shù)措施 以提高復(fù)用保護信號的可靠性 為補償電力線高頻通道傳輸特性的變化 保證通信質(zhì)量 電力線載波機設(shè)置了自動電平調(diào)節(jié)系統(tǒng) 也稱導(dǎo)頻調(diào)節(jié)系統(tǒng) 自動電平調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由導(dǎo)頻窄帶濾波器 導(dǎo)頻接收器 導(dǎo)頻控制和導(dǎo)頻調(diào)節(jié)電路組成 單邊帶電力線載波機的變頻方案大都采用兩級變頻 因此 調(diào)制系統(tǒng)的構(gòu)成比較簡單 從雙向的通信方式來看 電力線載波機屬于雙頻帶二線制的通信方式 國產(chǎn)電力線載波機通常有自動交換系統(tǒng) 它是為了提高載波通路利用率 保證電力調(diào)度通信的迅速可靠 完成自動交換接續(xù)而設(shè)置的 國外電力線載波機通常不帶自動盤 而采用專用程控交換機 以組成靈活可靠的通信網(wǎng) 另外 為保證電力調(diào)度通信的優(yōu)先權(quán) 載波機還設(shè)有強拆信號系統(tǒng) 當自動盤的普通用戶正占用載波通道而調(diào)度員 即優(yōu)先用戶 要求通話時 優(yōu)先用戶首先強拆本方普通用戶 并送出直流強拆信號到載波機強拆信號系統(tǒng)的發(fā)送支路 后者將自動盤送來的直流強拆控制信號變換成音頻強拆信號 并送到載波機發(fā)信支路 強拆系統(tǒng)的接收支路則隨時準備接收對方 優(yōu)先方 送來的音頻強拆信號 并將其變換成直流強拆控制信號 送往自動盤完成對非優(yōu)先方普通用戶的強拆 除此之外 電力線載波機還設(shè)有同郵電載波機功能相同的呼叫信號系統(tǒng) 或稱振鈴系統(tǒng) 電源供給系統(tǒng)和告警系統(tǒng)等 電力線高頻通道耦合方式電力線高頻通道的衰耗電力線高頻通道衰耗計算電力線高頻通道衰耗測試 三 電力線高頻通道 1 電力線高頻通道的耦合方式 相一地耦合將載波機連接在一根相導(dǎo)線和大地之間 其特點是只需一個耦合電容器和一個阻波器 相一相耦合 將載波機連接在兩根根相導(dǎo)線和大地之間 需要兩個耦合電容器和兩個阻波器 相一地耦合比較經(jīng)濟 但引人的衰耗比相 相耦合大 在線路發(fā)生線路故障時高頻衰減增加很多相一相耦合高頻衰減小 單相故障時 還可按相 地方式通信 可靠性高由于80 的線路故障是單相故障這種耦合方式在實際應(yīng)用中具有重要意義 相 地耦合與相一相耦合比較 相一地耦合在線路發(fā)生單相線路故障時 傳輸通道高頻衰減增加很多 極端情況下高頻通道中斷 相一相耦合在線路發(fā)生單相線路故障時 如圖中A相 故障相線中斷 但另一回相線 如圖中B相 正常 可傳輸高頻信號 相一相耦合方式變成相一地耦合方式傳輸高頻信號 單相故障時相 地和相 相方式比較 電力線載波通道的衰減包括線路衰減 耦合損失和橋路損失三部分線路衰減耦合損失橋路損失 2 電力線高頻通道的衰耗 3 電力線高頻通道衰耗計算 對稱分量法信號以相間波和地行波的形式傳輸 ABC 相間波傳輸 ABC 地行波傳輸 ABC 相間波傳輸 工程計算法1A總 A 7 0N1 3 5N2 0 9N3 Ac At dB 式中 N1高頻橋路數(shù)量N2中間載波機和無阻波器分支線數(shù)量N3兩端并聯(lián)載波機數(shù)量Ac高頻電纜的衰減At終端衰耗 取5 7dBA線路衰耗 式中k 與線路電壓有關(guān)的衰減系數(shù)l 線路長度kmf 工作頻率kHz 系數(shù)k與線路電壓的關(guān)系 線路衰耗A ABC 模1傳輸 最低衰耗模式 ABC 模0傳輸 最大衰耗模式 ABC 模2傳輸 模式分析 自然模式的數(shù)目等于傳輸導(dǎo)線的數(shù)目 單回三相線路有3個模式 工程計算法2 模式計算 A 1l 2Ac Aadd式中 A 線路衰減 dB 1 最低損失模式的衰減系數(shù)dB kml 線路長度kmAc 模式轉(zhuǎn)換損失即全部模式的總輸入功率電平與最低衰減模式以外的其他模式的輸入功率電平的差值dB Aadd 由于耦合電路換位等不連續(xù)性引起的附加損失dB 最低損失模式 1 衰減系數(shù)a1的近似式為 式中 f 頻率 kHzdc 相導(dǎo)線的直徑mmn 分裂導(dǎo)線束的分導(dǎo)體數(shù) 線路結(jié)冰時 通道的傳輸衰減可增加到不能允許的程度 設(shè)計人員必須考慮線路結(jié)冰時 衰減的增加與以下因素有關(guān) a 電力線的排列 b 導(dǎo)線冰層的厚度 c 環(huán)境溫度 d 載波頻率 不良天氣情況下的線路衰減 導(dǎo)線冰層厚度為0 5mm時 對于300kHz以上頻率 衰減系數(shù)增加到1 5 2 0倍 頻率愈高 衰減愈大 結(jié)冰極端情況下 受影響線段的衰減系數(shù)可增加到好天氣的6倍以上 分裂導(dǎo)線增加的倍數(shù)較少 因此對于會結(jié)冰的線路 建議選用較低頻率 雨 霧增加不了多少衰減 一般可以不計 有時 在工廠區(qū)或海邊 下一次雨可能將電力線絕緣子表面沖洗干凈 衰減反會減少 發(fā)信側(cè)振蕩器用0 或最小阻抗 不平衡輸出 收信側(cè)選頻表在75 電阻上用高阻跨測 4 電力線高頻通道衰耗測試 A P0 P1 6 dBu 四 電力線載波通信方式與轉(zhuǎn)接方式 一 電力線載波通信方式電力線載波通信的方式主要由電網(wǎng)結(jié)構(gòu) 調(diào)度關(guān)系和話務(wù)量多少等因素決定 一般有定頻通信方式 中央通信方式 變頻通信方式三種 目前我國主要采用定頻通信方式和中央通信方式兩種 1 定頻通信方式 定頻通信方式如圖3 7所示 這種方式應(yīng)用最普遍 一對一的定頻通信方式又是定點通信 傳輸穩(wěn)定 電路工作比較可靠 圖3 7 2 中央通信方式 為實現(xiàn)圖3 7中A站與B C兩站通話需要 也可采用中央通信方式 見圖3 8 采用這種方式 在A B C三站或更多站間通信可只使用一對頻率 節(jié)約了載波頻譜也節(jié)約了設(shè)備數(shù)量 但這種方式只限A站與B C兩站或更多外圍站分別通話 各外圍站之間不能通話 因此 這種方式只宜在通話量少的簡單通信網(wǎng)中使用 如集中控制站對無人值守變電所的通信 圖3 8 3 變頻通信方式 為克服中央通信方式的不足 使各站間都能通話 仍只使用一對頻率 可以采用變頻通信方式 圖3 9 平時A B C三機不發(fā)信號 發(fā)送頻率都為f2 接收頻率為f1 任一站拿起話機要通話時 該機就發(fā)信號并將發(fā)送頻率改為f1 接收頻率改為f2 其他站頻率仍不改變 在被叫站被選擇呼通后 拿起話機與主叫站通話 圖3 9 二 電力線載波通信的轉(zhuǎn)接方式 電力線載波通信中 為了組成以調(diào)度所為中心的通信網(wǎng) 經(jīng)常需要進行電路轉(zhuǎn)接 常用的轉(zhuǎn)接方式有兩種 話音 遠動通路同時轉(zhuǎn)接和話音通路單獨轉(zhuǎn)接方式 當話音 遠動同時轉(zhuǎn)接時 可采用中頻轉(zhuǎn)接或低頻轉(zhuǎn)接 當話音通路單獨轉(zhuǎn)接時 應(yīng)采用音頻轉(zhuǎn)接 各種轉(zhuǎn)接的原理及特點如下 1 中頻轉(zhuǎn)接 指轉(zhuǎn)接的信號為中頻信號 即不通過中頻調(diào)制與解調(diào)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)接 如圖3 10所示 圖3 10 2 低頻轉(zhuǎn)接 低頻轉(zhuǎn)接也屬于話音和遠動通路同時轉(zhuǎn)接的方式 如圖3 11所示 兩臺中轉(zhuǎn)載波機在在中頻調(diào)制前的 低轉(zhuǎn)發(fā) 與中頻解調(diào)后的 低轉(zhuǎn)收 端彼此相互連接 即可實現(xiàn)低頻轉(zhuǎn)接 這種方式可實現(xiàn)最終同步 傳輸電平穩(wěn)定 圖3 11 3 音頻轉(zhuǎn)接 圖3 12給出了音頻轉(zhuǎn)接示意圖 音頻轉(zhuǎn)接是對同時傳輸遠動信號的載波機為了單獨轉(zhuǎn)接話音信號而設(shè)置的 具有低頻轉(zhuǎn)接的全部優(yōu)點 且僅轉(zhuǎn)接音頻信號 可構(gòu)成靈活的電話通信網(wǎng) 所以 目前電力線載波機大量采用音頻轉(zhuǎn)接 圖3 12 第三節(jié)數(shù)字式電力線載波機 一 數(shù)字電力載波通信的優(yōu)點電力線載波通信在電力通信網(wǎng)中占有重要地位 而數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展給電力線載波通信開辟了廣闊前景 隨著各種通信系統(tǒng)向數(shù)字化演進 電力線載波也不例外地開始了數(shù)字化進程 融合計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù) 采用數(shù)字電力線載波通信DPLC DigitalPowerLineCarrier 系統(tǒng)對電力線載波通信網(wǎng)進行擴展和改進 無論在經(jīng)濟上還是技術(shù)上都是最佳選擇方案 與APLC相比較 DPLC優(yōu)點 1 在相同信道帶寬 2 4kHz 條件下 能傳輸?shù)碾娫捖窋?shù)增多 數(shù)據(jù)容量大 頻帶利用率提高 2 數(shù)字方式抗干擾能力強 通信質(zhì)量得到提高 3 話音 遠動和呼叫信號都變?yōu)閿?shù)字形式 可不必再考慮發(fā)信功率的分配 以全功率發(fā)出即可 4 提供的數(shù)字接口能適應(yīng)綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng) ISDN 的發(fā)展趨勢 便于靈活組網(wǎng) 5 便于用外部計算機實時修改設(shè)備參數(shù)及工作狀態(tài) 實現(xiàn)自動監(jiān)測與控制 二 對數(shù)字電力線載波機的要求 考慮到現(xiàn)有APLC的應(yīng)用情況及將來電力數(shù)字通信網(wǎng)的發(fā)展 DPLC應(yīng)滿足以下要求 1 提供現(xiàn)有APLC的各種業(yè)務(wù) 調(diào)度電話 遠動 遠方保護 及新增數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù) 2 通道容量應(yīng)比APLC至少大三倍以上 3 占用與APLC相同的帶寬 且不改變原有的頻譜分配 4 在線路側(cè)與APLC兼容 原有的耦合裝置不變 可與APLC共同組網(wǎng) 5 具有良好的可擴充性能 6 投資少 功能強 性能價格比高 三 數(shù)字電力線載波機的關(guān)鍵技術(shù) 目前的DPLC大致有兩種類型 一種是模擬體制的DPLC 這種設(shè)備類似于模擬電視接收機的電路數(shù)字化 在局部采用了一些先進的數(shù)字技術(shù) 如數(shù)字信號處理技術(shù) DSP 在音頻部分和其它一些功能實現(xiàn)了數(shù)字化 但體制還是模擬的 仍采用傳統(tǒng)的單邊帶 SSB 方式 收發(fā)頻帶仍各為4kHz 但由于數(shù)字技術(shù)的采用 設(shè)備性能得以提高 接口靈活 便于計算機直接監(jiān)測和控制 如德國西門子的ESB 2000 瑞士ABB的ETL 另一種則是全數(shù)字化的載波機 它將音頻信號變?yōu)閿?shù)字編碼 傳輸上采用多電平數(shù)字調(diào)制技術(shù) 如多電平正交調(diào)幅 MQAM 網(wǎng)格編碼調(diào)制 TCM 等 采用回波抵消 EC 技術(shù)實現(xiàn)雙向通信 信息速率可達到32kb s 實現(xiàn)了體制的徹底轉(zhuǎn)變 容量得到很大提高 如挪威Nera公司的A C E 32 局部采用數(shù)字技術(shù)的DPLC涉及以下工作 1 供系統(tǒng)采用鎖相頻率合成技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化 2 音頻通道復(fù)用濾波器DSP進行數(shù)字化 3 調(diào)制 解調(diào)部分采用DSP進行數(shù)字化等 全數(shù)字化的載波機是真正意義上的數(shù)字載波機 它采用語音壓縮編碼 數(shù)字時分復(fù)用 糾錯編碼 數(shù)字調(diào)制 自適應(yīng)均衡 回波抵消等多種數(shù)字通信技術(shù) 將數(shù)字信號 數(shù)據(jù) 數(shù)字化語音 傳真等 調(diào)制到電力線載波頻段 40一500kHz 通過高壓電力線傳送 其傳輸速率及系統(tǒng)容量取決于采用的數(shù)字調(diào)制方式 占用頻帶寬度 線路信噪比 模擬信號數(shù)字化方法等因素 一般為l0一100kbit s 可容納幾路至幾十路低速數(shù)據(jù)或壓縮語音信號 DPLC所采用的數(shù)字技術(shù)主要有 1 DSP技術(shù)2 高效的多進制數(shù)字調(diào)制技術(shù)3 語音壓縮編碼技術(shù) 圖3 13數(shù)字式載波機的發(fā)送和接收過程 四 數(shù)字電力線載波設(shè)備構(gòu)成 一 DPLC基本結(jié)構(gòu)DPLC設(shè)備發(fā)送部分的基本結(jié)構(gòu)如圖3 14所示 主要由時分復(fù)用 數(shù)字調(diào)制和高頻設(shè)備三個功能模塊組成 二 數(shù)字載波機實例 A C E 32分析 A C E 32是挪威Nera公司推出的數(shù)字式電力線載波機 是目前比較先進的數(shù)字載波機 它以8kHz頻帶 兩個相鄰的4kHz 建立一條全雙工電路 傳輸32Kb s的數(shù)據(jù)信息 含語音和數(shù)據(jù) 及遠方保護信號 電話和數(shù)據(jù)的傳輸容量靈活可變 最多可有三條話路或9條數(shù)據(jù)通路 輸出功率40 80W 適合于220kV以上電壓等級線路上使用 A C E 32載波機的結(jié)構(gòu)框圖如圖3 15所示 圖中串行數(shù)據(jù)控制器SDC是A C E 32的核心模塊控制電話和分時數(shù)據(jù)的動態(tài)復(fù)接 在TEL SDI模塊和ALT模塊間傳送串行數(shù)據(jù) TEL電話通路及編譯碼器 其語音編碼采用低滯后線性預(yù)測編碼 LASVQ 最多可配置三條話路 SDI是串行數(shù)據(jù)輸入模塊 總共可配置9條數(shù)據(jù)通路 ALT是線路傳輸轉(zhuǎn)換部分 經(jīng)SDC復(fù)接的數(shù)字流在ALT中進行數(shù)字調(diào)制 將要傳輸?shù)男盘栟D(zhuǎn)換到電力線載波頻段 而接收的載波信號則在這里被解調(diào)成基帶信號 再由SDC分解為不同業(yè)務(wù)的信號 遠方保護輸入TPI和遠方保護模塊TPS對遠方保護命令進行處理 ALTI O部分包括線路濾波 差分匯接 功率放大等 最終與高頻電纜 HFC 相連 整個載波由微機實現(xiàn)實時監(jiān)督控制 SCC 第四節(jié)電力線載波通信新技術(shù) 一 中 低壓電力載波通信技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用1 10kV以上的高壓電力線載波技術(shù)已經(jīng)進入了數(shù)字化時代 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) 中低壓電力線載波的應(yīng)用目前主要在10kV電力線作為配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道 以及在380 220V用戶電網(wǎng)作為集中遠方自動抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道 還有正在開發(fā)并取得階段性成果的電力線上網(wǎng) PLC 又稱電力線接入 其工作原理在第九章第九節(jié)介紹 在這些方面 10kV上的應(yīng)用已達到了實用化 作為自動抄表系統(tǒng)通道的載波應(yīng)用目前已能夠形成組網(wǎng)通信 完成數(shù)據(jù)抄收功能 關(guān)于電力線上網(wǎng)的電力載波技術(shù)應(yīng)用目前已在北京等地開通了實驗小區(qū) 取得了大量的第一手工程資料 這是一個非常好的開端 至于何時能夠進入商業(yè)化生產(chǎn)和運營還需綜合考慮技術(shù)性能 成本核算和符合國家有關(guān)環(huán)境政策等方面的問題 二 中 低壓電力載波通信的關(guān)鍵技術(shù) 我國大規(guī)模地開展用戶配電網(wǎng)載波應(yīng)用技術(shù)的研究是在2000年左右 目前在自動集抄系統(tǒng)中采用的載波通信方式有擴頻 窄帶調(diào)頻或調(diào)相 在使用的設(shè)備中 以窄帶調(diào)制類型的設(shè)備為多數(shù) 其主要原因可能是其成本低廉 電力線上網(wǎng)的應(yīng)用由于要求的速率至少需要達到512kbit s 10Mbit s 所以無一例外地采用擴頻通信方式 在各種擴頻調(diào)制方式中 由于采用正交頻分多路復(fù)用技術(shù) OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing OFDM 調(diào)制具有突發(fā)模式的多信道傳輸 較高的傳輸速率 更有效的頻譜利用率和較強的抗突發(fā)干擾噪聲的能力 再加上前向糾錯 交叉糾錯 自動重發(fā)和信道編碼等技術(shù)來保證信息傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠 因而成為電力線上網(wǎng)應(yīng)用的主導(dǎo)通信方式 本章要點 由于濾波器技術(shù)性能的限制及分路 轉(zhuǎn)換的要求 一般載波機中都采用多級變頻 電力線載波通信與一般明線載波系統(tǒng)相比有很多獨特的地方 如線路耦合 頻譜安排 抗干擾等 根據(jù)電力通信的具體情況 電力線載波以單路載波為主 其信號復(fù)用體現(xiàn)在遠動 遠方保護信號與話音信號的復(fù)用上 電力線載波機由發(fā)信支路 收信支路 自動電平調(diào)節(jié) 呼叫系統(tǒng) 自動變換系統(tǒng)等部分組成 收 發(fā)雙方利用導(dǎo)頻信號 中頻載頻 實現(xiàn)最終同步 作業(yè) 1 畫出相 地耦合方式的電力線載波通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 說明各個功能部件的作用 2 電力線載波通信系統(tǒng)有哪三種通信方式 各有何特點