第3章 第二版 電力線載波通信

1、第三章第三章 電力線載波通信電力線載波通信（Power Line Carrier-PLC)n概述概述n電力線載波通信系統(tǒng)電力線載波通信系統(tǒng)n數(shù)字電力線載波機數(shù)字電力線載波機n電力線載波通信新技術電力線載波通信新技術第一節(jié)第一節(jié) 概述概述電力線載波通信(也稱PLC-Power Line Carrier) 利用高壓輸電線作為傳輸通路的載波通信方式。n用于電力系統(tǒng)的調度通信、遠動、保護、生產指揮、行政業(yè)務通信及各種信息傳輸。n電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信方式。 n電力線路是為輸送50/60Hz強電設計的，線路衰減小，機械強度高，傳輸可靠。n電力線載波通信合用電力線路進行通信不需要通信線路建設的

2、基建投資和日常維護費用，在電力系統(tǒng)中占有重要地位。一、電力線載波通信的特點1. 獨特的耦合設備 載波信號和工頻電流的各自傳輸和分離GGCCJLJL載波機A載波機BGZGZ耦合裝置耦合裝置電力線路 GLGL變壓器變壓器發(fā)電機發(fā)電機一、電力線載波通信的特點（續(xù)）2. 線路頻譜安排的特殊性電力線載波通信能使用的頻譜由三個因素決定：（1）電力線路本身的高頻特性（ 500KHz）。（2）避免50Hz工頻的干擾。（3）考慮載波信號的輻射對無線電廣播及無線通信的影響。（300K3M)Hz我國統(tǒng)一規(guī)定電力線載波通信使用的頻率范圍為40500KHz(實際能使用的頻譜更窄）。一、電力線載波通信的特點（續(xù)）3. 以

3、單路載波為主 電力系統(tǒng)從調度通信的需要出發(fā)，往往要依靠發(fā)電廠、變電所同母線上不同走向的電力線開設載波來組織各方向的通信。 電力線通信大量采用單路載波設備（上世紀八十年代） 多路載波機 （上世紀九十年代末）一、電力線載波通信的特點（續(xù)）4. 線路存在強大的電磁干擾n由于電力線路上存在強大的電暈等干擾噪聲，要求電力線載波設備具有較高的發(fā)信功率，以獲得必需的輸出信噪比。n另外，由于50Hz基波和低次諧波的強烈干擾，使得0.3-3.4KHz的話音信號不能直接在電力線上傳輸，只能將信號頻譜搬移到40KHz以上，進行載波通信。二、我國電力線載波通信的現(xiàn)狀n在以數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信為主干線的覆蓋全國的電力

4、通信網(wǎng)絡已初步形成、多種通信手段竟相發(fā)展的今天，電力線載波通信仍是地區(qū)網(wǎng)、省網(wǎng)乃至網(wǎng)局網(wǎng)的通信手段之一，仍是電力系統(tǒng)應用區(qū)域最廣泛的通信方式，仍是電力通信網(wǎng)重要的基本通信手段；n定位：電力線載波對定位：電力線載波對小容量、長距離小容量、長距離的電力通信來的電力通信來說，是一種經濟可靠的通信方式說，是一種經濟可靠的通信方式二、我國電力線載波通信的現(xiàn)狀（續(xù)）n出現(xiàn)于上個世紀二十年代初期n上個世紀七十年代時期，我國模擬電力線載波機技術已趨成熟 （先進調制技術）n八十年代中期，電力線載波通信的應用達到了史無前例的高峰 （載波頻譜日趨緊張）n九十年代，數(shù)字多路載波機問世n2000 年左右，我國大規(guī)模地開

5、展低壓電力線載波應用技術的研究 “未被挖掘的金山”之勢PLC (Power line communication，而不是Power line carrier)。n未來主要應用領域:使用窄帶的電度表自動集抄系統(tǒng)、家居自動化和使用寬帶的電線上網(wǎng) ，配網(wǎng)自動化等第二節(jié) 電力線載波通信系統(tǒng)一、電力線載波通信系統(tǒng)構成一、電力線載波通信系統(tǒng)構成 電力線載波機、電力線路和耦合設備構成。 耦合裝置（又稱結合設備）包括: 線路高頻阻波器GZ、耦合電容器C、結合濾波器JL和高頻電纜GL /HFC. 作用 提供高頻信號通路 電力線高頻通道 , 工頻通道GGCCJLJL載波機A載波機BGZGZ耦合裝置耦合裝置電力線路

6、HFCHFC變壓器變壓器發(fā)電機發(fā)電機耦合裝置（又稱結合設備）各構成部分的作用n電力載波機：核心 主要實現(xiàn)調制和解調，完成頻率搬移， 載波機性能好壞直接影響電力線載波通信系統(tǒng)的質量。n耦合電容C和結合濾波器JL組成：高頻帶通濾波器， 其作用： 通過高頻載波信號， 阻止電力線上的工頻高壓和工頻電流進入載波設備，確保人身、設備安全。GGCCJLJL載波機A載波機BGZGZ耦合裝置耦合裝置電力線路HFCHFC變壓器變壓器發(fā)電機發(fā)電機各構成部分的作用n線路阻波器GZ：串接在電力線路和母線之間，是對電力系統(tǒng)一次設備的“加工”，故又稱“加工設備”。 作用：通過電力電流、阻止高頻載波信號 減小變電站和分支線路

7、對高頻信號的介入損耗及同一母線不同電力線路上高頻通道。n輸電線: 既傳輸電能又傳輸高頻信號。GGCCJLJL載波機A載波機BGZGZ耦合裝置耦合裝置電力線路HFCHFC變壓器變壓器發(fā)電機發(fā)電機二、電力線載波機（一）特點（1）電力線上噪聲電平很高，為保證接收端信噪比符合要求，載波機發(fā)送功率較大(約為1100w)。（2）為集中利用發(fā)送功率，一臺載波機的路數(shù)較少，一般為單路機。（3）接收機應具有較好的自動電平調節(jié)系統(tǒng)，在接收信號電平變化較大的情況下，仍使音頻輸出電平變動很小。（4）復用機：傳送電力調度及安全運行所需的電話、遠動、遠方保護信號。 專用機： 專門傳送其中一種信號。n為了滿足不同電壓等級的

8、線路上開設電力線載波通信的需求，目前國產電力線載波機已形成系列機，通過對系列機的選擇和組合，可以實現(xiàn)調度所、發(fā)電廠和變電站之間的各種通信。（二）調制方式 主要：雙邊帶幅度調制、單邊帶幅度調制和頻率調制三種，單邊帶幅度調制最為普遍n單邊帶幅度調制(SSB)也稱單邊帶調幅，一般采用兩次調制及濾波的方法，將雙邊帶調幅產生的兩個邊帶除去一個，載頻也被抑制。 優(yōu)點：（1）接收頻帶減為一半，噪聲及干擾影響減小。（2）提高了電力線載波頻譜的利用率。（3）發(fā)送功率集中在一個邊帶中，利用率高。（三）典型電力線載波機的組成音頻匯接電路、發(fā)信支路、收信支路、自動電平調節(jié)系統(tǒng)、呼叫系統(tǒng)等討論：為什么有導頻信號？討論：

9、為什么有壓縮擴展器？1音頻匯接電路音頻段（0-4）kHz ：n0.3-2.0kHz 話音信號n2.220kHz30Hz呼叫信號（FSK)n2.4-3.4 kHz 遠動信號（FSK) n3.660kHz30Hz 呼叫信號（FSK)n保護信號時間短，優(yōu)先級高（全功率）展開保護信號傳輸?shù)墓ぷ鞣绞揭纛l保護信號設備與電力載波機配合的三種方式：n 專用n 同時復用n 交替復用n 專用：單路載波機專用來傳輸保護信號。 采樣這種方式，傳輸距離遠，信號延時最?。?中頻，故稱為中頻調制 中頻載波的一般取12kHz，調制后取上邊帶。n第二次調制:中頻 -高頻, 故稱為高頻調制 高頻頻帶（40-500）kHz，調制后

10、取下邊帶。調制器84k三路復用BPF1224調制器96k調制器108k調制器120kBPFBPFBPF6072728484969610860108124356789101112信號三路復用三路復用三路復用12路載波通信3收信支路n相干解調，n這就要求收信端的高頻與中頻載頻與發(fā)送端完全相等載波同步方法： 最終同步法控制載頻偏差。4自動電平調節(jié)系統(tǒng)n原因：電力線載波通道傳輸特性：非常不穩(wěn)定 線路衰減隨氣候條件、電力設備的操作和線路故障有很大變化。n目的：收信端設有自動電平調節(jié)系統(tǒng)，用于補償高頻通道在運行過程中的衰減變化，保證收信端傳輸電平的穩(wěn)定。n過程：將導頻信號（中頻載波信號）為參考，來控制收信

11、支路中可調放大器的增益或可調衰減器的衰減，實現(xiàn)自動調節(jié)。5呼叫系統(tǒng)、自動交換系統(tǒng)n在傳輸語音信號之前，首先應呼出對方用戶。n因此，發(fā)信支路中發(fā)送呼叫信號的音頻 在對方收信支路中接入呼叫接收電路電力線載波機采用自動呼叫方式，自動交換系統(tǒng) 國產載波機一般設四門用戶交換系統(tǒng)， 進口載波機一般不設交換系統(tǒng)，而是連接小交換機。（五）電力線載波機的主要技術指標n傳輸信號電平、通路凈衰耗頻率特性、通路振幅特性、通路穩(wěn)定度、通路雜音、通路串音、載波同步、回音與群時延和振鈴邊際等n電力線載波機的技術指標滿足國家和國際的有關標準或建議，即國標GB/T7255-95單邊帶電力線載波終端機、IEC495單邊帶電力線載

12、波終端機及ITU-T有關建議。三、電力線高頻通道n電力線高頻通道組成：n 耦合裝置：結合濾波器JL（又稱結合設備）、耦合電容器C、阻波器GZ（又稱加工設備）n電力線路。GGCCJLJL載波機A載波機BGZGZ耦合裝置耦合裝置電力線路HFCHFC變壓器變壓器發(fā)電機發(fā)電機（一）耦合裝置與耦合方式1耦合裝置n耦合電容C：n傳輸高頻信號，阻隔工頻電流，n在電氣上與結合設備中的調諧元件配合，形成高通濾波器或帶通濾波器，n容量一般為3000-10000pF；n線路阻波器GZn主要由強流線圈、保護元件及電感、電容與電阻等調諧元件組成，n 串聯(lián)在輸電線路上。通過工頻電流，阻止高頻信號n線路阻波器的電感量一般為

13、0.1-2mH；對高頻信號呈現(xiàn)高阻抗（幾千歐姆以上）n線路阻波器GZ耦合電容C：n結合濾波器JL（又稱結合設備）與耦合電容器組成高通或帶通濾波器。構成：排流線圈、接地刀閘、匹配變壓器、調諧裝置。n 分頻濾波器 載波機與高頻保護收發(fā)信機的并機運行。提供防衛(wèi)度和并機阻抗特性。2耦合方式三種：相地、相相 和相地、相相混合方式。（1）相地耦合方式。 載波設備在一根相導線和大地之間， 特點：只需一個耦合電容器和一個阻波器，設備使用經濟，因而得到了廣泛應用。 不足：衰減比相相耦合方式大；在相導線發(fā)生接地故障時高頻衰減增加很多。（2）相相耦合方式需要至少兩個耦合電容器和 兩個阻波器，特點：n耦合設備費用約為

14、相地耦合方式的兩三倍，n高頻衰減小，而且當電力線路故障時，由于80%的故障屬于單相故障，所以具有較高的安全性，n目前國內外在一些可靠性要求較高的電力線高頻通道中已采用了相相耦合方式。（二）電力線載波通路上的雜音干擾1雜音的類型n雜音： 對語音的較弱部分掩蓋，使人耳對有用信號的聽覺靈敏度降低，從而降低了語音的清晰度。n串音：n可懂串音n不可懂串音，對于通路的影響與雜音相同通路的雜音n通路雜音：線路雜音、設備內的固有雜音、制際串音形成的雜音和路際串音形成的雜音。n線路雜音：高壓電力線上，由導線發(fā)生電暈和絕緣子表面局部放電所造成的雜音主要雜音來源。 不同電壓等級的電力線路雜音電平數(shù)值如表。n設備內固

15、有的雜音： 導體電阻、電氣元器件的熱噪音和電源濾波不良產生的紋波電壓所引起的雜音等。n制際串音形成的雜音： 其它通信設備傳輸信號時串入設備的不可懂雜音。n路際串音形成的雜音： 是指在同一設備中，各通路間的不可懂串音。主要由線路放大器等部件的非線性所造成的。2對電力線載波通路雜音的要求衡量雜音對通信質量的影響：n雜音電平的大小，n信號電平的大小以及信號電平與雜音電平的差值。n信號與雜音電平的差值稱為信雜比，又稱為雜音防衛(wèi)度，用SNR表示。（三）電力線載波通道的頻率分配n1必要性 防止通道間相互干擾，保證通信系統(tǒng)正常運行。nZJA(通道A):fA，nZJB(通道B):fB，路徑干擾:相線間電磁耦合

16、， fA信號-A相-ZJB電力線載波通道的干擾計算n載波機A 對載波機B的 信號干擾比： PS/IPB一(PA一bT一bI一bS) （3-1）n PS/I為信號干擾比，dBn PB為被干擾載波機接收信號電平，dB；n PA為干擾載波機A發(fā)送電平，dB；n bT 為干擾信號路徑中的跨越衰減，dB；n bI 為干擾信號路徑的傳輸衰減，dB；n bS 為干擾載波機選擇性衰減，dB；。n可懂串音防衛(wèi)度大于55dB，對不可懂串音防衛(wèi)度大于47dB，表示通道間的干擾在允許范圍內可正常運行。影響載波通道間的干擾有以下因素n載波機A 對載波機B的 信號干擾比： PS/IPB一(PA一bT一bI一bS) （3-

17、1）（1） PA越大，則對其他載波通道的干擾信號越強。（2）干擾信號在傳輸過程中總會有衰減，（bTbI）的總和越大，衰減越大，產生的干擾越小。（3）PB越強，則受干擾的影響越小。（4）干擾載波機的收信選擇性愈高，對干擾信號和被干擾信號的分辨能力愈強，則被干擾載波機所受的干擾越小。 為了提高通道間的跨越衰減，減小通道干擾，可以采取在電廠的電力線出線A、B、C三相用阻波器阻塞；在電廠的電力線出線A、B、C三相加裝電力線載波頻率分隔設施。2頻率分配方法n電力線載波系統(tǒng)的頻率范圍：40一500 kHz，一條電力線載波電路占用頻帶寬度為24kHz，共有57組載波電路頻帶可供安排n頻率分配： 使通道間相互

18、干擾滿足指標要求， 并且在指定的范圍內盡可能安排較多的電路，提高頻譜的利用率。n頻率分配方法有頻率插空法、頻率實測法及頻率分組重復法等。頻率分配方法n頻率插空法經過計算選擇插入新的載波頻率，使其與原有的載波頻率間無干擾。 方法簡單 ，頻率浪費大。n頻率實測法用測試方法證明新的載波頻率與原有的載波頻率間無干擾。 可靠，頻率浪費大。n頻率分組重復法 將40一500 kHz分成若干頻率組，如A,B,C,D等，可以重復使用頻率。 較完善?？梢园才泡^多通道。頻率分組重復法 的劃分原則n頻率分組:將40一500 kHz分成若干頻率組，如A,B,C,D等1） 同一條電力線： 同一頻率組，組內各頻率點無相互干

19、擾，載波機可并聯(lián)使用。2）不同的相鄰電力線：不同的頻率組，頻點間無相互干擾。3）在經過23個電力線路段之后：可以重復使用頻率組。優(yōu)點： 頻率分配有計劃，頻率可重復使用，提高頻譜的利用率； 一條線路分一組頻率，做到頻率預留，對發(fā)展留有余度。 中國已普遍推廣使用該方法。電力線載波的頻率分配屬于線性規(guī)劃范疇，可用線性規(guī)劃數(shù)學工具來解決，用計算機和線性規(guī)劃方法進行頻率分配的優(yōu)化設計。四、電力線載波通信方式與轉接方式（一）電力線載波通信方式n電力線載波通信的方式主要由電網(wǎng)結構、調度關系和話務量多少等因素決定，n定頻通信方式n中央通信方式n變頻通信方式 目前我國主要采用定頻通信方式和中央通信方式兩種。1定

20、頻通信方式n 載波機收發(fā)頻率固定不變。n Af1B1轉接 B2f3C n應用最普遍。一對一的定頻通信方式又是定點通信，各站相互同時通信，傳輸穩(wěn)定，電路工作比較可靠。n 占用頻帶較多，接通用戶時間長。2中央通信 方式nA站中央站，發(fā)f1，收f2nB、C兩站外圍站，發(fā)f2，收f1 n更多站間通信可只使用一對頻率，節(jié)約了載波頻譜也節(jié)約了設備數(shù)量（每站只需一個載波機）n但這種方式只限 一對N 外圍站。各外圍站間不能通話。n只宜在通話量少的簡單通信網(wǎng)中使用，如集中控制站對無人值守變電所的通信。 3 變頻通 信方式n為克服中央通信方式的不足，使各站間都能通話，仍只使用一對頻率，可以采用變頻通信方式n平時A

21、、B、C三機不發(fā)信號，發(fā)送都為f2，接收為f1。n任一站發(fā)信號時，將發(fā)送改為f1，接收改為f2，其他站頻率仍不改變n 發(fā)送接收頻率需要改變，載波機結構復雜，各站間傳輸衰減變化較大，使用受到局限。（二）電力線載波通信的轉接方式電路轉接的常用方式有n話音、遠動通路同時轉接時，n中頻轉接n低頻轉接n話音通路單獨轉接時，n音頻轉接1中頻轉接n指轉接的信號為中頻信號，即不通過中頻調制與解調1定頻通信方式n 載波機收發(fā)頻率固定不變。n Af1B1轉接 B2f3C n應用最普遍。一對一的定頻通信方式又是定點通信，各站相互同時通信，傳輸穩(wěn)定，電路工作比較可靠。n 占用頻帶較多，接通用戶時間長。n優(yōu)點：n 轉接

22、的信號只經過一次解調和調制，信號失真較小。n 中轉站B1,B2的音頻部分在轉接中沒有傳送用戶信號，可以用來與A、C站間維護通信提供方便。n 缺點:n導頻信號的二次發(fā)送，無法實現(xiàn)導頻最終同步。1中頻轉接2低頻轉接n也屬于話音和遠動通路同時轉接的方式之一n兩臺中轉載波機在在中頻調制前的“低轉發(fā)”與中頻解調后的“低轉收”端彼此相互連接，即可實現(xiàn)低頻轉接。n這種方式可實現(xiàn)最終同步，傳輸電平穩(wěn)定。圖3-113音頻轉接n音頻轉接是對同時傳輸遠動信號的載波機為了單獨轉接話音信號而設置的，具有低頻轉接的全部優(yōu)點，可實現(xiàn)最終同步。n僅轉接音頻信號，可構成靈活的電話通信網(wǎng)。所以，目前電力線載波機大量采用音頻轉接。

23、圖3-12第三節(jié) 數(shù)字式電力線載波機n一、數(shù)字電力載波通信一、數(shù)字電力載波通信數(shù)字電力線載波通信DPLC(Digital Power Line Carrier)九十年代，數(shù)字多路載波機問世與APLC相比較，DPLC優(yōu)點： (1) 在相同信道帶寬（24kHz條件下，能傳輸?shù)碾娫捖窋?shù)增多，數(shù)據(jù)容量大，頻帶利用率提高。 (2) 數(shù)字方式抗干擾能力強，通信質量得到提高。 (3) 話音、遠動和呼叫信號都變?yōu)閿?shù)字形式，可不必再考慮發(fā)信功率的分配，以全功率發(fā)出即可。 (4)提供的數(shù)字接口能適應綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（ISDN）的發(fā)展趨勢，便于靈活組網(wǎng)。 (5)便于用外部計算機實時修改設備參數(shù)及工作狀態(tài)，實現(xiàn)自動監(jiān)測

24、與控制。二、對數(shù)字電力線載波機的要求（1）提供現(xiàn)有APLC的各種業(yè)務（調度電話、遠動、遠方保護）及新增數(shù)據(jù)通信業(yè)務。（2）通道容量應比APLC至少大三倍以上。（3）占用與APLC相同的帶寬，且不改變原有的頻譜分配。（4）在線路側與APLC兼容，原有的耦合裝置不變，可與APLC共同組網(wǎng)。（5）具有良好的可擴充性能。（6）投資少、功能強、性能價格比高。三、數(shù)字電力線載波機的關鍵技術三、數(shù)字電力線載波機的關鍵技術兩種類型n一種是模擬體制的DPLC，局部采用了一些先進的數(shù)字技術n（類似于模擬電視接收機的電路數(shù)字化），體制還是模擬，仍采用傳統(tǒng)的單邊帶（SSB）方式，收發(fā)頻帶仍各為4kHzn在音頻部分和其

25、它一些功能實現(xiàn)了數(shù)字化，如數(shù)字信號處理技術（DSP），設備性能得以提高，接口靈活，便于計算機直接監(jiān)測和控制，n如德國西門子的ESB2000、瑞士ABB的ETL；模擬體制的DPLC局部采用數(shù)字技術的關鍵技術關鍵技術（1）采用鎖相頻率合成技術實現(xiàn)數(shù)字化。（2）音頻通道復用濾波器DSP進行數(shù)字化。（3）調制、解調部分采用DSP進行數(shù)字化等。 三、數(shù)字電力線載波機的關鍵技術三、數(shù)字電力線載波機的關鍵技術n另一種則是全數(shù)字化的載波機n將音頻信號變?yōu)閿?shù)字編碼，n傳輸上采用多電平數(shù)字調制技術，如多電平正交調幅（MQAM）、網(wǎng)格編碼調制（TCM）等，n采用回波抵消（EC）技術實現(xiàn)雙向通信，信息速率可達到32kb/s, 實現(xiàn)了體制的徹底轉變，容量得到很大提高，一般傳輸速率一般為1 0一100 kbit/s，可容納幾路至幾十路低速數(shù)據(jù)或壓縮語音信號。n如挪威Nera公司的A.C.E.32。DPLC所采用的數(shù)字技術主要有： 1DSP 技術（濾波，均衡，調制，編碼） 2 高效的多進制數(shù)字調制技術（QAM,TCM) 3語音壓縮編碼技術 第四節(jié) 電力線載波通信新技術一、中一、中/低壓電力載波通信技術的開發(fā)及應用低壓電力載