电力线载波通讯技术（精选10篇）
电力线载波通讯技术 篇1
0 引言
低压电力线载波P L C通信是以低压配电线 (3 8 0V/2 2 0 V电力线) 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[1]。低压电力线载波通讯技术充分利用电力线现有资源, 逐渐成为电力系统应用中的主流通信方式。但由于低压电力线具有传输环境恶劣、信号衰减大、干扰特性强以及时变性大等特点, 低压电力线载波技术发展受到了牵制。经过研究表明低压电力线信道虽然环境恶劣但仍具有一定的规律性, 通过研究噪声、阻抗、衰减这三个基本参数, 了解电网的信道特性, 以提高电力载波通信的可靠性和有效性。
1 低压电力线载波通讯技术的发展
1 8 8 3年, 爱德华戴维提出用遥控电表来监测伦敦无人点的电压等级;2 0世纪2 0年代, 国外开始对低压电力线载波通信技术进行研究;1 9 3 0年, 西门子公司在德国波兹坦建立了低压配电网和传输媒介的波纹载波系统;1 9 5 8年至1 9 5 9年间, 美国德克萨斯元件公司的R o b e r t N o y c e最早发明了电力线载波通信集成电路;1 9 7 1年, I n te l公司的T e d H o ffl发明了电力线载波通信集成电路;2 0世纪8 0年代, 多家企业开始研发可现场运行的低压电力线载波芯片;1 9 9 7年, 中国电力科学研究院开始对我国低压配电网传输特性和参数进行测试与分析;2 0 0 0年左右, 国家电力总公司颁布了关于电力线载波集中抄表技术的若干技术条件;自2 0 0 3年开始, 电力线载波抄表的应用进入快速增长的阶段, 多家企业载波芯片进入市场。
2 低压电力线载波通讯技术的特点
由于低压电力线本身是为用电设备传送电能设计的, 而不是为通信设计, 因此其信道特性在很多方面难以直接满足载波通信的要求。经过研究表明, 低压电力线信道虽然环境恶劣, 存在阻抗匹配性差、噪声干扰不可预测、信号衰减强烈、信道特性时变性高等特点, 但仍存在一定的规律性。通过研究电网的噪声、阻抗、衰减这三个基本参数, 发现其具有周期性趋势。原因是电网周波为5 0 H z, 在每个交流电供电周期内, 交流电压有两次电压过零时刻, 也就是工频过零时刻。
2.1 噪声
(1) 时域趋势。噪声本身是随机时变, 但由于电网周波是5 0 H z, 噪声也具备1 0 0 H z/5 0 H z周期性趋势。
(2) 频域趋势。中频噪声相对于低频噪声普遍较弱, 从6 0~5 0 0 k H z一般有2 0 d B u V的减小。
(3) 幅度趋势。过零点噪声一般较弱, 非过零点噪声变化更加丰富, 峰值噪声一般比过零点噪声大1 5 d B u V。
2.2 阻抗
(1) 幅度趋势。阻抗变化范围大, 最小时会小于1Ω;对于不同的布线和电器类型, 应该存在感性和容性, 但目前只发现感性。
(2) 时域趋势。随时间变化呈现1 0 0 H z/5 0 H z周期性变化趋势;过零点时刻与非过零点时刻存在差异;在一段时间内, 阻抗变化较恒定。
(3) 频域趋势。随频率增加阻抗值有增大也有减小, 因地而异, 但整体趋势有明显峰与谷;在相同地点, 各频点变化趋势较恒定。
2.3 衰减
(1) 幅度趋势。低压电力线是非均匀、不平衡的传输线, 存在反射、驻波等复杂现象, 因此, 信号衰减幅度与传输距离不仅仅是传输的距离越远, 信号衰减越厉害的关系。
(2) 频率趋势。衰减最大出现在2 5 0 k H z左右, 但由于受到负载产生的共振现象和传输线效应的影响, 在其他频点也会使衰减出现突然地增加。
(3) 时间趋势。衰减也存在1 0 0 H z周期性趋势的变化。过零点时刻与非过零点时刻存在差异, 但在一段时间内, 衰减变化比较恒定。
3 低压电力线载波通讯关键技术比较
为了提高通信的可靠性和有效性, 可辅助性地采取一些措施, 如增加发射信号功率、提高接收设备灵敏度以及采用合适的耦合电路及新的信号检测方法[2], 也可采用合适的调制技术或中继技术[3]。从调制技术来看, 目前流行的扩频通信技术主要有直接序列扩频、线性调制、O F D M、跳频、跳时以及各种方式的组合扩频技术。
对目前流行的电力载波通信技术的比较分析如表1所示。
由表1可知, 参数的变化由低压电力线信道环境所决定, 比如电网的阻抗幅度和相位角度变化明显且各地区别差异存在随机性, 幅移键控A S K和相移键控P S K的调制方式很难保证可靠的通信质量;O F D M和调频技术在目前通信环境下可具有很好的抗衰减和抗干扰能力, 但如何实现220V载频信号耦合是一个技术难题, 特别是多点在一个位置并联时相互衰减的问题;并且目前电能信息采集系统中载波电能表成本太高, 无法真正大面积应用。因此, 部分厂家在充分结合低压电力线信道特性和行业需求下, 选择几种调制方式相结合的组合调制方式。
4 结语
低压电力线载波通讯技术已逐渐成为智能电网建设中最主流的通讯方式, 具有巨大的潜力和市场应用前景。其优势在于利用已有的低压电力网作为信息传输的信道, 避免了新的通信网络的投资与建设。随着低压电力载波通信技术的发展, 大大提高了电力载波通信的速率、传送数据量、抗干扰能力, 载波技术的发展一定会在智能电网建设中发挥出重大的作用。
摘要：介绍低压电力线载波通讯技术的发展历程, 结合国内电力线载波通讯技术的发展, 阐述了电力线载波通讯技术的特点, 并对低压电力线载波通讯关键技术进行比较。
关键词：电力线载波,远程抄表,线路通信干扰,调制解调
参考文献
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[3]吴易丈, 胡北珍.载波通信技术在低压集抄中的应用[J].大众用电, 2008 (4) :41-42
电力线载波通讯技术 篇2
1回波损耗(反射损耗)不小于10dB，
2在额定满功率发信情况下外线谐波电平不大于-26dBm。
3停信状态下外线残余电平不大于-10dBm。
4在工作大气条件下额定频率误差不大于+30Hz。
5移频频率间隔(FSK)
±500Hz，±250Hz，±125Hz。
6允许并机频率间隔
同相并机：3B(其中B=4kHz);
邻相并机：紧邻。
并机介入损耗不大于1dB，
7收信机工作频带宽度
`f_0`±1kHz;`f_0`±0.5kHz。
8收信机总防卫度
应满足第6条规定的并机条件。
9收信灵敏起动电平
+4～+14dBm，或0～+10dBm(FSK)。
10载波专用收发信机用于相位比较式保护，输入50Hz工频对称调制(180°∶180°)方块波，在自发自收和最大收信裕度下的收信输出方波信号宽度不大于195°;收信裕度为3dB时，收信输出方波信号宽度不小于170°。由上述条件确定的最大收信裕度不小于15dB。
11信号传输时间(不包括信道时间)
浅析电力载波通信技术的应用 篇3
【关键词】电力载波通信技术；应用；特点
PLC是电力载波通信技术的简称，然而在广义上PLC技术包含的是两方面的内容，一个是简称为DLC的配电线路载波技术，这项技术主要是面向自动化的配电网络的，将面向进户及户内线路的技术简称为PLC，运用电力线路进行通信，能够避免重新进行线路的铺设，并且电力线路的覆盖范围相当的广泛，因此低压电力载波通信技术收到了越来越多得关注，本文就将结合电力载波通信技术的特点及其发展做出分析探讨。
一、电力载波通信技术的特点
（一）电力载波通信具有时变性及随机性
（二）电力载波通信具有复杂的输入阻抗特性
（三）电力载波通信具有较强的噪声干扰
（四）电力载波通信的过程中信号的衰减较大
二、电力载波通信技术分析
（一）扩频载波通信技术
扩频技术指的是将需要传输的信息进行扩频，使其在一个比信息的带宽要宽的多的频带上进行传输，接收端在接受到信息之后，首先要进行信息的解扩，将接受到的信息恢复到其扩频之前的带宽，其主要的过程如下图所示。
在近些年的电力载波通信技术中，扩频载波通信技术的发展非常的迅速，广泛的应用于军事的通信中，并且具有十分重要的地位，随着各种先进技术的发展与普及，扩频载波通信技术也在很多的民用通信中得到了较为广泛的应用，扩频载波通信技术在信息的传输过程中，运用了伪随机编码技术，对需要传送的信息进行了调制，对传输的信息数据进行频谱的扩展之后，再进行信息数据的传输，在信息的接收端，再采用相同的编码对接受到的信号进行解调，如此得到想要的信息数据，信道的容量可以通过香农公式来进行计算，信道的容量与带宽及信噪比等因素有关，香农公式的具体的表达式为：“C=Blog（1+P/N）”，式中，C表示的是信道的容量，B表示的是频带的带宽，P/N表示的是信噪比，式中的信噪比与带宽是可以进行互换的，想要在传输信息的过程中，用任意小的差错率及相同的信息率进行传输，如果频带的带宽有所增加，可以相应的降低信噪比。
通过以上的分析发现，扩频载波通信技术的信号的隐蔽性能较强，并且具有很好的抗干扰性能，对于低压电力线路网络中的大量的噪声的干扰及各种随机性的干扰具有较好的适用性。
（二）传统的电力载波通信技术
在传统的电力载波通信技术中，主要的传输方法是运用载波调制的方法，通信采用的传输方式是频带传输，常用的调制方法有：PSK，FSK，ASK，通过此种方式能够将携带有有用信息的数字信号的频谱，通过一定的方式搬移至较高的载波频率上，相移键控系统由于具有较好的综合性能，广泛的应用于载波通信技术当中，频移键控系统对于传输带宽的要求较高，需要较大的传输带宽，因此在低速的数据传输当中通常采用这种调制方式，在实际的电力载波通信的应用中，很少用到幅值键控的调制方式，因为该系统通常具有较差的误码率指标；频移键控系统在数据的传输过程中对电力线路的质量的依赖通常比较小，因为该系统在传输的过程中，使用的是两个频率不同的高频载波来进行数据的传输，通过调制，传输的信号是由0、1组成的序列，这能够有效的防治传输线路中噪声的干扰，对于频繁变化的电力线路的阻抗也具有很好的适应能力，另一方面，该种信号在传输的过程中只需要较窄的频带即可以完成信号的传输，为了提高信道的利用率，可以对频带进行有效的划分，实现信号的多路传输，这种传输方法，既大大提高了信道的利用率，又有较好的抗干扰性能，频率的调制技术发展较为成熟，在实际的应用中也是十分的广泛的，将其应用于电力载波通信当中，使通信系统兼具了系统简单、成本低廉的特点，广泛的应用于日常的生产生活当中。
（三）电力载波通信技术的应用
国外关于电力载波通信技术的研究较早，很多公司在研究的过程中都研发出了自主研究的电力线载波Modem芯片，并制定出了相关的使用范围标准，在国外的研究中，很多国外的电力线载波Modem芯片的研发都是结合其本地区的电网结构及电网的特性来进行研发的，国外在进行芯片的研究时，主要的研究方向是将其应用于家庭内部的自动化进行设计，下面将介绍几个典型的芯片。
比较早的电力线载波芯片的典型代表是XR2210/XR2206，关于它的研究开发并不是为了专门针对电力线载波，它是一组调制解调的芯片，采用的是FSK的调制方式，它还能应用于其它的通信领域，如无线与有线的通信当中，另一种采用FSK调制解调方式的芯片是LM1893，这款芯片只是在普通的FSK调制解调芯片上做了小范围的改进，这两种芯片在我国都没有应用。
PLT-22电力载波芯片是针对工业控制网来进行设计的，这款芯片是Echlon公司推出的，其中采用了多种的容错、纠错技术，调制解调技术采用的是BPSK，该芯片的价格较高。
INT51X1芯片具有较高的传输速率，它是一种基于PLC宽带接入的调制解调芯片，它采用的是OFDM技术，该芯片能够利用高频特性来实现对数据的高速传输，使用的过程中不需要复杂的编程，只需要进行简单的初始化即可，使用起来非常的方便。
由以上的分析可以看出，载波信号的调制解调是电力载波通信技术的核心内容，运用低压的电力线路进行数据与信息的传输，不需要重新进行传输线路的铺设，十分的方便，随着电力载波通信技术的发展进步，电力载波通信的抗干扰能力、数据的传输容量、通信速率各方面都在不断的提高，在国内市场中的应用也越来越广泛。
三、结束语
电力载波通信技术是运用已经存在的低压电力网络进行数据与信息的有效传输，随着电力载波通信技术的不断发展，电力载波通信技术中存在的缺点，各方面的技术在不断的改进，在以后的发展过程中电力载波通信技术将会得到越来越广泛的应用。
参考文献：
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电力线载波通讯技术 篇4
1电力线载波通讯技术原理和常用技术介绍
1.1电力线载波通讯技术原理
电力线载波通讯技术是利用电力线为传输介质, 将信号调制到高频载波当中进行通信的一种方式。电力线载波通讯技术的形成初期, 都是采用电力线路作为信息的传输通道, 利用载波将模拟信号进行高速的传输具有通道可靠性高, 可同时复用远动信号的优势, 也是唯一一种不需要线路投资的有线通讯方式。此外, 不用电压下的电力线载波通讯技术所在的应用领域有很大的不同, 因此又被划分为高压电力线载波通讯技术、中压电力线载波通讯技术、低压电力线载波通讯技术。
1.2电力线载波通讯中常用的技术分类
1) 基于FSK基础的载波通信技术。FSK是信息传输初期使用的一种调试方式, 此类调试方式的优点是, 具有抗噪音和抗衰减的良好性能。这种基于FSK基础的载波通信技术在中低速的数据传输中的得到了广泛的应用。在数字化的今天, 电脑通信网络上的数据传输大部分都是采用FSK调试信号。2) 基于PSK基础的电力线载波通讯技术。在信息传输的过程中, PSK和FSK这两种调制方式在本质上具有很大的不同, PSK也是信息传输早期的一种调试方式, 又称之为相移键控。 它是通过改变载波信号相位值的方式进行信号的调试, 具体用数字信号1, 0来表示, 其中1代表调制后的载波和未调试的载波处于同相位, 0则表示调试后的载波与未调试的载波处于反相位。3) 基于OFDM基础的电力线载波通讯技术。OFDM的中文含义是正交频分复用技术, 这种技术是一种不连续的多音调技术其目的是将载波中不同频率的多种信号合并成一种单一的信号, 从而完成整个信息数据的传输。此外, 这种技术还有较强的抗杂音干扰能力, 因此经常用于一些抗干扰能力较强的传输介质, 从而方便数字信号的传输。OFDM主要用于军用的无线高频通信系统, 但是因为OFDM自身系统结构具有较强的复杂性, 因此进一步推广的步伐较为缓慢。然而, 随着现代化科学技术的发展, 研究人员借助于如今的高科技技术不断的简化OFDM的系统结构, 进一步的扩展器领域范围。4) 载波路由技术。载波路由技术的形成初期是一种静态形式的路由方式, 需要技术人员根据现场的实际情况采用中继方式, 将事前预设的载波节点作为固定的中继器, 运用制定的路径进行载波信号的传输。因为这种路由方式是静态方式, 所以在载波信号的传播上会造成很大的不便。随着时间的推移, 人们借助于科学信息技术也逐渐的改良了静态的路由方式, 将其转化为动态的路由方式。这种动态路由方式的使用主要是依靠节点之间的信号接收和数据转发, 但是其传播速度较慢, 时效性较差。之后, 研究人员在动态路由方式的基础上进行了改良和优化, 就成为今天的分布式动态路由方式。分布式动态路由方式的工作形式较为简单, 将集中器和各个载波点看作是对等的通信点, 其中每一个节点都可以搜索到路径并且可以随时进行数据的转发, 其中各个载波点也可以主动的进行信息的上报, 使得信息的传输更加的灵活, 时效性更强且成功率较高。
2电力线载波通讯技术在用电信息采集系统的应用
电力线载波通讯技术在用电信息采集系统的应用主要划分为四个阶段分别是技术研究阶段、少量试点阶段、大规模使用阶段和大规模试点阶段。
2.1技术研究阶段
电力线载波通讯技术在用电信息采集系统中技术研究阶段的使用期是在1980年到2002前后。在这段时期, 电力企业厂商进行了大量的电力线载波通讯技术的实验, 在调制方式上也采用了FSK和PSK等调试方式, 其总体的研究思路是实现集中器和台区内电能表的点对点通信, 但因为当时技术条件的限制, 并不能满足该实验目的。
2.2少量试点阶段
少量试点阶段是在2002年到2006年。在这段时期内, 电力线载波通讯技术的研究人员已经意识到点对点通信的较难实现, 因此积极转入对中继器的研究和应用, 进而取得较好的研究成果, 大大的提高了超收的成功率。
2.3大规模试点阶段
大规模试点阶段的起始期为2006到2009年, 在这个时期内无论是电力线载波通讯技术的理论研究还是技术研究都已经日渐成熟, 并且在技术方面还研发了无线技术, 由目前的电力线载波通讯技术发展来看, 采用对中载波通讯技术的结合已经是用电信息采集系统的必然趋势。这种形式的发展无论是在国内市场还是在国际市场都具有较为广阔的发展空间。
2.4大规模使用阶段
在2009年至今随着电力线载波通讯技术研究日益成熟化发展, 在用电信息采集系统应用也越来越广泛, 并且国家还颁布了 《电能信息采集与管理系统》使得电力线载波通讯技术在用电信息采集系统的应用有了强有力的法律政策支持, 进一步的推动了电力线载波通讯产品在用电信息采集系统建设中的应用, 并且逐渐成为现今用电信息采集系统的重点技术项目主要表现在全载波方式和半载波方式的应用当中。
2.5电力线载波通讯技术在用电信息采集系统的应用案例
在2009年5月国家电网公布“智能电网”计划, 因为这个时期电力线载波通讯技术在用电信息采集系统的发展已经进入了大规模使用阶段。因此, 为了进一步的证实电力线载波通讯技术在用电信息采集系统中重要的应用价值。载波通讯技术的研究部门特意建设一个智能电网, 从而提高电网大范围优化配臵资源能力。而这种配臵能力的提升需要智能化的终端的支持, 因此需要一个较为成熟的电力线载波通讯技术进行节点之间通信的传输。
与此同时, 产生的远程数据不需要通过载波传输, 再加上电力线载波通讯技术的传输不需要新增敷设缆线所以其成本较为低廉。与RS485接口双绞线方式和无线方式以及有线电视网等通讯方式相比较, 电力载波通信技术具有天然的媒介和成本优势, 这也就是国家电网将其作为用电信息采集系统的首选技术的主要原因。
3结束语
综上所述, 针对电力线载波通讯技术在用电信息采集系统的研究, 可以发现电力线载波通讯技术的发展是长时期研究成果的不断结合, 才使得电力线载波通讯技术呈现多样化的方式发展, 并且在用电信息采集系统的应用占据着越来越重要的位置。多种载波通讯技术的结合以及载波通讯技术和无线技术或是路由技术的结合已经成为当下用电信息采集系统发展的必然趋势, 这一成果的运用也会推动国家电网行业的发展。 然而, 电力线载波通讯技术在研究上还存在一定的局限性需要研究人员进行不断的完善和创新, 才能不断的提升信息传输的时效性和成功率, 进一步的完善电力企业的发展。
摘要：本文就以电力线载波通讯技术在用电信息采集系统中的应用为研究课题, 系统的进行阐述和研究。
电力线载波通讯技术 篇5
基于电力线载波通信的智能家居系统嵌入式网关设计智能家居系统基本任务之一，就是能够通过Internet网络对各类电器实现操作控制。由于主要家居电器本身就由220V供电，因此利用电力线 实现设备监控是一种非常有效的方式。面向服务于智能家居系统的嵌入式网关设计，着重阐述了设计思路、芯片选型，以及电力线通信模块及其协议设计等关键技 术，并实现了以太网到电力线协议转换的软硬件设计。基于Internet网络，对连接于电力线的多类家用电器进行实际测试，结果表明系统运行稳定，监控功 能可靠，相关技术具有很好的实用价值。
智能家居系统，既涉及到家庭中各种高端信息设备的互联互通，也涉及到对家庭中各种照明、安防、电 器和基础设施之间的联网以及相互间的自动控制，最终为用户提供一种安全、舒适且方便的智能化和信息化生活空间。其一个基本的功能要求就是能通过电话线或因 特网实现对各种家用设备（如空调、热水器）的远程使用和操作控制。
“智能家居系统嵌入式网关设计”必须立足于满足需求，选择最佳技术方案，以自主技术为基础，充分考虑国内外家庭网络目前的发展现状和已有的标准（或规范），开发具有自主知识产权的家庭网络及其产品，并构筑安全、可靠且实用的家庭局域网络。
系统整体设计
家庭网关是智能家居系统的核心部分，各个不同协议子网之间的互联和信息共享都需要通过网关进行，而且网关还负责家庭局域网接入Internet。为适用 于普通的家庭用户，网关一般设计为嵌入式设备，并采用TCP/IP技术和高性能微处理器实现。家庭嵌入式网关应该能够实现CAN现场总线、Zigbee无 线通信和电力线载波等多种通信协议，同时具有Internet、GPRS和GSM等多类接口，以支持各类数据的传输。用户可通过有线和无线的以太网，以及 通过手机短信等多种方式，实现授权行为下的*浏览和家庭智能设备控制。
电力线载波通讯技术 篇6
PLC因为其开发速度快, 稳定性高, 与外部逻辑开关、传感组网后被广泛的用于工业控制中。PLC与外部设备组网通常使用流行的现场总线方式, 这种方法往往需要铺设专用的通讯电缆, 不仅要缴纳高额的软件使用费用, 硬件电路上也要增加很多成本。利用电力载波方式组网, 能利用已有的电力线进行数据通讯, 无需额外铺设通讯电缆。而且通过设计简单的协议栈既能满足大多数设备与PLC的组网, 无需软件使用费用, 节约开发成本[1]。
2 系统硬件架构设计
系统硬件电路主要包含有主处理控制器和外围电路。主处理器采用HLPLCS520F, 包含有FSK调制解调器和MSC51微控制器, 起到协议解析和控制作用[2]。外围电路主要包含有发送、接受电路和PLC接口电路, 起到数据放大驱动的目的。系统框架图如下图1所示:
HLPLC520F集成了控制器和调制解调器, 控制器作用是读取PLC的输出端口状态后转换为数据存储在存储器内, 并将该数据发送到FSK调制解调器中, FSK调制解调器将数据转换为频率信号, 通过载波发送电路送到电力线上。通过电力线送到目标设备中。目标从站获得来自PLC的输出端口信息后, 并知晓PLC端口状态, 能改变自身相应的状态与PLC相对应[3]。
同样的外部设备将状态信息送到从站的控制器中, 从站控制器将数据发送到从站FSK调制解调器中, 转化为频率信号, 送到通过电力线送上, 主站从电力线读取数据经过FSK解调后将数据送到控制器中储存, 控制器再将数据送到PLC中。以此实现PLC与远程设备的组网。PLC主站与外部从设备连接图如下图2所示:
3 系统软件协议设计
系统是主PLC控制下多从站的主从模式, 在通讯协议上采用了一主多从的控制方式。为了提高整体网络的工作效率, 数据通讯只允许主从间的数据交换, 不允许从节点的数据通讯[4]。主站控制着通讯信道的使用权, 在主站允许的情况下, 从站才可以向电力线上发送数据。外部从站主要进行逻辑开关的操作, 同时部分传感器要读取感应数据送给PLC, 所以PLC与外部设备通讯主要以逻辑关系传送为主, 允许部分简单数据指令, 所有数据帧结构如下图所示:
构如下图3所示:
报文头以9BH开头, 发送到电力线上的从站节点接收载波信号。地址段为16位数据, 可以提供65536个地址, 其中一个为主机地址一个为广播地址, 实际可用于从站的共65534个地址, 足够满足PLC的需求。控制段2位代码告诉从站其后数据的作用, 如果是逻辑开关器件, 那么后面数据就是动作指令, 如果是传感器等设备, 那么有可能是检测到的数据等信息。数据传输过程可能会受到环境的干扰出现数据错误, 为了保证数据的准确无误, 采用海明校验的方法对前面数据进行校验[5]。26位数据要5位校验码, 这样可以达到海明距离为3, 可以检测出两个错误位并能修正一个错误位。通过海明校验有效的保证了数据的绝对可靠。协议设计保证从站设备能实现接入电网后的自动组网, 利用分槽式ALOHA[6]方法把信道时间分成离散的时间槽, 每个站点只能在时槽开始时才允许发送, 某个从站如果在前面的时间槽占用了信道, 则其它从站等待下一次机会, 直到自己获得使用权后才可以发送数据。通过ALOHA实现了外部设备的即插即用, 大大提高了系统的实用性能。
4 总结
现场总线的组网方式硬件成本高, 开发较为复杂, 且要交纳一定的软件使用费用。为了实现低成本、高稳定性的PLC与外部设备组网, 本文简述了基于载波通讯方式的PLC组网网络系统设计, 设计了适合PLC通讯系统的电力载波通讯专用网络通讯协议。本文所述设计已成功应用于多家公司, 效果良好。
参考文献
[1]廖惜春, 任敬哲, 杨志高.基于电力载波的可寻址LED路灯智能监控系统设[J].照明工程学报, 2014.
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电力线载波通讯技术 篇7
电力载波通讯(Power line Communication),简称PLC,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;它具有可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点,是一种应用比较普遍的通讯方式。
物联网(The Internet of things)是由具有自我标识、感知和智能的物理实体基于通信技术相互连接形成的网络,这些物理设备可以在无需人工干预的条件下实现协同和互动,为人们提供智慧和集约的服务。胡锦涛总书记在十七大报告中指出:发展现代产业体系,大力推进信息化与工业化融合,促进工业由大变强,振兴装备制造业,淘汰落后生产能力。其中提出了两化融合的概念,物联网是实现两化融合的重要基础。本文重点阐述基于电力载波通信的物联网的可行性及相关案例。
2 电力载波通讯及智能物联网
电力线载波通信技术出现于20世纪20年代初期[1],20世纪90年代中期,电力线载波通信的制式从模拟电力线载波通信一跃迈入了数字电力线载波通信时代,为电力线载波通信的技术进步和应用拓展奠定了坚实的基础。2001年,全部采用数字调制和滤波的数字载波机研制成功,并迅速在国内得到广泛使用。该通讯技术的最大特点是不需要重新架设网络,体现在现实中就是不需要对现有建筑物进行修整,只要有电线,就能进行数据传递。当前,电力线载波通信的应用范围已从电力调度通信,扩展到更广泛的数据采集、继电保护、远方抄表、系统监控、图像传输、直流输电、配网自动化、小水电控制及IP网络等方面。而“物联网”的兴起,也为电力载波通讯的发展带来了无限空间。电力网是全球最大、覆盖面最广泛的网络资源,电力网上加载的终端数量远超过无线和专线的终端。洗衣机、电视、空调等电力网的终端都可以通过电力载波技术纳入互联网,实现信息的交换、通讯和管理控制。
“物联网”的概念于1999年由麻省理工学院的Auto-ID实验室提出[2],将书籍、鞋、汽车部件等物体装上微小的识别装置,就可以时刻知道物体的位置、状态等信息,实现智能管理。Auto-ID的概念以无线传感器网络和射频识别技术为支撑。1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议Mobi-Com1999上提出了传感网(智能尘埃)是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇[3]。同年,麻省理工学院的Gershenfeld Neil教授撰写了“When Things Start to Think”一书[4],以这些为标志开始了物联网的发展。2005年11月17日,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,正式提出了“物联网”的概念[5]。通俗地讲,物联网就是万物都可以上网,物体通过装入射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统(GPS)或其他通讯方式,按约定的协议,与互联网相连,形成智能网络,物品间可自行进行信息交换和通讯,管理者通过电脑或手机,可实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。
物联网的核心在于互联,是在互联网的基础上进行信息交换和通讯。目前传输信息的手段很多,国内许多市场主体大都采用无线射频或专线铺设来进行信息传输。
无线射频识别(RFID),即利用无线射频来阅读一个小器件(称为标记)上的信息的技术。如公交卡、门卡都应用了无线射频识别技术。而利用无线进行数据传输可能有不少盲点,由于无线的覆盖密度、组网方式会受到建筑密度的影响,随着障碍物的不断增多,铺设的成本也会越来越高。而对于专线铺设,由于专线是低电压,所以信号可能比较弱,不方便进行数据控制,要想实现数据控制,就需要在终端进行加压处置,这对于成本会有不小的增加。
如果说当前物联网技术在很大的层面上是概念的炒作的话,那么它和PLC结合则就可以创造出成熟的商业模式,PLC被喻为“物联网的新力量”。
3 基于电力载波通讯的智能物联联网
物联网包括传感网络、传输网络、应用网络三部分。如图1所示,传感网络由各种具有感知能力的设备组成,包括摄像头、GPS、传感器和M2M终端、传感器网络和传感器网关等设备,在这一部分主要实现感知和识别物体,采集和捕获包括交通、电力、家居、农业、水利、环镜等使用场景所产生的相关信息。传输网络将传感网络所获取的相关数据信息通过嫁接了智能电表的电力载波通讯网络与互联网形成的融合网络,实现信息传递和处理。应用网络通过物联网综合处理平台与行业专业应用结合,实现广泛智能化的解决方案集。
4 应用案例
应用案例一:智能家居。实现智能家居控制,就是将电力载波技术集成后嵌入到家用电器中,再利用家庭已有的电力线作为载波通讯媒介,实现智能设备之间的互联互动,例如:操控电器开关及查询电器状态、探测燃气泄露等,为家庭安防提供有力保障。
应用案例二:能源管理。当前,我国的资源消耗、环境污染等问题日益突出,如何有效实现节能减排,只靠自觉性和环保价值观宣传不能根本解决问题,最好的方式就是在水、电、气、热四大能源消耗量化表上准确计算出用户应支付的费用,对是否发生跑冒滴露有直接的定位和捕捉,在一般的家庭户中肯定有不少的障碍物----墙壁,它会给无线传输造成障碍,而家庭电力线是已铺设好的,所以采用电力载波通讯非常适宜。
应用案例三:特定情况下的应用。某博物馆拥有悠久历史的建筑,线路很复杂,单独进行专线铺设,不免穿墙凿洞、毁坏古迹;那么馆方在进行节能施工以及物联网建设时采用电力载波通讯就是很好的解决方法。
5 结语
在现有电路上采取智能嫁接技术,省去了无线和专线架设的麻烦和开销,就可以对世界上最多的终端进行管理控制,市场潜力无疑相当巨大,也是非常节能环保的。电力载波通讯技术将成为物联网新技术的有益补充,具有广泛的应用前景。
摘要：物联网因其巨大的应用背景而引起广泛的关注,而信息传输网络作为物联网的重要组成部分其实现方式也是多种多样;本文提出采用电力载波通讯来实现物联网的信息传输,并详细分析其可行性,最终给出相关应用案例。
关键词：电力载波,物联网
参考文献
[1]潘莹玉.我国电力线载波通信的现状与发展[J].中国电子商情,2001(2):53-56.
[2]http://www.autoidlabs.org/page.html.
[3]Kahn JM,KatzRH,PisterKS J.Next century challenges:mobile networking for "Smart Dust"[c]// Proceedings of the 5th anDua[ACM / IEEE international conference on Mobile compuring and networking (MobiComl999).August 1999.
[4]Nell G.When Things Start to Think[M]. New York:HenryHolt 1999.
电力线载波通讯技术 篇8
关键词：互联网,电力载波通讯,家居智能系统,功能单元模块
电力载波通讯 (PLC) 是电力系统特有的通信方式, 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设置通信网络, 只要有电线, 就能进行数据传输。但是电力载波通讯因为有如下缺点, 导致PLC技术应用未能展开。
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内传输;三相电力线间有很大信号损失以及较近距离不同相间可能会收到信号, 所以一般电力载波信号只能在单相电力线上传输;电力线存在固有的脉冲干扰, 即市电50赫兹交流电周期过0点时所产生的脉冲, 时间约2ms;电力负荷对载波信号造成衰减, 负荷过重时线路阻抗可低至1欧姆以下, 造成对载波信号传输距离的影响可能从几千米削减到几十米。
随着家居智能系统的兴起, 给PLC应用带来了一个新的转机。在目前的家居智能系统中, 以PC机为核心的家居智能系统最受青睐。该系统理念就是, 随着PC电脑的普及, 可以将家用电器及设施需要处理的数据交给PC机来完成, 这样就需要在家电与PC机间构建一个数据传输网络。现在使用的多是无线数据传输技术, 但是在家居环境中, 墙壁的阻隔作用对无线传输的距离和质量影响较大, 特别是在别墅和跃层住宅中这一影响更加明显。设置专用网线除了增加成本外, 家电也无法根据需要移动位置。
PLC技术利用电力线进行数据传输的特点, 无疑成为了解决智能家居数据传输的最佳途径。同时因为数据仅在家居范围内传输, 制约PLC应用的几个因素已不明显, 远程控制也能通过互联网先联接到PC机终端然后再控制家用设施的方式来实现。
PLC作为利用电力线组网的一种接入技术, 具有极大的便捷性, 只要有电源插座的地方不用专设网线就可享受高速宽带网络接入, 从而实现集数据、语音、视频及电力于一体的“四网合一”。
电力载波在我国大概有数据传输 (电力猫) , 多媒体传输 (视频音频, IPTV等) , 指令传输 (抄表系统及部分智能家居) 等技术应用。这些已不是新技术, 但是在我国为什么没有看到大规模的应用呢?除了人们的接受需要时间外, 还与国家电网的质量以及电力载波系统的成本有较大关系。在远距离的情况下, 由于国家电网质量及载波芯片设计等原因, 电力载波方式上网带宽一般只能达到1-7M。并且我国普通宽带大部分在4-8M左右, 这样用普通宽带上网或跑IPTV其实就是一样的效果。现在我国的网络电视IPTV也不超过3M, 所以电力载波网络终端产品与高带宽产品对于用户是一样的。在带宽输入一样的情况下对传输的稳定性和可靠性方面的要求非常重要, 市场上流行的电力载波芯片和网络终端产品已经有了自动检测电网环境的功能, 使得电网环境的影响变的微乎其微。在QOS方面有8-16等级使信号传输更加稳定。所以电力载波产品有了稳定性和可靠性的保证则非常适合音频和流媒体的传输。另外, 电力载波产品可实现自动组网, 2个终端的距离一般在200M左右。通过中继功能可使几个终端传输的距离加长到1公里以上, 非常适合于电力远程抄表系统、家庭局域通讯和各种监控系统。
近几年, 随着互联网的发展和移动互联网的兴起, 基于电力载波通讯技术的互联网家居智能科技已由互联网PC机终端逐步延伸至移动智能终端, 因其技术特点和结构组成与PC机终端又有所不同, 使得这种家居智能系统在原有基础上变得越来越复杂才能满足需求。加之, 在享受高速宽带网络PLC接入方式便捷性的同时, 宽带AP平台的电力线损耗、电磁辐射污染以及分散的每个家居智能设施网络功能的必要和繁复, 无形中增加了这种家居智能实现方式的成本和健康安全隐患。
要解决上述问题, 一种可行的方案就是:只将家居智能系统所需的控制和通讯数据通过电力载波各单元模块直接调制到电力线上, 利用电力线路传输至电力载波各种联络及控制终端和智能家居电力载波中央处理及网络单元, 经过解调分析出相关信息用于电力载波控制和联络终端以及联网用于PC机终端或移动智能终端。此方式与文章前面谈到的宽带网络最后一公里电力载波入户方案的区别在于:电力线路是被用于传输已调制有用信息的载波信号而非宽带网络信息的传输载体;好处在于:一般载波通讯只在有需要时 (实时控制和通信) 才会有信号输出, 没有需要时只是普通的电力传输线。工程实践时在电力线重点路径使用屏蔽线可以最大限度的消除可能的电磁污染和人身安全隐患。再者, 由于性能要求相对简单和侧重点的不同, 承担家居自动化、智能化的功能集成和联网通讯的中央处理、电网环境及网络单元模块可以相应的要求简单和便于实现。
1下面, 我们就简要来谈谈互联网及移动互联网家居智能化系统的另一种构成及其运行分析。
(1) 家居智能电力载波开关模块系列。此系列包括电力载波编码发送及受控对象状态检测单元、电力载波接收解码受控执行及状态回馈单元。控制方式为既可以点对点配对使用, 也可以多点混合分散控制使用, 由此构成从载波通讯、控制及状态显示等全面的电气开关控制功能。又可以由智能家居中央处理单元集中联接互联网利用PC机终端或移动智能终端来控制和进行状态显示。按用途及负荷性质可分为普通断续开关模块, 调功、调压、调频开关模块等。示例如图1、图2所示。
(2) 家用电器电力载波接口单元模块。我们试以现有的普通电视机与红外遥控器之间的通讯联系和控制为例, 来简要说明家电电力载波接口应用实现的可能性:先于电视机红外接收电路处加装一只电力载波接收电路, 利用其接收经过解调的控制信号去代替红外接收头实现对电视机的控制;同时对现有的红外遥控器加装电力载波发送单元模块以替代原有的红外发射电路或两套控制方式互相转换并行不悖。由于成功的将红外遥控系统改造成载波远控及红外遥控双功能遥控系统, 使用中不但增加了便利, 还因为普通电视具备了接收电力载波信号的能力, 这样, 结合家居智能中央处理单元模块强大的网络及载波编码控制和解析能力, 就可以很方便地实现移动互联网智能终端实时操控电视机的功能。
据上, 家电只要在内部配备电力载波通信模块, 设计好程序, 便可实现对原有家电的改造。家电厂家结合物联网科技应用电力载波通讯技术进行家电智能化一体设计, 便可轻松实现自动化、网络化和高度智能化。
(3) 安防、消防电力载波单元。
(4) 各种家居智能传感及检测载波单元。
(5) 通用型家用电器电力载波接口。所谓通用型家用电器电力载波接口模块与家用电器载波改造模块类似, 可替代各种专用模块使用, 和专用及一体化设计的家居各种载波单元模块相比具有使用简单, 易于实现。中央单元解析信息量小, 开发简单, 成本较低。缺点是功能简单, 自动化、智能化程度低。
(6) 智能家居电力载波中央处理、电网环境及网络单元。此模块是智能家居系统的处理核心。承担载波信号采集, 编解码和发送, 安防、消防等状态监控任务, 各种家居智能传感器检测数据。可实现多种方式的控制、数学建模以及运算输出, 实现家居智能化设施的定时、记忆及自适应等自动控制功能, 还可以通过其中的网络单元接入互联网, 利用互联网PC机终端或移动互联网智能终端及其应用实现远程监控家居智能系统运行状态的目的。所以中央处理单元需要能实时处理多任务操作, 以高效地驱动外围模块运行。
由于电力载波家居智能自成系统, 高度一体化, 能否长距离高效运行很大程度上处决于电网环境对载波传输的影响。此单元内集成的电网载波干扰抑制器能有效抑制家居智能系统相邻干扰, 高效利用载波频率及编、解码资源。
(7) 家居智能电力载波各种联络及控制终端。
(8) 互联网PC机终端和移动互联网智能终端及其应用软件。
基于电力载波技术的通讯控制系统, 是家居智能化得以实现的一种新模式, 是对传统通讯控制系统的拓展。由于使用电力线作为载波信号的传输媒介, 因此具有信息传输可靠, 路由合理、可同时复用信号等特点。由于电力线和信号线合一, 无须铺设信号线, 人们原来使用和维护习惯都不受影响。由于家居智能系统的信息量相对较小, 电力载波传输速度慢的缺点不突出。因此, 电力载波通讯技术在家居智能化应用特别是在中速率传输应用方面, 因其可靠性高、造价低廉等优点, 具有显著应用价值和市场开发前景。
参考文献
[1]电力线载波通信技术协议[S].
[2]深圳市必威尔科技有限公司产品技术说明[S].
浅谈宽带载波通讯技术的应用 篇9
按照国家电网公司2009年发布的“建设坚强智能电网”规划, 我国智能电网建设将包含发电、输电、变电、配电、用电和调度共六个环节, 具有信息化、数字化、自动化、互动化的技术特征, 到2020年, 中国电网的资源配置能力、安全稳定水平, 电网与电源和用户之间的互动性得到显著提高。可见, 如何有效搭建用户与电网之间沟通桥梁, 提供安全可靠的用电信息采集服务, 是实现电网数字化、自动化、互动化的基础, 同时也是电力公司增强电网综合服务能力, 满足互动营销需求, 提升服务水平的必然要求, 可以预见用电信息采集系统将在我国智能电网配用电部分建设中起到至关重要的作用。
用电信息采集系统依托光纤、无线和电力线载波等通信技术构筑的网络, 通过采集器、集中器、智能表计、用户智能交互终端等设备, 在用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接, 从而实现电力、信息、应用数据的高速传输和远程家电控制等功能。相对其它通信技术, 宽带电力线通信技术采用低压电力线作为传输介质, 具有线路资源丰富、传输速率高、网络建设成本低等技术优势, 有望在未来用电信息采集系统的网络建设中发挥重要的作用。
1智能电网用电信息采集系统应用现状
近年来, 各地供电公司根据各自的应用需求, 也陆续开展了智能电网用电信息采集系统的试点建设, 在负荷预测分析、电费结算、需求侧管理、线损统计分析、反窃电分析及供电质量管理等业务中取得了一定的效果。然而, 调研和分析结果表明:这些仅仅作为试点建设的智能电网用电信息采集系统规模小、分散孤立, 总体采集覆盖率低, 只占到电网公司经营区域内电力用户总数的不到5%, 离上述的总体目标还相差甚远, 无法满足公司系统各层面、各专业准确掌控电力用户信息的需求。
究其原因, 已经试点建设的智能电网用电信息采集系统之所以没有进行大规模的推广应用, 除了受系统规划、标准建立、运行管理及资金投入等各方面因素制约以外, 更重要的因素是电表数据采集系统的通信方式不能满足现实的需求。
目前, 国内现有的电力用户抄表系统在从电表或采集终端到抄表集中器的本地通信方式上, 大都采取的是485布线、窄带低频电力线载波或无线的通信方式。这些抄表系统或者是施工量太大, 不方便大范围实施 (如485布线) ;或者是受电力线负载特性的影响较大, 而造成通信信道的不稳定不可靠 (如窄带低频电力线载波) 。而它们的共同弱点都是带宽过窄、速率过低、实时性差、不能实现双向快速通信等, 因此已建系统的实用化程度低, 无法满足供电公司建设用电信息一体化采集平台的需求, 更不能满足用电预付费、断复电和防窃电等更高层面上的管理需求。因此, 大多数供电公司没有把握进行大范围的推广应用, 现在仍以现场人工抄表为主。
因此, 供电公司要打造适合于各层面、各专业共享的用电信息一体化采集平台, 能够满足线损的统计与计算、供电用户用电负荷曲线分析和异常用电情况查询, 实现对电力用户的远程通断电控制和预付费管理等更高的管理需求, 就必须升级智能电网用电信息采集系统的通信方式, 以确保系统的数据通信是实时的、快速的、可靠的、稳定的。而如同其它工商业用户信息与控制网络一样, 网络宽带化将是是智能电网用电信息采集系统发展的必然方向。
2电力线宽带通信的技术特点
电力线宽带通信 (Broadband Power Line Communication, 简称BPLC) 技术, 是以太网技术发展的分支。它采用先进的OFDM通信编码技术, 利用覆盖范围最为广泛的电力线作为高速数据通信的载体, 可以免布线、低成本地实现用户的数据终端接入宽带通信网络, 适应了现代节约型社会的建设需求。国内宽带PLC的应用起始于1999年原国家电力公司的科技项目, 并在2001年由原国电通信中心组织开始采用BPLC产品, 在北京居民区进行电力线上网试验, 随后在北京正式开展电力线上网商业化试运营, 在上海、南京、深圳等各地大中城市, 也都相继出现了推广电力线上网的企业, 使得全国的电力线上网用户达到了近十万户。
国家电网公司“电力用户智能电网用电信息采集系统建设领导小组”颁布的建设模式及技术方案研究报告中, 将电力线宽带载波技术列为居民用户用电信息采集本地通信的主要通信方式之一, 指出“宽带通信占用频带宽, 数据传输速率高, 数据容量大, 双向传输, 无需另外铺设通信线路, 安装方便、可以方便地将电力通信网络延伸到低压用户侧, 实现对用户电表的数据采集和控制”, 认为“相对窄带载波通信, 宽带载波安全性更好, 通信可靠性更高, 这种模式适合用户电表集中的城市台区, 能够通过网络实现预付费功能。”国家电网公司对该技术的科学评价, 将极大地推动基于电力线宽带通信技术的电力用户智能电网用电信息采集系统的大规模推广应用。
电力线宽带通信技术充分利用现有的配电网络线路, 无需布线, 可以较大程度上节省网络建设投资, 符合我国建设节约型社会的宗旨, 也是低成本实现用户终端宽带网络化重要手段之一。因为传统的以太网建设需要敷设大量的光纤和双绞线, 安装大量的网络交换设备。尽管光纤和双绞线可靠性高, 但施工量太大, 而且安装技术要求高, 造成初装成本高, 目前尚不适宜于电力用户计量终端网络的建设。电力线宽带通信以电力线为载体, 覆盖范围广、无需布线、建设投资小, 而且终端连接方便, 接入电源就等于接入网络。因此, 利用供电公司380V/220V低压供电网络, 完全可以建立起从局端直达每个低压用户的端到端的宽带通信网络, 既可以为供电公司远程用电管理的各种应用提供统一的宽带通信平台, 又可以为其它基于互联网的社区、楼宇与家庭的诸多应用提供经济实惠的宽带传输手段。
3电力线宽带通信在抄表领域与其它通信方式的比较
3.1抄表领域的主要通信方式
在抄表领域, 本地通信信道的主要方式包括RS-485总线、窄带电力线载波、宽带电力线载波和短距离无线等。
3.1.1 RS-485总线。
RS-485是一种双向、半双工通信的工业总线标准, 允许多个驱动器和接收器挂接在总线上, 数据信号采用差分传输方式, 具有较高共模范围 (-7V至+12V) 。其优势在于资源消耗小, 易于实现, 成本低廉, 信号传输可靠性高, 因此得到了广泛的应用。但每条RS-485总线上的终端数量有限, 多台设备共存时需要分级转发, 因此系统安装调试复杂;因终端共用总线, 任何一个节点故障都会导致总线无法通信, 因此故障排查工作量大;RS-485总线的实现需要敷设专用线路, 施工量大, 容易遭受外部电磁干扰和人为破坏。
3.1.2窄带载波通信方式。
低压窄带载波通信技术是指载波信号频率范围≤500kHz的低压电力线载波通信, 数据传输速率较低。采用这种通信方式时无需另外铺设通信线路, 安装方便、可以方便地将电力通信网络延伸到低压用户侧, 实现对用户电表的数据采集和控制, 适应性好。因为电力线信道具有信号衰减大、噪声源多且干扰强、受负载特性影响大特性, 从而降低了低压窄带载波通信的可靠性, 使其推广应用遭遇一些技术障碍, 需要在应用时采用软、硬件技术结合完成组网优化。因此低压窄带载波通信方式适用于电能表安装位置分散、布线困难、用电负载特性变化较小的台区, 例如城乡公变台区供电区域、别墅区等。
3.1.3电力线宽带通信方式。
低压电力线宽带通信技术指载波信号频率范围>1MHz的低压电力线载波通信。低压电力线宽带通信占用频带宽, 数据传输速率高, 数据容量大, 双向传输, 无需另外铺设通信线路, 安装方便、可以方便地将电力通信网络延伸到低压用户侧, 实现对用户电表的数据采集和控制, 适应性好。因其采用较高频率的载波信号, 在电力线中信号衰减较快, 因此在长距离通信中, 可通过在适当条件下加装中继方式实现可靠传输。电力线宽带通信所使用的频段在电力线上干扰较少, 通信可靠性更高、更稳定, 安全性更好, 这种模式适合用户电表集中的城市社区, 能够通过网络实现预付费功能。
3.1.4无线通信方式。
无线通信的频段是工业科学医疗 (ISM) 频段微功率, 包括433MHz、868MHz (欧洲) 、915MHz (美国) 和2.4GHz, 节点间的通信方式包括点对点、固定中继和自组网等类型。无线通信方式主要包括ZIGBEE、微蜂窝及由这些技术衍生出来的类ZIGBEE等方式。无线通信的优点在于安装简便, 无需布线, 适应性强。但因其标准不统一, 实现方式各异, 性能参差不齐。除了距离衰减外, 建筑物、天气、空间电磁干扰等外部环境变化都会对无线通信造成影响, 因此无线通信方式在抄表领域的应用也必须根据现场环境, 采用中继、转发、组网等方式来实现数据的传输, 使其推广受到阻碍, 更适合于作为其他本地通信方式的补充形式。
3.2通信方式对比
综上所述, 各种通信方式都各具特点, 根据国家电网公司“电力用户智能电网用电信息采集系统建设领导小组”提供的有关研究报告, 抄表系统的几种通信方式的优缺点比较如下:
总体来说, 电力线载波方式, 包括窄带和宽带电力线通信在系统可实现性上具有优势, 但在两者相比较来看, 宽带电力线载波通信方式无疑具有较高的技术水平和性能, 在速率、可靠性、扩展性上的优势尤为明显, 其主要理由如下:
3.2.1宽带载波作为以太网技术发展的一个新分支, 是基于已经过广泛验证的TCP/IP网络协议, 因而具有完善的链路层和网络层数据保护与验证, 远非各种窄带载波的结点组织和中继算法可比。
3.2.2宽带通信速率高, 每个IP包在毫秒级时间内即完成数据传输, 可大大降低遭受突发干扰的影响, 即使一次通信失败, 也可按照带冲突检测的载波侦听多路访问网络协议 (CSMA/CD) 迅速重发, 确保数据可靠。
3.2.3宽带载波芯片大都基于高性能32位核心和DSP技术制造, 在技术等级和性能上都具有优势。
3.2.4即使是在窄带载波较有优势的通信距离上, 目前的宽带载波设备也可通过自身已具备的自动路由选址和中继组网机制, 可以更好的满足端到端的通信解决方案。
3.2.5基于TCP/IP机制的宽带载波, 通信性能高、速率快、稳定性安全性高、扩展能力强, 应用于低压用户集中抄表的本地通信, 可确保抄表数据的通信成功率和准确率, 是实现电力营销将来预付费管理模式的可靠平台。
4基于电力线宽带通信技术的低压用户集中抄表系统
4.1系统简介
基于电力线宽带载波技术的低压用户集中抄表系统, 就是把先进的电力线宽带通信技术 (BPLC) 和智能化抄表技术相结合, 实现电表实时数据采集与宽带传输于一体的新一代低压用户集中抄表解决方案。
本系统适用于电力用户集中的城市台区, 如居民小区和普通工商业用户。所采集的电表类型包括带有RS485通讯接口的普通单相、三相电子表。系统的特点是:利用台变以下的低压电力线作为通信传输介质, 采用电力线宽带通信模块进行数字信号的调制和解调, 免布线、低成本地实现用户终端电表的网络化采集环境。
4.2系统架构
基于电力线宽带载波技术的低压用户集中抄表系统以城镇公用配变台区或居民小区 (多配变台区) 为采集单位, 对该配变台区或居民小区的全部居民电表 (还包括配电台区的单、三相工商业用户电表) 以及配变台区的总表进行用电信息采集, 并远程上传给局端主站系统。局端主站系统通过系统构建的宽带通信网络, 可以实现对用户电表的远程通断电控制和未来的预付费管理等网络服务功能。
4.3系统架构说明
基于电力线宽带载波技术的低压用户集中抄表系统可根据部署位置分为主站、通信信道和采集设备三部分。系统的架构如图1所示。
4.3.1系统主站
主站部分的物理结构主要由数据库服务器、应用服务器、通信前置机、防火墙设备以及相关的网络设备组成。建议单独组网, 与营销应用系统和其它应用系统以及公网信道采用防火墙进行安全隔离, 保证系统的信息安全。
4.3.2通信信道
通信信道分为远程通信信道和本地通信信道。
远程通信信道是指系统主站与远端网络集中器之间的通信信道, 主要包括光纤信道、GPRS/ADSL公用网络信道、230MHz无线电力专用信道等。由于光纤信道的高带宽、高速率和高可靠性, 在有条件的情况下建议将电力通信光纤专网向配网延伸至每个台区, 覆盖全部10kV线路, 以确保骨干通信网络的专有性和安全性。
本地通信信道是指网络集中器与采集器、采集 (下转第277页) (上接第261页) 器与电能表计之间的通信信道。网络集中器与采集器之间通过电力线宽带通信技术, 形成以电力线为传输介质的高速IP网络。采集器与电能表计之间的通信信道为RS-485总线。
4.3.3采集设备
采集设备指安装在现场的终端及计量设备, 主要包括网络集中器、电力线宽带载波采集器以及电能表计等, 分别介绍如下:
1) 网络集中器:
用于收集各采集终端的数据, 并进行处理储存, 同时能和主站或手持设备进行数据交换。集中器具有以太网络接口, 下行与采集器之间的通信采用电力线宽带载波技术, 完成集中器对采集器的数据收集和集中管理。上行通过电力专用的光纤网络, 或电信运营商的GPRS/ADSL信道, 上传抄表数据给系统主站, 并接受主站的管理指令, 完成对用户电表的集中控制与管理, 未来可通过电表实现预购电管理功能。
2) 电力线宽带载波采集器:
用于采集多个电能表的电能信息, 并通过电力线宽带载波信道与集中器交换数据。
3) 电能表:
系统支持带有RS-485通信接口的电能表。
5结语
采用电力线宽带通信技术的智能电网用电信息采集系统, 不仅大大提高了信息采集工作效率, 而且可为供电企业提供远程用电管理的双向通信平台, 建立用户与电网之间实时、互动的数字网络, 实现全采集、全覆盖、全费控功能, 创建用电新型电力营销管理模式, 提供其它网络增值服务功能, 为实现智能电网营销自动化, 提高营销和服务管理水平创造了技术条件。
摘要：在智能电网建设中, 用电信息采集系统是信息化、数字化、自动化、互动化电网的重要组成部分。本文简要分析了我国当前用电信息采集系统的发展现状及未来系统建设需求, 比较了电力线宽带通信技术和其它通信技术的特点, 提出了电力线宽带通信技术在未来智能电网用电信息采集系统中的应用方式和前景。
关键词：宽带载波,优缺点,探讨
参考文献
[1]曹建权, 严登俊, 韩敬东.电力系统通信技术的发展[J].江苏电机工程, 2004 (3) .
低压电力线载波通信技术及应用 篇10
低压电力线载波PLC(Power Line Carrier)通信是以低压配电线(380 V/220 V电力线)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[1]。电力线网络是目前覆盖范围最广的网络,有着巨大的潜在利用价值[2]。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。我国电力网比较独特,直接利用国外先进技术和产品并不能取得令人满意的效果。目前国内参与低压电力载波通信研究的公司、高校及研究机构日益增多,已经在通信信道的特性分析和建模、关键的调制技术的研究、通信芯片及相应产品的研制和应用、市场化运营及相关法规制定等方面取得了一定的成果。在此形势下,本文对低压电力载波通信技术的各个方面进行了分析和总结,旨在阐明其发展历程、关键技术以及发展趋势,为进一步研究提供参考。
1 发展历程及现状
1.1 国外的发展情况
国外利用电力线传输信号已经有一百多年的历史。如早在1838年,埃德华戴维就提出了用遥控电表来监测伦敦利物浦无人地点的电压等级。直到20世纪20年代,国外一些著名的公司和研究机构才开始对低压电力载波通信技术进行研究。1930年西门子公司在德国波茨坦建立了用于低压配电网络和传输媒介的波纹载波系统(RCS系统)。该系统能够以最小的损耗通过低压配电网实现对终端设备的管理[3]。1958至1959年间,美国德克萨斯元件公司的Jack Kilby和Fairchild半导体公司的Robert Noyce最早发明了电力线载波通信集成电路。1971年Intel公司的Ted Hoff发明了低功耗的电力线通信微处理器。Intellon公司在2000年2月7日召开的DEM200会议上展示了其高速达1Mbps的Power PacketTM住宅网络技术芯片。德国RWE Plug公司于2001年春季推出了RWE Power Net(电力线通讯上网)、RWE Power School(电力线通讯学校上网)、RWE e Home(智能家庭自动化)三项业务及相应产品。国外各大公司及研究机构的研究工作主要包括:电力载波通信原理、电力通信信道特性分析和建模[4]、电力载波调制技术、通信协议的研究和创新、电力载波通信芯片的研制、现场试验和测试、电力载波通信技术的推广和商业化以及相关组织和标准的建立等。
目前在电力载波通信领域比较有影响力的公司有美国的Intellon[5]、Thomson、Atmel、TI公司、以色列的ITRAN、Main.Net公司、韩国的Xeline公司[6]、瑞士的ASCOM公司、德国的Polytrax公司和西班牙的Ds2[7]公司等。这些公司和机构在低压电力载波通信技术的研究和设备的研制上取得了丰硕的成果,产品的传输速率从1 Mbps发展到45 Mbps。包括这些公司在内的90多家公司组成的Home Plug电力线联盟已经参与并制定了第一个标准草案(Home Plug 1.0 Spec),这个组织正在研究PLC技术标准、市场推进和政府管制政策等问题[8]。
1.2 国内的发展情况
相比国外而言,我国的电力载波通信起步较晚,但发展迅速。最早展开研究的是1997年由中国电力科学研究院进行的对我国低压配电网传输特性和参数的测试和分析。90年代末期,针对国内电网特性而设计的载波处理方案的制定使得早期产品在稳定性上逐步接近实用。2000年我国开始引进国外的PLC芯片,研制了2 Mbps样机。2000年末,国家电力总公司颁布了关于利用电力线载波集中抄表技术的若干技术条件。国家电力公司国电通信中心于2001年初成立了电力线通信推广办公室。2001年底,福建电力实验研究院开发成功了“电力线高速数据通信”技术的核心产品—电力调制解调器及多个相关产品,其传输速率可以达到1O Mbps。2002年初,国家电力公司在北京广华轩小区进行了通过电力线上网的试验,小区用户反映良好。2003年我国成功研制出了EPLC-45M和EPL-14M系统。2006年以中电飞华公司为代表,已在北京开通了5个以上的电力线上网实验小区,用户反映非常满意,只是网速会在特定的时候突然衰减。
近十年来,包括清华大学、西安交通大学和华中科技大学在内的高校和科研单位及国内相关公司对低压电力载波通信进行了大量研究,并取得了一定的成果[9]。国内前期的研究主要侧重于利用国外已有的固化PLC调制技术和芯片进行扩展开发。近几年针对国内配电网的信道特性所进行的调制技术的研究及载波芯片研制取得了突破。但是目前国内相关的法律法规及政策还不健全,如何充分开发和利用宝贵的电力网络资源,实现低压电力载波通信高速、安全和大规模的应用,仍需要很长一段时间的研究和摸索。
2 低压电力载波通信技术的研究内容
2.1 低压电力网络的信道特性分析和建模
低压电力线是一种非均匀分布的传输线,起初只是用来传输电能的,不同于传统的通信传输介质如双绞线、同轴电缆、光纤等。与国外相比,我国的低压电力网络的信道特性十分复杂,通信环境也相当恶劣[10]。主要体现在:
(1)该信道是时变系统,而且存在多径效应。由于信道是时变系统,信道的传输函数随时间变化而变化,会引起接收端信道的频率弥散性和时间选择性衰落。而多径效应的存在将导致信道的时间弥散性和频率选择性衰落。
(2)存在各种干扰和噪声。电力线信道的噪声多干扰强不能简单地归结为加性高斯白噪声。下面表1是各种噪声的比较。
(3)电力线路的阻抗小而且阻抗随着信号频率和时间的变化而变化,这对载波信号的衰减非常严重。
(4)信号的衰减与传输距离和信号的频率有关。信号传输的距离越远,信号的频率越高,则信号的衰减就越大,但具体关系也无法确定。
为了克服各种噪声和干扰、降低信号的衰减,对低压电力通信信道的分析和建模就显得尤为重要。但由于其频率、时间和地理位置等的不确定性,很难建立一个精确的数学模型[11~14],但是建立一个能反映通道基本特征的近似模型却是可能的[15]。文献[16]通过将噪声状态分组,并引入过渡状态,建立了基于分群马尔可夫链的脉冲噪声统计模型。文献[10]提出可以用带加性干扰噪声的时变线性滤波电路作为低压电力线的信道特性参考模型。文献[17]提出可以从调制方式上用扩频调制技术来提高系统的抗干扰和抗噪能力。
2.2 关键技术分析
为了提高通信的可靠性和有效性,一方面可以辅助性地采取一些措施,如增加发射信号功率、提高接收设备灵敏度以及采用合适的耦合电路及新的信号检测方法[18]。另一方面是采用合适的调制技术或中继技术[19]。而从调制技术来看,目前流行的扩频通信技术主要有直接序列扩频、线性调制、OFDM、跳频、跳时以及上述各种方式的组合扩频技术[20]。
下面是对目前流行的电力载波通信技术的比较分析:
1)直接序列扩频(DSSS)技术,就是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。它具有抗干扰能力强、能抵抗多径干扰、对其它电台干扰小、不易被截获、可以同频工作和便于实现多址通信的优点,而且是目前在我国应用最为广泛的一种低压电力载波技术。
2)OFDM技术,是先把一组高速传输的串行数据流转化为低速的并行数据流,再将这些并行数据调制在相互正交的子载波上,实现并行数据传输。在接收端对并行数据流分别进行解调,再进行并串转化,从而得到原来的串行数据流[21]。它可以有效地克服电力线信道多径效应和频率选择性衰落的影响,减少线性失真和码间串扰[22]。但是由于子载波中心频带之间分隔较开,子载波数少,带宽利用率不高,继续增多载波数量的潜力也受到了限制。此外,OFDM子载波采用不同调制方式(例如QPSK、QAM)对系统的误码率产生的影响也不一样,其中QPSK具有更好的可靠性[23]。文献[24]提出了采用Altera公司的APEX20K系列可编程逻辑器件PLD的OFDM基带硬件解决方案。若将混沌跳频技术引入OFDM系统的编码中,构造出混沌跳频正交频分复用系统(CFH-OFDM系统),可以提高系统抗信道噪声的能力,并能改进通信系统的安全性[25~27]。
3)多载波码分复用(MC-CDMA)技术,就是将OFDM技术应用于CDMA技术[28],先将每个信息符号先经过扩频,再将扩频后的每个chip调制到一个子载波上,然后通过信道进行传输。在接收端需要先后进行OFDM解调、解扩以及并串变换,从而检测出原始信号。该技术具有较强的抗干扰能力和极高的频带利用率,能有效地避免时延扩展所带来的负作用,相比OFDM技术更能有效地克服子载波受深衰落的影响。
4)链码自适用调制技术,是将需要发送的数据经信号变换形成以“能量密度”表示的链节模板,经窄带调频(FM)载波发送出去。接收方若能在接收模板的指引下顺利识别该模板的“形状”,则进行数据复制、还原出原来的数据。若不成功,原发送方会尝试重发,直到接收成功。该技术能够以较低的成本实现远距离的窄带双工数据通信,而且可在高干扰、高畸变的环境中准确无误地传输数据信息。
5)自动中继技术,是指在通信距离太长或某一段通信不畅时,利用通信中继器为中继转发节点,将需要中继的数据包接收下来并解码后存储在中继器的内存中,等发送方将数据发送完并且总线空闲后再将该数据包重新编码发送到接收方以完成通信。它可以尽可能地避免总线冲突,还可以提高中继信号的质量,降低误码率。由于低压电力线载波通信网络的拓扑结构具有强烈的不确定性和时变性,所以在通信的过程中,要不断地根据当前的网络状况进行路由更新。
2.3 电力载波通信芯片和模块的研制
国外许多公司和研发机构很早就开始了针对其本国电网的专用电力载波通信芯片的研制。国内市场上进口电力载波modem(调制/解调)芯片(如美国Intellon公司的SSCP300芯片和Echelon公司的PLT-22芯片等)并不适宜我国电网的复杂性和时变性,因而难以达到预期的使用效果。目前国内可以使用的芯片主要是国外进口的通用电力载波芯片(如SGS-THOMSON公司的ST7538、ST7540等系列芯片、美国Intellon公司的INT5200芯片、弥亚微电子公司的MT200E芯片等)和国内自主研发的专用电力载波芯片(如北京智源利和微电子技术有限公司的SC1128芯片、北京福星晓程电子科技股份有限公司的PL2101芯片、深圳瑞斯康公司的RISE3201芯片等)。国内的一部分公司和研发单位利用这些芯片进行二次开发,研制出了各种电力载波通信模块,并已经投入到实际应用中,获得了较好的效果。例如四川科强电子有限责任公司开发的KQ-100、KQ-300系列模块、深圳市必威尔科技有限公司的BWP08、BWP10A系列模块等。下面对国内市场上各种芯片及模块进行分类介绍。
2.4 电力载波通信网络组网研究
低压配电网具有物理拓扑和一定的时变性特点,且逻辑拓扑随信道质量而变化,这将严重影响低压电力线载波通信的可靠性。目前许多学者提出从高速电力线通信的组网方式、网络模型等角度展开研究,寻求合适的算法来优化电力线通信网络路由,从而提高通信的可靠性[29~33]。文献[34]对低压配电网窄带电力线通信数据逻辑链路的选择、建立和自动路由等做了研究和探讨,并提出了一种基于非交叠分簇的动态路由算法和网络重构算法,来保证通信网络的有效性。文献[35]提出在低压配电网电力线载波通信中采用网络自组与重构技术,可以自动侦测可通信逻辑节点和最佳中继节点、动态调整路由和配置中继信息以及自动识别节点的投入或切除,从而实现低压配电网中点到点、点到多点的可靠通信。
3 低压电力载波通信技术的应用
3.1 系统基本原理
低压电力线载波通信系统的原理框图如图1所示。该系统由三个部分组成:终端设备部分、管理中心部分和低压电力线部分。
系统以低压电力线作为信号传输的媒介,实现终端设备和主控计算机之间的双向或单向通信。终端设备的信号经过采集等处理后再调制成适合电力线上传输的电力信号,通过耦合电路耦合到电力线上进行传输。由于衰减太大,该电力信号不能直接跨越变压器进行远距离传输,一定程度上限制了系统的通信距离[36]。所以管理中心部分和终端设备部分通常处在同一变电站范围内。管理中心有专门的接收设备,对接收的电力信号先进行解调及其它处理,再通过GPRS或者串口方式将其送到主控计算机。主控计算机会通过程序做进一步的分析和处理,从而实现了主控计算机对终端设备的监测。同样,主控计算机也可以通过逆向路径实现对终端设备的控制。
3.2 在国内的具体应用
低压电力线载波通信技术利用了四通八达的电力供电网络来进行数据通信,具有不占用无线频道资源、无需布线、省工省钱、维护简单的优点。随着社会的发展和电力网络的开放,低压电力载波通信技术在我国的应用也越来越广泛。目前其典型的应用包括家居智能化领域、自动抄表领域以及新型智能化小区领域等等。
3.2.1 家居智能化
随着经济和社会的进步,人们需要构建一个全新的智能化的家居网络,即把分布在住宅各个地方的微控制器、家用电器和PC机连成一个家庭网络,来实现对各种设备的智能化、自动化的管理和使用,同时达到只要有插座的地方就可以接入因特网的目的。由于无需布设信号线,在组网的时候不会破坏住宅内的装饰及美观,也不会改变人们对原有家电的使用习惯。同时系统稳定、成本低廉,因而构建现有基础上的家庭智能化网络成为研究机构和人员首选的组网方式[37,38]。
目前电力宽带上网系统就是家居智能化的一个典型应用。从图2可以看出,电力宽带上网系统由电力调制解调器(电力猫)、PLC设备、PC机、交换机及路由设备等组成。利用低压电力线上网时,先通过专业的电力调制解调器,采用正交频分复用(OFDM)或高斯滤波最小频移键控(GMSK)调制方式将PC机信号调制成特殊的电力信号,然后将该电力信号通过电力线传送到PLC设备中,利用该设备将电力信号转换(解调等处理)成原来的数据信号,然后通过交换机、路由器等设备直接进入Internet,从而实现电力上网的功能。同样,从网上下载资料就是一个逆向的过程。目前电力宽带上网的速度在5~45 Mbps之间。
3.2.2 自动抄表系统
在我国自动抄表行业开始于上世纪80年代,在1998年前后进行了大量的研究。1998~2003年处于试点阶段,发展相对较慢。2003年后逐渐发展到应用推广阶段。到2006年后需求迅速增长,目前处于电力载波抄表发展的高峰期。基于低压电力线载波通信的自动抄表技术已经基本上走向实用阶段[39]。
由图2所示,自动抄表系统主要由终端水表(或电表、气表等)、终端采集器、集中器以及中央主控计算机组成[40]。终端采集器分别通过采集器采集终端表数据,做相应处理后利用直接序列扩频或OFDM调制技术将其调制成适合在电力线上传输的电力信号。在接收端的集中器会实时侦测并接收电力信号,对其进行解调及其他处理后再通过RS-232或RS-485串口方式或GPRS方式上传到中央主控计算机中。主控计算机会根据程序对数据进行分析处理,最终实现远程抄表。
目前该系统广泛应用那些不需要远程停送电功能、月用电量少、电表特别分散、工程施工难度很大的乡镇、农村地区。而且国内已经推出应用于电表行业需求的电力线载波通信芯片。作为最热门的应用之一,基于低压载波技术的自动抄表系统将会向加强低压用户集中抄表芯片物理层通信能力和提高数据传输的安全性方向发展。
3.2.3 新型智能化小区
在现代社会,随着城镇居民数量的不断增加,各个居民小区的数量也大幅增加。如何实现小区的管理自动化、通信自动化和安全自动化,是实现现代化智能小区的主要内容和目的。由于低压电力载波通信技术无可比拟的优越性,各大公司及机构竞相利用该技术设计出各种系统,如水、电、气的远程抄表及供应管理系统、停车场管理系统、公共信息显示系统、小区各种防盗及消防报警系统、室外监控系统、出入口控制系统等等。
如图2所示,设备监控或报警系统和自动抄表系统很相似,唯一的区别在于系统的核心设备是电力载波模块,而且该系统能实现实时的双向通信。在上行通信时,电力载波模块负责监视各个终端设备(如传感器、控制器等),并将其状态信号进行调制处理后耦合到低压电力线上。在远处的接收端,同样有一个载波模块,负责接收来自下面各个载波模块的信号并分别对其进行解调等处理后上传至主控计算机中。如果发生异常或紧急情况,主控计算机会立即发出控制信号,通过相同的路径向下传输,最终实现对终端设备的控制或报警功能。
其实,对于各种商用大厦、办公大厦、酒店和宾馆等,低压电力载波通信技术同样具有广泛应用前景。
4 结论