电力载波报告

电力线载波专题报告1.电力线载波背景2.载波调制1.电力线载波背景在通信系统中，根据信道媒质的不同，分为有线通信系统和无线通信系统。有线通信系统布线复杂、耗资大、成本高；采用无线通信的方式传输信息，存在多途径干扰，系统的可靠性和安全性受到限制。电力线通信是指利用电力线作为传输各种数字信号和模拟信号的媒介，把调制后的信号叠加在电力电流中，通过电力线传输信号。由于信号传输介质电力线已经存在，无需再投入资金进行通信线路铺设，并且还可以省去繁杂的信号电缆或光缆的安装与维护工作。因此，与其他通信方式相比，电力线通信具有不需要重新布线、成本低、维护方便、易施工、可靠性高、应用范围广等优点。在低压电能量数据采集站，主要采用电力线载波和短距离（微功率）无线通信方式，并以低压电力线载波方式为主，户内网络及低压集抄系统的通信示意图如图1所示，从图中可以看出，目前低压集抄系统和户内网络的设备之间的通信方式主要以电力线载波通信为主。电力线载波通信是指将信息调制为高频信号并耦合至电力线路，利用电力线路作为介质进行通信的技术。电力线载波通信技术从广义上讲包括应用于高、中压电网和低压配电网的窄带电力线载波通信，以及在低压配电线路上实现的宽带数据通信。目前，国内外相关机构正在对载波通信性能测试进行积极地研究和探索，国内来说，重庆电科院、华北电科院和中国电科院等单位和机构在此方面的研究相对较多，国家标委会已正在积极组织行业进行载波通信的相关标准的研究和制定。针对电力载波的通信性能进行相关测试在以下方面具有重要意义：（1）电力线载波通信设备的通信性能将直接影响到系统的整体性能，必须对其通信能力进行相关的测试和要求，以保证通信系统的正常运行；（2）电力线载波通信依靠电力网络进行信号传输，所以难免在一定程度上会影响到电网电能质量，同时其产生的骚扰电压、电磁辐射等可能对相关电气设备、敏感电子设备、无线通信业务等造成一定的影响，所以必须对电力线载波设备进行电磁干扰特性的测试和要求；（3）目前国内外的载波通信模块种类较多，就国内主要应用的就有鼎信、晓程、力合微、东软、精讯、瑞斯康、科能等厂家。各厂家的载波通信模块的性能（如调制方式、过零检测功能、应用效果等）均有所差异，所以有必要进行相关的测试和评估，为选用合适的载波设备提供技术支持和依据。目前电力线载波通信主要运用于电力系统通信中，尤其低压侧集中抄表系统中运用广泛。在低压侧载波通信设备中，以载波电能表、集中器、采集器等设备为主。在这些设备的结构设计上，普遍采用设备与载波通信模块独立设计，载波通信模块可以单独插拔和更换，即同一设备可以分别配置不同厂家的载波通信模块，同一厂家的载波通信模块亦可配置在不同厂家的设备上使用。载波通信设备的通信性能主要取决于载波通信模块，但是也一定程度上与设备有关。不同厂家、不同通信芯片的集中器、采集器以及电能表其通信性能（发射电平、抗干扰能力、抗衰减能力等）各有不同，通信性能的差异主要取决于各产品的通信方式和通信配置方案（采用何种电力载波芯片）。低压电力线载波PLC(PowerLineCarrier)通信技术是以低压配电线(380V/220V电力线)作为信息传输媒介进行数据或语音等传输的一种特殊通信方式。由于供电网络本身是一种方便、低成本、高可靠性的通信媒介，使得电力载波通信变得方便、成本低、易实现。利用低压电力线载波通信技术进行控制，利用低压PLC可以实现远程控制，减少了传统远程控制通信的布线成本，但由于PLC的通信距离和控制节点数量有限，不能满足区域或多路段的大范围路控制需要。将PLC结合GPRS通信技术，发挥各自的通信优势，可实现较大范围或区域的监控。目前电力载波应用于智能化控制中优点：（1）可以利用现有的电力线组网；（2）因为不必重新布网，所以可以节约财力、物力和人力；（3）稳定可靠，易于实现；（4）目前市场上已经有多种电力载波芯片，可以择优选用。但是将电力载波应用到智能化控制中还存在许多技术难点：（1）如何设计基于电力载波控制的体系结构；（2）如何制定电力载波通讯协议，使得它们之间能够相互可靠地传递信息；（3）如何克服电力载波固有的信号衰减、阻抗失配以及等幅振荡干扰等问题；（4）如何设计电力线接口（PLI）电力线通信亦称电力线载波，是通过电力线载波方式来传送网络信息，而电力网用于通信时几乎不需要基础建设投资和日常维护费用，且电力线在现代生活中已无处不在，因此电力线载波通讯技术适用范围相当广泛，既能满足通讯要求，又可解决不方便布线等困难，具有很高的经济性、广泛性和实用性。从载波芯片应用功能来看，可分为指令传输领域、多媒体传输领域和数据传输领域，其中指令传输领域包括远程抄表和智能家居的应用；多媒体传输领域包括楼宇监控、道路监控、石油开采监控等以音视频多媒体传输的应用；数据传输主要应用在电力宽带网络终端设备电力Modem中。从功能结构来看，目前指令传输产品在2009年中国电力线载波芯片市场销量中所占比重最高，达到95.2%。国外公司的电力线载波芯片是针对特定地区电网特性、电网结构设计和针对家庭内部自动化而设计，在中国的电网环境下使用难尽人意，仅有一、两款电子载波芯片在特殊应用领域可勉强适用，而且产品价格很高，难以提供系统级的解决方案，和中国对性价比要求极高，期望半导体厂商能够提供整体解决方案的市场需求相去较远，所以国外厂商如ST、ECHELON、Intellon、Maxim、Yitran、DS2等企业在国内整体市场占有率不高。在此环境下，本土芯片设计公司在该领域取得了快速发展，经过几年的市场选择，国外厂商已经基本退出中国市场，中国本土的芯片厂商处于竞争优势地位，福星晓程、青岛东软、鼎信成为其中的突出代表。电力载波通信的问题：1、稳定可靠性不高电力线通信(PLC)在欧美等地区集抄方案(AMR)中的应用已有几十年的历史，使用效果非常好。尽管国内对电力线通信关注度非常高，但在中国本地还没有取得明显的成绩。其中最大的障碍之一是其通信的稳定可靠性，这是所有基于载波抄表方案必须解决的一个迫切问题，而且在解决这个问题时，不能提高解决方案成本。2、解决通信距离问题在线路负荷较重的情况下，通信距离能达到300米到500米，也就是说加一两级中继，在同一配电变压器下解决通信距离问题。2.载波调制电力线是给用电设备传送电能，不是用来传送数据，所以电力线对数据传输有许多限制：首先，配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送。其次，三相电力线间有很大信号损失(10dB-30dB)，一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。第三，不同信号耦合方式使电力载波信号的损失不同，耦合方式有线-地耦合，线-中线耦合。线-地耦合方式与线-中线耦合方式相比，电力载波信号少损失十几分贝，但线-地耦合方式不是所有地区的电力系统都适用。第四，电力线自身的脉冲干扰，加大了应用难度。第五，电力线对载波信号有高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达1欧姆以下，造成对载波信号的高削减。实践中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输到几公里以外，但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。因此，需要进一步提高载波信号功率来满足数据传输的要求，但提高载波信号功率会增加产品的成本和体积，而且，单一提高载波信号功率往往并不是最有效的方法。第六，电力线上有高噪声。电力线上接有各种各样的用电设备，阻性的、感性的、容性的；有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭，就会给电力线上带来各种噪声干扰，而且幅度比较大。用耦合电感从电力线上耦合下来的噪声一般就在10mV以上，而一般传输的数据信号会削减到1mV，如不采用电力线专用调制解调芯片来解调数据信号，通信距离会相当短。第七，电力线可使数据信号变形。电力线是一个分布参数的网络，不同点对数据信号影响不一样，同时电力线是时刻动态变化的，不同时间对数据信号影响也不一样，这就使发出的规则数据信号，经过电力线后，发生严重变形，必须加以特殊处理。电力线造成传输信号的高削减和高变形，使电力线成为一个不太理想的通信媒介，但由于现代通信技术的发展，使电力线载波通信成为可能，其中数据信号的信噪比决定传输距离的远近。电力线载波通信的关键就是设计出一个功能强大的电力线载波专用调制解调芯片。电力线载波通信模块硬件设计，重点有以下几方面：①调制解调器相关工作设计；②滤波、耦合接口设计；③控制器与调制解调器之间的控制、通信设计；④其他硬件设计设计合适的无源耦合电路能够最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰，实现有用信号的最佳接收，能有效改善目前低压居民集中抄表系统中的点对点通信传输能力，如果结合自动中继和路由技术使信息通过不同设备间的转发传递，可以提高通信的实时性和可靠性。过零检测电路；载波信号耦合电路；发送电路；接收滤波电路；异步通信接口；电源电路。建立合适的通信系统在电力线上存在各种各样的干扰，主要包括电源线中的高频干扰、感性负载产生的瞬变噪声、晶闸管通断时产生的干扰、电网电压的短时下降干扰和拉闸过程形成的高频干扰。对于以上各种问题，解决的方法主要是屏蔽、滤波、接地，在线路板上布线时应注意减小分布电感和分布电容。衰减和阻抗匹配实际上是一个问题的两个方面。阻抗匹配不好，信号衰减得就快。阻抗匹配的核心问题是对电线阻抗进行检测，可将检测到的信号引入到电力载波芯片构成闭环，使阻抗匹配，增大输出功率。另外，在电力载波模块的设计中，应极力避免在同一线路上两个模块同时处于发送状态，此时两模块互为负载，模块若长时间工作，将有可能损坏。解决问题的办法是：建立主从式网络，由主机对各从机轮询，从机只有得到主机控制指令后才可以往电力线上发送信号；而发送模块一旦发现线路上有其它模块正在发送，则本模块立即转为接收状态。电力线通信系统框图通常的电力线通信系统终端都具有发射和接收功能，但是在工作的某一确定时刻只能有一种功能起作用，即同一终端不能在接收信号的同时，也发射信号。图示系统中，某一时刻系统中只能有一个设备作为发射终端，但是可以有多个接收终端。发射机发射的信号可以被多个接收机接收，也可以指定接收机接收信号（通过地址标志识别）。在电力载波中，对于电力线上的低频信号（50Hz工频）电容阻抗很大，相当于断开，不影响电力线工频信号的正常传输；对于电力载波的高频信号（几十kHz到几百kHz），电容的阻抗很小，高频信号能够通过电容形成回路。在信号发送端，首先将数字信号进行调制、放大，然后传给耦合器，耦合器将这个高频信号耦合到电力线上，形成高频电流信号，高频信号通过电力线进行传输，当信号到达接收端耦合器时，耦合器又将这个高频信号从电力线上耦合出来，并进行解调和放大，转换成原始信号。载波信号调制1.载波中心频率：421kHz；2.调制方式：2FSK；3.载波频率范围：401-441kHz；4.接收灵敏度：2uV；5.最大发送功率：1.45W；6.发送电路输出等效阻抗：2Ω；7.数据传输采用正交扩频编码方式，基带传输码源速率：13.3kbps；8.采用最新的单片DSP芯片，使用高速AD完成扩频通信的AD采样功能;9.使用小波变换等技术，去除解调后的噪声分量，使载波信号接收灵敏度大大提高。