电力线载波通信

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1、抄表系统及其方法本发明公开了一种抄表系统包括电力线宽带载 波通信单元、无线通信单元、时钟单元、控制单 元以及存储单元；所述电力线宽带载波通信单元 用于收发通过电力线载波方式传送的抄表信号； 所述无线通信单元用于收发通过无线通信方式 传送的抄表信号；控制单元用于信道状况的侦 测，根据侦测结果控制抄表系统在电力线宽带载 波通信以及无线通信之间的信道自动切换，切换 信道后进行自动组网，并将从电力线宽带载波通 信单元以及无线通信单元接收到的抄表信号进 行格式转换生成电表数据。本抄表系统利用宽带 载波通信可靠性高、数据传输率高、数据容量大、 双向传输等特点，将无线通信方式以及电力线通 信方式相互结合，使

2、抄表布线等现场施工工作变 得简便灵活。电力线载波Power Line Carrier - PLC通信是 利用高压电力线在电力载波领域通常指35kV及以上电压等级中压电力线指10kV电压等级或低 压配电线380/220V用户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PLC=Power Line Carrier, 电力线载波电力线载波(PLC)是电力系统特有的通信方式，电力线载波通讯是指利 用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最 大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。近年来电力线载波技术突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了 数字化时代

3、，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。但是电力线载波通讯因为有以下缺点，导致PLC主要应用一一 “电力上网” 未能大规模应用：1、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；2、三相电力线间有很大信号损失(10 dB -30dB )。通讯距离很近时， 不同相间可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输；3、不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同，藕合方式有线 -

4、地藕 合和线-中线藕合。线-地藕合方式与线-中线藕合方式相比，电力载波信号 少损失十几dB,但线-地藕合方式不是所有地区电力系统都适用；4、电力线存在本身因有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50HZ和60HZ，则周期为20ms和167ms，在每一交流周期中，出现两次峰值，两次 峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100HZ或120HZ脉冲干扰, 干扰时间约 加s,因定干扰必须加以处理。有一种利用波形过0点的短时间 内进行数据传输的方法，但由于过 0点时间短，实际应用与交流波形同步 不好控制，现代通讯数据帧又比较长，所以难以应用；5、电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路 阻

5、抗可达1欧姆以下，造成对载波信号的高削减。实际应用中，当电力线 空载时，点对点载波信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只 能传输几十米。虽然技术问题随着时间的发展，最终都能被解决被克服，但是从目前国内 宽带网建设的情况来看，留给PLC的时间和空间并不宽裕。2000年以来各 大运营商大规模推出ADSL、光纤、无线网络等多种宽带接入业务，留给电 力线上网的生存空间，已经不断被其他接入方式压缩。现在，PLC除了在远程抄表上有所应用外，已没有了当初的豪言壮语。随着家庭智能系统这个话题的兴起，也给 PLC带来了一个新的舞 台。在目前的家庭智能系统中，以PC机为核心的家庭智能系统是最受人热 捧的。

6、该系统的观念就是，随着电脑的普及，可以将所有家用电器需要处 理的数据都交给电脑来完成。这样就需要在家电与PC间构建一个数据传送 网络，现在大家都看好无线，但是在家庭这个环境中，“墙多”这一特征 严重影响着无线传输的质量，特别是在别墅和跃层式住宅中这一缺陷更加 明显。如果架设专用有线网络除了增加成本，那么家电的位置今后也无法 随意挪动。PLC的最大特点：不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传 递，无疑成为了解决这智能家居数据传输的最佳方案之一。同时因为数据 仅在家庭这个范围中传输，束缚PLC应用的5大困扰将不复存在，远程对 家电的控制我们也能通过传统网络先连接到 PC然后再控制家电方式实

7、现， PLC调制解调模块的成本也远低于无线模块。电力线载波通信方式的比较PLC已经有效地应用于电力系统，它具有通道可靠性高，抗破坏能力强, 投资少，不需要架设专用线路等优点。鉴于这些特点，电力系统一直都致 力于发展和实现电力的实时监控和调度，并取得较好的成果，因此在很长 的时间里，电力线载波在电力系统通信中占有主导地位。电力线载波(Power Line Carrier ，PLC)通信是利用电力线作为信 息传输媒介，并通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的一种特殊 通信方式。其最大特点是不需要重新架设网络，自20世纪20年代推出以来, PLC已经有效地应用于电力系统，它具有通道可靠性高，抗破

8、坏能力强, 投资少，不需要架设专用线路等优点。鉴于这些特点，电力系统一直都致 力于发展和实现电力的实时监控和调度，并取得较好的成果，因此在很长 的时间里，电力线载波在电力系统通信中占有主导地位。低压电力线载波通道特性 目前，广泛应用的电力线载波通道主要集中在中、高压电力线上。低压配电网由于直接面向用户，各种不同性质的负荷在任意的时间和位置 可随机断开或连接，这使其通信环境极其恶劣。电力线并非专为传输信号 而设计，对于高频信号电力线，它是一根非均匀传输线，利用电力线作为 传输媒介的通信过程中，存在负荷情况复杂，噪声干扰强且具有时变性， 信号衰减大，信道容量小等问题。影响电力线通信质量的原因主要有

9、以下 三种。1. 高频信号的衰减及失真 由于电力线上随机接入和断开各种感性负载或容性负载，高频信号 在传输中必然存在衰减。一般来说，传输距离越远，信号衰减越严重，但 是由于电力线是非均匀的传输线，负载阻抗不匹配，这就会出现驻波、反 射等问题，不仅会使信号衰减，还会造成信号失真。2. 输入阻抗不定 低压电力网直接面对用户，接入的负载类型各不相同，这使得不同 频率的阻抗也各不相同。而且电力线上的阻抗并非一成不变，因为负载接 入是随机的，无法根据某特定的阻抗选择固定的频率与之匹配，这给设计 带来很大的困难。3. 传输干扰电力线上存在着人为和非人为的干扰，人为的干扰主要是接入电力 线的设备造成的，非人

10、为的干扰是由一些如雷电等自然现象引起的。各种 干扰都会对信号传输质量造成不利影响。电力线载波常用通信方式 低压电力线载波常用通信方式主要有窄带通信、正交频分复用和扩 频通信技术。1. 窄带通信技术 窄带通信方式是早期电力线载波采取的通信方式，主要包括相移监控（PSK）和频移键控（FSK）方式。PSK方式用两种不同的相位表示“ 0”、 “1”，通常是用0和180。FSK方式用两种不同的频率表示“0”、“1”。窄带通信方式成本低廉，易于实现，早期应用较多，但是抗干扰能力差， 目前使用不多。2. 正交频分复用方式正交频分复用（0FDM）是将串行的数据转化为多个并行数据并分配 给相应的多个正交的子载波

11、，从而在一根线上实现并行数据传输而相互之 间不受干扰。OFDM实际上就是多路窄带载波同时传送，其特点是通信速率 高，但是电路成本较高，主要应用于对通信速率要求高的场合。3. 扩频通信技术扩频通信（SS）是在信号发射端将信号频谱扩展后进行传输，在接收端将接收到的信号解扩还原出原始信息。扩频通信常用的四种扩频方式 为直接序列扩频（DS）、线性调频、跳频（FH）和跳时（FT）。当前国内 应用最为广泛的是直接序列扩频方式。扩频通信的优点是抗人为干扰，抗窄带干扰能力强，早期应用于军 事通信领域。通信时先将普通数据调制为基带信号，再用伪随机码（PN码） 对基带信号经行扩频调制，将频谱拓宽，形成宽带信号利用

12、电力线传输。 在接收端用相同伪随机码进行解扩，将宽带信号恢复为发送时的基带信号， 最后按照常规的处理手段将基带信号解调得到信息。扩频通信的理论依据是信息论和抗干扰理论的基本公式。信息论中 的香农信道容量公式为C=Blog2 （1S/N）（1）式中C信道容量，单位b/s；B信道带宽，单位Hz；S信号功率，单位W；N噪声功率，单位W。为了增加传输速率C，可以增加带宽B或信噪比S/N。同样，在信 道容量确定的情况下，如果带宽足够大，即使在信号被噪声淹没，也可以 保证可靠传输，故而扩频通信的抗干扰能力较强。电力线载波芯片1. 国内外载波芯片概况 早期电力线载波通信使用的是模拟载波机，至今我国部分地区仍

13、在使用，现在随着微电子技术的发展，出现了载波专用集成芯片。国外使用 较早的有XR2210/XR2206，这是基于FSK方式的调制解调芯片。Intellon 公司的SSCP200/300载波芯片采用了扩频技术，主要针对智能家居，对通 信距离要求不高。Echelon公司的PLT 22采用的是BPSK调制解调技术， Lonwoks网络专用，成本较高。国内电网环境相对国外的较恶劣，国外的载波芯片能适用于国内电 网的较少，国内企业针对我国电网环境研发出了专用载波芯片。深圳力合 微电子推出了 LME2200C 电力线通信调制解调器；深圳昊元设计的 HYT3101 电力线载波通信芯片内嵌有网络通信协议；北京

14、智源利合公司的SC1128扩频通信芯片采用直接序列扩频，将扩频解扩，调制解调等电路全部集成在 芯片内部，可以有效降低系统使用成本；北京福星晓程公司的PL3000系列芯片是国内应用较多的电力线载波专用芯片，直接序列扩频，内部不仅集 成载波通信电路，还包含有电能计量电路，是针对载波抄表设计的。2. 直接序列扩频直接序列扩频是国内载波扩频通信芯片使用较多的一种扩频方式，图1和图2分别是扩频和解扩的原理图。图1 扩频发射原理图2 解扩原理直接序列扩频将待发射的数据与一列 PN码相乘，得到扩频后的序 列，对载波进行调制，产生的载波信号经过必要的信号放大后耦合到电力 线上传输。接收端将电力线上的载波信号经

15、滤波和功率放大与本地振荡器 产生的序列混频、滤波，然后用相同的 PN码解扩得到原始数据。3. 福星晓程PL3106福星晓程是国内较早研究电力线载波的企业，其载波芯片采用的是 相位调制。PL3106内部不仅集成载波通信所需的调制/解调、扩频/解扩等 功能，还含有一个增强型 8051内核，使用者可根据现场环境编程， PL3106 是一款通用性较强的芯片，除了必要的载波通信功能，还包括AD转换、PWM 输出以及红外调制等，可应用于数字载波电表。同时还有与键盘、数码管 显示配套的接口。其通信速率有 500bit/s和250bit/s两种，相应的PN码 分别是15位和31位，用户可以自己选择速率，通信方式为异步半双工。载波中心频率120kHz，带宽15kHz。载波信号发射及接收电路原理图如图3 所示。原理图上方推挽电路是对输出的载波信号进行功率放大，PSK OUT端是PL3106输出的载波信号，其发射功率的大小决定于VHH电源的幅值以 及电流的大小，较大的发射功率可以保证远距离传输的可靠性。图中的VD3、VD4起嵌位作用，用来吸收电力线上的尖峰干扰。VDI、VD2有稳压作用。发射回路的电容C14和电感L1用于调整发射电流和波形，增大L1和减小 C14将减小发射电流并改善波形，反之将增大发射电流和波形失真。调整 L1和C14时将影响线圈的发射功率和自身功耗。IMG=S201101062