电力线通信范文
时间：2023-03-14 16:45:32
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篇1
中图分类号：TN914 文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2008)11-170-02
Research on EMI Filter Circuit of Power Line Carrier Communication
ZHAO Zhipeng,LUO Yinghong
(School of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou,730070,China)
Abstract：Power Line Communication(PLC) is a brand-new subject,which develops rapidly in rescent years.However,as the power line transmission without shielding,There are serious EMI and EMC problems.Based on the in-depth analysis of the main reason that the PLC system produces electromagnetic interference,this paper researches the design of the EMI filter circuit,and through experiments show that the filter circuit for inhibiting PLC EMI feasibility.
Keywords：power line carrier communication;electromagnetic compatibility;common-mode interference;EMI filter
基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(3zs062-b25-013)
电力线通信技术目前发展非常迅速，现在已经进入初步应用阶段。PLC系统充分利用电力系统的广泛线路资源，通过OFDM等技术可以在同一电力线不同带宽的信道上传输数据。 但是由于电力线传输的无屏蔽性，电网的稳定性比传统的通信网差得多，使得电力线通信线路的电磁环境极为复杂，这就给电力线通信系统提出了更高的电磁兼容要求，电磁兼容技术也成了实现电力线通信所需的关键技术之一。本文在深入分析了电力线通信系统产生电磁干扰的主要原因的基础上，对EMI滤波电路进行了设计研究，并通过实验验证了该滤波网络对于抑制电力线载波通信EMI的可行性。
1 电力线载波通信电磁兼容问题分析
1.1 电磁兼容分析模型
一个电子系统如果能与其他电子系统相兼容的工作，也就是不产生干扰又能忍受外界的干扰则称为该电子系统与区环境电磁兼容。对于一般的电磁兼容问题的基本分析模型如图1 所示。
对于PLC系统来说，干扰源要整体考虑。不仅包括PLC设备，而且要考虑当信号加到电力线上时，由于电力线是一种非屏蔽的线路，有可能作为发射天线对无线通信和广播产生不利影响。此外还要考虑多种PLC 设备间的相互影响。PLC的耦合途径是非常复杂的，是不同的途径相互作用的结果。总体上分为两种，一种是空间的辐射，对应的扰设备是无线通信和广播信号；另一种是沿电力线的传导骚扰，主要造成对电能质量的影响。因此PLC 系统的电磁兼容问题涉及多个PLC 系统的共存，以及与无线网络的共存等。
图1 电磁兼容基本分析模型
1.2 PLC系统电磁干扰产生机理
由于电力线的特性和结构是按照输送电能的损失最小并保证安全可靠地传输低频(50 Hz)电流来设计的，不具备电信网的对称性、均匀性，因而基本上不具备通信网所必须具备的通信线路电气特性。而PLC系统所产生的电磁干扰问题正是由于电力线的这种对地不对称性产生的[1]。
电力线产生干扰的机理有两种(如图2)，一种是电力线中的信号电流Id(差模电流)回路产生的差模干扰，另一种是电力线上的共模电流IcР生的共模干扰。差模电流大小相等方向相反，因此一般近似认为由其产生的电磁场相互抵消。而共模电流的方向是一致的，其产生的电磁场相互叠加[2]，所以电力线的干扰主要来自共模干扰。
1.3 改善PLC系统电磁兼容性的主要措施
(1) 充分利用或改善PLC系统电力线的对称性
PLC系统的辐射强度取决于PLC网络或其电缆的对称性。高度对称线路的特征是异模电流与共模电流的比值很大，故辐射非常小。可以选择对称性好的导线，例如4芯电缆，但此法不适用于室内网络，而且成本较高。
(2) 减小PLC系统中高频信号的功率谱密度
减小PLC信号的功率谱密度(PSD)能降低辐射电平，但不影响总的发送功率。因此，PLC系统适宜采用宽带调制技术，但其扩频效率受电力线低通特性的限制。
(3) 合理选择调制技术
OFDM是一种高效的调制技术，其基本原理是将发送的数据流分散到许多个子载波上，使各子载波的信号速率大为降低，从而提高抗多径和抗衰落能力[3]。
(4) 合理设计EMI滤波网络
将滤波器安装在紧邻变压器和紧邻家庭用户的连接点上，或者直接在电力线调制解调器内部引入滤波器[4]。这样既可以保持PLC信号的异模传播，又可以阻止PLC信号进入辐射效率高的导线或其他附接设备。本文将主要对EMI滤波网络进行研究设计。
图2 电力线EMI模型
2 滤波电路设计
基于以上对于电力线通信电磁兼容性的分析，可以在电力线通信系统的收端接一个EMI滤波器，用以抑制系统所产生的共模干扰。由于两根电力线不可能完全重合，也就是说差模电流所产生的电磁场不能完全抵消，所以在设计滤波电路时，也应考虑到差模干扰的抑制。
EMI滤波电路基本网络结构如图3所示。
图3 EMI滤波电路基本结构
图3中，差模抑制电容为C1和C2，共模抑制电容为C3和C4，共模电感为L，Р⒔共模电感缠绕在铁氧体磁芯圆环上，构成共模扼流圈。共模扼流圈对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用[5]。由于干扰信号有差模和共模两种,因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。其基本原理为:
(1) 利用电容通高频隔低频的特性，将电源正极，电源负极高频干扰电流导入地线(共模)，或将电源正极高频干扰电流导入电源负极(差模)。
(2) 利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源。
3 实验结果
在图3滤波电路中取差模电容C1,C2为7 000 pF，共模电容C3,C4为0.015 μF，共模扼流圈磁芯采用锰-锌铁氧体，每路绕30匝，电感量为3.7 mH。
3.1 EMI滤波网络滤波性能仿真
图4为干扰噪声随频率关系的模拟仿真，由此可见干扰信号的频率越高，则干扰信号通过该滤波网络后衰减越大。共模干扰的频率一般在2MHz以上，所以说该滤波电路能对共模干扰起到良好的抑制作用。
图4 干扰噪声随频率关系
3.2 EMI滤波网络输出结果分析
当采用输入为24 V，输出为12 V，功率为25 W的开关电源模拟输入信号时，用带宽为20 MHz的示波器测得滤波前后信号纹波分别为50 mV和5 mV。由此可见该滤波网络对干扰信号衰减了20 dB，良好地抑制了电路中所产生的干扰噪声。
4 结 语
电力线通信技术作为一种强有力的手段,有着雄厚的发展基础和广阔的市场,应有其使用和生存的发展环境和空间。但是,低压电力线并不是专门用来传输通信数据的,它的拓扑结构和物理特性都与传统的通信传输介质(如双绞线、同轴电缆、光纤等) 不同。它在传输通信信号时信道特性相当复杂,负载多、噪声干扰强、信道衰减大,通信环境相当恶劣。目前还有很多亟待解决的问题，例如PLC的电磁辐射问题，调制技术和编码技术的改进，通信信号衰减的抑制等。本文研究的EMI滤波电路旨在抑制接收端由于共模电流和差模电流产生的共模和差模干扰，今后还有待于结合电磁原理，在PLC设备和网络的电路及电磁辐射特性等方面做深入研究。
参 考 文 献
［1］张力波，柴守亮.宽带电力线通信对无线通信的影响及其频带的管理［J］.中国无线电,2006:12-15.
［2］Clayton R Paul.Introduction to Electromagnetic Compatibi-lity［M].John Wiley&Sons,Inc.1992.
［3］张淑娥,孔英会,高强.电力系统通信技术［M］.北京：中国电力出版社,2005.
［4］丁道齐.要正视和研究电力线通信技术发展中的关键问题［J］.电力系统通信,2003,24（4）:1-12.
篇2
论文摘要：随着社会信息化程度的提高，网络已成为人们生活中不可缺少的一部分。网络接入带宽迅速提升，以适应大容量、高速率的数据、视频、语音等高质量的信息传输与服务。目前常用的宽带接入方式有电话拨号（即XDSL）方式、有线电视线路（CableModem）方式、双绞线以太网方式，随着科技的迅速发展，电力线通信已成为一种新型的宽带接入技术，并且有着良好的发展前景。
电力线通信简称PLC（PowerLineCommunication0）是利用配电网低压线路传输多媒体信号的一种通信方式。在发送时利用GMSK（高斯滤波最小频移键控）或OFDM（正交频分多路复用）调制技术将用户数据进行调制，把载有高频信息的高频加载于电流，然后再电力线上传输，在接收端先经过滤波器将调制信号取出，再经过解调，就可得到原通信信号，并传送到计算机或电话，实现信息传递。类似的电力线通技术信早已有所应用，电力系统中在中高压输电网(35千伏以上)上通过电力载波机利用较低的频率以较低速率传送远动数据或话音，就是电力线通信技术应用的主要形式之一，已经有几十年历史。
PLC接入设备分局段设备和用户端PLC调制解调器。局段负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络连接。在通信时来自用户的数据进入调制解调器后，通过用户配电线路传输到局端设备，局端设备将信号解调出来，再转到外部的Internet。该技术不需要重新布线，在现有低压配电线路上实现数据、语音、和视频业务的承载。终端用户只需插上电源插座即可实现因特网接入，电视接收、打电话等。同样电力线通信技术也可应用于其他相关领域，对于重要场所的监控和保护，一直需要投入大量的人力和财力，现在只需利用电源线，用极低的代价更新原有监控设备即可实现实时远程监控。目前电力系统抄表,基本上主要依靠人工抄表完成。人工抄表的准确性、同步性难以保证。同时由于抄表地点分散，表记数量众多，所以抄表的工作量巨大。基于电力线路载波(PLC)通信方式的自动抄表装置，由于不需要重铺设通信信道，节省了施工及线路费用,成为现代电力通讯的首选方式，使得抄表的工作量大大减少。近年来居民小区及大楼朝智能化发展，现在的智能化建筑已经实现了5A。但是这些不同的系统自动化需要不同的网络支持；给建设和维护网络系统带来了巨大的压力。借助电力线通信技术，无论是监控、消防、楼宇还是办公或者通信自动化都可以利用电力线实现，便于管理和扩展。
电力线通信主要优势：
电力线通信有无可比拟的网络覆盖优势，我国拥有全世界排名第二的电力输电线路，拥有用电用户超过10亿，居民家里谁都离不开电力线；显然连接这10亿用户的既存电力线是提供上网服务的巨大物质基础。在广阔的农村地区，特别是那些电话网络不太发达的地区，PLC更有用武之地，毕竟电力网规模之大是任何网都不可比拟的。虽然这些地区上网短期需求量并不大，市场发展成熟较慢，但会存在电力线上网先入为主的局面，对PLC的长远发展和扩展非常有利。
电力线通信可充分利用现有低压配电网络基础设施，不需要任何新的线路铺设，随意接入，简单方便的安装设备及使用方式，节约了资源和费用，无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物和公共设施的破坏，同时也节省了人力，共享互联网络连接，高通讯速率可达141Mbps（将未通过升级设备可达200Mbps）。PLC调制解调器放置在用户家中，局端设备放置在楼宇配电室内，随着上游芯片厂商14M产品技术相对成熟。PLC设备整体投入不断下降，据调查当前14M的PLCModem产品其成本已降到普通的ADSL接入猫相仿的水平，而局端设备则更便宜。由于一般一个局端拖带PLC调制解调器的规模为20-30台，因此随着用户的增长，局端设备可以随时动态增加，这一点对于运营商来说，不必在设备采购初期投入巨大的资金。因此也有宽带网络接入最后一公里最具竞争力的解决方案之称。
电力线通信的缺点
传输带宽的问题。PLC与电话线上网从本质上讲并没有区别，都是利用铜线作为传输媒质，铜线上网的最大问题是不能解决传输带宽问题。虽然14M的产品已经成熟，但电力线上网是共享带宽，若同一地区多个用户同时上网则数据传输速度将会相应降低，如何保证用户能够获得足够带宽成为挑战噪声安全性问题。由于电力网使用的大多是非屏蔽线，用它来传输数据不可避免的会形成电磁辐射，从而会对其它无线通信，如公安部门或军事部门的通信造成干扰；再次电力线上网存在不稳定的问题，家用电器产生的电磁波对通信产生干扰，时常会发生一些不可预知的错误。与信号洁净特性恒定的Ethernet电缆相比，电力线上接入了很多电器，这些电器任何时候都可以插入或拆开，并机或关闭电源。因而导致电力线的特性不断变化，影响网速。
篇3
1.1噪声干扰强而信号衰减大
突发性噪声（由于用电设备的随机断开或者随机接入而产生）、周期性噪声（由脉冲干扰而产生）、背景噪声（在整个通信频带均有分布）是三种主要影响到电力线载波通信的噪声。
1.2通信信道的频率选择性
由于低压配电网中存在着噪声强度大、噪声种类多、负荷情况复杂、负载变化随机、负载变化程度大等特点而导致信号出现驻波、谐振、反射等现象，或多或少都会造成信号被衰减，因此，通信信道务必要具有较强的频率选择性。
1.3通信信道的时变性
由于载波信号在低压电力线是不能均匀分布的，再加上在低压配电网的任意位置，不同的电力负载可以不同的电力负载，这样一来，就让通信信道出现较强的时变性。
2低压电力线通信技术概述
2.1电力线载波通信技术分类
通常而言，电力线载波通信可分为两大类，分布是窄带电力线载波通信（通信速率小于1Mbit/s，带宽限制为3-500kHz）和宽带电力线载波通信（通信速率大于1Mbit/s，带宽限制为2-30MHz）。基于频带传输技术来看，电力线载波通信可分为扩频传输和频带传输。主要的扩频传输包括：OFDM（正交频分复用）、DSSS（直接序列扩频）、调频等，其中，OFDM（正交频分复用）的应用最为广泛。OFDM（正交频分复用）是一种高速传输技术，多用于无线环境下，它的思想是在将给定信道在一定的频率内将其分成若干个正交子信道，一个子载波来调制一个子信道，各子载波并行传输。这样一来，虽然总信道是有频率选择性，非平坦的，但是每个子信道是相对平坦的，可让信号波形间的干扰得到大幅度降低，且还会让频谱利用率得以提高。再加上信息传输的可靠、稳定性可以通过信道编码、前向纠错、自动重发、交叉纠错等技术来予以保证，所以，OFDM（正交频分复用）目前已经成为了主导的电力线通信方式。
2.2低压电力线载波通信技术难点
由于大范围的线路阻抗、线路衰减，低压电力线载波通信技术也存在着一些较难解决的技术问题，这就需要我们加强研究自适应均衡、自适应滤波等一系列模拟前端技术，同时，还要进一步研究在穿越变压器和变压器跨相方面的低压载波通信技术等，这些都离不开对外干扰标准的制定。低压电力线载波通信实现低价格、高性能的关键在于制造、设计出性能稳定的专用芯片，这也是目前微电子行业需要努力的方向。
3低压电力线载波通信组网方式
众所周知，低压电力线网的物理结构、网络拓扑结构较为复杂，就存在着较多的时变性和未知性，这样一来，就很难让低压电力线完成组网应用工作。本文希望能够利用一种简单的方法来将网络的逻辑拓扑结构找到。这种方法从主载波节点开始，将网络中的全部从载波节点都找遍，最终找出孤点，以便能够将网络逻辑拓扑结构予以确定。假设此网络中的从载波节点有a个，主载波节点有1个，那么基本步骤如下：
（1）主载波节点将测试轮询包向a个从载波节点发出。假定接收到测试轮询包并回复的从载波节点有b个，那么就能够将那些会与主载波节点进行直接通信的从载波节点在第一时间内找出。如果a=b，那么轮询过程就会自动结束。
（2）1-b个载波节点将测试轮询包向剩余的从载波节点发出，假定接收到测试轮询包并回复的从载波节点有c个，那么就能够将那些会与主载波节点进行直接通信的从载波节点在第一时间内找出。如果c=0，那么说明剩下的节点为孤点，既不能连接第一层从载波节点，又不能直接连接主载波节点，那么轮询过程就会自动结束。如果0<c<(a-b)，那么又会再次按照前述程序来将测试轮询包向剩余的从载波节点发出，直到c=0为止。如果c=(a-b)，那么则说明可以间接或者直接将全部让载波节点与主载波节点相连，那么轮询过程就会自动结束。基于此算法可以将一组网络节点的逻辑拓扑结构找出，不是唯一的通信路径，而只是一种中继策略。
4仿真实验与结果分析
为了对这种逻辑拓扑结构算法的有效性和可行性进行有效地严重，利用载波机来将测试网络搭建好，对子节点位置、节点总数、中继节点、网络层数等进行人为改变，然后对此逻辑拓扑结构建立完成所花费的时间及各种不同情况下轮询次数进行统计计算。结果表明：一次点对点轮询的时间通常为0.5s。
5结语
篇4
目前,我省主要采用的窄带调制解调技术主要有:(1)PSK相移键控。该方式通过调制载波的相位来传输数据,也是一种线性调制技术,同样存在边瓣再生的问题,特别在发生相位突变时,包络不恒定而导致在通过带限信道后频谱发生扩散。(2)FSK频移键控。通过2个不同的载波代表二进制数据中的2种状态,来完成数据的调制,它属于非线性调制。同时,不管调制信号如何改变,载波的幅度是恒定的,所以它也是一种恒包络调制。它可以使用功率效率高的C类放大器,而不会使发送信号占用的频谱增大;带外辐射低;接收机设计简单。不过其占用带宽比线性调制大。在大多数情况下,数字调制是利用数字信号的离散值去键控载波。对载波的幅度、频率或相位进行键控,便可获得ASK、FSK、PSK等。这三种数字调制方式在抗干扰噪声能力和信号频谱利用率等方面,以相干PSK的性能最好,目前已在中、高速传输数据时得到广泛应用。以上调制方式都属于窄带通信技术,同时窄带通信技术还包括QAM调制、无载波调幅调相(CAP)、DMT调制及扩展频谱技术等。窄带通信方式易于实现,但抗干扰能力弱,配电网各频带的衰减随着负荷的动态投切而随机变化,会出现衰减很大的频带,这使得想要选出一段完美的电力线通信频带很难,通常依靠选择载波频率在衰减小的频带里或者均衡技术来克服信道的变化。但这使得均衡技术非常复杂,以至于成本难以接受。同时尽管接收机具有较窄的通带,使仅有一部分噪声进入接收机,由于接收装置中的滤波器具有高品质因数,瞬间的脉冲噪声会使其发生自干扰,而低品质的滤波器又会使通带带宽加大,令更多噪声进入接收器。所以窄带通信的抗脉冲噪声性较差。
2波芯片在集抄中的应用
如图1所示是典型的具有载波通讯功能的单相表设计原理框图,载波电路的核心是载波发送和载波接收电路的设计及载波芯片外围调制电路的设计。如图2所示是采用载波通讯方式的集抄方案拓扑图。台区集中抄表系统是以计算机应用技术、现代数字通信技术、低压电力线载波数据传输技术为基础的大型信息采集处理系统。由系统主站、台区集中器、客户侧直接载波电能表,以及主站与集中器、集中器与载波电能表之间的数据传输信道组成。下面对集抄应用中的几个载波相关功能进行说明和介绍。由于各个载波芯片厂家的方案略有不同,所以只是做原理性介绍。
2.1耦合电路(Coupling电路)。耦合电路如图3所示,其是载波信号的输出和输入通路,并起隔离220V/50Hz的工频的作用。该电路在设计时需考虑220V线路侧的阻抗特性。信号耦合变压器,220V线路侧阻抗一般取3~30n。然后确定线圈初次级的匝数比或阻抗比。最后设计功率放大器的输出匹配电阻。
2.2滤波电路(Filter电路)。如图4所示滤波电路,该滤波器为带通滤波器。其不仅要将带外杂波滤除,还要保证前后级之间的阻抗匹配,以达到顺利传递信号的目的。由于主晶振的工作频率不同,载频也不同;调制周波数和数据传输速率不同,带宽也不同。因此,滤波器的参数在主晶振频率不同时也将有所变化的。本电路的带通频率范围是400kHz~600kHz。
2.3信号放大电路(PAMP电路)。如图5所示为信号放大电路,其放大的目的是将滤波后的信号不失真的放大75倍以上,以达到30dB以上增益的要求。特别注意的是小信号的不失真。因为主要是完成小信号的放大。并注意电路本身的噪声干扰不能过大。经该放大电路放大后可接入运算放大器继续将信号放大。
2.4自动路由功能。集中器与载波表之间的传输距离受线路特性的影响,而一次成功的通信,首先要满足本地接收信号的解调信噪比。根据我国电网的实际经验,500m以内的范围是单级载波可靠传输的理想距离。要做到任何情况下抄通率的100%,肯定需要中继。在集抄系统中,自动路由算法包含在集中器内,通过载波协议,每一电表终端模块都可作为其他电表的中继。当需要中继时,集中器能根据线路的情况,实时、智能、快速地调整路由,完成集中器到目的电表的通信,无需人工干预。而固定中继是不可取的,既难以维护,实效性也差。综合各地需求,集中器的自动路由最多要求达到7级,保证系统2km的最远距离。
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[关键词]电力线载波通信技术 低压载波 中压载波 高压载波
中图分类号：TN913.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0317-01
引言：
电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而产生的，它同电力系统的安全稳定控制系统，调度自动化系统，被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。长期以来，电力线载波通信网一直是电力通信网的基础网络，它自诞生之日起便随着通信技术的发展而不断发展。由于信号传输的介质已经存在，无须再投入大量资金进行基础设施建设，并且可以通过电力线访问到与它连接的任意通信设备，因此使用到处可见的电力线作为传输介质的设想便被人们实际应用起来。
一、电力线载波通信技术的发展历史及现状
电力线载波通信技术的发展经历了从模拟到数字的发展过程。近年来高压电力线载波技术突破了仅限于单片机应用的限制，进入了数字化时代，并且随着电力线载波技术的不断发展和社会的需要，中、低压电力载波通信的技术开发及应用亦出现了方兴未艾的局面。电力线载波通信这座被国外传媒喻为“未被挖掘的金山”正逐渐成为一门电力通信领域乃至关系到千家万户的热门专业。
二、电力线载波通信技术概述
电力线载波通信技术是指利用高压电力线、中压电力线或低压配电线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。它可以使用现有的电力线和插座组建成网络，来连接PC、机顶盒、音频设备、监控设备以及其他的智能电气设备，来传输数据、语音和视频。它具有即插即用的特点，能通过普通电力线传输网络IP数字信号。
其中，高压电力线载波技术是指应用于35kV及以上电压等级的电力线载波通信技术。该技术由于载波线路状况良好，主要用于传输调度电话、远动、高频保护及其它监控系统的信息。但是数字多路复接型的电力载波机在进行远动数据传输时，有时会产生瞬时中断现象，这种现象对于语音传输无大影响，但对于数据传输尤其是一些重要的控制信号的传输将会带来不良的后果。因此，需要技术上的不断完善以及根据现场应用的实际情况来选择合适的载波机类型来避免这一情况的发生。同时，对于远动的防卫度问题，应当尽可能地设计为自适应地保持恒定的防卫度水平。其次，载波机的电路设计在性能指标上要能够保证设备整机指标和长期运行的可靠性，符合相关的行业质量标准。以此来不断提高高压电力线载波技术的运行性能。
中压电力线载波通信技术是指应用于10kV电压等级及以下的电力线载波通信技术。目前10kV配电网的传输特性十分复杂，传输设备需要考虑在传输距离不能到达时的中继问题，不同的调制方式采用的中继方式可能有所不同，且对于大型、多用户的配电网自动化系统的载波数据传输，目前还缺少实际的第一手运行资料，整个系统的响应速度也需要由此来实地考核，因此对这一技术应该进行不断研究，掌握其传输特性，从而为电力工程等提供实际的应用价值。
低压电力线载波通信技术是指应用于380V电压等级及以下的电力线载波通信技术。这一技术目前常用的有窄带调制和宽带调制两种调制方式。窄带调制成本较低，但不能有效抵抗窄带噪音；宽带调制成本较高，通常采用扩频技术，在一定程度上可克服窄带噪音干扰，但是有限的扩频增益对于较大功率的窄带噪音干扰仍无能为力。因此，需要不断研究来突破这一技术局限，并在载波机设备出厂检验时一定要考虑在加入噪声的情况下进行性能测试，以保证信号传输的稳定性。
三、电力线载波通信技术的特性
1.高压载波路由合理，通道建设投资相对较低
高压电力线路的路由走向沿着终端站到枢纽站，再到调度所，正是电力调度通信所要求的合理路由，并且载波通道建设无须考虑线路投资，因此当之无愧成为电力通信的基本通信方式。电力线载波通道往往先于变电站完成建设，对于新建电站的通信开通十分有利。为此，只要妥善解决电力线载波信道的容量问题，载波通信的优势就会显现出来。在中压配电网载波和低压用户电网载波中，节省线路建设费用，无须考虑破坏家庭已装修环境，也仍然是载波通信的优势。
2.传输频带受限，传输容量相对较小
在高压电网中，一般考虑到工频谐波及无线电发射干扰，电力线载波的通信频带限制在一定的范围内，理想情况下一条线路可安排115条高压载波通道。但由于电力线路各相之间及变电站之间的跨越衰减有限，不可能理想地按照频谱紧邻的方式安排载波通道。因此，真正组成电力线载波通信网所实现的载波通道是有限的。在当今通信业务已大大开拓的情况下，载波通道的信道容量已成为其进一步应用的“瓶颈”。尽管在载波频谱的分配上研究了随机插空法、分小区法、分组分段法等方法，并且规定不同电压等级的电力线路之间不得搭建高频桥路，使载波频率尽量得以重复使用，但还是不能满足需要。
3.可靠性要求高
电力线载波机要求具有较高的可靠性，一是在电力系统中传输重要调度信息的需要；另一是电压隔离的人身安全需要。为此，电力线载波机在出厂前必须进行高温老化处理，最终检验必须包含安全性检验项目。为此，国家质检总局从80年代开始即对电力线载 波机（类）产品实行了强制性生产许可证管理。目前大多数高压及中压电力线载波机生产企业已按照生产许可证的要求建立了较为完善的质量体系。
4.线路噪声大
电力线路作为通信媒介带来的噪声干扰远比电信线路大得多，在高压电力线路上，游离放电电晕、绝缘子污闪放电、开关操作等产生的噪声比较大，尤其是突发噪声具有较高的电平。因此，电力线载波机一般都采用较大的输出功率电平来获得必要的信噪比。
5.线路阻抗变化大
高压电力线阻抗一般为300～400Ω，在线路上呈波动状态，现场实测表明，在波动幅度达到1/2左右 时，对载波通道衰减将产生严重的影响。在通道加工不合理、不完善、存在容性负载以及分支线时，会加剧载波通道的阻抗变化甚至中断通信。低压用户配电网载波通道的阻抗变化更大，这使得载波装置不能采用固定的阻抗输出。
6.线路衰减大且具有时变性
高压电力线载波通道衰减与频率的平方根成正比，且具有时变性。工频运行方式的改变、分支线的长短以及绝缘子污秽、刮强风、下小雨、线路冰凌及阻波器调谐线圈性能等多种因素会对载波通道的衰减产生影响。为此，电力线载波机必须设置大于30dB范围的自动增益调整电路。
结束语：电力线载波通信技术伴随着通信技术的发展而不断发展。它从发展之初起以其特有的便捷、环保、经济等优点而快速被应用，其技术也随着市场的不断需求及科学技术的不断发展而不断改进与完善，虽然目前这项技术还存在一定的技术缺陷，但相信随着科技的不断发展与人们的不断研究，电力线载波通信技术一定会突破现有的技术缺陷而不断适应人们的发展需求，从而被广泛应用。
参考文献
篇6
关键词：电力线；载波通信；发展现状；信号衰减；可靠性
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）20-0129-02
电力线载波通信技术是利用整个电力系统的输电线路作为数据传输的载体的一种新型通信模式，这种技术不需要重新架设数据传输通道，可实现点对点的数据传输，具有很好的经济性和便利性。
1 电力线载波通信的发展及现状
电力线载波通信技术出现于20世纪20年代，40年代电力线载波技术最初应用在我国的长距离电力调度的通信中，60年代我国开始自主研发第一代电力载波机，80年代中期由于单片机和集成化的出现和发展，出现了小型化功能多的第二代载波机，90年代中后期出现了利用数字信号处理技术的第三代电力载波机，具有了软件调制、滤波、限幅和自动增益的功能。
进入21世纪，我国输电线路架设脚步加快，为电力线载波通信技术的发展提供了广阔空间。2001年底，“电力线高速数据通信”技术的核心产品―电力调制解调器及多个相关产品成功研发，其传输速率可以达到10 Mbps；到2005年，北京已经有五500多个居民小区覆盖了由电力线宽带接入的实验网络，电力线宽带用户多达4万多户。2010年国内首个电力线载波通信实验室投运使用，大力为研发我国智能用电服务关键电力线通信设备。到如今，我国高中压输电线路载波通信技术已经比较成熟，低压配电网由于其结构复杂、线路多、阻抗大等特点使得载波通信技术在其上应用还有较多难点需要攻克。
2 电力线载波通信的优点和不足
2.1 电力线载波通信的优点
电力系统输电线工作运行条件苛刻，具有很高的可靠性、自愈性、快速反应能力以及高覆盖率等特点，使用输电线作为通信媒介，可以不占用无线频道资源、无需布线、省工省钱、维护简单，为输电线载波通信技术提供了其他通信无法比拟的优点。
2.1.1 高覆盖率
电力系统网高中低压各级的输电线路联络全国各个省市配电网遍布了每个家庭每个房间，使用这些线路进行载波通信传输信号将比无线通信技术拥有更高的覆盖率。因为无线通信技术会在一片区域内建设一定数量的无线发射塔，不仅在某些偏远地区会出现没有信号的情况，在人口密集的地方同样会出现信号弱或者信号被屏蔽无法连接的状况。
2.1.2 运行可靠经济
电力输电线作为主要适用于电力的输送，要求必须能承受非常恶劣自然环境和电磁环境，不易因外力中段线路，使用年限长远。以此作为通信载体较之于专门的有线通信，具有运行可靠、使用年限久、无需重新架设线路、运行维护方便的优势，大大减少了通信的成本，具有很好的经济宏观性。
2.1.3 传输速度快
电力线载波通信有高速和低速之分，各有其长。低速电力线载波通信主要应用在配电网自动化和部分地区载波抄表中，高速电力线载波通信主要应用在智能配电网高级测量体系和用户侧电力线增值业务。电力线载波的数据传输速率是有线数据传输，比无线传输速度快很多，其传输速率目前可以达到4.5～45 Mbps。
2.1.4 实时性和双向通信
电力线载波通信可以实现一直在线，且可以实现双向通信，同时保证数据的传输和下载。
2.2 电力线载波通信的不足
同样，由于电力系统输电线其自身的特点，会对载波通信造成一定的局限性，这方面主要体现在输电线路有自身波阻抗，会产生热损失和辐射等，信号在传输时会有一定的衰减和损耗，且随着频率和距离的增加，衰减的程度也会增加。另外，输电线路有成千上万的节点，节点两端的输电线路很有可能波阻抗是不相同的，因此信号在输电线中传输会发生多次折反射，导致信号不能完全的传输到下一段输电线路，形成多径折反射衰减。同时由于输电线路主要是用于电力输送，输电线上面会存在游离放电电晕、绝缘闪络、断路器重合闸以及检修线路等情况。这不仅会给通信信号造成噪声干扰，还会出现通信信号的中断的情况。
因此，电力线载波通信将面临信号衰减，噪声、强脉冲干扰等问题。必须采取相应的手段和措施对干扰进行改善，否则电力线载波通信技术的优点将不能完全体现出来。
3 电力线载波通信可靠性提高措施
电力线载波通信信道的噪声干扰和衰减性能，这些对电力线通信的可靠性影响很大。必须采取相应的措施来对其可靠性进行提高，具体有提高网络层可靠性的组网措施和提高数据链路层可靠性的差错处理机制等方法。
3.1 组网措施
电力线组网主要是为了确保网络中集中收发器和每个通信终端都能够实时的进行数据的相互传输。在理论网络中，主要有线形、星形和树形三种网络拓扑结构，但是由于配电网络错综复杂，现实中的网络层是多种拓扑结构糅合在一起的复杂网络。因此其组网也显得十分复杂，可以使用自动组网的方法：定时的发送和接收每个通信节点的数据信息包，中心节点负责统计、分类以及判断数据包的内容是否有效，实时更新记录能连接的信息包。该方法使得载波通信节点可以随意的切换工作状态，并且不会引起数据的丢失，提高了网络层的可靠性。
3.2 差错处理机制
在通信传输系统中一般都会使用差错处理机制来提高数据传输的可靠性，例如在数据传输时在数据中加入校验编码，接收端接收到数据后只用对校验编码进行核对比较，如果出现错误将会再次重新传输，这种方式能过实现自动判断错误，提高了数据传输的正确性，在数据链路层提高了电力线载波通信的可靠性。
4 电力线载波通信技术应用
电力线载波通信因其利用现有的电力线为通信媒介，不需重新铺设通信线路，覆盖面广，成本低，维护简单的特点，现在已经有较多的实际应用范例。在远程抄表、家居智能网络以及医疗体系领域有了较为成熟的使用。
4.1 远程抄表
我国远程抄表出现在20世纪80年代，但是在随后的20年内进展不大，直到21世纪初电力系统和计算机技术的大力发展，才逐渐的走向实用阶段。远程抄表由终端电表、采集器、收集器和中心控制计算机组成，可实现远程停送电、收集用水电量等功能。该技术的应用使得抄表人员的工作量大大减少。
4.2 家居智能网络
随着人们生活水平的提高，对家居生活的质量要求越来越高，需要建立一个智能化的家居网络。在分布住处各个角落的微控制器和家电内部安装电力线载波通信芯片，以室内的电力线为通信媒介，将他们连成一个网络，不用布设信号线和双绞线和红外等接口，就可以有效的实现家居的智能化。
4.3 在医疗体系中的应用
利用已有的电力线网络，在医院和家庭之间建立起医疗监控网，实现重病监护功能，病人的血压、心率等信息可以通过电力线监控网传送至医疗单位，进行分析、处理和监护。
5 结 语
随着社会生活水平的提高，通信技术在人们的生活中扮演着不可缺少的重要角色。实时、高速、可靠的通信技术才能满足人们日益频繁的信息交流。成熟的电力系统网络覆盖全国每家每户，电力线布设到每个房间，运用电力线载波通信的技术具有广阔的应用前景。但是在低压电力线载波通信技术方面还有一些需要提高的地方，例如如何增强模拟前端自适应滤波和自适应均衡以适应时变的、大范围的线路衰减和线路阻抗的变化。同时还需要大力研发成本低、功能齐全、使用可靠地载波通信芯片。
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关键字：试验平台；OFDM；耦合器；放大器
中图分类号：TN914.4 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）01-0112-03
已有的研究表明，电力线是一种复杂的通信媒体――无处不在的噪声、负荷变化及一些不可预测的干扰都会严重影响信号传输的质量。要保证通信质量，提高通信速率，选择合适的调制方式是一个关键问题。传统的单载波调制系统不适用于高速数据传输，因为需要对信道进行多级均衡，设备复杂且收敛性差。多载波频分复用（OFDM―Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术，以其抗干扰能力强、带宽利用率高、结构简单、成本低等优点，为实现高速低压电力线载波通信提供了一个有效的解决方案。
一、OFDM定义
正交频分复用是一种正交多载波调制技术。传统的数字通信系统中，符号序列被调制到一个载波上进行串行传输，每个符号的频率可以占有信道的全部可用带宽。OFDM调制方式是将可用的频谱分成N个频带较窄、相对低速率传输的子载波，子载波的幅频响应相互重叠和正交。串行传输的符号序列也被分成长度为N的段，每段内的N个符号分别调制到N个子载波上一起发送。也就是说，OFDM是把一组高速传输的串行数据流化为低速的并行数据流，再将这些并行数据调制在相互正交的子载波上，实现并行数据传输。虽然每个子载波的传输速率并不高，但是所有的子信道加在一起可以获得很高的传输速率。
二、OFDM系统的技术优势
采用OFDM实现高速低压电力线载波通信主要有以下的技术优势:
（一）OFDM的结构简单，成本低
与一般均衡器相比，利用离散傅立叶变换（DFT）对并行数据进行调制、解调，大大降低了系统实现的复杂程度。随着超大规模集成电路（VLSI）和数字信号处理（DSP）技术的不断进步，用DFT实现OFDM已付诸实用。
（二）能够有效地消除ISI及子载波间的串扰
正交频分复用OFDM本质上是一种通过延长传输符号的周期来克服多径干扰的并行数字调制技术。它将高速串行数据分解为多个并行的低速数据，这样每路数据码元宽度加长，从而减少了ISI的影响。例如，一个10Mbps的BPSK码元的长度只有100ns，而一般电力线中的时延扩展为1μs，这样接收到码元会受到10个延时码元的干扰；OFDM将信道频带划分为100个子载波，每个子载波的单位码元的长度为10μs，从而大大提高了抗ISI的能力。
（三）有效地降低电力线的衰减特性对载波通信的影响
作为一种信息传输媒介，低压电力线亦具有射频信道的多径效应，从而带来信号的频率选择性衰减。OFDM将频率选择性衰减引起的突发性误码分散到不相关的子信道上，从而变为随机性误码。这样可利用一般的前向纠错(ECE)有效地恢复所传信息。然而，OFDM本身并不能抑制衰减，各子载波在频域内的位置不同，受到不同程度的衰减影响。OFDM可以根据信道特性进行子信道分配，这样就能够保证信号只在误码率能够满足通信要求的频带范围内传输。
（四）频谱利用率高
OFDM使用正交函数系列作为子载波，子载波的频谱正交且相互重叠，可使载波间隔达到最小，从而提高了频带的利用率。如图1所示，OFDM信号的频谱非常接近矩形，因此频带利用率可接近香农信息论的极限。在低压电力线载波通信中，单载波系统的频带利用率很少超过80%，而OFDM系统的效率则可接近100%。
三、低压电力线OFDM 通信系统平台总体设计
在低压电力线载波通信中，将OFDM 技术与信道编码、均衡、同步、解码等技术相结合，可以组建一个比较稳定可靠的高速通信系统。为了建成一个基于OFDM 的低压电力线载波通信实验平台，考虑软件模块和硬件模块相结合的总体方案。采用软件模块在PC 机上实现发送信息的编码、调制、解调、解码过程，由硬件模块实现信号的数模和模数转换、信号的放大耦合以及信号的上下变频。发送信号经过宽频带功率放大器后由耦合器耦合到低压电力线中进行传递。本文中设计的低压电力线OFDM 系统平台如图2所示，主要由两大模块组成，软件模块实现信号的处理，硬件模块实现信号的转换和传递。
（一）OFDM系统设计
从信源发出的信号首先经过级联编码，在本系统中，级联编码由卷积码和RS码级联而成。经过编码的信号进入映射模块，采用DQPSK将信号调制成复信号。将这些复信号送入串并转换模块后变成N个子数据流进入到IFFT模块进入OFDM调制，得到OFDM码元。为了进一步抑制由信道的多径性引起的ISI，我们在得到OFDM码元之后在OFDM码元中插入保护间隔，实际的做法通常是将OFDM码元中最后的数据复制到OFDM码元前，然后形成一个新的OFDM码元滤波成形，最后发送到模拟前端。
将接收到的信号变成为数字信号，然后经过同步模块，得到整个系统的时间同步和频率同步后得到正确的OFDM码元组，将这些OFDM码元组中的循环前缀去除，然后送入FFT模块进行OFDM解调。然后将通过发射端插入的已知的导频符号进行信道估计和均衡，然后进行解映射和解码的步骤，得到相应的数据流。
为了达到高速数字通信的要求，系统的数据为2M，电力线信道的延时为2μs，则一般考虑取整个OFDM码元符号的保护间隔为6μs，取整个OFDM符号的时间为30μs，则每个OFDM符号所携带的bit数为数据速率和符号的有效时间之积，即2M*24μs =48bit。由于采用的卷积码的编码效率为1/2，则经过编码之后每个符号对应了96bit，而系统采用QPSK的调制方式，也就是2bit调制成一个复数信号，则每个OFDM符号必须携带48路复数信号，也就是在进行OFDM调制时需要将信号串并转换为48路并行的子数据流分别加载到48个子载波上，子载波的间隔为1/（30-6）μs =41.7kHz。系统除使用48个子载波加载数据之外，还使用8个子载波插入导频符号，作为信道估计和频率跟踪用，同时在两端流出8个子载波，一共使用64个子载波，则所使用的带宽为41.7k*64，约为2.67M的带宽。
（二）高频宽带功率放大器的设计
由于低压电力线网络是为了传送50Hz 工频电功率而设计的，它对于1MHz 以上的信号的输入阻抗很小。这意味着发送器需要提高发送功率，或者设计输出阻抗很小的放大器，才能达到将一定功率水平的信号发送到电力网络中去的目的。已有的试验结果表明，低压电力线网络的输入阻抗在几欧至几十欧之间。因此设计的放大器输出阻抗必须尽可能的小。
为了实现阻抗匹配，设计输入匹配变压器；使用耦合电容来传输高频信号，阻隔工频电流；采用MOSFET 管芯片 BLF177 实现宽带功率放大，通过直流电源电路来驱动 BLF177，同时采用去耦阻隔器阻隔来自电源的高频信号干扰，由于是高频信号，因此在设计中除了排除外来频率信号干扰外，还要考虑电路本身各个元件的高频特性的影响。
（三）低压电力线OFDM 系统的耦合电路设计
设计一个有效的低压电力线高速通信耦合电路，主要应该解决以下几个问题：
1.能够适应低压电力网开放式的网络结构及其动态多变的网络特性，保证以较低的介入损耗传输高频信号，同时阻止电力线50Hz 的工频电流进入通信终端。
2.提供足够宽的带宽，以及良好的阻抗特性和较小的工作衰减。
3.应考虑到实际应用，装置应尽量简易、经济，便于现场的安装使用。
低压电力线载波通信系统中，载波信号耦合方式主要有电容耦合和电感耦合。本文选用电容耦合，属于直接耦合，电路简单，传输特性较电感耦合更理想，工作衰减小。电容耦合采用耦合电容器为主要元件，其电路图如图4所示。该耦合电路将高频载波信号直接注入到电网，同时从电力线上接收高频载波信号。
高频电容C00一端接入低压电力线，另一端与耦合变压器相连。C00采用高压电容，其耐压值大于275 V。C00一方面用来耦合高频载波信号，另一方面起到高压工频隔离的作用，这里建议耦合电容C00选用0.0047F。
耦合变压器T00不仅具有隔离作用，同时也实现了信号线平衡D不平衡的变换及其阻抗的变换作用。T00的初级线圈与C00组成高通滤波电路，阻止了50 Hz的工频电流，并尽可能削弱低频的电力线电压信号，减少衰减低频噪声及干扰信号；同时保证高频信号的通过，并为其提供尽可能小的衰减及线性幅频、相频特性。
四、结语
本章给出了低压电力线OFDM 载波通信系统的结构框图，分别描述了试验平台中各个环节的算法以及具体实现方法；具体阐述了模块中宽频带功率放大器、耦合器的设计，给出了详细的原理说明、实现方法等。论文对基于 OFDM 技术的低压电力线载波通信实验平台整体设计方案给予了说明。整套实验平台的成功研制表明将OFDM 技术应用于低压电力线载波通信，以实现高速数据通信是可行的。
参考文献
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关键词:解调;FPGA;扩频通信
Design of spreadspectrum Integuate Circuit
for data communication over power line
RONG Yue-dong1 ,XU Dong-ming2 ,ZHOU Xiao-gang3
(1.Xi‘an University of Posts and Telcommunications Xi‘an 710061;
2.Xi‘an University of Posts and Telcommunications Xi‘an 710061;
3.Xi‘an Supermicro Electronics Co., LTD Xi‘an 710061)
Abstract: In order to adapt the development of intelligent electric power net, the design of spread-spectrum Integrate circuit for data communication over power line is presented.Based on the latest technologySystem View in theory modeling and the large numbers of analyze and comparison about the concerned design referred in many related documents,this design is accomplished and validated by using Verilog-HDL and FPGA independently.The experiment result demonstrates that by utilizing this circuit the digital signal can be resumed well from power line and can meet the related performance index. It also verifies that this design can satisfy the digital communication in power line.
Key words: demodulation; Field Programmable Gate Array; spread-spectrum
1引言
随着科学技术的发展以及人们生活水平的提高,传统的人工抄表模式已无法适应信息时代数字化的要求,因而,远程数字抄表系统应运而生。目前,远程抄表可以通过无线电波,电话线,低压电力线等介质进行传输。但考虑到成本以及实现的过程,低压电力线载波利用已有的电网,而且不必占用已有的频谱资源,因此低压电力线载波通讯传输方式比其他通讯方式具有明显的优势。虽然由于信号在电力线上的衰减以及背景噪音的干扰等都很大,电力线并非理想的通信信道。但是根据香农定理,在信道容量固定的前提下,牺牲带宽可以以较低的信噪比获取可靠的数据传输,本文正是根据这一理论进行了设计。
2扩频通信工作原理
扩频通信与一般现有的常规通信方式完全不同[1]。它用伪随机编码把基带信号(信息数据窄带信号)的频谱进行扩展,形成相当带宽的低功率谱密度信号发射出去。使用不同的伪随机编码,不同通信用户可在同一频段、同一时间工作,互不影响或影响极小地进行通信。因此,扩频通信在调制、解调上是与众不同的。扩频通信的基本原理如图1所示。信息数据D经通常的数据调制后变成带宽为B1的信号(B1为基带信号带宽),用扩频码发生器产生的伪随机码(PN码)去对基带信号作扩频调制,形成带宽为B2(B2>>B1)、功率谱密度极低的扩频信号后再发射出去。在接收端,首先使用与扩频信号发送端相同的伪随机码做扩频解调处理,把宽带信号恢复成通常的基带信号,再使用通常的通信处理手段解调出发送来的信息数据D。其理论基础是信息论中的香农定理[2]:
C=W log1+
其中:C为信道容量(比特/秒);N为噪声功率;W为信号带宽(赫兹);S为信号功率。由此可见,C不变时,增加带宽,则信号的信噪比在较低的情况下,也可以以相同的速率可靠的传输信息。因此,增加信号带宽,可以使信号甚至在被噪声淹没的情况下,仍能保持可靠的传输。扩频通信正是使用了这一点,采用扩展信号带宽的方法以提高数据传输中的抗干扰性。
3系统及主要模块设计
3.1系统的结构框图及工作原理
系统结构框图如图2所示。它的工作模式为半双工工作模式。
该电路主要有以下几个电路模块组成:差分编解码模块,扩频调制模块,伪随机发生模块,捕获与跟踪模块,解扩解调模块,低通滤波器模块,带通滤波器模块以及收发控制接口模块等。
当系统处于发射态时(I/O_C=0),SYNO脚由芯片内部的PN码电路产生同步信号。外部的单片机在SYNO的下降沿时将数据置于DATA_IO管脚,该管脚将数据送入内部的差分编码及扩频调制单元与PN码及80 kHz的载波信号产生80 kHz的直序扩频信号(调制信号)。该信号经过功率放大之后即可以耦合到低压电力线上进行传输。
当系统处于接收态时(I/O_C = 1),管脚ASI输入的80 kHz载频信号与芯片内部电路进行混频产生320 kHz的中频信号,该320 kHz的混频信号经过带通滤波电路,低通滤波电路,最后再经过与发送端同步的的m序列相关同步解扩及数字信号处理之后,便恢复出原始信号。
3.2主要模块设计
3.2.1 m序列发生器
m序列发生器是在n级线性移位寄存器的基础上,加上反馈逻辑电路构成的。m序列信号发生器有两中结构:Fabonacci型和Galois型[3]。本文采用Fabonacc型移位寄存器产生m序列。该结构的特点是移位寄存器的反馈抽头位置与本原多项式一致,序列与初始状态相对应,码序列的产生速度主要受反馈网络的时延限制。
本设计电路采用m序列发生器[4],其生成的多项式为G(x)=X4+X+1。图3为其产生电路。其中,4个小方格代表4个寄存器D,把他们从左至右依次叫做第1级、第2级、第3级、第4级寄存器。对于系数C1=1,表示第1级输出参与反馈。开始时,设初始状态为0001,则根据图3可生成15位的伪随机序列。图4为采用Verilog对图3电路设计仿真的结果。从图中可以看出15位伪随机序列的产生,即111101011001000序列。
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3.2.2同步电路模块设计
同步技术是扩频通信系统中的关键技术。只有实现了同步,使收发两端相关的信号在频率、相位上取得一致,整个系统才能正常的工作。
这一过程分为两个阶段,第一阶段为捕获过程即粗调过程[5],它通过调节送到解扩器的本地码相位实现两个伪码之间初始同步,当捕获过程完成时用于解扩的本地参考信号码相位与接收扩频信号码相位偏差将小于直扩系统一个PN码单元,这时接收机能大致正常解调出信息。第二阶段为PN码的定时跟踪即细调过程[6],跟踪是通过相位锁定方法不断调节补偿本地码相位漂移,以达到进一步缩小同步误差和保持这种精确同步的目的。在扩频码同步系统工作过程中,同步捕获和跟踪状态应该可以相互转换[7]。在捕获出现因强干扰引起失步时,同步系统必须能够能迅速地从跟踪状态重新转入捕获状态。而在捕获真正锁定时,同步系统也应迅速转入到跟踪状态。所以同步系统应采用同步识别控制系统以控制捕获和跟踪之间的相互转换。
本设计也是基于以上的理论方法而进行的同步电路的设计。图5为本设计所采用的同步电路原理图。如图所示,接收到的信号经宽带滤波器后,在乘法器中与本地PN码进行相关运算。此时,捕获电路调整压控钟源,使PN码发生器产生的本地脉冲序列的频率和相位重复接收信号的频率和相位,以捕获有用信号[8]。一旦捕获到有用信号后,则启动码跟踪电路,由其来控制压控钟源,使本地PN码发生器与外来信号保持同步。如果由于某种原因引起失步,则重新开始新的一轮捕获和跟踪过程。图6为同步电路仿真结果,从图中可以看到同步电路工作的两个过程即捕获和跟踪过程。
4系统仿真结果
本设计应用SystemView进行理论建模仿真,应用Verilog-HDL语言进行代码设计。
图7为系统配置成接收端,芯片主要信号的仿真波形。图8为整体仿真局部放大后的电路仿真波形。图中DATA_IN为所要经过电力线传输的数据信号,top_data_out_1为系统解调后接收到的数据。SYNC_SH_FA为发送端系统的同步信号SYNC;SYNC_SH_SHOU为接收端系统的同步信号SYNC;从图可以看出系统在同步的前提下可以正确的解调出电力线上数据信号,从而完成电力线通信的功能。
5结束语
本文设计了一款基于扩频通信的低压电力线载波调制解调芯片,详细的描述了其工作原理及主要模块的设计思想,并用Verilog语言进行了代码设计。此外,本设计通过了严格的FPGA验证,验证结果表明本设计能很好的满足设计要求,因而具有很高的实用价值。
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作者简介
荣岳栋,硕士,通信专用集成电路与系统设计
徐东明,教授,硕士,通信专用集成电路与系统设计。
篇9
关键词：电力线通信；监控系统；硬件设计
中图分类号：TM764
随着目前城市建设的高速发展和一户一表工程的广泛实施，客户电能表的数量不断增加，而由于利益的驱动，存在不少用户窃电的现象，况且电表设备安装在用户端，给违章窃电提供了便利，给电力系统的维护和管理造成了巨大的不便，易造成资源的浪费和电耗的居高不下。这种情况给用电管理部门带来了越来越繁重的任务，迫切需要提高现代化用电管理的技术水平。然而电表箱的安装地点却是无法改变的，因此只能在防窃电、防电表箱的破坏和开启上进行设计和开发。本文是基于电力线传输的电表箱远程监控系统的硬件部分进行设计的，通过此监控系统的硬件部分，就可以及时的反馈电表箱的开关状态并通过电力线进行传输。这样就可以通过设计的监控软件将所有的监控设备联系在一起构成一个电表箱防窃防破坏系统，进而实现对所有电表箱的统一实时监控和管理，掌握电表箱的开启时间，防止电表箱的破坏。
1 基本现状
电力供应在现代社会中扮演着非常重要的角色，人们的工作和生活都离不开它。但电力系统目前面临着十分严峻的形势和非常复杂的环境，其中最大的挑战是电耗高、传输过程损失较大和部分不法分子的窃电。针对这种情况采取的一般都是低端的防盗报警方法，这种方法通常用于远程不动点报警的场合，虽然可以防止了破坏和盗窃现象，但该传统方法具有高发射功率、覆盖面积小和管理方面的制约因素等很多缺点，不利于电力系统的管理和维护[1]。而基于电力线的远程监控系统则可以使用现有电力设备，利用电力线传输报警信息，可以实现低成本，高效率的防盗，防破坏报警。
发展基于电力线的电表箱远程监控系统，解决了传统的缺点方法，可以有效解决功耗问题。目前有很多电力部门使用一些低端报警设备，防盗设备或软件，但是当前报警系统有很多缺陷和不足。例如很多电力报警系统，使用的软件或系统独立，不依赖于电力传输线，这就给电力行业造成了很大的压力，同时需要架设额外的信号线，也会为能源消耗带来许多压力。而基于电力线的电表箱远程监控系统可以使用的区域范围广泛，不仅用于分布集中的住宅区，更主要应用于大型工矿企业和自助变电站、储存仓库、停车场等等，可以有效的防窃电和防电表箱的破坏。
2 硬件系统方案确定
2.1 总方案的确定
运用原有电力线传送信号，在每个电表箱中安装一个监控按钮和报警芯片，当表箱开启或恶意破坏时，报警芯片识别并发送报警信号由原有220V电力线传递报警信息，并由报警监控指挥中心接收，并及时通知工作人员进行查看，本方案是利用高压电力线、中压配网电力线或低压配电线作为信号传输媒介进行数据传输的一种特殊通信方式。把载有信息的高频载波信号加载于电流，然后用电力线传输，接收信息的适配器再把高频载波信号从电流中分离出来以实现信息传递。前台使用Visual Basic 6.0编写软件界面，后台数据库使用SQL2005。
2.2 电力线载波通信技术的使用
电力线载波是指利用高压、中压或低压配电线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。该技术是把载有高频载波信号加载于电流，然后用电力线传输，接收信号的适配器再把高频载波信号从电流中分离出来以实现信息传递。电力线通信可以利用现有的电力基础设施，通信可靠性高，具有等时性，能够为电力系统管理提供传输通道，实现电力、数据和图像综合业务传输[2]。
本系统采用电力线载波通讯模块来进行信息的转换，其核心芯片采用专用电力载波集成电路，配合新形科技专门研发的通讯算法及电力线接口信号驱动电路，使得产品具有通信速率高，通讯可靠，抗杂波干扰能力强，通讯距离远等特点，是专门为适应中国国内电力线应用环境而研发的高性能电力线载波通讯产品。其实物图见图1。
2.3 单片机的选择和开发
硬件系统由于要实现电表箱报警状态信息的传输，因此采用既不太简单又不是过于复杂的单片机即可，因此选择采用STC89C52RC，该单片机是宏晶科技推出的新一代高速低功耗超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容8051单片机，可以任意选择6时钟机器周期和12时钟机器周期，其容量和速度完全满足该监控系统对硬件的方案需求[3]。监控系统硬件实物图如图2所示。
单片机的开发语言采用德国Keil Software公司的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与传统C语言的语法类似，在功能上、结构性、可读性、可维护性上比汇编语言有明显的优势，易学易用，可以大大的提高工作效率和项目开发周期，还可以在关键的位置嵌入汇编语言，使程序达到接近于汇编的工作效率。编译代码高效、快速，生成的目标代码效率非常高，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
3 结论
对于供电企业来说，在不改变原有电力系统设备的基础上，通过电力载波模块和单片机实现了监控系统的硬件设计，并将信息直接利用电力线进行传送，可以节省大量的人力、物力和财力，能够实现远程的监控，方便了电力系统的日常维护和管理。同时采用电力线通信解决了数据信息的采集和传送，提高了系统的安全性，随着电力线通信技术的不断成熟和GPRS网络的逐步完善，基于电力线通信的监控系统将会得到广泛的应用[4]。
参考文献：
[1]张振华.高压电力线路在线视频监控系统工程应用及实践[J].电力系统保护与控制，2013，8：149-152.
[2]王枭，林平分.基于电力线通信的温度采集系统的设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2013，7：72-75.
[3]陈海宴.51单片机原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2010.
[4]孟逢逢.基于电力线通信的信息家电网络系统[J].上海电力学院学报，2013，6：230-232.
篇10
【关键词】配电自动化；电力线载波通信技术；数据库
前言
近年来，随着我国社会经济的飞速发展，人们的生活水平不断提高，在用电量日益增加的同时，也对生活的用电质量提出了更高的要求。但就我国配电网建设的现状来说，由于资金短缺、设备落后等问题，严重制约了配电网的发展，甚至导致了一些配电事故的发生。鉴于此，加强对配电网系统的建设刻不容缓。当前，在科学技术的影响下，配电自动化技术作为融合计算机技术、电力系统技术以及通讯技术为一体的新型系统，能够对配电网中的设备进行实时的监控，从而确保配电网运行的稳定性，提高了供电质量，并减少了工人的工作强度，大大降低了供电企业的运行成本。在配电自动化系统的运行过程中，通常以通信手段为基础，一是将控制中心产生的命令传输至各个不同地方的远方终端，二是将远方设备的相关运行情况以数据信息的方式传回控制中心，从而保证实现配电网的自动化管理。由上可见，通信技术是决定配电自动化技术高低的重要标志。
1.配电自动化通信系统的概述
所谓配电自动化，就是对配电网中各种数据信息进行集成，构成一个自动化系统，实现对配电网以及相关设备运行的实时监督，不断优化配电网的运行方式；一旦配电网在运行时发生故障，也能够根据相关数据及时找出故障区域，及时采取补救措施，尽量减少停电的时间和面积，保证用户的用电需求。在这个过程中，与输电网调度的自动化系统相同，配电自动化系统也需要以一个通信网络为依托，实现信息数据、控制命令等在控制中心与远方终端之间的传输。
1.1 配电自动化通信系统的特点
配电自动化通信具有如下特点：一是终端节点的数量非常多。配电网的远方终端包括变电站、配电变压器以及线路负荷开关等多种设备，要想实现对这些设备的实时监控，就需要大量的终端节点。二是通信节点比较分散。配电设备的分布区域比较广泛，在安装配电自动化终端时，其节点的分布比较分散。三是通信距离很短。配电网所覆盖的一个区域相对比较小，各个配电自动化通信节点间的距离短。当在配电自动化通信网中将主通道与小区的分支通信网结合的时候，配电自动化终端设备之间的通信距离只有二到三公里。四是通信数据的量很小。由于配电自动化远方终端的控制对象主要是线路开关以及配电变压器等设备，监控的数量有限，配电自动化通信系统所传输的信息量小。
1.2 配电自动化通信系统的基本要求
在配电自动化通信系统的构建过程中，需要注意以下要求：首先，配电自动化通信系统的运行条件是非常苛刻的，对可靠性的要求非常高。这主要是因为大多数的配电自动化通信装置都处于户外环境，容易受到温度、降水等恶劣自然条件的影响。在通信设备的安全过程中需要进行防雨、防潮等保护措施，尤其是对于安装在电力线柱上的设备来说，要保证其具有很强的抗干扰能力，避免受到高电压、雷电等不良条件的破坏。其次，要确保在配电线路发生故障时，通信系统能够正常进行通信功能，这样就可以保证配电自动化系统仍具有故障定位的能力。特别是对使用电力线载波的通信方式来说，还需要考虑当线路开关打开后的信号通道问题。再者，配电自动化通信系统还应该具有双向通信、可靠性高以及操作维护方面等特性。
2.配电自动化系统的通信网
2.1 配电自动化中的电力线载波通信系统的研究
2.1.1 配电自动化中的电力线载波通信系统的概述
就当前的配电自动化系统的通信方式来说，按照信道的不同，主要分为光纤、无线、微波以及电力线载波等多种方式。其中，电力线载波作为电力自动化通信的重要方式之一，是通信高速公路中的重要组成部分。电力线载波分为输电线载波和配电线载波，相比较光纤通信方式来说，具有很多优点。比如说，电力线载波在通信过程中不需要再铺设通道，通常与功率通道为一体，因而在通信中不易受到网络变化的影响；通信通道设备的操作维护也是非常方便。相对的，这种通信方式也具有一些缺陷，首先，电力线载波在通信过程中会产生较大的噪声，尤其是在高压电力线路中，游离放电电晕和开关操作等过程都会产生较大的噪声；此外，电力线路上的阻抗变化也是很大，一般高压电力线的阻抗在300～400Ω 左右，而且呈现波动的状态，这样就会严重影响载波通道的衰减。当通道的加工不完善或是存在容性的负载，这就会使载波通道的阻抗加剧变化，严重时会导致通信的中断。
2.1.2 低压电力线载波通信的应用
电力线载波通信可以依据高压电力线、中压电力线、低压配电线三种电力线进行信息传输。其中高压的电力线载波主要用于地、市级或是以下的供电部门的调度通信管理；中压电力线载波可以作为配电网自动化的应用传输通道；而低压电力线载波则能够为用户提供网络接入以及智能家居等服务。就中压电力线载波的应用现状来说，主要用于10 kV的配电网自动化系统当中，通过作为数据的传输通道，为实现配电网的自动化管理作依托。10 kV的配电网传输具有非常复杂的特性，只能够通过测试来得到数据在传输过程中的特性。在对配电网自动化中的电力线载波通信进行研究的过程中，应当充分分析具体应用的现状。对于电力线载波的数据传输设备应用中，一旦因传输距离过长而不能够及时送达时，要根据不同的调制方法采取不同的中继方式，并对现场进行验证。再者，面对突发的噪声干扰现象，并不只是简单的进行校验，要采取恰当的解决措施。在大型的、多用户的配电网自动化系统中，电力线载波在传输数据过程中，往往缺少实际的第一手资料，所以为了快速的响应这个问题，就需要不断完善现有的传输设备和数据库，有效的实现电力系统的自动化管理。
2.2 配电自动化中的数据库设计
配电网自动化具有信息量大、结构复杂的特点，无论是从计算机硬件系统还是软件体系来说，都应该不断满足配电自动化系统的发展。在配电自动化中的数据库设计时，要不断满足实时高效的要求，然而当前大型的商用关系数据库很难满足这个需求，可以与专用的实时数据库相结合，从而形成集网络功能与透明传输功能于一体的全网实时数据库，这样不仅方便了相关程序的开发过程，也使得整个系统具有良好的扩充性。
3.结束语
综上所述，配电自动化中的电力线载波通信作为一种以电力线为传输媒介的信息传递方式，广泛的应用于我国的配电网系统当中。但与此同时，面对电力线噪声大、阻抗变化大的缺点，还需要对其进行进一步的研究，从而保证配电自动化系统的平稳运行，不断提高配电自动化通信的可靠性。
【参考文献】
[1]孙海翠，张金波.低压电力线载波通信技术研究与应用[J].电测与仪表， 2006，9（08）：48-50.
