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                                    濰坊市工程建設監理有限責任公司
                                    電話:0536-8212775
                                    傳真:0536-8212775
                                    E-mail:wfgcjl-592@163.com
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                                    電力載波技術簡介及工程中的應用


                                      一、電力載波技術簡介及特點
                                      電力載波技術,簡稱PLC技術,是英文Power line Communication的簡稱。電力載波是電力系統特有的通信方式,電力載波通訊是指利用現有電力線,通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術,最大特點是不需要重新架設網絡,只要有電線,就能進行數據傳遞,是利用1.6~30MHz頻帶范圍在電力線路上傳輸信號。在發送時,利用GMSK或OFDM調制技術將用戶數據進行調制、線路耦合,然后在電力線上進行傳輸.在接收端,先經過耦合、濾波,將調制信號從電力線路上濾出,再經過解調,還原成原信號。目前可達到的通信速率依具體設備不同在4.5~45MB/s之間。PLC設備分局端和調制解調器,局端負責與內部PLC調制解調器的通信和與外部網絡的連接。在通信時,來自終端地址或用戶的數據進入調制解調器調制后,通過系統的配電線路傳輸到局端設備,局端將信號解調出來,再轉到控制主機或外部的Internet。
                                      電力載波技術相關特性
                                     。ㄒ唬┬诺纻鬏斕匦
                                      電力載波通信不同于常規的點對點或點對多點阻抗恒定傳輸媒介。由于大多電力線具有分支多、不同分支電纜物理特性不一致及負載阻抗不恒定等特點,其中,中壓電力線的阻抗變化稍小,中壓電纜線路分支一般不多。因而電力線信道是一個多徑反射以及頻率選擇性衰落信道。我們可以通過模擬技術研究不同拓撲結構網絡上通信性能的可能性。通過搭建模型,并基于大量的測試,可以研究和設計出PLC網絡。同時可以對不同的調制技術和編碼技術進行比較研究。
                                     。ǘ┬诺涝肼曁匦
                                      除了因線路衰減和多路傳輸所造成的信號失真外,噪聲是影響電力線數據可靠通信的關鍵因素。通過大量理論研究和實際測試表明,電力線信道中的噪聲分布和其它常見信道有很大的不同,其噪聲并不呈現白高斯噪聲(AWGN)特性,在頻率從幾百kHz到數十 MHz之間,主要為窄帶干擾和脈沖噪聲。為了克服這些影響,必須考慮采用復雜的信道編碼技術。中低壓配電網中的噪聲可以分為以下五類。
                                     。1)有色背景噪聲:具有相對較低的功率譜密度(psd), 而且功率譜密度隨頻率的變化而變化;
                                     。2)窄帶噪聲:主要是一些經過幅度調制的正弦信號,嚴重時在很寬的頻率范圍內存在高電平的噪聲;
                                     。3)非電網諧波的周期性脈沖噪聲:這類噪聲大多是由開關電源引起的,在低壓電力線中出現的幾率較大;
                                     。4)與工頻同步的周期性脈沖噪聲:這些脈沖的重復頻率為50Hz或 100Hz,與工頻同步,它們持續時間很短(幾微秒);(5)異步脈沖噪聲:它是由電網中瞬時的電氣開斷引起的,這類噪聲的功率譜密度有時比背景噪聲高 50dB。
                                     。ㄈ┬诺离姶偶嫒萏匦
                                      由于高速電力載波需要在電力線上注入高頻信號(2 MHz~30MHz),但高速PLC的使用不能給其他通信系統帶來電磁干擾。為此國外對電力線的高頻輻射機理進行了詳細的研究并作了大量的測試,大家認為電力線的對地不平衡是其輻射的主要原因。由于電力線的電磁輻射特性跟電力線結構、耦合方式密切相關,一個地方的測量結果很難反映不同應用環境的電磁輻射水平,而且對于2 MHz~30MHz頻率范圍電磁輻射的測量方法也存在較大的爭議,所以盡管有組織定義了高速電力載波的電磁輻射水平,但目前還沒有一個世界范圍內大家一致認同的標準。如何設定高速PLC設備及系統的電磁輻射水平及定義測試方法仍然是各個相關組織正在研究的項目。
                                     。ㄋ模┬诺勒{制編碼
                                      電力線是一個極其不穩定的高噪聲、強衰減的傳輸通道,要實現可靠的電力線高速數據通信,必須解決各種因素對數據傳輸的影響。高效可靠的調制編碼技術是高速PLC的關鍵,國內外對各種調制技術在PLC中的應用進行了大量的研究和測試!
                                      二、電力載波技術的發展研究現狀及應用前景
                                      對電力載波技術的研究是產品開發及制定相關標準的基礎。經過多年的發展,國外相關研究組織或個人在中低壓電力線的信道特性研究方面取得了一定成果,但還有很多研究工作需要進一步深入。
                                      常規單載波調制不但頻帶利用率不高,而且在無法預計各種強干擾噪聲頻譜分布的前提下是無法避開或抑制突發噪聲和脈沖噪聲干擾的,因此也無法實現可靠的高速數據傳輸。對高速PLC來說,要實現很高的通信速率,在有限的頻帶內采用CDMA方案較難實現較高的處理增益,所以CDMA技術難以在高速PLC中使用。
                                      另外,電力線載波通訊因為有以下缺點,導致電力載波技術主要應用--網絡通訊(電力上網)未能大規模應用:
                                      1、配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用,所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區域范圍內傳送;
                                      2、三相電力線間有很大信號損失(10 dB -30dB)。通訊距離很近時,不同相間可能會收到信號。一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸;
                                      3、不同信號藕合方式對電力載波信號損失不同,藕合方式有線-地藕合和線-中線藕合。線-地藕合方式與線-中線藕合方式相比,電力載波信號少損失十幾dB,但線-地藕合方式不是所有地區電力系統都適用;
                                      4、電力線存在本身因有的脈沖干擾。目前使用的交流電有50HZ和60HZ,則周期為20ms和16.7ms,在每一交流周期中,出現兩次峰值,兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾,即電力線上有固定的100HZ或120HZ脈沖干擾,干擾時間約2ms,因定干擾必須加以處理。有一種利用波形過0點的短時間內進行數據傳輸的方法,但由于過0點時間短,實際應用與交流波形同步不好控制,現代通訊數據幀又比較長,所以難以應用;
                                      5、電力線對載波信號造成高削減。當電力線上負荷很重時,線路阻抗可達1歐姆以下,造成對載波信號的高削減。實際應用中,當電力線空載時,點對點載波信號可傳輸到幾公里。但當電力線上負荷很重時,只能傳輸幾十米。
                                      雖然技術問題隨著時間的發展,最終都能被解決被克服,但是從目前國內寬帶網建設的情況來看,留給PLC的時間和空間并不寬裕。2000年以來各大運營商大規模推出ADSL、光纖、無線網絡等多種寬帶接入業務,留給電力線上網的生存空間,已經不斷被其他接入方式壓縮。目前,電力載波技術在以下幾個領域仍有較大發展空間。
                                      1、智能家居
                                      智能家居控制網可用電力線載波技術來實現,其原理是將電力載波技術集成后嵌入到各電器中去,并利用家庭現有的電力線作為載波通信媒介,實現智能設備之間的通信與控制。智能家居控制網中智能電器的互聯互動,將為您帶來高品質的生活體驗和生活享受:隨時查詢所有電器狀態;任一開關集中控制家中所有智能電器設備;組開組關指定電器,如場景燈等;隨時掌握家庭安防情況,如防盜、火警、探測燃氣泄漏等;通過互聯網或電話對家中電器進行遠程控制等。
                                      2、遠程抄表系統(AMR)
                                      遠程自動抄表(AMR)系統是智能控制網的重要應用之一。它可以使電力供應商在提高服務質量的同時降低管理成本;并讓用戶有機會充分利用各種用電計劃(如分時電價)來節省開支和享受多種便利。把電表(水表、氣表)的數據通過采集終端設備將數據調制后,通過電力線傳送,在接收端解調還原成數據信號,在同一臺配電變壓供電范圍內用戶統一編址,并由采集器巡回讀寫.若采用微波技術電力載波信號是可以通過變壓器的,電力載波的重要優點是利用電力線傳輸,不需要鋪設專門的線路,節省資源,便于改造,提高電網的利用率.對于通信而言,電力線作為有線傳輸介質,其原理如同電話、有線電視、光纖通信一樣,所不同的是電話、光纖、有線電視是傳輸語音、圖像、數據、信號的專用,而電力線是在輸送電能前提下輔助傳輸數據或話音信號,不是通信專用網.由電力線的特性所決定,它不可能實現高速和寬帶信號傳輸,但作為行業管理和智能化家居(入戶終端)是最經濟最有效的技術應用
                                      系統功能特點:遠程自動抄表;遠程控制電表拉合閘;實時查詢用戶用電量;電表用量組抄或個別選擇抄讀;可與收費系統聯為一體;根據電網負載的峰谷時段分段電價;分時段抄表及計費;控制非法竊電行為;減少人力成本及管理成本;自動保存抄讀的歷史數據;統計電表數據,分析用電規律;估計線損和由電表計量誤差引起的自損;配電系統評估、供電服務質量檢測和負荷管理
                                      3、遠程路燈監控系統
                                      遠程路燈監控系統利用電力載波技術通過已有電力線將路燈照明系統連成智能照明系統。此系統能在保證道路安全的同時節省電能,并能延長燈具壽命以及降低運行維護成本。目前的路燈遠程智能監控系統一般有單燈控制器、集中控制器和監控中心三級部分構成。
                                    系統功能特點:全天候24小時自動監控;監控范圍可達數公里;拓展功能:加入自動路由功能后,監控范圍成倍增加,系統可自由增減監控設備的數量,監控設備可以擴展其它功能;單燈狀態檢測:電壓、電流、開關、溫度等;單燈故障狀態自動上報;照明系統節能自動控制,現場按季節變化自動調節路燈開關時間;各類故障或異常情況報警;多種報警方式供用戶選擇;遠程報警信息送至控制中心或值勤人員手機;可與110等緊急呼救系統聯網。
                                      三、應用案例
                                      濰坊市奧體公園體育場是一座現代化、智能化的體育場館,其智能建筑監控系統(BAS)、智能照明控制系統、集中智能控制疏散燈系統等均采用國內乃至國外最先進的控制技術,其中智能控制疏散燈系統及路燈控制系統應用了國內外正高速發展的電力載波技術。以疏散燈智能控制系統為例,傳統的疏散指示智能集中控制系統由地址編碼疏散指示燈、區域路由配電箱(匯集器)、智能集中控制主機構成,由系統電源線進行照明供電,并通過UTP5監控通訊數據線進行路由地址匯集和數據傳輸,從而實現控制功能。而奧體公園體育場采用的電力載波通訊技術則不需要重新敷設數據通訊線路,而是應用系統自身供電線路直接進行數據傳輸和控制。
                                      濰坊市奧體公園體育場智能疏散集中控制系統采用的恒生照明HOCEN-EMCS系統,是基于美國Echelon公司的LonWorks電力載波控制網絡通信技術開發的消防應急疏散照明監控系統網絡控制管理平臺技術。HOCEN-EMCS系統由主控服務器通過LonBus-PL控制總線透過網絡路由器將各個分散的應急燈具單元連接起來,每個應急燈都有一個神經元芯片并具有獨立的地址,通過電腦編程的各個疏散應急燈既可獨立完成燈具內的各項檢測工作,又可根據要求向主控電腦發送檢測結果和接受各項指令完成任務。HOCEN-EMCS系統控制網絡又可通過各種連接設備介入IP數據網絡和互聯網,實現各個監控主機之間的遠程監控。HOCEN-EMCS系統的LonBus-PL控制總線是以LonWorks電力 線載波技術為基礎透過電力線載波智能收發器完成數據通信,針對傳統電力載波技術脈沖噪聲干擾、信號損失、傳輸距離短及單載頻調制等缺陷,LonBus-PL載波智能收發通訊方式是采用帶有DSP增強接收器的雙頻BPSK,具有以下特點:
                                      •;;窄帶技術,數字信號處理技術:Echelon把噪聲抑制和畸變糾正的專利算法技術應用到數字信號處理內核中。這些性能使得收發器可以糾正電力信號中多種多樣的干擾,包括脈沖噪聲,連續聲頻噪聲、相位畸變等。
                                      •;;獨特的雙載頻工作方式:當第一載波頻率由于噪聲而阻塞時,會自動切換到第二載波頻率,兩個載波頻率選擇時,考慮了避免由于諧波而導致兩個頻率同時被阻塞,這些確保了即使在有噪聲的情況下,數據包仍能可靠的接受。
                                      •;;前向糾錯:許多噪聲源主要是通過損壞數據包的辦法來干擾電力線信號,神經元智能收發器在循環亢余校驗碼的基礎上,采用高效低消耗的前向糾錯碼(FEC)算法來克服錯誤包。
                                      •;;強大的輸出放大器:外接高輸出放大器的智能收發器可以發出滿足世界發射要求的7V峰峰值信號。
                                      •;;寬廣的動態范圍:動態范圍和收發器的靈敏度有關。神經元智能收發器的動態范圍達到>80DB。在一條低噪安靜的傳輸線上智能收發器可以接收衰減達104的信號。
                                      濰坊市奧體公園體育場的集中智能疏散控制系統通過HOCEN-EMCS消防應急智能監控系統控制網絡,采用系統自身電力線作為通訊介質,應用LonBus-PL控制總線對分布在各個疏散通道的應急疏散照明燈具運行狀況連續自動檢測和監控。系統采用了HCN-BZ-X系列疏散燈具、HS3800F-ELR型區域路由配電箱及HS3800-EMCS/2000L型智能集中控制主機,可以完成數據采集、存儲、控制、通信、顯示、記錄、故障診斷等多種功能,使應急疏散照明燈具在符合國家規程的相關要求下正常運行。系統并具有動態導光功能,智能動態導光技術根據火災探測器報警系統發出的聯動信號確定火災區域并結合相關預案信息,由計算機分析選擇最佳逃生線路,并發出指令控制疏散標志燈導向箭頭的光流方向,同時結合語音提示引導,保證人員有效疏散。
                                      四、結語
                                      經過多年的研究,電力載波技術已有了飛速的發展和突破,特別是因其安裝成本低、電力線覆蓋范圍廣、高速率、使用便捷等優點,已被廣泛應用到工業智能化、家居智能化、公共設施智能化及建筑消防智能化等多個領域。隨著科學技術的發展和進步,電力載波相關技術問題和缺陷會被逐步克服,電力載波技術將有更大的發展和應用前景。

                                                                                     文/孫連東 李振譚


                                     

                                    電力載波技術簡介及工程中的應用 2011-7-22 本文被閱讀 13419 次
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