低压电力线载波抄表系统优化

电力网络是一种非常广泛的基础设施，几乎在每一个建筑中都有电力线，利用电力线进行数据通信，显然可以节省不少投资。

电力线按电压等级可以分为高压线 （35k V 以上）、中压线 （10～35k V）、低压线（10k V以下）。高压和中压电力线的载波通信主要用于电力公司生产的调度和安全系统，由于线路系统结构相对简单、维护良好、线路参数稳定，高压电力高频载波通信运用非常好。但低压电力线是用来传输工频信号的，不可能考虑高频通信技术的特殊要求，载波通信难度很大。在此我们仅对低压电力线载波技术进行讲述。

（1）低压电力线通道传输特性的特点。

低压电力线主要是传输工频强电信号，它无处不在，有电力线才会有电能表，如果能够在低压电力线上传输电能表数据信号，将会彻底解决抄表问题。但低压电力线作为数据传输线难度很大，低压电力线通道传输有以下特点。

1）时变性大：随着负荷变化频繁，低压电力线对于某一频率信号的衰减变化在1s内可以达到20dB，同时在1s内信噪比的变化也达到10dB。

2）衰减特性：信号的衰减来自于耦合衰减和线路衰减，信号的衰减一般达到40～100dB/km。对特殊的负载，如电容器负载、支线和分接头等，衰减更大。

3）干扰噪声大：由于各种电器的使用，尤其是变频装置和开关电源等负载，对信号产生很大的影响。

到目前为止，价格可以接受而且性能优越能够达到理想实用的技术还没有出现，科研人员仍在继续攻关。

（2）低压电力线载波通信技术。

电力线载波通信技术分低带宽载波技术和高带宽载波技术，低带宽技术的载波频率范围在0～500k Hz，而高带宽在1～30MHz，能够提高数据传输速率，实现电力线上网等功能，主要介绍低带宽载波技术。

1）数字调制和解调。调制（modulation）是用基带信号去控制正弦波的参数的过程。用于调制的基带信号称为调制信号（modulating signal）。被调制的正弦波称为载波 （carrier）。经过调制以后的信号称为已调信号（modulated signal）。调制在传输系统的发送端进行。在接收端，接收设备要将原来的基带信号从已调信号中恢复，这个过程称为解调（demodulation）。双向传输系统中的传输设备既要完成调制功能，又要完成解调功能，因此成为调制解调器（Modem）。调制和解调原理如图5.16所示。

图5.16　调制和解调原理示意图

一个正弦载波有3个参数，分别为幅度、频率和相位，它们都可以受调制信号的控制而发生变化，因此对应地就有幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）3种调制类型。

2）低带宽的电力线载波技术国外20世纪70年代就开始研究，出现了多种技术，其中有3个重要协议：X—10、CEBus、LonWorks形成并流行。

a.X—10。X—10是最老的电力线载波通信协议，是美国家用电器自动化的先驱。它是一种通过电源线路传递信号，为住宅用户提供简单廉价的照明、电器和安全控制的公认标准。X—10总线最早为单工工作方式，从控制模块到被控模块，近几年才推出了双向通信模块。协议中，使用的调制技术是振幅移位键控（ASK），信息被编码为高频脉冲信号，然后在交流过零点，把120k Hz的振幅调制载波的信号叠加在交流电力线上。为了保证每一位信息的高可靠性，限制数据传输速率为60bit/s。如图5.17所示。ASK信号调制说明如下。

调制时：当信码为1时，ASK信号的波形是若干个周期的高频等幅波；当信码为0时，ASK信号的波形是零电平。

解调时，将对ASK信号进行包络检波和取样，判决后恢复原来的调制信号。图中带通滤波器用于滤除传输过程中引入的干扰和噪声；包络检波器用于提取信号的幅度值，取样判决器用于对检波后的信号进行重新定时和整形。

由于传输速率很低，而且抗干扰能力不高，X—10没有得到广泛应用。

b.CEBus。CEBus是用户电子总线的意思，由美国电子工业协会 （EIA）制定。在通信协议中，物理层是以Interllon公司的专利扩频技术为基础。扩频技术是扩展频谱技术的简称，它的频带远大于传送所必须的最小带宽。展宽频带的作用是为了提高信号传输的信噪比。

图5.17　ASK信号调制示意图

我们知道在信道中不可避免地存在着干扰与噪声，并且信道的频带宽度也总是有限的，因此信道传送信码的能力会受噪声和带宽的限制。信道极限的传输能力（也就是信道最大的信息传输速率）称为信道容量。当系统信息的传输速率超过信道容量时，系统误码率将会大大增加。香农公式指出了信道容量C与信道带宽B 和信噪比S/N 的关系，即

上式表明，增加信道的传输带宽或提高信号传输的信噪比都可以增加信号容量，或者说信道传输带宽与传输信噪比之间可以互换。从信号的角度看，如果将信号的频带展宽，就可以在信号功率较小而干扰或噪声较大时获得较低的误码率。以扩展频谱的方法换取信噪比的提高。

扩频技术通过一种伪随机编码对信号的频谱进行扩展，伪随机编码是一种具有特殊规律的周期信号，如周期为12的伪随机编码，在一个周期内其1和0码的出现是随机的，既具有随机性，又有一定的规律，可以人为的复制和产生。扩频可以直接对基带信号进行，称为直接扩频；也可以对已调信号进行，称为跳频。

下面对直接扩频进行简单介绍：

直接扩频应用非常广泛，它直接用伪随机码序列在发送端扩展基带信号频谱，在接收端用相同的伪随机码进行解扩，还原成原始的信号。图5.18为系统组成和原理框图。

图5.18　直序扩频载波组成原理图

图5.18中，数字基带信号首先与伪随机码（PN码）相乘，随后与正弦波相乘并通过带通滤波器，得到射频宽带信号。在接收端，信号经带通滤波器滤波后先与本地载波相乘并通过带通滤波器，得到基带扩频信号，然后再与PN码相乘解扩，恢复原始数字基带信号。

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图5.19　信号扩频和解扩图示

在图5.19中给出一组信号，表示信号的扩频和解扩过程。其中图5.19 （a）是要传输的信号，其码元长度为Tb；图5.19 （b）为PN码序列，图5.19 （c）为扩频后的信号。

如果在接收端用完全相同的PN码对它进行解调 （再相乘一次），就可以恢复出图5.19 （a）信号。

c.Lon Works。Lon Works是Echelon公司研制的一项技术，它采用的是窄带扩频调制技术，频带范围为125～140k Hz，此技术已非常成熟，有着很好的应用前景。

（3）低带宽电力线载波通信技术要求。

1）低压电力线载波要求的载波频率范围内，信号电平小于规定上限，电力行业标准DL/T 698—1999中对此有明确的规定，在标准测试条件下，测试的信号频率以及信号输出电平符合下面要求。

a.信号频带：3～500k Hz，优先选用9～95k Hz。

b.最大输出电平，见表5.6。

表5.6　最大输出电平

c.标准测试电路。

2）数据传输可靠性要求。如图5.20所示。

试验室内：一次抄读成功率不小于97%；

现场：一次抄读成功率不小于80%。

图5.20　载波信号频率和电平测试电路

（4）低压载波抄表系统的构成和功能要求。

1）低压电力线远程集中抄表系统一般由四部分组成，具体如图5.21所示。

图5.21　低压电力线载波远程抄表系统构成示意图

a.电子式载波电能表：具备双向通信功能的系统低端设备。

b.集中器：作为远程抄表系统的抄表核心部分，通过电力线抄读多台安装在低压电力线上的低端设备（一般可以达到1000个低端设备），具有远程通信接口，可以与远程主站系统通信。

c.远程通信信道：如电话网络、光纤网络、无线网络等。

d.主站抄表系统：安装在用电抄表管理部门，远程自动抄读和分析数据。

2）系统所完成的基本功能。

a.抄收功能：按设定抄收间隔以及抄表周期 （电力部门给定的自动抄表时间）自动抄收各用户电能表累计电能量和其他信息，并具有实时随机召读及按地址选抄功能。

b.设置功能：设置设备初始参数，既可以对系统集中器设置自动抄表周期、抄收间隔等，又可防止非授权人操作。

c.校时功能：可实现系统校时。

d.自诊断功能：可自动进行系统自检，发现设备异常应有记录和报警。

e.扩展功能：可发布冻结命令，实现指定时间电能表累计电能量的冻结。