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1、 主讲：主讲：吴丽文低压电力载波通信技术研讨目目 录录集抄系统架构集抄系统架构2低压电力线载波技术特点和解决方法低压电力线载波技术特点和解决方法3研讨背景研讨背景1国内主流载波通信技术比较图国内主流载波通信技术比较图5网络通信技术合理融入网络通信技术合理融入4技术交流技术交流6一、研讨背景一、研讨背景 电力线载波通信是利用输电和配电线路网络作为信息传输介质进行数据、语音、图像及其它数字信息传输的一种通信技术。早在上世纪四十年代，国外就开始利用高压输电线路传输远动数据和生产调度电话。经历半个多世纪的发展，电力线载波通信技术取得了很大进步，已经在高压、中压、低压输配电网络中得到实用。尤其是近十几年
2、来，低压电力线载波通信技术在自动抄表系统中获得了快速的发展和广泛的应用，大大地提高了电能表数据抄收的效率，取得了良好的经济效益和社会效益。在市场需求的驱动下，以低压电力线载波集中抄收模式为主体的电能量自动抄表技术发展迅速，已经形成了一个具有较强的科研开发能力和生产制造规模的产业群体，并且积累了丰富的实践经验。二、集抄系统架构二、集抄系统架构主要应用于远程集中抄表，实现抄表自动化系统主要由5个部份组成：主站系统、上行通信信道、集中采集设备、下行通信信道、采集终端设备三、低压电力线载波技术特点和解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法 电力线不是为数据通信而设计的，电力线上的设备与组件是按照输
3、送电能损失最少、能够有效输送50HZ交流电而设计的，因此电力线不具备通信线路的特点。总的来说，低压电力线载波信道的传输特性的特点是：窄带宽、时变性强、衰减较大、干扰噪声复杂。 技术障碍时变性 信道衰减 电网污染 解决方法提高功放输出，增加发射信号幅度 提高接收设备接收灵敏度扩频技术应用超窄带通信多载波调制自适应跳频技术正交频分复用（OFDM）技术技术障碍技术障碍三、低压电力线载波技术特点和解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法 造成国内低压载波集抄系统今天尴尬局面的原因，主要就是因为信道时变性、信道强衰减与电网污染造成的： 时变性： 对于一般的居民用户，我国采用的是220 V交流两线供电
4、。由于电网上负载的不断接人、切出，比如马达的停止、启动，电器有开有关等各种随机事件，使表现出来的信道特性具有很强的时变性。 技术障碍技术障碍三、低压电力线载波技术特点和解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法信道衰减： 据有关资料介绍：根据我国不同低压电网的不完全测试，从配电变压器出口到电网末端，最大高频（500KHZ以下）衰减达到130db。衰减的原因包括：1)线路衰减：其中包括电缆的分布电容造成的相间衰减、对地衰减、电感感性衰减、线路阻抗衰减等；2)负载引起的线路衰减剧烈变化；3)功放阻抗失配造成的衰减；4)线路节点引起的高频信号反射，特别是线路类别变化的节点，反射更加严重，架空线与电
5、缆接头可能造成80信号功率反射（约7db衰减）；5)多径衰落引起的高频信号衰减； 技术障碍技术障碍三、低压电力线载波技术特点和解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法电网污染： 国内电网污染立法相对落后，大批劣质电器的泛滥使用及开关变频设备的大量应用，对低压电网形成严重的污染。下图为某款电磁炉的干扰波形： （左图为电磁炉未上电示波器观察到的图形 右图为电磁炉上电后示波器观察的波形）技术障碍技术障碍三、低压电力线载波技术特点和解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法 那么这种高幅、广谱干扰，对于不能进行电网一次回路阻波、隔离的低压配电网载波信道，它将彻底破坏了通信接收的信噪比，这对电力通
6、信来讲完全是致命的！电网存在的主要干扰类型：1）可控硅（SCR）器件和一些电源电路产生的50 Hz的倍频谐波；2）由负载和电网不同步而产生的具有平滑功率谱的干扰；3）开关电子设备产生的单脉冲噪声;4）非同步周期的噪声，如电视机的15.73土地的行扫描频率。电网的这种高衰减、强干扰、时变性强的特点造成国内外的载波技术无法真正的实用化。 解决方法解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法提高功放输出，增加发射信号幅度： 该技术措施受电网谐波系数的限制，同时必须满足国家相关标准的要求。在这些法规与标准的前提下，我们从功放最大获取的增益，原则上不会超过34db。但
7、实际上，我们需要的增益却是数十分贝，同时增加发射幅度的增加必然加大通信设备的耗能及发热，这也是我们不愿意看到的，所以从理论上就可以否定该技术措施独立实施的技术可行性！提高接收设备接收灵敏度： 鉴于通信成功与否主要取决的是接收信噪比，当在信号源发射信号时已经有所限制，那么噪声干扰对通信的成功起了关键性的作用，从上面我们提供的干扰波形可以看出，各种劣质电器的干扰基本属于广谱干扰，这就意味着在很大一定的频谱范围内均存在的干扰信息，而我们所采用的各种滤波电路，在极低的电网等效内阻作用下，Q值也会变得极低，滤波器的滤波效果实现难度很大而且所取得的效果也不好；当面对同频干扰，信号将会淹没在巨大的干扰噪声中
8、，所以再高的接收灵敏度也无济于事，应此只通过增大通信的接收灵敏度这项技术措施也不具备独立实施的技术可行性！ 解决方法解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法扩频技术应用： 在通信发展的历史长河里，对付干扰，人们早就积累了相关丰富的经验，扩频调制就是一种十分有效的技术手段！目前的很多通信技术均基于扩频理论发展起来，如目前的3G通信网络技术；的确，该技术的理论合理性和实现的方便性让目前国内很多的低压载波芯片几乎都毫无例外采用了扩频调制方式。确实它对提高信道物理层通信能力也起到了重要的作用。但仔细分析就会发现，依然存在根本性矛盾解决不了！我国低压载波通信频段规
9、定在40500KHZ左右而且由于目前成本的限制用很长的扩频码进行扩频明显也是不现实的。再者电力线主要的作用是用于能量传输的，并不是一个良好的通信介质，其带宽也是有限的，这就限制了扩频调制只能是窄带扩频。通过目前所知道，国内从事载波通信技术的厂家里中，最高采用的扩频码只为63位，那么通过扩频的方式，其可以获得的窄带扩频增益大约在18db。可是根据我国低压载波现场不完全测试结果，我们需要的增益约在60db以上！所以通过扩频技术所贡献的这部份增益还不足以满足我国低压通信的全部需求！更何况这个数据还不包括低压电网的强干扰影响！ 解决方法解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法三、低压电力线载波技术
10、特点和解决方法超窄带通信： 在上个世纪末，超窄带通信技术就已经传到我国。它以超窄带（传输带宽可以低到0.001HZ）、低速率、低功耗（可以低到0.3mW）、强穿透、长距离、体积小而著称。但由于通信速率太慢，国内基本没有使用。多载波调制： 多载波调制就是为了应对低压电网恶劣的干扰环境而应用的！目前国内深圳清华力合微电子生产的LME2200芯片与以色列itrar公司的it800d都是采用这种调制方式。但它的指导思想只是为了避开窄带干扰，而无法应对广谱干扰！而且这种调制方式的缺点是使用频带宽度比较宽，可能从60KHZ到120KHZ之间，在全部可使用带宽只有400450KHZ的低压载波频段，如果带外抑
11、制措施不到位，很容易形成不堪接受的杂散辐射！ 自适应跳频技术： 这种技术应用于扩频就是为了提高频率利用效率。每次发射采用能够避开干扰频率的某一个频道。目前echelon公司就是采用这种调制方式。但这种调制方式与扩频调制方式一样，能够获得的扩频增益依然不足以应对我国低压电网的剧烈衰减，同时由于跳频机制造成点对点之间如何同步进行调频在电网这种非可靠信道尚很难解决。 解决方法解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法正交频分复用（OFDM）技术： 也就是直角频率多路传输分割复用技术。这种技术将无线通信传输信号分割成了多个副载波进行传输，而每个副载波由于仅仅携带了
12、很小一部分的数据负载，这样的话OFDM技术就能利用更长的符号周期，从而使通信传输信号更不容易受到多径传输的干扰或者其他外界的特殊干扰。当然，OFDM技术除了通过分割载波的方法来增强通信的抗干扰外，它还通过提高载波频谱利用率的方法来提高通信的稳定性。这种技术通过对多载波的调制改进，让各子载波相互正交，于是扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量，提高数据传输的速度，它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。OFDM技术比较突出的地
13、方就是即使在窄带带宽下也能够发出大量的数据。解决方法解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法三、低压电力线载波技术特点和解决方法 但这种技术主要应用于230MHZ频段！目前我国的OFDM技术研究已经起步，但电力通信运用中很难进行应用，主要是因为价格成本的因素决定无法采用高速的AD与DA器件和高速CPU，尚无法在商业推广应用的程度，同时这种技术也是基于频率避让的一种手段，在电网这种窄带及宽频干扰强度强的信道的确也是很难实现其真正的通信能力,同时由于总发射功率的限制，随着子载波路数的增加，其各个子载波的发射功率明显降低，那么抗衰减能力就显著降低，因此OFDM这种技术在电力线上的应用可能完全是没
14、办法实用化的。 通过上面的描述来看，无论利用何种技术手段无非都是为了在通信物理层上找到一种最适合电力线数据传输的方法，而电力线做为一种比较特别的通信媒介，根本无法对其建立一个合理完整准备的物理和数学模型，因此简单的通过通信理论知识来研发产品来应用于电力线数据通信，仅仅希望通过物理层的通信能力来解决低压集抄的实际问题，并不明智。四、网络通信技术合理融入四、网络通信技术合理融入 单纯的通过物理层的通信能力的提升肯定无法完全解决电网的实际问题，那么我们就必须在电力线载波的通信技术领域也充分借鉴有线、无线、计算机网络等技术，而解决电力线载波通信的一个行之有效的手段就是中继的引入，就是通信中的抗衰减技术
15、措施，也就是所谓的中继增音的技术，在低压载波通信领域，早就有人提出了中继通信的概念。特别是当每台电力线载波电能表自身已经同时具备接收与发射能力，那么它也就具备了中继站的基本功能。所以利用表进行中继的技术就成了一种自然的选择，而且考虑到利用中继增音措施不仅可以提高系统的抗衰减能力，而且由于有用信号的幅度也以几何级数增加，从而大大提高了接收信噪比，对系统抗干扰能力提高同样行之有效。所以近年在低压载波通信领域，中继通信是一个十分热门的话题。目前市场运行的中继处理方法主要有以下几种：人工选表，固定中继集中器抄表路径自学习洪泛技术的应用五、国内主流载波通信技术比较图五、国内主流载波通信技术比较图 技术类
16、型多载波窄带调制通讯技术DPSK（相对相移键控调制）直序扩频通讯技术BFSK（二进制频移键控）调制扩频通讯技术载波频率60-90K120K270K420K带宽4个频点15K30K30K扩频码长度无扩频156363数据通讯速率1Kbps500bps/250bps实际应用主要为250bps330 bps100 bps/50bps五、国内主流载波通信技术比较图五、国内主流载波通信技术比较图 组网方式自适应动态组网路径条件约束配合集中器径优化算法（据说已应用洪泛抄表机制）集中器自学习机制，多路径优化（据说已应用洪泛抄表机制）集中器自学习机制，多路径优化（据说已应用洪泛抄表机制）路由级数5级3级3级4级
17、同步方式过零同步自同步自同步过零同步网络类型对等网路主从网络主从网络主从网络五、国内主流载波通信技术比较图五、国内主流载波通信技术比较图 接收方式采用内部AD进行采样，然后进行数字滤波选频算法进行处理。采用无线调频接收芯片处理后送入芯片处理（已集成到芯片中）滤波器受温度影响大，一致性不好采用无线调频接收芯片处理后送入芯片处理（MC3361）滤波器受温度影响大，一致性不好采用无线调频接收芯片处理后送入芯片处理（MC3361）滤波器受温度影响大，一致性不好发送方式采用推挽发射电路进行发送采用推挽发射电路进行发送采用MOS管结合选 频电路进行发送采用功率合成电路，在不提高电源电压的情况下功率增加一倍
18、五、国内主流载波通信技术比较图五、国内主流载波通信技术比较图 方案成本及系统运行费用成本较低，若可用的话开通和维护费用少成本适中，系统调试和运行费用高成本适中，系统调试和运行费用高成本适中，系统调试和运行费用高一天24小时整点抄收成功率（300户）很难保证完全抄收很难保证完全抄收很难保证完全抄收很难保证完全抄收单表实时点抄1-6秒3-10秒3-12秒3-30秒实测情况比较（基于我们在小港村的现场测试环璄进行实测）点对点抄收能力差，组网能力较好点对点抄表能力一般，组网能力一般点对点抄表能力一般，组网能力一般点对点抄表能力较好，组网能力较差六、技术交流六、技术交流针对电网的特点，如何提高信号的抗衰减能力？针对电网的特点，如何提高抗干扰能力和提高接收灵敏度？选择合适的组网中继技术，如何科学有效的自动组网？谢谢！
