【正文】 ...........................................................346 結(jié)論 ...................................................................35 總結(jié) ................................................................35 結(jié)束語 ..............................................................35致 謝 ....................................................................36參 考 文 獻(xiàn) ..............................................................37附 錄 ....................................................................381 緒論 電力線載波通信的意義及發(fā)展?fàn)顩r當(dāng)今世界，作為輸送能源的電力線是一個近乎天然、入戶率絕對第一的物理網(wǎng)絡(luò)。而電力線現(xiàn)在的功能僅僅是傳送電能，如何利用網(wǎng)絡(luò)資源潛力，在不影響傳輸電能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)窄帶通信或?qū)拵ㄐ?，使之成為繼電信、電話、無線通信和衛(wèi)星通信之后的又一通信網(wǎng)，是多年來國內(nèi)外科技人員的又一目標(biāo)。要使電力網(wǎng)成為一個新的通信網(wǎng)，技術(shù)手段只有載波通信。電力線載波通信就是以電力網(wǎng)作為信道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換。因為電源線路是每個家庭最為普通也是覆蓋最為寬廣的一種物理媒介，其覆蓋面超過有線電視網(wǎng)絡(luò)甚至電話線路，同時由于利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)字通信，可以大大減少通信網(wǎng)建設(shè)的費用，因而利用電源線路實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的技術(shù)有著可觀的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。電力線載波通信又分為 35KV 以上的高壓載波通信、10KV 配電網(wǎng)的載波通信和民用（400V 以下）電力線載波通信。在技術(shù)上高壓載波通信主要為業(yè)內(nèi)業(yè)務(wù)通信，由于網(wǎng)絡(luò)專一性，其簡單的數(shù)據(jù)通信在國內(nèi)外基本成熟，進(jìn)入千家萬戶的民用電力網(wǎng)才是最大的通信物理網(wǎng)絡(luò)。但在該網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)通信一直是全世界科技工作者的研究課題。由于低壓電力線上實現(xiàn)通信又很多技術(shù)難點，如網(wǎng)絡(luò)不規(guī)范、節(jié)點多、隔離多、隨機干擾等。也可以說民用電力網(wǎng)對通信而言是一個不確定、無規(guī)則、網(wǎng)絡(luò)特性呈拓?fù)涮匦缘姆菢?biāo)準(zhǔn)通信網(wǎng)，是通信網(wǎng)絡(luò)的一大挑戰(zhàn)課題。本文研究的對象正是低壓電力線通信。 低壓電力線通信的特點總的說來，低壓電力線信道的特點主要包括下面幾個方面的內(nèi)容：(1) 噪聲和干擾大低壓電力線網(wǎng)絡(luò)中，各式各樣的家用電器和辦公設(shè)備產(chǎn)生的噪聲和干擾嚴(yán)重污染著電力線通信環(huán)境。己有的研究結(jié)果表明，噪聲的大量存在是實現(xiàn)數(shù)據(jù)在低壓電力線上優(yōu)質(zhì)傳輸?shù)闹饕系K之一?，F(xiàn)在把各種噪聲干擾主要來源歸納為 4 個方面：(a) 可控硅器件和一些電源電路產(chǎn)生的 60Hz 的倍頻諧波(注: 美國電力線頻率為60Hz)； (b) 平滑頻譜噪聲，其頻譜平坦，可以看作有限帶寬的白噪聲，家電中的小電機是產(chǎn)生這類噪音的根源；(c) 單脈沖干擾，通常由開關(guān)切換、閃電、溫度調(diào)節(jié)器或電容充放電引起；(d) 非同步周期噪聲，如電視的行掃描頻率對電網(wǎng)的干擾。(2) 信號衰減大1 / 43信號在電力線上傳輸過程中的衰減是低壓載波通信遇到的另一難點。同時，由于低壓配電網(wǎng)直接面向用戶，負(fù)荷情況復(fù)雜，各節(jié)點阻抗不匹配，所以信號會產(chǎn)生反射、諧振等現(xiàn)象，使得信號的衰減變得極其復(fù)雜。信號的衰減隨著傳輸距離的增加而增加，同時，信號的衰減與頻率、工頻電源的相位有關(guān)，一般來說，隨著頻率的增加，信號的衰減也將增加，而在某些特殊的頻段，由于反射、諧振及傳輸線效應(yīng)等的影響，衰減會出現(xiàn)突然劇增。在 100 400kHz 頻帶內(nèi)，信號的平均衰減為 40dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差為20dB。(3) 隨機性和時變性低壓電力線直接面向用戶的特點導(dǎo)致其干擾具有隨機性和時變性，這是低壓載波通信面臨的又一挑戰(zhàn)。由于用戶負(fù)荷的隨機接入和切除，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化以及不可抗拒的自然因素，如雷電等的影響，使得其干擾表現(xiàn)出很強的隨機性和時變性，從而難以找到一個準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來加以描述。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和動態(tài)在國外，自動抄表系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展比較早，歐美等國在上個世紀(jì)七、八十年代就開始試驗探索自動抄表技術(shù)，70 年代美國引進(jìn)歐洲音頻電力負(fù)荷控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)研制了負(fù)荷監(jiān)控及抄表系統(tǒng)，80 年代，以色列研制成功低壓電力線載波集中抄表技術(shù)，九十年代初自動抄表技術(shù)逐漸成熟，在世界各地得到了迅猛的發(fā)展。近年來，美國、以色列、德國和英國的科技人員一直從事這方面的技術(shù)研究與開發(fā)。90 年代初，自動抄表技術(shù)被引進(jìn)到中國，早期的 AMR 系統(tǒng)主要用于大電網(wǎng)的電能量考核結(jié)算。中國電力科學(xué)研究院自 1997 年開始研究電力線載波通信 PLC(Power Line Carrier)技術(shù)，主要考慮 PLC 技術(shù)用于低壓抄表系統(tǒng)，1998 年開發(fā)出樣機，并通過了試驗室功能測試，1999 年在現(xiàn)場進(jìn)行試運行，獲得了產(chǎn)品登記許可。1999 年 5 月開始進(jìn)行 PLC 系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。主要對我國低壓配電網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性進(jìn)行了測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理和分析，基本取得了我國低壓配電網(wǎng)傳輸特性和參數(shù)，為進(jìn)行深入研究和系統(tǒng)開發(fā)提供依據(jù)。采用低壓電力線載波則具有它的先天優(yōu)勢，只要解決相關(guān)的技術(shù)性問題，它的成本將是最低的。它的研究成功不僅可以替代人工日常抄表工作，提高工作效率，減少人為差錯，加強用戶管理，而且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理工作的全面自動化，是電力部門實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動抄表的發(fā)展趨勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)雖然出現(xiàn)了一些自動抄表系統(tǒng)，但是安裝量并不大，而且技術(shù)并不成熟，成功率低，所以自動抄表系統(tǒng)的研究還是有較大的發(fā)展空間。本課題就是在這種情況下，將現(xiàn)場總線技術(shù)、低壓電力線載波通訊技術(shù)和電話通訊技術(shù)結(jié)合起來，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中式抄表系統(tǒng)的自動化和智能化。 設(shè)計電力載波抄表集中器的目的和意義自動抄表系統(tǒng)是指采用通訊和計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)自動讀取和處理表計數(shù)據(jù)的一項新技術(shù)。發(fā)展自動抄表技術(shù)是提高物業(yè)管理水平的需要，也是網(wǎng)絡(luò)和計算機技術(shù)迅速發(fā)展的必然需要。采用自動抄表技術(shù)，不僅能節(jié)約人力資源，而且可提高抄表的準(zhǔn)確性，減少因估計或謄寫而造成賬單出錯，使相關(guān)管理部門能及時準(zhǔn)確獲得數(shù)據(jù)信息，由于用戶不再需要與抄表者預(yù)約上門抄表時間，還能迅速查詢賬單，故這種技術(shù)越來越受到用戶的歡迎。隨著電價的改革，供電部門為迅速出賬，需要從用戶處盡快獲取更多的數(shù)據(jù)信息，如電能需量、分時電量和負(fù)荷曲線等，自動抄表為實現(xiàn)上述需求提供了切實可行的技術(shù)手段。近 10 年來，美國、英國、德國、以色列、中國等國的科技人員一直從事這方面的技術(shù)研究與開發(fā)。到目前為止，國內(nèi)外己有一些企業(yè)開發(fā)出了用于電力線載波通信的產(chǎn)品: 如開發(fā)的電力線載波抄表系統(tǒng)在技術(shù)上取得了可喜的進(jìn)步和成功，但尚未能符合用戶使用要求，由于專用芯片的原因，抄表系統(tǒng)的抄到率最高僅能達(dá)到 90%左右。盡管如此，目前我國在該方面的技術(shù)屬先進(jìn)行列。實踐證明用進(jìn)口通用通信芯片不可能實現(xiàn)我國民用電力網(wǎng)的可靠載波通信。但是隨著市場需求和技術(shù)的發(fā)展，將來的民用電力線載波通信必將成為一個很大的通信網(wǎng)。 課題的可行性分析本課題所設(shè)計的自動抄表系統(tǒng)主要的難點是解決低壓電力線載波通訊技術(shù)和電話網(wǎng)通訊技術(shù)，隨著擴頻載波技術(shù)被應(yīng)用到在低壓電力線載波通訊中，在規(guī)定的通信距離中，其抄表的成功率高達(dá) 100%，在我國已經(jīng)開發(fā)研制成功；而電話網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展，己經(jīng)被實踐所檢驗，基本上不存在任何問題。因此，本自動抄表系統(tǒng)在技術(shù)層面來講是可行的。在經(jīng)濟實用性方面，本課題設(shè)計的自動抄表系統(tǒng)有著絕對的優(yōu)勢，本系統(tǒng)在設(shè)計中所采用的通訊媒介是低壓電力線網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)，不需要另外再鋪設(shè)通訊設(shè)施，因此在經(jīng)濟實用性方面也是完全可行的。綜合以上兩個方面，可見本課題所設(shè)計的自動抄表系統(tǒng)是完全切實可行的。 本文的主要任務(wù)本課題是在總結(jié)前人的自動抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的實際情況，設(shè)計出一種經(jīng)濟實用的自動抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)底層通訊方式采用低壓電力線載波通信的方式，載波芯片使用 Intel Lon 公司的 SSCP300 擴頻載波芯片；上層通訊采用電話網(wǎng)絡(luò) 3 / 43載波芯片 接口電路處理器 處理器接口電路 載波芯片 圖 11 載波接口電路2 電力線載波通信技術(shù)電力線載波通信是利用電力線作為傳輸通道的載波通信，是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式。它根據(jù)頻率搬移、頻率分割原理，將原始信號對載波進(jìn)行調(diào)制，搬移到不同的線路傳輸頻帶，送到電力線上進(jìn)行傳輸。由于通信所使用的頻率一般在幾百 KHZ以上，因此可以避開 50HZ 工頻電流的干擾。和其他通信方式相比，具有投資少、施工期短、設(shè)備簡單、通信安全、實時性好、無中繼和通信距離長等一系列優(yōu)點。從六七十年代以來，利用 10kV 以上中高壓電力線作為信號傳輸通道的電力線載波電話已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，對高壓電力線進(jìn)行高頻信號傳輸?shù)难芯恳呀?jīng)非常深入和成熟。但在 220V/380V 低壓電力線上進(jìn)行信號傳輸，與高壓電力線載波通信有很大區(qū)別，突出表現(xiàn)在工作環(huán)境惡劣、線路阻抗大、信號衰減強、干擾大且時變大等特點。因此，在使用電力線作為信號傳輸媒介之前，需要對它的信道特性進(jìn)行分析。 電力線載波通信中信號傳輸特性分析 [8]由于電力線并不是專為傳輸信號而設(shè)計的，所以有必要分析高頻信號在電力線中的傳輸特性。影響電力線載波傳輸質(zhì)量的主要因素有: 電力網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性、衰減特性及噪聲的干擾。前兩者制約信號的傳輸距離，后者決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。(1) 低壓電力線上輸入阻抗及其變化輸入阻抗是表征低壓電力線傳輸特性的重要參數(shù)，研究輸入阻抗對于提高發(fā)送機的效率，增加網(wǎng)絡(luò)的輸入功率有重大意義。理論和實驗表明低壓電力線上的輸入阻抗不僅與傳輸信號的頻率有關(guān)系，而且與低壓電力線上所連接的負(fù)載有關(guān)系。在理想情況下，當(dāng)沒有負(fù)載時，電力線相當(dāng)于一根均勻分布的傳輸線。由于分布電感和分布電容的影響，輸入阻抗會隨著頻率的增大而減小。當(dāng)電力線上有負(fù)載時，所有頻率的輸入阻抗都會減小。但是，由于負(fù)載類型的不同，使不同頻率的阻抗變化也不同，所以實際情況非常復(fù)雜，甚至使輸入阻抗的變化不可預(yù)測。由于低壓電力線輸入阻抗的劇烈變化，使發(fā)送機功率放大器的輸出阻抗和接收機的輸入阻抗難以與之保持匹配，因而給電路設(shè)計帶來很大的困難。(2) 低壓電力上高頻信號的衰減及其變化高頻信號在低壓電力線上的衰減是低壓電力線載波通信遇到的又一個實際困難。對高頻信號而言，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，各種不同性質(zhì)的負(fù)載在這根線的任意位置隨機地連接或斷開。因此，高頻信號在低壓電力線上的傳輸必然存在衰減。顯然，這種衰減與通信距離、信號頻率等都有密切關(guān)系。總的來說，信號傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，信號衰減就越厲害。但是，由于電力線是非均勻不平衡的傳輸線，接在上面的負(fù)載的阻抗也不匹配，所以信號會遇到反射、駐波等復(fù)雜現(xiàn)象。這些復(fù)雜現(xiàn)象的組合，使信號的衰減隨距離的變化關(guān)系變得非常復(fù)雜，有可能出現(xiàn)近距離點的衰減比遠(yuǎn)距離點還大的現(xiàn)象。對于民用電網(wǎng)，其三相電源所接的負(fù)載大小和性質(zhì)都不相同，所以同樣強度的信號在三相電線上的衰減也不同。這種現(xiàn)象有時就表現(xiàn)為雖然接收端和發(fā)送端的位置不變，但接在不同的相上，通信的誤碼率不同。(3) 低壓電力線傳輸干擾特性分析在低壓電力線上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時的另一個需要認(rèn)真研究的重要問題是電力線上干擾的特殊性質(zhì)。電力線上的干擾可分為:非人為干擾和人為干擾。非人為干擾指的是一些自然現(xiàn)象，如雷電在電力線上引起的干擾。人為干擾則是由連接在電力線上的用電設(shè)備產(chǎn)生的，并對數(shù)據(jù)通信有嚴(yán)重的影響。干擾可分為周期性的連續(xù)干擾、周期性的脈沖干擾、時不變的連續(xù)干擾和隨機產(chǎn)生的突發(fā)性干擾。通常情況下，前兩類干擾更為突出。通過以上討論可以看到，低壓電力線上的信號衰減特性和干擾特性非常復(fù)雜，而且隨機性、時變性大，難以找到一個較為準(zhǔn)確的解析式或數(shù)學(xué)模型加以描述，這也是為什么一直以來對低壓電力線高頻信號傳輸特性的分析多以定性分析和實驗數(shù)據(jù)測試分析為主的原因。即使有些學(xué)者提出了一些模型，但是這些模型也往往是附加了許多假設(shè)和限制，因而也是不精確的或適用面很窄。這種精確數(shù)學(xué)模型的缺乏，對低壓電力線載波通信設(shè)備的設(shè)計提出了很高的要求，即要求其有很好的自適應(yīng)能力。但同時，出于實用的角度，為了獲得合理的性價比，又要求其成本要限制在一定的范圍內(nèi)。這些對系統(tǒng)的設(shè)計而言是一個很大的挑戰(zhàn)。盡管低壓電力線載波通信存在上述所說的這些困難，用低壓電力線作為通信信道仍然是可行的，只是需要采用一些特殊的技術(shù)手段。 常用的低壓電力線載波通信技術(shù) [13](1) 窄帶通信方式窄帶通信方式價格低廉并且較易實現(xiàn)，所以在以往的應(yīng)用中比較常用。但窄帶技術(shù)的缺點是抗干擾能力較差，盡管窄帶通信中的接收器具有較窄的通帶，使得僅有一小部分噪聲能進(jìn)入接收器，但由于此類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，引起它對傳輸來的信號產(chǎn)生誤操作。而使用低品質(zhì)因數(shù)的濾波器又會使通帶帶寬加大，令更多的噪聲進(jìn)入接收器，所以窄帶通信對脈沖噪聲的抵抗性較差。(2) 多載波調(diào)制方式多載波調(diào)制是一種多載頻并傳體制，其基本原理是將輸入信息轉(zhuǎn)換成多路并行信號，對相互完全正交的一組載波進(jìn)行調(diào)制。因此，多載波調(diào)制方式技術(shù)的實質(zhì)是將時分多路的數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)化成為頻分多路的數(shù)據(jù)傳輸。由于各載波之間的正交性，完全消5