【文章內(nèi)容簡介】 非同步周期噪聲，如電視的行掃描頻率對(duì)電網(wǎng)的干擾。 (2) 信號(hào)衰減大 信號(hào)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(diǎn)。同時(shí)，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(diǎn)阻抗不匹配， 所以信號(hào)會(huì)產(chǎn)生反射、諧振等現(xiàn)象，使得信號(hào)的衰減變得極其復(fù)雜。信號(hào)的衰減隨著傳輸距離的增加而增加，同時(shí)，信號(hào)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(hào)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(huì)出現(xiàn)突然劇增。在 100 400kHz 頻帶內(nèi)，信號(hào)的平均衰減為 40dB，標(biāo)準(zhǔn)偏差為20dB。 (3) 隨機(jī)性和時(shí)變性 低壓電力線直接面向用戶的特點(diǎn)導(dǎo)致其干擾具有隨機(jī)性和時(shí)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(jī)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(qiáng)的隨機(jī)性和時(shí)變性，從而難以找到一個(gè)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(dòng)態(tài) 在國外，自動(dòng)抄表系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展比較早，歐美等國在上個(gè)世紀(jì)七、八十年代就開始試驗(yàn)探索自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jī)，并通過了試驗(yàn)室功能測試， 1999 年在現(xiàn)場進(jìn)行試運(yùn)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(duì)我國低壓配電網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性進(jìn)行了測試，并對(duì)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)行畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 用 紙 繼續(xù)教育學(xué)院 第 12 頁 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(cuò)，加強(qiáng)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(dòng)化，是電力部門實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中式抄表系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能 化。 設(shè)計(jì)電力載波抄表集中器的目的和意義 自動(dòng)抄表系統(tǒng)是指采用通訊和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)自動(dòng)讀取和處理表計(jì)數(shù)據(jù)的一項(xiàng)新技術(shù)。發(fā)展自動(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的必然需要。采用自動(dòng)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(jì)或謄寫而造成賬單出錯(cuò)，使相關(guān)管理部門能及時(shí)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(shí)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(jià)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(shí)電量和負(fù)荷曲線等，自動(dòng)抄表為實(shí)現(xiàn)上述需求提供了切實(shí)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(shí)踐證明用進(jìn)口通用通信芯片不可能實(shí)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(gè)很大的通信網(wǎng)。 課題的可行性分析 本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要的難點(diǎn)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(kuò)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)過多畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 用 紙 繼續(xù)教育學(xué)院 第 13 頁 年的發(fā)展，己經(jīng)被實(shí)踐所檢驗(yàn)，基本上不存在任何問題。因此，本自動(dòng)抄表系統(tǒng)在技術(shù)層面來講是可行的。在經(jīng)濟(jì)實(shí)用性方面，本課題設(shè)計(jì)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)有著絕對(duì)的優(yōu)勢，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)用性方面也是完全可行的。綜合以上兩個(gè)方面，可見本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)是完全切實(shí)可行的。 本文的主要任務(wù) 本課題是在總結(jié)前人的自動(dòng)抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的自動(dòng)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(kuò)頻載波芯片；上層通訊采用電話網(wǎng)絡(luò) 。 圖 11 載波接口電路 載波芯片 接口電路 處理器 處理器 接口電路 載波芯片 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 用 紙 繼續(xù)教育學(xué)院 第 14 頁 第 2 章 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(hào)對(duì)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(shí)時(shí)性好、無中繼和通信距離長等一系列優(yōu)點(diǎn)。 從六七十年代以來，利用 10kV 以上中高壓電力線作為信號(hào)傳輸通道的電力線載波電話已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，對(duì)高壓電力線進(jìn)行高頻信號(hào)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(hào)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(hào)衰減強(qiáng)、干擾大且時(shí)變大等特點(diǎn)。因此，在使用電力線作為信號(hào)傳輸媒介之前，需要對(duì)它的信道特性進(jìn)行分析。 電力線載波通信中信號(hào)傳輸特性分析 由于電力線并不是專為傳輸信號(hào)而設(shè)計(jì)的，所以有必要分析高頻信號(hào)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(hào)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(duì)于提高發(fā)送機(jī)的效率，增加網(wǎng)絡(luò)的輸入功率有重大意義。理論和實(shí)驗(yàn)表明低壓電力線上的輸入阻抗不僅與傳輸信號(hào)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(shí)，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(huì)隨著頻率的增大而減小。當(dāng)電力線上有負(fù)載時(shí)，所有頻率的輸入阻抗都會(huì)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(shí)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(jī)功率放大器的輸出阻抗和接收機(jī)的輸入阻抗難以與之保持匹配，因而給電路設(shè)計(jì)帶來很大的困難。 (2) 低壓電力上高頻信號(hào)的衰減及其變化 高頻信號(hào)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(gè)實(shí)際困難。對(duì)高頻信號(hào)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)載在這畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 用 紙 繼續(xù)教育學(xué)院 第 15 頁 根線的任意位置隨機(jī)地連接或斷開。因此，高頻信號(hào)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(hào)頻率等都有密切關(guān)系?？偟膩碚f，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，信號(hào)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(hào)會(huì)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(hào)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(diǎn)的衰減比遠(yuǎn)距離點(diǎn)還大的現(xiàn)象。對(duì)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(qiáng)度的信號(hào)在三相電線上的衰減也不同。這種現(xiàn)象有時(shí)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(shí)的另一個(gè)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(duì)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(shí)不變的連續(xù)干擾和隨機(jī)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(hào)衰減特性和干擾特性非常復(fù)雜，而且隨機(jī)性、時(shí)變性大，難以找到一個(gè)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(duì)低壓電力線高頻信號(hào)傳輸特性的分析多以定性分析和實(shí)驗(yàn)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(duì)低壓電力線載波通信設(shè)備的設(shè)計(jì)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(shí)，出于實(shí)用的角度，為了獲得合理的性價(jià)比，又要求其成本要限制在一定的范圍內(nèi)。這些對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言是一個(gè)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) (1) 窄帶通信方式 窄帶通信方式價(jià)格低廉并且較易實(shí)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(diǎn)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，使得僅有一畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 用 紙 繼續(xù)教育學(xué)院 第 16 頁 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(huì)使其發(fā)生自干擾，引起它對(duì)傳輸來的信號(hào)產(chǎn)生誤操作 。而使用低品質(zhì)因數(shù)的濾波器又會(huì)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(duì)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(hào)，對(duì)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(shí)質(zhì)是將時(shí)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，完全消除了彼此之間的串?dāng)_，同時(shí)利用相同的正交載波組在接收端恢復(fù)原始信號(hào)。 (3) 擴(kuò)頻通信方式 實(shí)用擴(kuò)頻技術(shù)在 50 年代中發(fā)展起來，起初擴(kuò)頻技術(shù)只用于軍用通信、制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域，由于它具有許多特點(diǎn)，使得其理論和實(shí)踐發(fā)展迅速。擴(kuò)頻通信技術(shù)在 90 年代才開始應(yīng)用到民用上，目前己經(jīng)在低壓電力線通信上得到廣泛應(yīng)用，并已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，成為電力線載波通信的熱點(diǎn)。擴(kuò)頻通信方式是一種簡便、易實(shí)現(xiàn)、價(jià)格低廉的方式。本文的低壓電力線載波通信方式采用的就是擴(kuò)頻通信技 術(shù)。 擴(kuò)頻通信技術(shù) 擴(kuò)頻通信是目前應(yīng)用廣泛的通信技術(shù)，它相對(duì)于窄帶通信系統(tǒng)來說有一定的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在擴(kuò)頻通信具有優(yōu)越的抗干擾性能，它能夠很好的克服電力線上的噪聲和干擾，擴(kuò)頻通信用偽隨機(jī)碼把基帶信號(hào) (信息數(shù)據(jù)窄帶信號(hào) )的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成相當(dāng)帶寬的低功率譜密度信號(hào)發(fā)射。接收端使用相關(guān)處理方法，把要接收的寬帶擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成基帶信號(hào)。這些特征使擴(kuò)頻通信信號(hào)不易受干擾，也不容易干擾他人。擴(kuò)頻信號(hào)具有較寬的頻譜，因而分散了噪聲功率，使干擾程度減小，提高了通信的可靠性。 擴(kuò)頻通信的工作原理 在發(fā)送端輸入的信息先經(jīng)信息 調(diào)制形成數(shù)字信號(hào)，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展寬信號(hào)的頻譜。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去。在接收端收到的寬帶射頻信號(hào)，變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。再經(jīng)信息解調(diào)，恢復(fù)成原始信息輸出。 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 用 紙 繼續(xù)教育學(xué)院 第 17 頁 擴(kuò)頻通信的特點(diǎn) 擴(kuò)頻通信是一種新型的通信體制，是通信領(lǐng)域中一個(gè)重要的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的通信方式相比較，它具有如下的特點(diǎn) : (1) 抗干擾能力強(qiáng) 擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力是其它所有通信方式無法比擬的。特別是在干擾的環(huán)境下，采用擴(kuò)頻通信技術(shù)是提高通信設(shè)備抗干擾能力最有效的措 施。因此，抗干擾能力將是擴(kuò)頻通信的最基本特點(diǎn)。 (2) 具有選址能力 由于采用編碼信號(hào)形式，對(duì)一個(gè)或一組接收機(jī)分配規(guī)定的碼組作為地址，而對(duì)其它的接收機(jī)分配不同的碼組。這樣，用不同