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1、声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于电力线载波的电力电缆防盗系统研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：碎甄埠日期：关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复
2、制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定)作者签名：岛蝉 日期：幽= 乡f导师签名：垂立邈日期：羔丝2 1 1 ：2 华北电力大学硕士学位论文1 1 选题背景和意义第一章概述电力线网络作为当今世界最大的有线网络，本身具有较高的利用价值，于是就成为了偷盗现象经常发生的地方。电力电缆的防盗问题也就成了当前电力部门必须面对的问题。电力电缆被盗所造成的损失，尤其是间接损失是很可观的，而且会对电力系统的安全造成严重威胁。因此，相应的电力
3、电缆防盗、监控产品开发对电力系统安全生产具有重要的意义。输送电力的电缆分为高压电网和低压电网。一般来说，高压电网因电压高，架设高度高，危险性大，因此发生被盗的可能性不大。而3 8 0V 的三相低压电网或2 2 0v 的单相电力线，因电压低，线材价值较高( 普遍为铜芯线) ，而成为一些不法之徒的盗窃目标。因此，电力线的防盗问题主要是低压配电电缆的防盗问题。随着生产技术的发展，监控网络逐步走向社会，已经有大量的智能小区安装了消防、门禁等监控类网络，为居民安全生活提供了保障和服务。也为电力电缆防盗监控系统的建设提供了宝贵的经验。本课题研究的电力电缆防盗报警系统主要是用于配电电力线路的防盗报警。属于配
4、电线路防盗报警( 故障检测) 自动化高科技产品。系统能够实时监控电力线路的运行情况，并且兼容闲置线路和防窃电功能。对线路进行监控并及时报警。使工作人员做到及时处理，减少损失的目的。另外，本防盗系统采用电力载波扩频通信技术和成熟G S M ( G l o b a lS y s t e mf o rM o b i l eC o m m u n i c a t i o n s ，全球移动通信系统) 网络相结合，使用最方便快捷的手机短信息和话音报警功能。可以实现以一个城市为单位的所有电力线路的防盗监控报警功能。与其他报警系统相比，不仅功能齐全、成本低廉，还有系统组织灵活，对所监控区域的大小具有选择性。
5、并且也适用于小区和报警中心的管理，是一种新型的报警系统，具有相当广阔的前景。1 2 国内外的研究现状目前，大多数的报警系统都是基于电力线载波或者公用电话网的通信方式。比较这两种方式，电力线载波的优点在于：直接、经济。但缺点是监控范围一般限制在单个配变台区，超出部分设计复杂：不利于远端报警。而公用电话网的优点在于：能可靠的远距离传输。但缺点是价格昂贵和不利于巡检终端。华北电力大学硕士学位论文公用电话网是一种成熟而可靠的通信方式，在目前已经是相当的发达了。而电力线载波在3 8 0 W 2 2 0 V 用户配电网上的应用比较晚。在9 0 年代之前只限于采用调幅或调频制式的载波电话机实现近距离的拨号通
6、话，也有采用专用的芯片实现近距离数据传输。我国大规模地开展用户配电网载波应用技术的研究是在2 0 0 0 年左右，目前在自动集抄等系统中采用的载波通信方式有扩频窄带调频或调相。在国外，许多与电力线载波通信相关的组织定下了低压电力线载波通信的频率使用范围，如欧洲电器委员会C E N E L E C 制定的E N5 0 0 6 5 规约于1 9 9 1 年底开始生效，规定低压电力线载波频率使用的范围为3 - 1 4 8 5 k H z 【2 1 ；而美国联邦通信委员会( F C C ) 在F C C C F R l 5 1 1 3 中规定了电力线载波通信的频带为1 0 0 k H z 4 5 0
7、k H z p J 。在通信技术方面，就理论研究而言，低压电力线载波通信已从传统的频带传输发展到了扩频通信技术、多载波正交频分多址技术以及使用调整光纤的光波复用技术等【4 1 。扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用。到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统。一般而言，跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。跳频主要用于对抗，而直扩系统则主要用于民用。目前，直扩系统，I I J D S C D M A 系统，在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。欧洲的G S M 标准和北美的以C D M A 技术为基础的I S 一9 5 。而在目前所有
8、建议的第三代移动通信系统( 3 G ) 标准中( 除了E D G E ) 都采用了某种形式的C D M A 。因此C D M A 技术成为目前扩频技术中研究最多的对象。其中又以码捕获技术和多用户检测( M U D ) 技术代表了目前扩频技术研究的现状。1 3 基于低压电力载波通信防盗报警系统的特点由于传感器、控制设备等都比较成熟，面向用户末端的报警或智能控制网络实用化的关键因素就在于能否找到低成本、高可靠性的通信手段。目前各类的报警或智能控制系统的通信大多基于双绞线等专线物理媒介，也有部分基于低压电力线通信实现。基于专线的通信方式优点在于：通信容量较大，且远距离传输可靠性高。但缺点在于：如果在
9、没有原有线路的情况下，为了智能控制系统专门铺设线路成本过高而难以为用户接受。基于电力线载波的通信方式优点在于：系统所有设备可就近、就地接入，无须重新布线破坏建筑结构及装潢，整体成本最低。但缺点是电力线载波的通信质量远不如专线。正因为这些因素，在新建设的智能居民小区中，由于住房建设时已经设计了控制线路，所以多使用基于专线通信的监控网络。而在对旧的居民小区要进行监控网络的建设时，基于电力载波通信的模式受到重视。2华北电力大学硕士学位论文对于电力电缆的防盗监控系统而言，低压电力线路本身就是电力系统的资源，从系统结构特点看使用电力载波通信也是最好的选择，但必须有相应的技术手段来克服低压电力载波通信质量
10、差的难题。根据电力线路的电压等级不同，电力载波通信可以分为高压电力线( 在电力载波领域通常指3 5 k V 及以上电压等级) 载波通信、中压电力线( 指1 0 k V 电压等级)载波和低压配电线( 3 8 0 2 2 0 V 用户线) 载波【”。高压电力线载波的应用有较长的历史，过去是电力系统的骨干通信网络，该网络主要用于地、市级或以下供电部门构成面向终端变电站及大用户的调度通信、远动及综合自动化信道使用。只是近年来，随着光纤通信的发展，高压电力线载波通信改变为辅助通信方式。由于高压电力线载波使用了阻波器，线路状况相对好，使用也比较成熟。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
11、是电力调度通信所要求的合理路由，并且载波信道建设只需结合加工设备的投入而无须考虑线路投资，因此一度成为电力通信的基本通信方式，尤其在边远地区更是这样，电力线载波信道往往先于变电站完成建设。在1 0 k V 领域，电力载波主要用于负荷控制和配电自动化。与中、高压电力线的载波通信不同，低压配电网由于直接面向用户，这一固有的特点使其通信环境极其恶劣，负荷情况复杂，噪声干扰强且具有时变性，信号衰减大，信道容量小等。因此，要实现高性能的低压电力线载波通信有较大的困难。在利用低压电力线载波来实现的电力电缆防盗报警系统中，除了尽量提高载波通信性能外，还需要对应用系统的具体特点进行分析，通过方案规划来提高可靠
12、性与实用性。1 4 论文的主要工作由于电力电缆防盗报警系统的主要难题在于低压电力线的通信质量难题，本文所研究的任务主要包括以下几大部分：( 1 ) 低压电力线载波通信信道特性分析；( 2 ) 对各种目前低压电力线载波领域中常用的调制解调方式进行比较，根据电力电缆防盗的特点来选择；( 3 ) 电力电缆防盗系统进行整体设计与可行性研究；( 4 ) 防盗系统中线路防盗探测器的软、硬件设计；( 5 ) 防盗系统中主站的软、硬件设计。本文在分析低压电力线载波信道阻抗、衰耗和干扰特性的基础上，对现行几种常用的低压电力线载波通信技术：窄带技术、扩频技术和O F D M ( 正交频分复用)3华北电力大学硕士学
13、位论文技术进行了讨论。最终选择了扩频通信技术应用于电力电缆防盗系统的载波通信技术，其核心电路是P L 3 1 0 5 。根据低压电力线的通信信道模型与P L 3 1 0 5 所使用的调制解调方式与扩频增益参数，利用M a t L a b 进行了衰减仿真与误报率的分析，计算的结果表明：通过扩频通信方式和载波中继接力等手段，大多数情况下能够将系统误报警次数限制在很小的范围，从而说明了系统的实用性。在实际中对电力电缆防盗系统的软，硬件进行了设计，并傲了相应的调试与测试工作，最后对该系统的功能发展与性能改进提出了部分方案。4华北电力大学硕士学位论文第二章低压电力线载波通信信道特性与通信技术分析既然电力
14、电缆防盗报警系统的主要难题在于低压电力载波通信的质量不高。要保证电力电缆防盗报警系统的可靠性首先就应当对低压电力线载波通信信道特性与使用的通信手段进行分析。电力线载波通信( P o w e rL i n eC a r d e r - - P L C ) 是利用电力线路作为传输通道的载波通信，是电力系统特有的一种通信方式【6 l 。电力线几乎存在于世界的每一个角落，所以利用电力线作为信息传送信道就具有其它信道所无法比拟的优越性。随着社会的需求和电力线载波技术的不断发展，低压电力载波通信的技术开发及应用也将会越来越受到人们的重视。除了按照电压等级对电力线载波通信划分为：高压电力线通信、中压电力线通
15、信和低压电力线通信外，按照实现的通信速率可将电力线载波通信分为高速P L C 和低速P L C 。低压电力线并非为用作通信信道而设计的，只有在正确的分析了电力线载波通信信道特性的基础上，加以对通信技术的了解和比较，同时还需要对电力电缆防盗监测系统对通信的需求特点进行分析，才能找到一种比较适合的调制方式在电力线上用来传输载波信号。国内外大量的研究人员对电力线路的信道进行了研究、分析，而且进行了大量的实验，取得了很多经验和数据【7 J 。2 1 通信信道特性分析低压电力线组成的低压配电网传播信道是存在于发送端耦合器和接收端耦合器之间的低压电力线网络，是电磁波传播的物理媒质。低压电力线的信道特性参数
16、直接影响着电力载波信号的传输质量。低压配电网中任一个节点上的负载都可能对电力线载波通信装置数据的输入输出功率产生影响。电力线的特性就决定了其作为通信信道时必然存在着的大的衰减和强干扰，电力网络结构复杂而且线路的上负荷具有多样性和时变性的特点。因此要建立一个通用的精确模型来模拟所有的低压配电网通道情况是困难的，但建立一个能反映通道基本特征的近似模型却是可能的，国内外许多专家、学者为此做了大量工作，文献【8 】提出了一个简单的电力线通信通道模型，如图2 - 1 所示。5华北电力大学硕士学位论文信号囊减 C t 图2 1 低压电力线传递函数的多径信号传播模型删，) ：争，4 0 9e - tO + 吖k P 。2 嘭日= ，w p P( 2 - 1 )1 1 ( ，t ) 为通道滤波的频率响应特性，A C t ) 为衰减特性，h 为波在电力线上的传播速度。式中j 为路径号，也可表示信号经过不同路径到来的先后次序。从通道模型和传播公式中可以看出，对信号的影响主要有：信号衰减，背景噪声和多径效应。电力线的信道模型可
