通信工程毕业论文输电线载波通信技术及其应用

通信工程毕业论文输电线载波通信技术及其应用内容摘要：

................................. 22 硬件设计 ............................................................. 24 6 输电线 载波技术存在的问题及发展展望 ................................... 39 结 论 .............................................................. 40 结束语 .............................................................. 41 致 谢 .............................................................. 42 参考文献 ............................................................. 43 1 引言 输电线 载波通信技术 (Power Line CommunICation Technology)简称 PLC，是指利用遍布城乡的各级高、中、低压，输电线作为信息传输媒介，在其上构筑高速数据通道，为用户提供进行高速互联网访问、视频点播、 IP电话、远程数据传输等服务，从而形成集数据、语音、视频及电力在内于一体的“四网合一”的一种通信方式。 输电线 载波通信并不是新技术，但以前该技术只被电力行业作为长距离调度的通信手段。 目前全世界范围内几年来对电力网的研究有了 很大的进展，很多机构和公司都推出了各自先进的 输电线 载波通信技术。 输电线 通信技术，已经有几十年的发展历史，在中高压电力网 (35 kV以上 )上通过 输电线 载波机利用较低的频率 (9～ 490 kHz)以较低速率传送远动数据或话音，就是 输电线 通信技术应用的主要形式之一。 在低压 (220 V)领域， PLC技术首先用于负荷控制、远程抄表、配网自动化系统和家居自动化，其传输速率一般为 1200 bps或更低，称为低速 PLC。 近几年国内外开展的利用低压输电线传输速率在 l Mbps以上的 输电线 通信技术称之为高速 PLC。 随着 Intemet技术的飞速发展，利用 220V低压 输电线 传输高速数据的价值越来越为人们所重视。 它所创造出巨大的经济和社会效益正日益引起人们的关注。 利用该技术，不仅可以组成小区配电变压器供电范围内的宽带接入网，而且可以利用遍布家庭各个房间的电源插座组成家庭局域网，作为其他宽带接入方式的延伸和补充。 目前， 输电线 载波通信技术突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了数字化时代。 并且，随着 输电线 载波技术的不断发展和社会的需要，中低压 电力 载波通信的技术正逐渐成为一门电力通信领域乃至关系到千家万户的热门专业。 尽管随着互联网技术的飞 速发展，上网的人数越来越多。 由于网络的网速是由带宽最窄的一段网络决定最终的速度。 因此，采用何种通信方式使客户终端连接到宽带网络设备，成为长期困扰人们的难点之一，也是普及的瓶颈之一， 被业内人士称为宽带网络接入的“最后一公里”问题。 利用四通八达、遍布城乡、直达用户的 220V低压输电线传输高速数据的 PLC技术以其不用布线、覆盖范围广、连接方便的显著特点，被业内人士认为是解决方案最具竞争力的技术之一。 同时，由于输电线载波通信环境恶劣，许多技术问题一直困挠人们。 其中，最主要的问题在于噪音和信号衰减。 输电线载波通信的 噪音主要来自于低 2 压电网相连的负载，以及无线电广播的干扰；而信号的衰减是与通信信道的物理长度和低压电网的阻抗匹配相关的。 由于负载的开关会引起输电线上供电电流的波动，从而导致在输电线的周围产生电磁辐射，所以，沿输电线传送数据时，会出现许多意想不到的问题。 在这种形势下，本文描述了输电线载波通信技术的发展历程、国内外现状、发展趋势、特点、优点、实现的技术难点及其关键技术和规范，对 PLC技术在互联网接入、电力配网自动化及远程自动抄表中的实际应用进行了一定的探索，并将 PLC接入方式与其它的一些互联网接方式进行了比较，为 实施配网自动化及用户远程抄表作相关准备。 3 2 国内 外技术发展现状及发展趋势 输电线载波通信发展的历程 PLC作为电力系统传输信息的一种基本手段，在电力系统通信和远动控制中得到广泛应用，经历了从分立到集成，从功能单一到微机自动控制，从模拟到数字的发展历程， PLC中的核心 —— 输电线载波机历经了模拟输电线载波机、准数字输电线载波机、全数字输电线载波机三个阶段。 大约 20世纪 20年代初期国外就开始了 PLC的研究，国内开展较晚。 第一代模拟输电线载波机普遍采用频分复用技术和模块化结构，调制 方式选用单边带调制技术，载供系统采用稳定度高的锁相环频率合成技术，可以很容易地得到收发信所需的各种载频，无需更换器件即可切换高频收发滤波器及线路滤波器，切换频段也很简单，具有多功能、通用、系列化的特点。 只提供单工传输，载波工作频率为 40～ 500kHz，外加专用的调制解调器实现数据通信。 早期的模拟输电线载波机解决了利用输电线进行通信的问题，但是它具有模拟通信固有的通信质量差、通信容量小、传输速率低等缺点。 第二代输电线载波机仍然采用模拟体制实现通信，和第一代模拟输电线载波机相比，关键技术的实现方式不同。 准数字输电线载波机采用了数字信号处理技术，模拟调制、滤波、自动增益控制 (AGC)等采用 DSP实现。 由于数字技术和中央处理机的应用，准数字电力载波机提高了整机的性能，同时增加了许多控制功能，如：技术人员可以使用微机通过串口对 DSP和中央处理机进行编程，对系统参数进行设置和更改。 目前 PLC已经发展到第三代全数字 PLC。 在全数字 PLC中可以采用当前先进的数字信号处理技术，完全采用数字体制，在信源编码、复接、基带调制等各个环节采用数字技术对信号进行处理，可以获得更好的整机性能。 可以采用多电平调制技术提高 频带利用率；因此大大提高了 PLC的容量和质量。 这就使得 PLC作为最后一公里解决方案成为可能。 下表是模拟、数字化 (数字式 )和全数字输电线载波机的性能对比： 4 表 ，数字化 (数字式 )和全数字输电线载波机的性能对比 输电线载波通信发展的背景 为适应电力系统内部管理的需要，电力系统内部已经建成以 IP技术及 ATM技术相结合的管理管理信息网络。 但随着电信和电力市场的逐渐开放，电力公司寻找支持其在市场上竞争优势的新方法。 高速 PLC提供一种无需额外布线、低价高效、从配变抵达每个家庭的解决方案，这对电力公司是一个极具诱惑的网络接入解决方案。 利用已经存在的电力网和电力通信网设施，电力公司仅需投入较低的 PLC设备费用，就可以迅速进入通信和网络 市场，为其创造新的利润。 此外，利用高速 PLC提供的电力增值服务为电力公司节省了大笔的费用，这些服务包括远方自动抄表、需求侧管理、负荷控制、实时计费及实现配网自动化系统的接入等。 电力公司提供电信服务，具有十分明显的优越性。 首先，其拥有比电信和有线电视的用户多，详尽的客户信息和费单系统；其次，很多电力公司已经建立了深入各中高压变电信号类别 模拟载波机 数字化输电线载波机 全数字输电线载波机 性能指标 系统容量 1话 1数（最多 1话 3数） 6路 (数据话路灵活配置） 6路 (数据话路灵活配置 ) 频谱利用率 低 高 高 数据数率 ≤ 1200bps ～ 设置 ～ 网管 不具备简单功能 具备简单功能 完善 中继方式 音转，存在噪声累积 部分再生中继备 D/I 功能 再生中继，具备 D/I功能 对信道的要求 对信道的要求较低，等同于模拟通信系统 对信道的要求非常严格， 最大的带宽高 S/N平坦的振幅传输特性线性相位特性 由于信道采用全数字调制，数字解调对传输信号有再生功能，可以对信号损伤有所修复，并对线路采用了自动数字均衡技术，对信道要求等同于模拟系统 线路适虑能力 好 较差 好 数据传输可靠性 不易中断 线路情况变差时易中断 不易中断 通话质量 差 较好 较好良好 数据传输 误码率高 误码率较高 误码率较低 5 站的高速光纤网络，用于电网监控和用电量信息的内部传输，有的电力公司甚至己将光纤架设到低压配电变压器。 利用这些基础设施，加上高速 PLC解决家庭网络方案，电力公司投入的 费用是很少的，但产生的利润却是极为可观的。 在最后一公里的解决方案中， PLC能够充分利用现有的低压配电网络，无需任何布线，是一种“ No NowWircs”技术，和其他接入方式相比有很多优势。 以下是各种通信方式的对比，其各自的技术性能可见下表： 表 PLC同其他接入技术的比较 和其它各类接入技术相比，高速 PLC具有如下优越性： 1)安装简便，可以充分利用现有的低压 配电网络基础设施，无需任何布线，是一种“ No New Wires”技术，节约资源。 2)可利用区间变压器在可供电范围内进行局域性的双向数据传输，尤其适合在受控点经常变化、难以架设线路的边远地区。 3)利用输电线载波进行远距离控制以及双向数据传输的优势在于资源省、成本低、灵敏度高、抗干扰性强、输出功率大、载波频率宽，具有广泛的应用基础。 4)输电线入户率高，覆盖范围大，是目前世界上最大的有线数据传输网，具有取代目前所有局域通信、光纤网的巨大潜力。 5)可以为用户提供价格低廉的高 速因特网访问服务、话音服务，从而使用户上网和打电话增加了新的选择，有利于同其他电信服务商的竞争。 通信方式 速率 (bps) 可否同线传输话音 物理介质 评价 模拟调制解调器 56k 否 双绞线 应用广泛、廉价但速度慢 ISDN 128k 是 双绞线 应用不广，费用较普通电话线稍贵 XDSL 8M反向 2M 是 双 绞线 不干扰普通电话使用，频带专用不共享，频宽受距离限制，目前仅在少数地区使用，不能组网 CATV 10M取决于本地用户数 否 同轴电缆 必须拥有现成的网络接入，并改造为双向传输；在新区域开办服务和铺设线路造价高昂：共享带宽，可组网 PLC IM— 10M 是 输电线 无需新线，分布广泛，接入方便，未完全达到实用化阶段 无线(LMDS) 8M 是 空气 需室外天线，易受建筑物阻挡，对天气状况敏感 6 6)对家庭联网提供支持，使人们可以尽情享受由 PLC技术带来的家庭音、视频网络，多人对抗游戏等娱乐。 7)利用 PLC的永久在线连接构建防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统，让上班族高枕无忧；构建医疗急救系统，让家有老人、孩子和病人的家庭倍感方便。 8)远程自动读出水、电、气表数据，为公用事业公司节省大量的抄表费用，也方便了用户。 9)为电力公司提供负荷控制、需求管理的新手段， 提高电力公司管理水平。 10)使电力公司以极低的投资就可以进入 ISP、 ICP和话音等电信服务市场，成为新的利润增长点。 电力公司能够以低廉的价格为用户提供电信服务，在电信市场上更具竞争力。 11)实现数据、话音、视频、电力“四网合一”，创造巨大的经济和社会效益。 输电线载波通信技术的发展方向 从总体来说，输电线载波通信技术在向五个方面发展： 1)从个别用户到低压段区段使用 (PLC)，其后段部分采用电话线、光缆、无线等构筑网络； 2)仅用于低压部分 (ACll0/220V)： 3)室内系统正在出笼； 4)室外系统成为研究课题； 5)向家居自动化发展 (需要 1Mbps以上速率 )。 按速率和载波频率分为： 1)低速率通信 (1KB/S以下 )，主要应用于长距离 (1公里以上 )利用 25K高压电线对配电设施进行控制。 2)中速率通信 (150KB/S)，主要应用于固定小区间、楼宇间的数字通信。 包括自动照明控制、消防报警、自动抄表以及数据监控等系统。 3)高速率通信， (100KBPS以上 )主要用于小区域中的高流量数据通信。 如电脑 网络中的打印、文件共享等，采用高载波频率 — 30MHZ。 7 3 输电线载波通信可行性分析 低压输电线载波信道分析 要在干扰严重的低压输电线上实现可靠的数据通信并非易事，因此在整个系统设计之前有必要分析输电线载波的可行性，认识输电线载波方式区别于其他通信方式的特殊性，了解低压输电线信道特性。 这样才能选择用何种调制解调方式及采用何种通信协议。 为整个系统最终设计的成功打下良好的基础。 对于所有的通信信道，阻抗、信号衰减、相移和干扰是决定其性能的基本参数，而且是在分析信道性能时所无法避免且 要面对的问题。 在我们使用输电线作为信号传输媒介之前，需要输电线的这些信道特性进行分析。 由于 10KV以上中高压输电线信道环境较好，利用 10 k。