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电力线载波通信方式的比较
作者:张建 张志琦 孔维娜            来源:             发布时间: 2011-07-08
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    PLC已经有效地应用于电力系统,它具有通道可靠性高,抗破坏能力强,投资少,不需要架设专用线路等优点。鉴于这些特点,电力系统一直都致力于发展和实现电力的实时监控和调度,并取得较好的成果,因此在很长的时间里,电力线载波在电力系统通信中占有主导地位。
   电力线载波(Power Line Carrier,PLC)通信是利用电力线作为信息传输媒介,并通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的一种特殊通信方式。其最大特点是不需要重新架设网络,自20世纪20年代推出以来,PLC已经有效地应用于电力系统,它具有通道可靠性高,抗破坏能力强,投资少,不需要架设专用线路等优点。鉴于这些特点,电力系统一直都致力于发展和实现电力的实时监控和调度,并取得较好的成果,因此在很长的时间里,电力线载波在电力系统通信中占有主导地位。
    低压电力线载波通道特性
    目前,广泛应用的电力线载波通道主要集中在中、高压电力线上。低压配电网由于直接面向用户,各种不同性质的负荷在任意的时间和位置可随机断开或连接,这使其通信环境极其恶劣。电力线并非专为传输信号而设计,对于高频信号电力线,它是一根非均匀传输线,利用电力线作为传输媒介的通信过程中,存在负荷情况复杂,噪声干扰强且具有时变性,信号衰减大,信道容量小等问题。影响电力线通信质量的原因主要有以下三种。
    1.高频信号的衰减及失真
    由于电力线上随机接入和断开各种感性负载或容性负载,高频信号在传输中必然存在衰减。一般来说,传输距离越远,信号衰减越严重,但是由于电力线是非均匀的传输线,负载阻抗不匹配,这就会出现驻波、反射等问题,不仅会使信号衰减,还会造成信号失真。
    2.输入阻抗不定
    低压电力网直接面对用户,接入的负载类型各不相同,这使得不同频率的阻抗也各不相同。而且电力线上的阻抗并非一成不变,因为负载接入是随机的,无法根据某特定的阻抗选择固定的频率与之匹配,这给设计带来很大的困难。
    3.传输干扰
    电力线上存在着人为和非人为的干扰,人为的干扰主要是接入电力线的设备造成的,非人为的干扰是由一些如雷电等自然现象引起的。各种干扰都会对信号传输质量造成不利影响。
    电力线载波常用通信方式
    低压电力线载波常用通信方式主要有窄带通信、正交频分复用和扩频通信技术。
    1.窄带通信技术
    窄带通信方式是早期电力线载波采取的通信方式,主要包括相移监控(PSK)和频移键控(FSK)方式。PSK方式用两种不同的相位表示“0”、“1”,通常是用0°和180°。FSK方式用两种不同的频率表示“0”、“1”。窄带通信方式成本低廉,易于实现,早期应用较多,但是抗干扰能力差,目前使用不多。
    2.正交频分复用方式
    正交频分复用(OFDM)是将串行的数据转化为多个并行数据并分配给相应的多个正交的子载波,从而在一根线上实现并行数据传输而相互之间不受干扰。OFDM实际上就是多路窄带载波同时传送,其特点是通信速率高,但是电路成本较高,主要应用于对通信速率要求高的场合。
    3.扩频通信技术
    扩频通信(SS)是在信号发射端将信号频谱扩展后进行传输,在接收端将接收到的信号解扩还原出原始信息。扩频通信常用的四种扩频方式为直接序列扩频(DS)、线性调频、跳频(FH)和跳时(FT)。当前国内应用最为广泛的是直接序列扩频方式。
    扩频通信的优点是抗人为干扰,抗窄带干扰能力强,早期应用于军事通信领域。通信时先将普通数据调制为基带信号,再用伪随机码(PN码)对基带信号经行扩频调制,将频谱拓宽,形成宽带信号利用电力线传输。在接收端用相同伪随机码进行解扩,将宽带信号恢复为发送时的基带信号,最后按照常规的处理手段将基带信号解调得到信息。
    扩频通信的理论依据是信息论和抗干扰理论的基本公式。信息论中的香农信道容量公式为
    C=Blog2(1+S/N)  (1)
    式中C——信道容量,单位b/s;
    B——信道带宽,单位Hz;
    S——信号功率,单位W;
    N——噪声功率,单位W。
    为了增加传输速率C,可以增加带宽B或信噪比S/N。同样,在信道容量确定的情况下,如果带宽足够大,即使在信号被噪声淹没,也可以保证可靠传输,故而扩频通信的抗干扰能力较强。
    电力线载波芯片
    1.国内外载波芯片概况
    早期电力线载波通信使用的是模拟载波机,至今我国部分地区仍在使用,现在随着微电子技术的发展,出现了载波专用集成芯片。国外使用较早的有XR2210/XR2206,这是基于FSK方式的调制解调芯片。Intellon公司的SSCP200/300载波芯片采用了扩频技术,主要针对智能家居,对通信距离要求不高。Echelon公司的PLT-22采用的是BPSK调制解调技术,Lonwoks网络专用,成本较高。
    国内电网环境相对国外的较恶劣,国外的载波芯片能适用于国内电网的较少,国内企业针对我国电网环境研发出了专用载波芯片。深圳力合微电子推出了LME2200C电力线通信调制解调器;深圳昊元设计的HYT3101电力线载波通信芯片内嵌有网络通信协议;北京智源利合公司的SC1128扩频通信芯片采用直接序列扩频,将扩频解扩,调制解调等电路全部集成在芯片内部,可以有效降低系统使用成本;北京福星晓程公司的PL3000系列芯片是国内应用较多的电力线载波专用芯片,直接序列扩频,内部不仅集成载波通信电路,还包含有电能计量电路,是针对载波抄表设计的。
    2.直接序列扩频
    直接序列扩频是国内载波扩频通信芯片使用较多的一种扩频方式,图1和图2分别是扩频和解扩的原理图。
    <IMG=S20110106100101>
    图1  扩频发射原理
    <IMG=S20110106100102>
    图2  解扩原理
    直接序列扩频将待发射的数据与一列PN码相乘,得到扩频后的序列,对载波进行调制,产生的载波信号经过必要的信号放大后耦合到电力线上传输。接收端将电力线上的载波信号经滤波和功率放大与本地振荡器产生的序列混频、滤波,然后用相同的PN码解扩得到原始数据。
    3.福星晓程PL3106
    福星晓程是国内较早研究电力线载波的企业,其载波芯片采用的是相位调制。PL3106内部不仅集成载波通信所需的调制/解调、扩频/解扩等功能,还含有一个增强型8051内核,使用者可根据现场环境编程,PL3106是一款通用性较强的芯片,除了必要的载波通信功能,还包括AD转换、PWM输出以及红外调制等,可应用于数字载波电表。同时还有与键盘、数码管显示配套的接口。其通信速率有500bit/s和250bit/s两种,相应的PN码分别是15位和31位,用户可以自己选择速率,通信方式为异步半双工。载波中心频率120kHz,带宽15kHz。载波信号发射及接收电路原理图如图3所示。
    原理图上方推挽电路是对输出的载波信号进行功率放大,PSK OUT端是PL3106输出的载波信号,其发射功率的大小决定于VHH电源的幅值以及电流的大小,较大的发射功率可以保证远距离传输的可靠性。图中的VD3、VD4起嵌位作用,用来吸收电力线上的尖峰干扰。VDI、VD2有稳压作用。发射回路的电容C14和电感L1用于调整发射电流和波形,增大L1和减小C14将减小发射电流并改善波形,反之将增大发射电流和波形失真。调整L1和C14时将影响线圈的发射功率和自身功耗。
    <IMG=S20110106200101>
    图3  载波通信接口原理图
    图3的下方是载波接收电路,电容C15、C16和电感L2组成并联谐振电路,具有对120kHz信号的选频作用。VD5、VD6有限幅作用,使输入SIGIN的电压低于700mV。芯片内置两路放大器,对收到的载波信号进行放大以提高灵敏度。
    载波信号经由SIGIN引脚输入芯片,芯片将接收到的120kHz信号与600kHz本振信号混频,得到480kHz的差频信号。混频信号由FLTI引脚输入到陶瓷滤波器,经滤波器滤波后输入芯片FLTO引脚,由内部的硬件解扩电路进行数据还原。陶瓷滤波器的中心频率为480kHz,带宽为5kHz。
    4.东软PLCi38-Ⅲ、PLCi36M-Ⅲ
    青岛东软的载波芯片采用的也是直接序列扩频,与福星晓程不同的是PLCi系列是频率调制,而福星晓程是相位调制。PLCi38-Ⅲ和PLCi36M-Ⅲ属于东软第三代载波芯片,载波中心频率为270kHz,不像PL3106一块芯片集成了诸多功能,通用性强,PLCi系列的功能相对单一,属于专用型,封装形式为双列直插28引脚,实际可用的引脚是15个,远比PL3106的引脚要少。传输速率为9600bit/s,通信方式为异步半双工,与福星晓程不同之处在于主从之分,PLCi38-Ⅲ的工作方式为主动发送,PLCi36M-Ⅲ的工作方式为主动接收。两款芯片的应用电路一样,载波通信原理图如图4所示。
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    图4  载波通信接口原理图
    图4下方是载波发射电路,上方是接收滤波电路。SSOUT端输出载波信号,载波发射电路中的TS1是一颗20V的肖特基稳压管,这里是利用它的正向导通电压低的特点,来保护P沟道的MOS管。US6M2是内部各有一个P沟道和N沟道的MOS管,作用是对载波信号进行放大,这个电路的耐流为1A,过大有可能烧毁MOS管。右下方的电路的作用是当15V电源电压被拉低时控制其输出电流,保证15V电源电压不至于被拉到太低而使整个系统无法正常工作。
    图4上方的接收电路包括信号耦合电路和带通滤波器,目的在于提高频带内的信号接收功率并抑制来自电力线上的噪声干扰,使无源滤波网络的插入损耗最小。这是一个三阶巴特沃兹滤波器,其中心频率为277kHz,带宽108kHz。
 
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