电力线载波通信详解..

第三章电力线载波通信概述电力线载波通信系统数字电力线载波机电力线载波通信新技术第一节概述电力线载波通信(也称PLC-PowerLineCarrier)是利用高压输电线作为传输通路的载波通信方式，用于电力系统的调度通信、远动、保护、生产指挥、行政业务通信及各种信息传输。电力线路是为输送50Hz强电设计的，线路衰减小，机械强度高，传输可靠，电力线载波通信复用电力线路进行通信不需要通信线路建设的基建投资和日常维护费用，在电力系统中占有重要地位。电力线载波通信是电力系统特有的通信方式。一、电力线载波通信的特点1.独特的耦合设备电力线路上有工频大电流通过，载波通信设备必须通过高效、安全的耦合设备才能与电力线路相连。这些耦合设备既要使载波信号有效传送，又要不影响工频电流的传输，还要能方便地分离载波信号与工频电流。此外，耦合设备还必须防止工频电压、大电流对载波通信设备的损坏，确保安全。一、电力线载波通信的特点（续）2.线路频谱安排的特殊性电力线载波通信能使用的频谱由三个因素决定：（1）电力线路本身的高频特性。（2）避免50Hz工频的干扰。（3）考虑载波信号的辐射对无线电广播及无线通信的影响。我国统一规定电力线载波通信使用的频率范围为40—500KHz。一、电力线载波通信的特点（续）3.以单路载波为主电力系统从调度通信的需要出发，往往要依靠发电厂、变电所同母线上不同走向的电力线开设载波来组织各方向的通信。由于能使用频谱的限制、通信方向的分散以及组网灵活性的考虑，电力线通信大量采用单路载波设备。一、电力线载波通信的特点（续）4.线路存在强大的电磁干扰由于电力线路上存在强大的电晕等干扰噪声，要求电力线载波设备具有较高的发信功率，以获得必需的输出信噪比。另外，由于50Hz谐波的强烈干扰，使得0.3-3.4KHz的话音信号不能直接在电力线上传输，只能将信号频谱搬移到40KHz以上，进行载波通信。二、我国电力线载波通信的现状在以数字微波通信、卫星通信为主干线的覆盖全国的电力通信网络已初步形成、多种通信手段竟相发展的今天，电力线载波通信仍然是地区网、省网乃至网局网的通信手段之一，仍是电力系统应用区域最广泛的通信方式，仍是电力通信网重要的基本通信手段；从理论研究，到运行实践，都取得了可喜的成效。二、我国电力线载波通信的现状（续）(1)电力线载波无论是在所具有的规模范围、装机数量还是在从事人员数量上，都是空前的。(2)电力线载波通信综合业务能力有了很大的发展。(3)载波技术装备水平有了很大提高。(4)理论研究成果卓著。第二节电力线载波通信系统一、电力线载波通信系统构成电力线载波通信系统主要由电力线载波机、电力线路和耦合设备构成，如图3-1。其中耦合装置包括线路阻波器GZ、耦合电容器C、结合滤波器JL（又称结合设备）和高频电缆HFC，与电力线路一起组成电力线高频通道。GGCCJLJL载波机A载波机BGZGZ耦合装置耦合装置电力线路HFCHFC变压器变压器发电机发电机图3-1各构成部分的作用电力载波机：是电力线载波通信系统的主要组成部分，主要实现调制和解调，即在发端将音频搬移到高频段电力线载波通信频率，完成频率搬移，载波机性能好坏直接影响电力线载波通信系统的质量。耦合电容C和结合滤波器JL组成一个带通滤波器，其作用是通过高频载波信号，并阻止电力线上的工频高压和工频电流进入载波设备，确保人身、设备安全。各构成部分的作用（续）线路阻波器GZ串接在电力线路和母线之间，是对电力系统一次设备的“加工”，故又称“加工设备”，加工设备的作用是通过电力电流、阻止高频载波信号漏到变压器和电力线分支线路等电力设备，以减小变电站和分支线路对高频信号的介入损耗及同一母线不同电力线路上高频通道。结合设备连接载波机与输电线，它包括高频电缆，作用是提供高频信号通路。输电线既传输电能又传输高频信号。1、电力线载波通信系统的构成高压线变电站B阻波器阻波器CC/CVTCC/CVT结合滤波器结合滤波器变电站A传输数据、电话和护信号电力线载波机电力线载波机高压电力线、阻波器、耦合电容器、结合滤波器、载波机和高频电缆组成耦合设备载波机发送功率较大（1-100W）为集中利用发送功率，一般使用单路载波机具备有较好的自动电平调节系统，接收信号电平变化在30dB变化范围内时，音频信号输出电平变化＜1dB主要传输调度电话、自动化信息、电力线路保护信号2、电力载波机ZDD-2000D4ETL500系列载波机典型应用图解电力载波机方框图3、电力载波通道设备介绍耦合电容器连接在结合设备和电力线之间，具有承受高电压的性能CC-耦合电容器专用于电力线载波通信。用于继电保护的二次测量回路和电力线载通信的信号耦合回路CVT-电容分压器结合滤波器与耦合电容器一起组成结合设备，在电力线和高频电缆之间传输载波信号，实现线路侧和载波侧的阻抗匹配结合滤波器结合滤波器样例：MCD80结合滤波器原理图设计耦合系统采用的线路阻抗值一般是：单根导线：相地耦合为400Ω。相相耦合为600Ω；分裂导线：相地耦合为300Ω，相相耦合为500Ω。电缆侧（载波侧）一般为75Ω。•线路阻波器线路阻波器串接在电力线路和变电站母线之间，阻塞高频信号，减少变电站一次设备对高频信号的分流。由强流线圈、调谐元件和保护元件组成，强流线圈通过全部线路电流，电感值为0.2～2mH，分流损失不应超过2.6dB。阻塞阻抗：电阻分量10008006004002000频率[kHz]额定值L1避雷器LCR调谐元件L1=阻波器的强流线圈C,L,R=频率调谐元件等效电路线路阻波器高频电缆接在结合设备的次级端子和载波机之间，由内、外导体组成，两个导体同轴布置，传输信号完全限制在外导体内，外导体接地作为屏蔽层传输线，从而保证其屏蔽性能好、传输损耗低小、抗干扰性强、使用频带宽。单元护套外导体外绝缘内绝缘内导体分类代号：S－同轴射频绝缘介质材料：Y－聚乙烯护套材料代号：V－聚氯乙稀特性阻抗：75欧姆绝缘介质芯线外径整数值：以毫米为单位1、2、3、4、5......屏蔽层：一般屏蔽层有一层、两层、三层及四层。常用型号SYV－75－（7－2）电话远动远方保护信号允许传送和判别的时间很短，发送信号的次数极少(每年仅数次)，没有预定的发送时间，而且要求保护装置正确动作的概率很高(安全性很高)和丢失命令的概很低(可依靠性很高)4、电力载波传输的业务与话音交替复用(AMP)二、电力线载波机的体系结构（一）电力线载波机的特点与技术要求(1)电力线高频通道杂音大，线路直通距离长，衰减大，为保证收信端有足够的信噪比，要求电力线载波机的发信功率较大。(2)电力线载波机确保在电力线路故障或系统操作，造成高频通道衰减突然增大很多时，仍能维持通畅。因此，要求电力线载波机要有较快调节速度和较大调节范围的自动电平调节系统(3)为便于灵活组织通信和频率分配，并避免因发信功率太大引起制造困难，电力线载波机大多是单路机。(4)现代电力线载波机大多为多功能、标准化、系列化、通用化的载波通信设备，能适应在110-500kV各种不同电压等级的电力线上传送电话与非电话业务的需要。(5)为了提高电力线高频通道和载波设备的利用率，国产电力线载波机本身常带有自动交换系统，并可为重要用户提供优先权。（二）调制方式电力线载波机采用的调制方式主要有双边带幅度调制、单边带幅度调制和频率调制三种，其中单边带幅度调制方式应用最为普遍，本节主要介绍这种调制方式。单边带幅度调制(SSB)也称单边带调幅，一般采用两次调制及滤波的方法，将双边带调幅产生的两个边带除去一个，载频也被抑制。它有以下优点：（1）接收频带减为一半，噪声及干扰影响减小。（2）提高了电力线载波频谱的利用率。（3）发送功率集中在一个边带中，利用率高。国际电工委员会(IEC)在出版物495号《单边带电力线载波机输入输出特性的推荐值》1）载波频率范围由国家电信主管部门批准供电力线载波使用的全部频带，我国规定为40～500kHz。电力线载波传输频率范围的下限由耦合装置的下限及其费用确定。上限由电力线衰减以及无线电干扰确定。绝缘地线载波传输频率范围约为5～500kHz。2）基本载波频带在载波频率范围内划分的基本单元，供给一路单方向电力线载波通路传输的频带宽度。基本载波频带的具体选择，主要由不同国家所采用的实际分配方法确定，通常为4kHz，有的国家选用2.5kHz或3kHz。3）标称载波频带一台实际电力线载波机单方向载波通路所占用的频带宽度，它等于基本载波频带宽度或其整数倍。4）话音有效传输频带指音频频带中话音信号所占用的频率范围(不包括呼叫通路)。电力线载波常用的话音有效传输频带有两种。一种话音频带是0.3～2.4kHz,通常应用于在4kHz标称载波频带内复用话音及信号的情况。另一种话音频带是0.3～2.0kHz，可用于在4kHz或2.5kHz标称载波频带内复用话音及信号的情况，这时通话质量会有所降低，但还能满足实用要求。5）信号有效传输频带音频频带中用以传输电力系统操作所需信号（包括数据传输、保护信号及其他信号）的频率范围，可以包括呼叫通路。6）标称阻抗指设计输入、输出电路所选取的，以及在使用条件下所适用的阻抗值。在载波机外线侧载波输出端的标称阻抗应为75Ω(不平衡式)或150Ω(平衡式)，要求在标称载波频带内发送方向的回波衰减应不小于10dB。在话音及信号输入、输出端，应采用平衡式电路，标称阻抗为600Ω，且有效传输频带内的回波衰减应不小于14dB。7）乱真发射乱真发射指在标称载波频带以外的一个或多个频率处的功率发射，它的电平可以减低而不影响信息的传输。乱真发射包括谐波、寄生信号和交调产物。带阴影的倒漏斗线代表在标称载波频带以外的各个频率处所允许的乱真发射的最高电平值。BN表示标称载波频带，B表示距离标称载波频带的间隔。纵坐标尺A1适用于标称载波功率小于或等于40W的电力线载波机，它的坐标刻度值代表实测乱真发射电平Lsp。纵坐标尺A2适用于标称载波功率大于40W的电力线载波机。A2纵坐标尺的刻度值为相对电平值，它表示实测乱真发射电平Lsp，与电力线载波机标称载波功率电平Ln之差。对于某一台具体载波机，当将其实测得到的乱真发射电平值(或其相对值)标注在图中时，若其值于倒漏斗线以下时则为合格，否则其乱真发射指标不合格。例如，对于标称载波功率大于40W的载波机，应选用A2纵坐标尺，并由此可确定在紧邻频率(OB)处所允许的最高乱真发射电平为-56dB，而在间隔1B处为-68dB，而在问隔2B处为-80dB。8）峰值包络功率指在规定的工作条件下，在调制包络最高峰值处载波一周期内送到规定负载上的平均功率。9）标称载波功率电力线载波机的标称载波功率是指在满足乱真发射要求，并在载波机输出端终接以等于标称阻抗值的电阻负载的情况下，设计该设备时所取的峰值包络功率。10）自动增益控制当接收载波信号电平在自动增益控制调节范围内变化30dB时，话音及信号的音频接收电平的变化应小于1dB。11）机内杂音在一对不用压扩器的电力线载波机的话音输出端，测得的电话加权杂音电平应不超过-60dBmOP以上。12）近端及远端串音在一对不用压扩器的电力线载波机中，由一个或几个信号通路引起的近端及远端串音，不应使话音通路的加权杂音功率增加到-60dBmOP以上。（三）典型电力线载波机的组成单边带电力线载波机由音频汇接电路、发信支路、收信支路、自动电平调节系统、呼叫系统等部分组成。典型电力线载波机的组成框图（1）音频汇接电路电力线载波机为实现电话通信，不仅要传输话音信号，同时还应传输呼叫信号，尤其是为电力系统专用通信网服务的电力线载波机，除电话通信外，还同时要传输远动信号和远方保护信号。这些信号均在（0-4）kHz的音频段中传输，通常话音信号采用0.3-2.0kHz或0.3-2.4kHz的窄带传输，其2.4kHz或2.6kHz以上的音频段用于传输远动信号。呼叫信号插在其中，如2.220kHz±30Hz，或插在二者之上3.660