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1、低压电力载波通信发展方向低压电力载波通信发展方向深圳市傲立信息技术有限公司 吴斌摘要：文中介绍了电力系统低压载波的需求及低压电力配电网的传输特性，通过对比国内外各种电力载波芯片指出低压电力载波发展方向是高性能PLC加上高性能MCU实现载波自动组网及路由。文中论述了研发基于OFDM技术的PLC的必要性、关键技术及可能困难。关键词：电力载波 自动组网 OFDM1 研究意义目前，电力系统对低压电力载波系统的需求极其旺盛，这种需求来源于电力系统管理的变化。如今，原先的电力部已经分为3大电网公司，分别是国家电网公司（华北），南方电网公司（华南）、西北电网公司（西北），各个电网公司下面还管辖多个省的电力公
2、司，省电力公司下面管辖着各个市电力局。从电力部、局到电网公司、电力公司的体制变化，使电力企业的效益最大化成为各电力部门的头等大事。同时，信息化已经成为这个时代的特点，电力企业生产信息MIS系统、营业MIS系统，用配电GIS系统、调度自动化系统均是各电力公司每年要重点投入的现代化系统。电力系统信息化要求电力系统配用电信息基础数据的及时获取，然而，大量的营业MIS所需要的基础数据即电表数据，如今却主要通过人工抄表完成，通过现代化的手段及时进行抄表成为当务之急。通过电力载波技术进行电力抄表及电力系统电流、电压等生产信息的监测无疑是最便捷的事情，这是因为，电力线路属于电力企业的现有资源。电力企业需要自
3、动抄表的另一原因是线损管理。如今，中国电网的电厂与输配电网分开，电力局的最大职能是买电、卖电，即从输电网买电，通过配电网将电卖到千家万户，电力公司的利润主要体现在一买一卖的差价上。电能在输送、分配过程中存在损失，电力系统称之为线损，线损分中压线损、变损及低压线损，中压线损指的是10KV损失，这个损失发生在二次变电所与10KV/400V用户变压器之间，变损指的是变压器的损耗，低压线损指的是从用户变压器到用户电表之间的损失。线损计算的前提是各级电表数据的同时准确抄读，然而，目前电力企业主要通过人工进行电表抄收，抄表时间长达半月，通过这样的数据计算的线损误差之大可想而知。电力系统又将线损分为物理线损
4、和管理线损，物理线损是线路中确实发生的损耗，而管理线损是因为抄表的不及时甚至人为因素造成，比如，抄表员故意少抄、露抄以牟取个人利益，下面的供电分局故意扩大管理线损以获取更多的分局利益等。据统计，低压线路的物理线损约为3左右，而管理线损高达5左右。通过自动抄表，可以将这部分损失降下来，从而提高供电公司的经济效益。举例说明，深圳供电公司每年的售电量约400亿度左右，5的管理线损则以亿计算。2、低压配电网的传输特性电力载波出现于上个世纪20年代左右，自从有电那天起，很多电力工程师都在研究如何通过电力线路传输配用电信息，因为这样可以不必重新布设新的通信线路。电力线载波在220KV以上的输电线路得到非常
5、成功的应用。通过电力载波，电力系统可以进行输电网的电力调度，可以进行电力载波语音传输，目前该技术仍然是高压输电的备用通信线路。电力载波在输电网能够应用成功，最主要的原因是输电网线路单一，从发电厂到一次变电所距离虽然远，但往往只有一条线路。同时，高压网络的电流小，干扰非常小。高压线路分支非常少，即使有分支，也可以在分支处增加阻波器以消除其对载波信号的泄漏。与高压输电网相比，低压配电网表现出完全不同的特点：l 高噪声线路中有各种噪声，包括家用电器、工业电机、变频设备、开关电源等都会对电力载波进行干扰，经测试，有的地方噪声电平可以达到0dBVl 高衰减电力载波在低压配电网传输会产生极大的衰减，这种衰
6、减主要由于低压配电线路的线径变化、材质变化及众多的分支引起，比如说，低压220V线路架空走线从变压器到用户有可能先采用75平方厘米的铝线，接着采用50平方厘米的铝线，最后用35平方厘米的铝线以降低线路成本，进用户前则采用4平方厘米的铜导线。同时低压用户数量较多，从几户到几百户不等，分布在以变压器为中心的周边地域，这样就必然在低压线路上形成众多的T型分支接头。线径变化、材质变化、分支接头都会造成电力载波信号的极大衰减及信号的反射。有人统计，这种信号的衰减最大可以到达180dB/km。l 高时变 低压配电网电力载波信号的传输特性会随时间而变化，白天与黑夜不同，周一到周日不同，一年四季不同，甚至瞬间
7、发生剧烈变化。信号的时变性是由于电力负荷的变化引起的。总之，低压配电网的复杂性远远超出我们对它的认知，我们很难用一个确定的数学模型来描述它。我们唯一的办法是将其看成一个黑匣子，通过外部的仿真来逐渐适应其变化。低压配电网络的以上特性造成了低压电力载波与高压输电网电力载波通信效果的截然不同，在高压输电网可以进行载波电话语音的几十公里甚至上百公里的完美传送，而低压配电网进行几百BIT的数据传输速率却很难得到理想的结果。3、低压电力载波在我国的发展历程低压电力载波在我国开始于上个世纪80年代，在1998年前后进行了大量的研究，1998年2003年处于各地试点阶段，发展较慢，2003年后有所发展，应用逐
8、渐推广，2006年后需求极大膨胀，现在处于电力载波发展的高峰期。1998年国家为了刺激经济的增长，扩大内需，进行了为期近5年的城乡电网改造。电网改造主要集中在输配电线路、电能表计的改造，在这期间，大量的机械电表被性能更优的电子电能表替代。电子电能表使电力载波自动抄表成为可能，这时，有的地方电力公司拿出一部分资金进行了电力载波自动抄表试验。前期的试验结果可以用惨败来形容，大家往往在实验室通过简单测试通过后就大量安装在现场，到了现场后出现了两种结果，即抄不到和抄不准。98年前后大家都用的是国外芯片，比较典型的是ST7536 ，INTELON的P300及LM1839等芯片，这些芯片应用过程中大家发现
9、了诸多问题，在实际应用过程中存在通信盲点。中国电力载波在前8年的发展中应该说是走了一定的弯路，我们总希望找到一种芯片，或者一种调制方式，可以在低压配电网变压器供电范围内实现点对点的完全通信，即从变压器到每一个用户节点都能点对点的到达。在调制方式上，先后采用过FSK和BPSK调制方式，从单一频率的窄带通信到扩频通信，再回到窄带通信，从国外芯片再回归到国内芯片，大家反反复复做了很多试验。需要提一句的是，当年扩频技术应用到电力载波时让大家无不兴奋，仿佛扩频技术会解决所有的电力载波问题，那时不谈扩频就意味没有进步，然而遗憾的是，在无线领域应用成功的扩频技术并没有给我们带来想要的效果，由于配电网广谱的噪
10、声及对宽带信号的衰减，大家最后的结论是扩频芯片在很多环境下应用甚至不如窄带芯片。非常清楚的记得在2002年北京的电力行业年会上，有两家芯片公司几乎同时推出了国产的电力载波芯片，这两家公司就是青岛东软和北京福星晓程，说句实话，当年大家都没有想到这两家公司能够走到今天，更没有想到今天在国内电力载波芯片市场上我们的选择只能从这两家芯片选择。当时的情况是，国内的这两款芯片与国外比从调制方式上并没有什么不同，唯一变化的是在芯片内集成了DLT645协议(基于485通讯方式的规约)，并对该协议做了简单的修改，在协议里面定义了中继字节，这样，该芯片可以通过中继方式进行通信，中继最多可以达到3级。就是这一小小的
11、变化，使低压电力载波从原先的不可用到今天的基本可用。电表厂家没有更好的选择，所以大家只有选择这两种芯片，芯片技术所不能及再通过其他技术进行补充。国产载波芯片在80的应用环境，尤其在新建规范小区，基本可以满足电力公司的要求。但是，电力系统上电力载波集中抄表系统一定是需要整条10KV线路的所有电表，每个节点都要通过电力线路进行数据传输，若有部分数据无法抄回，电力部门计算线损就不能实现。另外，电力网中还有很多数据需要实时传输，比如电压、电流的监测，防窃电等，更是需要数据的及时传送。4、国内外主流电力载波芯片介绍以下电力载波芯片资料来源于载波芯片公司网上资料。1）福星晓程PL3105芯片10MIPS
12、10MHz OSC，8/16 位高性能低功耗微处理器8051兼容内核 16Kbytes E2PROM 片内程序存储器，支持ISP 1Kbytes SRAM 片内数据存储器严格的1T指令周期 256Byte SRAM 片内数据储存器由电源和备用电池双重供电，确保数据不丢失 2路 16 位-调制 A/D 转换器 2路可编程全双工串行口（可配置为红外及RS485通讯模式） 3路16位定时/计数器 8个中断源，2级中断 1 路 8 位 PWM 调制 D/A 转换器直序扩频，DPSK 调制/解调，半双工电力载波通信单元，500/250Bps可选实时钟/日历单元，自动闰年闰月 424 段笔划式 LCD 驱
13、动电路及 88 段笔划式 LED 驱动电路带有硬件方向判别逻辑的红外线脉冲探测驱动电路完善的上/掉电复位，电压监测及看门狗电路单一5V供电，典型电流为10mA 工业级温度标准: 4085 PQFP 64 封装电流通道内置可程序设定增益放大器（PGA）；内置双通道电流采样、正/负功指示数字逻辑电路；内置有功功率和无功功率计量电路；2）青岛东软电力载波芯片EASTSOFT ES16U系列芯片是专门为电力线介质作为通信信道而设计的扩频通信与数据处理芯片。该芯片具有通信可靠性高、处理数据准确、数据存储可靠、和安全的控制能力，且具有低成本、低功耗、外围器件少等特点。ES16U 是在稳定可靠的ES16T
14、芯片基础上而开发的新一代电力线载波扩频通信与数据处理芯片。其突出特点是采用了规范、实用、高效的网络通信协议，使整个通信系统的效率得到明显提升。由于应用层的设计与DL/T 6451997规范的紧密结合，带来了与复费率电能表和多功能电能表在数据标识、读写操作等方面的统一。ES16U 芯片实现了基于电力线通信网络的电子终端设备之间的互通互连、有效的测量脉冲的数据处理、和对终端设备的控制能力。ES16U 芯片的应用主要集中在自动读表领域，为电力行业或其它公共事业部门提供了一种最佳的AMR的解决方案。ES16U 系列芯片包括ES16U-10/5RM、ES16U-04/6RM、ES16U-02/6RM、E
15、S16U-10/5RB、ES16U-04/6RB、ES16U-02/6RB六种型号。ES16U 芯片特点： 扩频通信技术、软件相关器和匹配滤波器，63位码序列； 高效率前向纠错、高性能数字信号处理技术；BFSK调制、半双工通信、码速率高达20.8k波特； 高效率帧中继转发机制，支持3级中继深度。可编程的网络地址; 接收信号强度权重参数指示，为中继搜索算法提供支持，提高通信系统稳定性； 三层网络结构（物理层、数据链路层、应用层）。其中，数据链路层协议规范是基于高级数据链路层协议HDLC，应用层通信协议完全兼容于DL/T645-1997规范； 电能脉冲的数据处理和数据存储能力； 支持对磁保持继电器
16、（ES16U-x/xxM系列）和断路保护器（ES16U-x/xxB）的控制，实现断送电（拉合闸）能力； 远程控制（断送电）指示和数据接收和发送指示； 直接驱动脉冲计数器，实现电能测量数据与显示指示数据同步，保证数据的一致性；3）ST7538工作原理利用电力线作为通信介质的电力载波通信，具有极大的方便性、免维护性、即插即用等优点，在很多情况下是人们首选的通信方式。ST7538是最近SGSTHOMSON公司在电力载波芯片ST7536、ST7537基础上推出的又一款半双工、同步/异步FSK（调频）调制解调器芯片。该芯片是为家庭和工业领域电力线网络通信而设计的，与ST7536和ST7537相比，主要具有以下特点：*有8个工作频段
