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基于低压电力线的通信技术与应用

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  【摘 要】低压电力线载波通信指的是对已有的低压配电网进行利用使之成为传输媒介,来实现数据的传递以及信息交换的一种通信技术。它最大的优点是可以对已有的低压配电网加以利用,从而能够减少对于新的通信网络的投资以及建设。本文主要对低压电力线载波通信的特点进行了详细分析,并对其发展慨况及现状进行了系统的阐述。
  【关键词】电力载波通信;特点;技术;应用
  低压电力线载波通信是以低压配电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,电力线网络覆盖范围的广泛决定了其具有相当大的潜在利用价值。国外对此研究已有近百年的历史,在理论和技术上有着绝对的优势。我国外对其进行的研究起步很早,到目前为止也取得了相当大的成绩,而我国电力网络比较独特,同时对这项技术的研究也直到近些年才开始,这些都决定了我们积极进行这项技术研究的迫切性。
  1低压电力线载波通信的特点
  1.1存在大量噪声干扰
  有实验结果显示,大量存在的噪音是影响低压电力线上数据优质传输的主要原因之一。通常对电力通信质量产生影响的噪声主要有3种:(1)背景噪声,其分布于整个通信频带;(2)周期性噪声,其中包括了周期性脉冲干扰以及周期性的连续干扰;(3)突发性噪声,其产生原因是由于用电设备的断开或者是随机接入。有研究表明,对低压电力线载波通信的质量产生最大影响的是脉冲干扰。
  1.2信号的衰减
  低压载波通信的另一个难点是在传输过程中信號的衰减。同时,因为低压配电网时直接的面向用户,导致其负荷情况较复杂以及各节点阻抗不匹配,这会造成信号产生反射以及谐振等现象的发生,这样就使信号的衰减变得十分的复杂。总的来说,随着传输距离的加大信号的衰减也会增加。
  1.3干扰的随机性以及时变性
  由于低压配电网时直接面向用户的,所以其干扰又有随机性以时变性的特点。用户负荷会随机的接入以及切除,并且网络结构也会出现由于不可抗拒因素而引起的变化例如雷电等,这些原因都使得干扰具有很强的随机性以及时变性,从而就导致很难能找到一个准确的数学模型来对其加以描述。
  2国内外发展状况
  国外对于用电力线来传输信号的历史已有一百多年。例如早在1838年,就有人提出利用遥控电表来对伦敦利物浦无人地点的电压等级进行监测。一直到上世纪20年代,国外才对低压电力载波通信技术开始进行研究,其研究主要工作有电力载波通信原理、电力载波调制技术、电力载波芯片的研制、电力通信信道特性分析与建模以及电力载波通信技术的推广与商业化等等。
  与国外相比较,我国关于电力载波通信的研究开始时间比较晚,但是发展迅速。最早开始研究的时间为1997年,中国电力科学研究院对我国低压配电网进行了传输特性以及参数的测试与分析。近十年来,各高校以及研究单位都对低压电力载波通信技术进行了大量的研究,并获取了一定的成果。近几年,我国在针对配电网的信道特性进行了载波芯片的研制以及调制技术的研究,并取得了较大的突破。但能够实现低压电力载波通信的高速、大规模以及安全应用还是需要往后长时间的研究。
  3低压电力载波通信系统基本原理及主要技术的比较分析
  3.1系统的基本原理
  其系统的组成有三个部分:终端设备、管理中心以及低压电力线。系统将低压电力线作为信号传输的媒介,使终端设备与主控计算机之间的单向或是双向的通信得到实现。终端设备的信号在进行了处理后经调制形成适合在电力线上进行传输的电力信号,并通过耦合电路在电力线上实现传输。由于信号的衰减性大,因此管理中心和终终端设备的距离不能相隔太远,一般在同个变电站的范围内。
  3.2主要电力载波通信技术的比较分析
  (1)直接序列扩频技术。利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱,而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩,把展开的扩频信号还原成原来的信号。直接序列扩频方式是直接用伪噪声序列对载波进行调制,要传送的数据信息需要经过信道编码后,与伪噪声序列进行磨合生成复合码去调制载波。它的特点是抗干扰的能力强、能抵抗多径干扰、不易被截获、对其他的电台干扰小、方便实现多址通信以及能够同频工作。同时,这是当前我国应用最广泛的低压电力载波技术。
  (2)多载波正交频分多址(OFDM)技术。其实现数据并行传输的原理是先将一组高速传输的串行数据转换成低速的并行数据,之后对这些数据进行调制,使它们在相互正交的子载波上。在数据传输到接收端时,进行并行串转化,这样就能得到原先的串行数据流。这种技术的优点是可以对电力线信道多径效应以及频率的选择衰落进行有效的克服,减少线性的失真以及码间的串扰。
  (3)多载波码分复用(MC-CDMA)技术。其原理是将OFDM技术在CDMA技术中应用,将每个信息符号先进行扩频,之后把每个扩频后的chip调制在一个子载波上,在通过信道来进行传输。在接受段需要对信号进行OFDM解调、解扩和并串变换,使原始的信号被检测出。该技术的优点是抗干扰的能力强以及对极高的频带有较高的利用率,同时能够有效的延时扩展带来的负作用被避免,其与OFDM相比,能够使子载波受到深衰落的影响得到有效克服。
  4低压电力载波通信技术应用领域
  4.1家居智能化
  家居智能化即将住宅的各个电器如微控制器、家用电器以及PC机连接成一个家庭的网络,从而实现对各种设备进行智能化以及自动化的使用与管理,因为不需要布置信号线,所以在组网时就不会对住宅内的美观进行破坏。因此电力线载波通讯技术在家居智能化应用方面有着广泛的前景,特别是在中速率传输应用方面,因其具有可靠性高、造价低廉优点,故可以与″蓝牙″相媲美。
  4.2自动抄表系统
  伴随着城市住宅建设日益发展,居民数和独立电能表数迅速膨胀,传统的人工抄表方式已难以适应新的变化。所谓自动抄表系统就是自动采集各种计量表的读数(如:电表、水表、煤气表、冷气表等),现在采集数据方法有:电话线、无线电、电力线和红外线等等。电力线载波抄表系统则是利用现有的电力线为媒介进行数据收集。不但有效降低系统的成本同时可以方便快捷地实现自动化抄收。利用计算机的强大功能抄收的数据可以立即处理形成报表,同时由于双工通讯可以很容易做到监控用户用电参数、欠费断电等其他系统没有的功能。
  4.3新型智能化小区
  智能小区是指通过综合配置住宅区内的各功能子系统,以综合布线为基础,以计算机网络为区内各种设备管理自动化的新型住宅小区。通常智能化大厦是“三A”系统,即:1.安全自动化(SafeAutomationSystem):包括室内防盗报警系统、消防报警系统、紧急求助系统、出入口控制系统、防盗对讲系统、煤气泄漏报警系统、室外闭路电视摄像监控系统、室外的巡更签到系统;2.通讯自动化(CommunicationAutomationSystem):包括数字信息网络、语言与传真功能、有线电视、公用天线系统;3.管理自动化(ManagementAutomationSystem):包括水、电、煤气的远程抄表系统、停车场管理系统、供水供电设备管理系统、公共信息显示系统。低压电力载波通信技术有无可比拟的优越性,因而在智能大厦、智能小区底层通讯方式的选取上,各公司不约而同的把电力载波通讯作为首选。
  (作者单位:烟台东方威思顿电气有限公司)
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