中压电缆载波通信在配网中的应用与研究

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1、分类号密级华北电力大学硕 士 学 位 论 文题 目 中压电缆载波通信在配网中的应用与研究英文题目 Application and Research of Middle Voltage Cable Carrier Communication in Distribution Network研 究 生姓 名 胜利专 业 电力系统及其自动化研究方向 电力系统微机保护及自动化导师立军 职称 教授论文报告提交日期 2002.12 学位授予日期 华北电力大学58 / 66摘 要随着电力消费者对供电可靠性的要求越来越高,人们更加重视配网的建设,其中配网自动化是重点之一。配网自动化的实现是由靠装在配电网上的无数

2、智能装置来完成的。它们完成数据、电能的采集测量,故障判别、隔离等功能。一个稳定可靠的配电网自动化的实现是由这些无数智能装置之间的相互配合完成的。这就要求智能装置之间能互通信息,于是一个开放可靠的通信网是实现配网自动化的关键。通过对比各种通信方式得出：电力线载波通信是电力系统中很经济的一种通信方式。本文在熟悉了PLT22载波芯片的基础上,通过在低压220V做了大量的试验,总结了影响低压载波通道衰耗的各种因素,对电力线通道衰耗的时变性有了感性的认识,除此之外,还分析了不同阻抗特性电力线的衰耗和反射。同时,对LonWorks技术有了更透彻的了解。针对电力线通道衰耗时变性的特点,提出了自适应中继技术,

3、在电力线上做了大量实验,证实了这种软件自适应方案可以跟踪电力线通道衰耗的变化,提高了通信的可靠性。电缆载波通信是本文的研究重点。测量了电缆通道的衰耗并给出了理论计算方法,为对比理论计算值和实测值提供了计算模型。在电缆载波中,耦合技术是关键之一,本文对LC200耦合器的耦合效果做了详细的理论分析和试验测量,经过分析改进,提高它的耦合效率。MCC耦合器是本文提出的又一种很受现场欢迎的耦合器,对其也做了类似的分析和试验。对电缆屏蔽层载波传输做了研究。分析了在两种不同耦合情况下和不同的敷设方法下电缆载波通信的效果。 通过对中压电缆载波通信的研究,提高了载波信号的耦合效果,在配电网中得到了很好的应用关键

4、词：电力线载波通信 阻抗匹配 自适应 耦合技术 通道衰耗 电缆载波 PLT22 信号衰减Abstract With the higher demand of reliability in distribution, people more and more recognize the importance of distribution network, especially in automation of ditstribution network. The realization is completed by many intellectual equaments installed

5、in distribution network. They perform some functions such as collection of data and power, default distinction, default isolation and so on. A reliable and stable distribution network is ensured by the large intellectual equaments which work depending on each other. In order to accomplish those func

6、tions,it demands that those intellectual equaments can communicate each other, so an open and reliable communication network is a key. After comparing several communication ways , I drown the conclusion that PLC is an economical and competitive communication way in power system.Being familiar with P

7、LT-22 carrier chip, I do many experiments in low voltage 220V and summarize the all kinds of factors which affect the attenuation of low voltage carrier channels. I have some sensible recognization on the change of channel attenuation and analyze the attenuation and reflection of power line which ha

8、ve different impedancecharacteristic. At the same time ,I acquaint myself with LonWorks more deeply.In order to adapt the attemuation change of channels, I introduce an automatic relay technology and do large experiments in power line. The result is that this scheme can track the change of power lin

9、e channel and the reliability of communication is improved. The cable carrier communication is the keystone of this paper. I survey the attenuation of cable channel ,introduce a theoreticcalculation way and provide a calculation model which can compare the theoretic value and surveying value.In the

10、cable carrier communication, the coupling technology is one of key points.The paper analyzes and surveys the LC200 coupler and improve the coupling efficiency. At the same time, the article introduces a new couplerMCC which is welcomed by people and does the similar analyse.Keywords: Power line comm

11、unication, Distribution automation, Adaption, Coupling technology, Channel attenuation, Cable carrier, PLT-22, Signal attenuation目 录第一章绪论11.1 论文的背景11.2 本课题的意义和主要工作2第二章电力线载波通信的研究42.1 电力线载波通信技术42.1.1 窄带通信技术42.1.2 扩频通信技术42.2 配电网主要的通信方式82.3 低压电力线通道特性分析112.3.1 阻抗特性122.3.2 干扰142.3.3 信号的衰减及其变化152.4 电力线传输理论

12、172.4.1 均匀传输线的基本方程172.4.2 载波信号在电力线上的反射192.5 线路测量222.5.1 测试线路情况222.5.2 测量数据23第三章LONWORKS 技术253.1 现场总线技术253.2 LonWorks技术263.2.1 LonTalk协议273.2.2 Neuron Chip273.3 PLT22电力线收发器273.3.1 PLT22的部结构283.3.2 PLT-22的特点29第四章耦合技术314.1 电感耦合314.1.1 小功率变压器314.1.2 LC200耦合器384.1.3 MCC耦合器434.1.4 两种耦合器的比较444.2 电缆屏蔽层载波传输特

13、性分析45第五章电力线载波通信中的自适应方案505.1中压配电网的特点5052 电力线载波自适应中继方案5153 典型自适应方案的实现52第六章结论55致56参考文献57第一章 绪 论1.1 论文的背景配电网的发展及可靠性的提高对整个国民经济的发展和人民生活起着十分重要的作用。长期以来,我国电力行业重发、轻供、不管用的现象突出,配电设备落后,自动化水平低。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高、电力供应从卖方市场走向买方市场,电力用户对电能质量和供电可靠性的要求愈来愈高。对用户电能质量的评价主要有以下几个指标：一是电压质量,它包括电压偏差、电压波动和电压闪变3个方面的要求；二是频率；三是供电可

14、靠率,它是配电网对用户持续供电能力的量度,有多至11项的评价指标,其中主要是年平均供电可靠率,即用户年平均供电时间的百分数；四是谐波含量,应不高于规定的含量。国家电力公司为了规公司的运作,真正体现人民电业为人民的宗旨,对电能质量也提出了较高的要求,尤其对供电可靠性作出了明文规定：一般城市地区为99.96%,使每户平均停电时间不大于3.5h；重要城市中心区应达99.99%,每户平均停电时间不大于53min。而要实现这一目标,对配网自动化提出了更高的要求。配电网自动化是利用现代电子、计算机、通信及网络技术, 对配电网上各种设备进行远方实时监视、保护与控制及优化运行的一种自动化系统。配电自动化要求一

15、次设备的技术性能提高,不检修周期长,可靠性高,无污染爆炸及火灾危险；能利用先进的电子技术,对配电设备进行自动化控制,以实现机电一体化；一次设备与被控制设备有机结合,以提高配电网供电可靠性；快速定位故障点并进行故障处理,恢复正常供电,采用智能化设备,对故障线路自动判断和隔离,由重合器恢复送电。加强配电设备数据库管理和负荷管理,在调度中心对负荷潮流进行控制和调整。当前各国都在致力于提高配电网自动化水平,扩展各种功能。我国配电网自90年代开始逐步实现了一批功能独立的孤岛自动化,今后的发展趋势必然走向基于先进通信技术的网络自动化。与传统的孤岛自动化相比,基于信息技术的配电网自动化的关键在于以下三点：大

16、量的智能终端、通信技术和丰富的后台软件。通信技术系统是其中的三大关键技术之一,配电网自动化系统需要有效可靠的通信环节将后台控制中心的命令传递到为数众多的智能终端,同时将智能终端的实时数据回送到后台控制中心。 配电网自动化关键技术之一就是选择和建设一个可靠、经济、易于运行和维护的数据通信网。配电网通信有以下特点：点数多,配电网中的数据采集点可达上千个；点分布极其分散；单个点数据量小；只传数据,不传话音。这就需要拥有有效的通信网来传递主控中心至大量远端装置RTU之间的控制信号和数据,能完成此任务的通信技术有着广泛的选择余地,但是目前还没有一种单一的通信技术可以适应所有的配电网自动化的要求。 每种通

17、信技术都有自己的优点,具体采用那种技术要视具体情况而定,但综合考虑,结合我国的电力系统和通信发展水平,电力线载波通信是一种很有发展潜力的通信方式。1.2 本课题的意义和主要工作电力线载波是利用高压输电线路作为高频信号传输通道的一种通信方式,实现电力线和通信线的复用,是电力系统特有的一种通信形式。电力线通信有很多优点,比方说,1投资少。电力线用于电力线传输,遍布城市、乡村,用于通信不要花钱铺设线、电缆线、光缆等传输线路,这种电力线复用方式投资少、成本低。2传输速率高。从理论上分析,输电线作为通信线路的传输速率,根据是使用频率不同,可达到310Mbit/s。德国电信以做过数据传输上网试验,用ADS

18、L每秒传76.8万字节,而用输电线每秒可传120万字节。3使用方便。从理论上讲,只要有公用电网的地方,就可以直接连通互联网以及家用电器。4使用费低。电力线上网是根据下载的数据量收费,而不是安上网时间收费,这样对用户来说,使用费用极低。5进行数据收/集传。如利用PLC技术远程自动读出水、电、煤的数据。6永远在线。 总之,在配电网中利用电力线通信,可以加速自动化的进程、充分利用电力系统自身的资源、为保护提供通信、有利于形成开放式计算机通信网络、带来经济效益。本文的主要工作有：（1） 对电力线载波通道进行全面了的分析。针对低压、中压载波通道进行了比较深入的研究,对影响通信的通道上的各种衰耗和干扰进行

19、分析,了解了电力线路对载波信号的传输能力,并在中压电缆上做了试验,测量电缆通道的衰耗,将理论和实际数值比较,使电力载波通信能更广泛的使用在配电网中。2对载波耦合技术进行深入的研究。对耦合器进行研究、试验,分析了电感耦合器对载波信的影响程度,对影响耦合效果的主要因素做了仔细分析,提高了耦合效果,对比了两种耦合器的性能。3针对电力线载波通道时变性的特点,设计出可以自适应通道衰耗变化的软件流程。4对载波信号在电缆屏蔽层上的传输作分析。针对不同的耦合方式,不同的敷设方式,不同型号的电缆等进行研究。第二章 电力线载波通信的研究2.1 电力线载波通信技术要利用电力线进行载波通信,则要克服电力线的衰减和噪声

20、等问题。选择合适的调制方式,是通信可靠性的重要前提。目前几种载波方式以抗噪声的FSK窄带调制调制和扩频调制为主要代表。2.1.1 窄带通信技术载波可以表示为 Acost 21可见载波有三个参量：幅度A,角频率和相位。因此,分别对A,调制可以实现幅度调制,频率调制和相位调制三种方式。数字频率调制FM是利用载波的频率传输信息的,是最常用的一种数字调制方式。FM的最简单的一种方式是二进制移频键控2FSK。由于它的抗噪声,抗衰减特性比较好,设备实现并不复杂,所以在一直在很多场合应用。此外,还有MFSK、MSK最小移频键控、SFSK正弦移频键控。电力线一般采用FSK调制,它是一种非线性调制。它是将数字信

21、号编码分成两个分立的频率。高频对应二进制的1,低频对应二进制的0。图212.1.2 扩频通信技术扩展频普通信Spread Spectrum Communication简称扩频通信,可简单表述如下：它是一种信息传输方式,其信号所占有的频带宽度远大于所传信的最小带宽；频带的展宽是通过编码和调制的方法来实现的,并与所传信息数据无关；在接收端则通过相同的扩频码进行相干解调来扩频,恢复所传输的信息数据。扩频通信的理论依据实信息论和抗干扰理论。仙农Shannon在其信息论中得到如下有关信道容量的公式：C=Wlog 。即在信道容量 C和差错率不变的条件下 ,信道带宽 W和信噪比 P/ N是可以互换的 。科捷

22、尔尼科夫在其潜在抗干扰理论中得到如下关于信息传输差错概率为:Pf*。 从式 可知 :差错概率P 是输入信号与噪声功率比 P/N和信号带宽与信息带宽比W/二者乘积的函数,也就是说,对于传输一定带宽的信息来说信噪比与传输信号带宽是可以互授的。也就是说,增加带宽就可以在较低信噪比的情况下,以相同的质量来可靠地传输信息。换言之,如噪声固定,扩频可降低信号发送功率。扩展到一定程度,信号可在低信噪比条件下传输。在信号被噪声淹没的情况下,只要相应的增加信号带宽,仍然能保持可靠的通信,也就是可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比,这就是扩频通信的基本原理。 图22用于军事通信的基本扩频方式主要有直接序列、跳

23、频、跳时、线性调频,用于电力线通信中的扩频通信方式主要有DS和Chirp两种。直接序列扩频由信源输出的信号是码元持续时间为a的信息流 。伪随机码发生器产生伪随机码,每一伪随机码的切普 宽度为c .将信息码与进行模二相加 ,产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列 ,然后用扩频序列去调制载波 ,这样得到已扩频调制射频信号 =*,在接收端用与发端同步的伪随机码对接收扩频信号进行相关解扩 ,解扩后进行解调 ,恢复出所传的信息 ,完成对信息的传输。用本地伪随机码对接收信号进行相关处理,即与接收信号 相乘,当=相关器输出=,再解调,恢复出传输的信号,相关解扩相当于进行了一次扩频,将干扰信号和噪声的频谱扩展

24、,降低了噪声功率谱密度,使解调器的输入信噪比提高,从而提高了系统的抗干扰能力。直扩系统组成框图见图 23。S fS C信源扩频调制PN码振荡器V解扩解调信宿PN码同步V1图 23直扩系统组成框图直扩系统的主要特点：1可靠性极高。2抗干扰能力强。3抗多经干扰 。直扩技术使用较广 ,有文章分析在基于直扩载波的基础上 ,同时采用短突发帧结构,可克服电力载波通道的脉冲干扰影响；采用自适应均衡技术克服电力载波通道衰减的时变性影响；采用分集接收技术克服电力载波通道的阻抗不稳定的影响。这种直扩系统考虑到电力载波通道的使用情况和可能性 ,信息传送速率设计在 2.4kb/s。但由于该系统设计要求 PN码严格同步

25、 ,且采用了一系列新技术,因此系统比较复杂,成本高。图242跳频载波 ：扩频信号在某一频率通过延续一段时间来代表数据的一位、几位或是一位的一部分。当信号在某一频率上受到干扰时 ,信号就可切换到扩频带宽的其他频率上去,而大大降低了受干扰的程度。 图253Chirp调制：这种方式多用于类似于以太网的 CSMA网络,即其组网采用载波冲突检测方式,实现总线复用。利用一系列短促的、可自同步的扫描频率作为载体,每个 Chirp一般持续1 0 0 s,代表基本单元符号时间 。这些 Chirps覆盖了 1 0 0至 40 0k Hz的频带,理论上1 0 0 k Hz至400kH的扫频围可传送一个10kb/信息

26、。由于Chirps信号的线性扫描带宽比信号带宽大得多,而CW干扰的频率一般是稳定的,所以只要将滤波器设计成只能通过具有特定角频率的信号,就可将CW干扰排除在外。另外,Chirps波形具有很强的自相关特性,这种相关性决定了所有连接在网络上的设备,可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形,并且不需要在发送和接收设备间进行同步。图262.2 配电网主要的通信方式输电网中由于终端节点数量有限,加以通道距离较长,而对通信效率和可靠性的要求均较高,因此,无论是电力线载波、微波还是光纤通信,都是使用专用通道点对点或共线通信,很少使用广播通信方式。配电网与输电网大不相同,其终端节点数量极大,种类繁多,寻址

27、达百万级,但通道距离相对较短,效率要求相对较低,因此无线电通信方式在配电线路载波通信方式得到广泛采用。但是,配电自动化系统涉及的功能众多,从自动读表、负荷控制、馈线开合到变电站综合自动化,总之,配电管理系统的规模、复杂程度和自动化程度决定了通信系统应满足下述要求 ：1通信的可靠性。2经济性。3满足配电自动化系统数据传输速率,包括系统将来发展的传输速率；4提供双向通信的能力。5在配电网停电区和故障时有通信能力；6便于运行和维护。根据上述要求,配电网自动化的通信系统,必须具有一个成本低、收效高的双向通信系统,用可以接受的费用在可靠性和信息通过量方面提供非常高的性能。同时,由于配电网自动化系统所要完

28、成的功能太多而系统复杂,采用单一的通信系统来满足所有的功能需要是不现实的,也是不经济的。因此,在配电网自动化系统中,要应用多种通信方式,按综合的经济技术指标而选取其中最优的。下面对相关通信方式予以简单介绍。2.2.1 光纤通信光纤通信是利用光波一种频率在10的1316次方之间的电磁波作为传输载体,以光纤为传输介质,它具有频带宽、通信容量大、传输速率高、传输距离远、衰减小、不怕雷击、抗电磁干扰、抗腐蚀、性好、可靠性高、敷设方便等优点, 非常适合上层通信网的要求,不过投资费用相对较高。因为光纤本身难以实现型连接,不能实现总线结构,因此特别不适于星型连接,星型连接结点造价高安装费用也比较高,在配电自

29、动化系统中目前还使用较少。随着光疑技术的发展及其大量应用,其系统造价将会下降,因此不久以后配网中应将是一个较好的选择。2.2.2线通信由于网在我国越来越普及,人们提出利用现有的网为电力系统提供数据通信服务。利用网通信信,只需在数据集中器和营业室主机各加装调制解调器 即可,目前还只用在抄表系统中。主机对集中器的呼叫也可以通过拨号由交换机自动完成 ,也可以租用专线但费用高。由于租用网需要和邮电部门合作,施工周期长,以及费用较高等缺点,因此这种方式并不适合为电力系统提供通信服务。2.2.3 微波通信微波是指波长为1m到1mm,即频率从300MHz300GHz围的电磁波。微波通信是利用微波作为载波的通

30、信方式。微波通信具有通频带宽,通信容量大；天线增益高,方向性强；组网灵活,建设周期短,成本低等特点。但考虑到电力系统干扰大,微波收发装置以及众多的配电网节点,很难在城市配电网中应用。2.2.4红外线通信红外线数据传输是以红外光作为载体 ,通过红外光在空中传播数据。传输时先将数据编成发射码,经红外发射管转变为红外光脉冲将其重新变成点脉冲,最后经译码电路还原为原始数据。红外数据传输作为一种数据传输手段,多用于一些数据传输路径要通过腐蚀性区、强电磁干扰地区或对一些人体不宜接触的设备如高电压设备进行操作。但该方式传输距离小,使用围有限,不适于作为电力通信。2.2.5卫星通信卫星通信就是利用人造地球卫星

31、作为中继站转发无线电波,从而实现两个或多个地面站之间的通信。其中地面站是指设在地球表面包括地面、水面或大气层的通信站,也称为地球站。卫星通信具有如下特点：通信距离远,覆盖面积大,具有多址联接能力,频带宽,传输容量大,组网灵活,通信稳定可靠,传输质量高。但由于其昂贵的费用,也不适用于电力系统通信。2.2.6 配电载波电力线载波通信在电力系统中有很长的应用历史和成熟的技术措施,但配电线载波通信和电力系统原有的高压系统输电线载波通信方式有很大的不同。一般是两点之间通过阻波器和结合滤波器上送和下载高频信号,传输目标明确、结构简单,而则是一对多的通信方式,不设阻波器,通信信号在10k及380配电网络中传

32、输,其上装设的任何一个通信节点都可以作为信号源和接收器,而变压器则是信号的天然壁垒有人提出了跨越变压器的措施。在实际系统中,由于配电中压系统常采用环网供电,开环运行方式,存在通信通道的开断点,这时,可采用跨接耦合设备的方式使通道对高频信号闭合。利用同样的方法,中压配电网络的载波通信模式就相当于一个局域网。在配变处加装信号集中器,汇总某一380子系统的信息后,利用耦合设备跨接配变,可以和10系统构成通道,实现低压和中压系统的数据交换,这样,就可以形成完整的配电网通信网络,如图27所示。由于DLC 借助于配电线作为信号传输通道,不需要另外架设通信线路,具有投资小、覆盖面广、安装维护方便的优点,在电

33、力系统信中占有很重要的位置。图27和通信模式示意图总之,目前配网自动化可应用的通信方式很多, 但没有任何一种单一的通信手段能全面满足各种规模的配网自动化的需要,难以发挥最大的效益。因此,最优方案是综合几种通信方式混和使用。各种通信方式的应用比较见表2所示。表2各种通信方式应用的比较通信方式 传输距离 传输速率 抗干扰 衰耗 主要用途km bit/s光纤 高 小 任何场合 差 大 与区域工作站的通信、低压抄表线 长 中 中 同上无线扩频 较高 较小 主干线 现场总线 几十 差 大 区域、部通信、电能采集2.3 低压电力线通道特性分析由于从六七十年代以来,利用10kV以上中高压电力线作为信号传输通

34、道的电力线载波已经获得广泛使用,对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入和成熟。但是,在220V/380V低压电力线上进行信号传输,与高压电力线载波通信有较大区别,应用效果也不如中高压理想。低压电力线载波通信技术Power Line Tele-commu-nication,简称PLT是指利用已有的低压配电网络进行语音及数字信号传送的一项技术。其最大的优势是可以利用已有的低压配电网作为信息传输通道,因此避免了新的通信网络建设投资,而且具有与电网建设同步的优点。因此,这种想法一经提出,就引起了世界各国的广泛关注和研究。 但是,由于低压电力线路固有的特点,如负荷情况复杂,噪声干扰强等,要实现高

35、质量的电力网络通信仍有相当大的困难。我们知道,低压电力线上的信号衰减特性和干扰特性非常复杂,而且随机性、时变性大,难以找到一个较为准确的解析式或数学模型加以描述,这也是为什么长期以来对低压电力线高频信号传输特性的分析多以定性分析和实验数据测试分析为主的原因。即使有些学者提出了一些模型,但是这些模型也往往是附加了许多假设和限制,因而也是不精确的或适用面很窄。因此,在220/380V低压电力线上做了大量的实验后,发现对载波信号来讲,电力线是一个非常糟糕的环境,动态变化围大,不确定因素很多。现对低压电力线上影响载波信号的各种因素作一分析。2.3.1阻抗特性电力线是一个广泛存在的网络,变电站的二次变压

36、装置和用户负载同时并联在电力网络中,信道阻抗随着时间和用户负载的不同而波动。实现阻抗匹配是很重要的,因为当发射机、信道和接收机的阻抗匹配时,接收端得到的有用信号能量最大。因此,必须仔细分析输入阻抗。 输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。研究表明低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。在理想情况下,当没有负载时,电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影响,输入阻抗会随着频率的增大而增大。当在电力线上有负载时,所有频率的输入阻抗都会减小。但是由于负载类型的不同,使不同频率的阻抗变化也不同,所以实际情况非常复杂,甚至使输入阻抗的变化不可预测。图28用对数图绘出了

37、参考文献13中实测出的输入阻抗与频率的关系数据。图28输入阻抗-频率关系图 从图28中可以看出：电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化,可以从0.1变到大于100,变化围超过了1000倍,而且,在实验所测的频率围,输入阻抗随频率的变化并不符合一般想象下的随频率的增大而增大的变化规律,甚至与之相反。为了解释这一问题,可以将电力线看成是一根传输线,上面连接有各种复杂的负载。这些负载以及电力线本身组合成许多谐振回路,在谐振频率及其附近频率上形成低阻抗区,从而造成了在局部频率段阻抗随着频率增加而减小的现象。因此,在输入阻抗频率图上可以看到许多阻抗低谷区。这些低阻抗区组合起来,就形成图28所示的图形

38、,并会在局部上违反电力线上阻抗随负载增大而降低的一般规律。同时,正是由于负载会在电力线上随机地连上或断开,所以在不同时间,电力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变。出于同样的原因,电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。在由许多电阻、电容和电感组成的网络中,从不同的点上看进去,输入阻抗显然是不同的。图28的两曲线就是在同一个低压电力线网的不同地点测得的。可以看出,信号输入点的不同对输入阻抗的影响是非常大的。 由此可以看出,低压电力线的阻抗变化特性很复杂,具有时变性。2.3.2 干扰在低压电力线上进行数据通信时另一个需要认真研究的重要问题是电力线上干扰的特殊性质。为了表示这种干扰的复杂特性并简化分析,

39、我们可以近似地将其分成4类：周期性的连续干扰、周期性的脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产生的突发性干扰。通常情况下,前两类干扰占主导地位。1干扰的周期性由于谐波噪声以交流电频率的整数倍出现,因此这种高频干扰具有周期性。消除这种干扰的困难有两点:首先,由于无法对这种干扰的周期、宽度、强度和发生时间等做出准确的预测,而且这些参数的变化围可能很大,所以很难有针对性地采取措施抑制这种干扰；其次,由于这种干扰的频谱非常宽,所以对接收端滤波器的灵敏度有很高的要求。另外,有许多大功率的用电设备,如电机等,会在电网上产生很多的高次谐波。这些高次谐波只存在于工频的整数倍的频率,但是能量较大,且频率有可能延伸到几

40、万赫兹。如果信号频率正好与它们重叠,则对通信的可靠性会产生很大的影响。在实际情况中,由于有大量的用电设备同时释放出干扰,而这些干扰的瞬时功率、周期、相位等又变化很大,各不相同,因此最终会在电力线上产生时不变的连续干扰。 2干扰的随机性除了上述的周期性和连续性的干扰外,电力线上还存在许多随机发生的干扰。这种随机干扰通常是由于高压开关的操作、雷电、较大的负荷变化、电力线路上的短路故障等引起的,往往是能量很大的脉冲干扰或脉冲干扰群,持续时间较短,但能量很集中,频谱也很宽 。 另外,低压电力线路上的各种大功率负载的突然开关、大功率电机的启停过程、功率因数补偿电容器的投切以及短路、故障切除和重合闸等都会

41、引起电压、电流的突变和谐波分量的增加。而在离接收机近距离的围,某些中小功率的负载,如日光灯、计算机等的开关也会产生较大的突发脉冲干扰而影响通信。上述这些干扰的持续时间较短,从几十微秒到几秒不等,强度大小也不等,出现时间也是随机的,具有很大的不可预测性。如果它们正好发生在数据通信过程中,由于其高能量、宽频谱的特性,通常会使所传数据的若干个位甚至整个数据传输过程发生错误。在一个完善的低压电力线载波通信系统中,可以通过前向纠错码、自动重发机制、数据预取机制等措施加以克服。3干扰的多变性这种多变性表现在2个方面。首先是因时而变,即在不同时刻,干扰的频率、强度都各不相同。其次是因地而变,即在不同的低压电

42、网之间,干扰情况各不相同；而在同一个低压电网之,不同地点的干扰情况也不相同。前者是因为在不同的电网之间,连接的负载、线路情况、电网结构等都不同,导致电网的各种参数都不同,则必然会影响干扰的分布。后者是因为干扰在电力线上的传播也要遵循高频信号在电力线上的传播特性,会受到电力线上衰减特性的影响,因而对距离、负载分布等也很敏感。2.3.3 信号的衰减及其变化低压电力线是传输50或60电能,而不是为通信专门设计的。其本身的阻抗很小视导线的电导率和截面积不同而不同。对不同频率的信号,其阻抗略有变化且相对稳定。因此,电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因。对高频信号而言,低压电力线是一根非均匀分布的传输

43、线,它的分支线很多,各种不同性质的负载在这根线的任意位置随机地连接或断开。因此,高频信号在低压电力线上的传输必然存在衰减。显然,这种衰减与通信距离、信号频率等都有密切关系。总的来说,信号传输的距离越远,信号衰减就越厉害。但是,由于电力线是非均匀不平衡的传输线,接在上面的负载的阻抗也不匹配,所以信号会遇到反射、驻波等复杂现象。这些复杂现象的组合,使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复杂,有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。另外,当跨相传输时和同相传输时衰减也是不同的。跨相传播时,衰减一般比同相传播时衰减大10dB。对于民用电网,其三相电源所接的负载大小和性质都不相同,所以同样强度的信号

44、在三相上的衰减也不同。这种现象有时就表现为接收机和发送机的位置不变,接在不同相上,通信的误码率不同。信号频率与信号衰减有着直接的关系,信号频率越高衰减的幅度越大。另外,电容器对低压电力线载波通信系统有重大影响。由于电容器高频的阻抗比较小,所以会使高频信号有比较大的衰减。总体来说,电力线的衰减随频率的增加而增加, 但在某些频率上,由于共振现象和传输线效应的影响,会使衰减突然地迅速增加。此外,高频信号在低压电力线上传输时,其衰减随工频电源的相位而变化。随着工频交流电的变化,高频信号的衰减会出现周期性的变化。在不同的时间段和不同的地点,衰减幅度也不同,有时变化会很大。从以上分析可知,低压电力网的衰减

45、特性是极其复杂的。对不同建筑物或相同建筑物电力网中不同的节点间,甚至同一对节点在不同的时间,其衰减值都相差很大。该情况主要是由于电力网负载的变化所致。根据文献提供的测量结果,可总结出低压电力网衰减的一般特性:a.除了短距离传输外,即使收发信机同相,信号衰减仍可高达20或以上。b.同相衰减一般小于跨相衰减,但在一些频率点上有所例外。c.当频率上升时,信号衰减随之增大,但这种变化并不是单调的。d.在某些特定的频率点上,有可能发生窄带衰减。e.电力网上的电力负载将极影响信号的衰减。f .低压电力线通信信号的衰减特性很难建立准确的数学模型,也不能用简单的数学公式来表达,它适合用统计的方法分析。2.4

46、电力线传输理论作为载波信号的传输介质,电力线的衰耗分析对研究载波信号有很重要的意义。 2.4.1 均匀传输线的基本方程所谓的均匀传输线就是构成材料、几何尺寸、相对位置及周围介质沿导线都无变化的传输线。1876年,亥维塞导出包含的传输线电压、电流方程,这就是经典电报员方程,它是一对偏微分方程：式中是u、x是沿x轴放置的平行导线的电压、电流,即ux,t、ix,t, R、C、L、G为单位长线电阻、电容、电感、漏导。将式2-4对时间t求偏导数,将式2-5对空间坐标x求偏导数,可得LCR CGLRGi 2-6同理,可得LCR CGL RGu 2-7 由于 R、C、L和G都是沿线分布的参数,所以式2-4和

47、式2-5通常又称为分布参数电路的基本方程组。二线均匀传输线以分布参数表示的等值电路如图29所示。本方程组对同轴电缆也适用。设施于传输线上的电压、电流为正弦交流电压、电流,则式2-6和式2-7可表示如下iCdxGdxi+LdxRdxu+dxdxxu图29LCjRCGLRGI RjLGjCIx=Ix RjLGjCUx Ux式中 j,称为传播常数,其中是波幅衰减的快慢；描述相位的改变率,故称为相位常数。ZRjL,是单位长度的线阻抗, YGjC是单位长度的线导纳。式2-9的通解为UxUeUe 式中U、U,由边界条件决定的常数。式2-9的通解为,进一步推导可得IxIeIeee 式中Z,称为特性阻抗。 式

48、子2-10、2-11称为均匀传输线的解析稳态解。2.4.2 载波信号在电力线上的反射在均匀传输线中,当电压和电流行波传播到不均匀处时,要发生反射和透射。传输线的反射系数可以用电压比和电流比来定义,其中电压反射系数最常用。设特性阻抗为Z的传输线终端接有阻抗等于Z的负载,如图210所示。以线路终端为坐标原点,则它的反射系数为ZxIIxlUUZ图210两对特性阻抗不同的传输线,研究它们的电压和电流,如图211所示的第二对传输线上,沿线的电压、电流表达式为UxUe 2-12Ixe x 0 IUUUUUZ Z图211式中U和 I是它在连接处的电压和电流,x为正。根据边界均匀传输线地边界条件,最后可得 U

49、,从而得透射系数为= 把UU和UU代入式和式2-12及2-13,得第一对线上的电压和电流为 UxUeeUe1e 2-15Ixeee1e 2-16第二对线上的电压和电流为UxUeIxe线路各处的入端阻抗为ZxUx/Ix把式子2-15和2-16代入上式,得第一对传输线上任意点的入端阻抗为ZxZ IZEUZ图212因此要分析不同阻抗特性的传输线、不同匹配的衰耗时,可以利用传输线输入端的入端阻抗Z等值替代该传输线,如图212所示。图中E代表信号源的电势,Z表示信号源的阻抗。对如图213所示的电力线路,可求得各段线上的电压、电流。其中E 、Z为信号源的电势和阻抗计算AA处的电压、电流时,可将AA右边的三

50、对传输线及两个负载Z 、Z的作用用AA处的入端阻抗Z表示如图2DAAZIDBBZ ICClZ Z ZlIZE 图21314；BB右边的两对接有负载的传输线又可用处的入端阻抗Z和Z并联表示如图215。为了能应用同一个计算公式,在计算在计算Z和Z时,坐标原点分别选在CC及 DD处,而在计算Z时,坐标原点选在BB处。ZE A A Z图214ZE A AZ图215 B B Z Z 于是可得ZZ ZZ同理可求得ZZZZ/Z第一对传输线始端的电压电流为：I=, UIZ由始段边界条件,经过整理得第一对传输线中任意点x处的电压、电流分别为： UxUcoshlxIZsinhlx Ixx coshlxIsinhl

51、x上式中坐标原点在BB处,其中coshx,sinhx信号的衰耗为a=10lgU*I/P,这样可以用以上公式来计算实际电力线路号衰耗,为验证理论值和实测值提供了有效的依据。2.5 线路测量我们选取了青州海岱线及城东线作为测量,对象并对其进行了通道衰耗测量和载波通信试验。2.5.1 测试线路情况东坝变电站的海岱线的第一套耦合设备安装在出口的第一个电杆上,信号经由300米高频同轴电缆送至变电站控制室。海岱线第一个开关在49#杆处,距东坝站约3.2km。云门山变电站的第一套耦合设备安装在线路出口的第一个电杆上,信号经由250米高频同轴电缆送至变电站。城东线第一个开关在25#杆处,距云门山站约1.6km

52、。城东线上的三里支线开关在41#杆,距25#杆0.81km,距城东线与海岱线的联络开关铁塔1.3km。海岱线的第一开关与联络开关的距离为1.4km,如图216。东坝站149铁塔云门山12541图216通信简图2.5.2 测量数据1阻抗特性：在运行情况下,线路的阻抗在60至100的围在东坝站变电站测得为70,云门山变电站测得为75,城东41#杆至铁塔为100。结合滤波器L1 震荡器匹配电阻L2电平表匹配电阻12图217结合滤波器2测试接线示意图：3线路衰耗: 运用下式计算通道工作衰耗aef=L1-L2-6见表22结论：中压载波通信DLC系统能够在通道衰耗低于50dB条件下正常工作,不丢数据包,在

53、通道衰耗达55dB时丢包率为20%。上述测量结果在系统要求围之,经用载波通讯单元SDC进行试验,能够正常收发数据。表22 试验线路测量记录频率信号发出信号接收衰耗备注位置输入阻抗信号大小位置输入阻抗信号大小132.5东坝站1000海岱49#100-27.5停电状态132.5东坝站750海岱49#75-31115东坝站1000海岱49#100-28132.5东坝站750海岱49#75-35.530正常运行状态132.5东坝站600海岱49#60-37115东坝站750海岱49#75-3024115东坝站600海岱49#60-26.5132.5云门山站750城东25#75-5145132.5云门山

54、站7510城东25#75-41115云门山站750城东25#75-4438115云门山站7510城东25#75-34132.5海岱49#750铁塔75-4640132.5海岱49#7510铁塔75-36132.5城东41#750铁塔75-5448拉开补偿电容132.5城东41#7510铁塔75-45132.5城东41#750城东25#75-4944132.5城东41#7510城东25#75-40第三章 LONWORKS 技术3.1 现场总线技术现场总线是80年代末、 90年代初国际上发展起来的第五代控制系统。现场总线遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议,多用于过程自动化、

55、制造自动化、楼宇自动化等领域的数字化的串行双向通信系统。 这一技术将所有的现场设备与控制器连在一起,形成现场设备级、控制级的数字化通信网络,可完成现场状态监测、控制、远程传输等功能。现场总线不同于局域网,一方面它是一种实时的控制网络,传输的是小批量数据信息,如检测信息、状态信息、控制信息等,传输速率低,局域网则用于传输大批量的数字信息,如文本、声音、图像等,传输速率高,是一种高速信息网络；另一方面它可采用各种通讯介质,如双绞线、电力线、光纤、无线、红外线等,实现成本低,局域网需要专用电缆,如同轴电缆、光纤等,实现成本高。 现场总线发展迅速,现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出有40多种

56、现场总线,如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等,其中最具影响力的有5种,分别是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks。它们的性能对照如表1 。总的来说,现场总线又有以下特点：1开放性和可互操作性 2彻底的分散性 3低成本 可以说,开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的三大特征,它的出现给自动控制系统带来划时代的变革。3.2LonWorks技术 在FF,Profibus,interbus,CAN等诸多现场总线技术中, Lonworks 是由美国Echelon 公司推出的实时测控网络,是唯一涵盖全部三

57、个层次Sensor Bus、Device Bus和Field Bus,符合ISO/ OSI7层参考模型的现场总线技术, 介质访问方式为P-P CSMA预测P-坚持载波监听多路复用,采用网络逻辑地址寻址方式,优先权机制保证了通讯的实时性,安全机制采用证实方式,因此能构建大型网络控制系统。Echelon公司推出的Neuron神经元芯片实质为网络型微控制器,该芯片强大的网络通讯处理功能配以面向对象的网络通讯方式。另外LonWorks支持双绞线、电力线、线、红外光、无线电及光纤等多种传输介质,从而使LonWorks技术广泛的应用到电力、楼宇等工业控制领域。Lonworks控制网络主要由下列核心技术组成

58、：Lontalk通信协议；神经元芯片；控制与连接器件；网络操作系统。3.2.1 LonTalk协议LonTalk协议是Lonworks控制网络技术的心脏,它执行ISO定义的OSI七层参考模型。其通信服务功能如下：通信介质存取；通信应答；结点与结点通信；发送授权；优先级传输；重复传输检测；冲突避免；自动重发；支持混合传送速率；多服务器/多客户机结构；数据类型标准化和标识符；单结点/多结点/广播式结点寻址；支持混合通信介质；误码检测与恢复。LonTalk协议采用域Donian、子网Subnet、节点 Node把节点分类,一个域可以有32385个节点,一个域可以有255个在网,一个子网可以有127个节点。3.2.2Neuron Chip神经元芯片Neur