配電網(wǎng)電力載波通信關(guān)鍵技術(shù)的研究

薛嵐 楊帥 孫炳孝

摘 要：為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電力載波可靠通信，提出了一種利用LON雙頻電力載波通信的技術(shù)方案。采用PL3120/3150收發(fā)器，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理、噪聲消除以及失真校驗(yàn)算法，克服電力載波通信高噪音、高衰減、高失真的弊端，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)電力雙頻載波模式的信息傳輸。配電網(wǎng)電力載波通信關(guān)鍵技術(shù)的研究對擴(kuò)大電力網(wǎng)應(yīng)用范圍具有重要意義。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；LON電力載波；雙頻模式

中圖分類號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）11-0140-02

Abstract： In order to realize the reliable communication of power carrier in distribution network， a technical scheme using LON dual frequency power carrier communication is proposed. Using PL3120/3150 transceiver， combined with digital signal processing， noise elimination and distortion checking algorithm， the disadvantages of high noise， high attenuation and high distortion in power carrier communication are overcome， and the information transmission of power dual frequency carrier mode in distribution network is realized. The research on the key technology of power carrier communication in distribution network is of great significance to expand the application scope of power network.

Keywords： distribution network； LON power carrier； dual frequency mode

1 概述

電力載波通信技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代初期，電力載波通信以配電網(wǎng)作為通信信道。目前配電網(wǎng)基本覆蓋了我國居住區(qū)，利用配電網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸一直是人們的夢想。但是電力載波通信技術(shù)具有信號(hào)衰減、阻抗調(diào)制、脈沖噪聲、等幅振蕩波干擾等不利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，在一些涉及任務(wù)復(fù)雜、可靠性要求高、實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的領(lǐng)域，電力載波通信技術(shù)未得到實(shí)際應(yīng)用。

2 常用電力載波技術(shù)的比較分析

目前主流的電力載波技術(shù)包括ST7540電力載波技術(shù)、SSCP485電力載波技術(shù)、LON電力載波技術(shù)、RISE3301電力載波技術(shù)和PL3106電力載波技術(shù)?；赟T7540和SSCP485的電力載波技術(shù)只提供了自己專屬的電力載波芯片，必須配合其它公司的微處理器才能完成電力載波信號(hào)的解析和編碼，因此設(shè)計(jì)難度較大，開發(fā)周期長，開發(fā)成本高。而基于RISE3301和PL3106的電力載波技術(shù)雖然在各自的電力載波芯片中集成了自己的微處理器，但是沒有合理分配CPU的承擔(dān)任務(wù)，沒有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，通信過程沒有安全監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化措施，造成通信質(zhì)量不高。LON電力載波技術(shù)是目前一個(gè)非常完善的選優(yōu)方案，該技術(shù)采用先進(jìn)的雙頻載波的數(shù)字信號(hào)處理手段，通過數(shù)字信號(hào)處理器完成電力線上載波數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，能夠根據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電力載波信號(hào)的噪聲靈敏度。憑借雙頻載波模式，電力通信的主頻率受到干擾時(shí)能夠自動(dòng)切換第二頻率繼續(xù)通信，電力通信的報(bào)文信息通過糾錯(cuò)技術(shù)手段能夠恢復(fù)錯(cuò)誤報(bào)文，同時(shí)結(jié)合豐富的接口電路和智能路由算法有效降低電力載波設(shè)備開發(fā)難度，節(jié)約設(shè)備的開發(fā)成本。鑒于系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性以及開發(fā)成本的考慮，基于LON的雙頻電力載波技術(shù)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電力載波通信的最優(yōu)手段[1]。

3 配電網(wǎng)雙頻電力載波通信關(guān)鍵技術(shù)原理

基于LON的雙頻電力載波通信采用PL3120/3150收發(fā)器實(shí)現(xiàn)，PL3120/3150收發(fā)器可以工作在A波段和C波段。當(dāng)工作在A波段時(shí)，第一載波頻率是86kHz，第二載波頻率為75kHz。當(dāng)工作在C波段時(shí)，第一載波頻率為132kHz，第二載波頻率為115kHz。在每個(gè)載波頻率上使用6kHz 的頻率帶寬。第一載波頻率具有更好的畸變糾正能力和更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)包分辨能力和抗噪聲能力，第二載波頻率比第一載波頻率的誤差校正能力強(qiáng)。兩個(gè)載波頻率被選擇時(shí)，充分考慮了由于諧波而導(dǎo)致的兩個(gè)載波同時(shí)被阻塞[2]。PL3120/3150收發(fā)器將一個(gè)Neuron處理器核心和一個(gè)電力線耦合器合在一起，更適合于配電網(wǎng)電力載波通信，作為一個(gè)單芯片系統(tǒng)，PL3120/3150收發(fā)器包括一個(gè)高可靠性的窄帶電力線耦合器、一個(gè)用于運(yùn)行應(yīng)用程序和管理網(wǎng)絡(luò)通信的8位神經(jīng)元處理器核心、可選擇的片內(nèi)或片外存儲(chǔ)器，如圖1所示。

LON雙頻電力載波通信電力載波由信息源發(fā)出信號(hào)，通過編碼器的編碼，調(diào)制器的調(diào)制，將此信息轉(zhuǎn)成可用于傳送的數(shù)碼序列，耦合到電力線上，然后將此數(shù)碼序列通過解調(diào)，譯碼，來送到受信者。圖2為電力載波通信系統(tǒng)模型。

4 配電網(wǎng)雙頻電力載波通信特性研究

圖3是一個(gè)家庭配電網(wǎng)絡(luò)示意圖，該配電網(wǎng)絡(luò)包括從配送變壓開始的線路到與其相連的所有節(jié)點(diǎn)。如果該網(wǎng)絡(luò)中存在其他的媒體，則需要使用路由器或網(wǎng)橋。配電網(wǎng)絡(luò)包含很多電阻性或電抗性負(fù)載，通常被一個(gè)配電變壓器隔離，配電變壓器對于該部分所用的頻率呈現(xiàn)高阻抗。家庭配電網(wǎng)絡(luò)通常三相四線制較為普遍，由三個(gè)具有公共中線、彼此獨(dú)立的220V交流單相電源線組成，并在供電斷路器面板的獨(dú)立之路上終結(jié)。220V交流單相耦合節(jié)點(diǎn)和380V交流三相耦合節(jié)點(diǎn)與電器通過L1、L2、L3和中線連接，配電網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)使用基于PL3120/3150電力收發(fā)器進(jìn)行通信[3]。通過試驗(yàn)，配電網(wǎng)電力載波通信主要表現(xiàn)出衰減性、失真性和噪聲干擾。

（1）衰減性。電力線的非均勻分布以及各種性質(zhì)的設(shè)備隨機(jī)的接入，因此信號(hào)在電力線上的傳輸必然存在著信號(hào)衰減。不同相位的耦合也會(huì)引起衰耗，跨相傳輸比同相傳輸衰耗大10dB左右。此外，配電變壓器阻礙信號(hào)的通過，在配電變壓器原、副兩邊的信號(hào)衰耗可達(dá)到60dB-100dB，次級(jí)間也會(huì)有20dB-40dB的衰耗。電力載波信號(hào)衰耗隨頻率上升、距離增大而增加，信號(hào)衰耗絕大部分不超過55dB。

（2）失真性。電力網(wǎng)上的各種用電設(shè)備的斷切換，在信道上會(huì)表現(xiàn)出時(shí)變性，能引起信號(hào)的相位、幅值發(fā)生很大變化。而且在傳輸過程中信號(hào)很容易導(dǎo)致失真。

（3）噪聲干擾。各式各樣的電器和設(shè)備產(chǎn)生的噪聲和干擾嚴(yán)重，電力線上的連接設(shè)備、雷電等自然現(xiàn)象都很容易在電力線上引起脈沖干擾。硅控整流器及一些電源產(chǎn)生的工頻噪聲，它會(huì)造成整數(shù)倍工頻上的頻譜突變。

為克服電力載波通信高噪音、高衰減、高失真的弊端，利用PL3120/3150收發(fā)器特有的雙頻調(diào)制特性在主頻率被噪聲阻塞后自動(dòng)選擇備用的第二個(gè)通信頻率；利用高性能、獲得專利的、低開銷的前向糾錯(cuò)（FEC）算法可以克服由于噪聲引起的錯(cuò)誤；采用了最先進(jìn)技術(shù)的數(shù)字信號(hào)處理、噪聲消除以及失真校驗(yàn)算法，糾正信號(hào)傳輸受到的瞬間噪聲、連續(xù)音頻噪聲和相位失真各種阻礙；同時(shí)高輸出、低失真外部放大器的設(shè)計(jì)可以輸送1A/2A峰-峰值到低阻抗負(fù)載，從而避免了在通常的配電應(yīng)用中對昂貴的相位耦合器的需求。采用增強(qiáng)的LonTalk代理協(xié)議，在集中控制器中實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)報(bào)文路由功能；在PL3120/3150收發(fā)器固件中實(shí)現(xiàn)報(bào)文自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。實(shí)現(xiàn)上述自動(dòng)中繼功能后，當(dāng)集中控制器無法和某個(gè)單燈控制器直接通訊時(shí)，可以借助中繼節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

5 結(jié)束語

電力線遍布城市和鄉(xiāng)村，其覆蓋面是任何網(wǎng)絡(luò)無法比擬的，是最適合實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)分支部分的通信方式。在電力通信信道特性惡劣的條件下，利用LON雙頻電力載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠通信有利于信息資源共享，對建設(shè)經(jīng)濟(jì)節(jié)約型社會(huì)和實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的智能化都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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