第3章 第二版 电力线载波通信

1、第三章第三章 电力线载波通信电力线载波通信 （Power Line Carrier-PLC) n概述概述 n电力线载波通信系统电力线载波通信系统 n数字电力线载波机数字电力线载波机 n电力线载波通信新技术电力线载波通信新技术 第一节第一节 概述概述 电力线载波通信(也称PLC-Power Line Carrier) 利用高压输电线作为传输通路的载波通信方式。 n用于电力系统的调度通信、远动、保护、生产指挥、 行政业务通信及各种信息传输。 n电力线载波通信是电力系统特有的通信方式。 n电力线路是为输送50/60Hz强电设计的，线路衰减小， 机械强度高，传输可靠。 n电力线载波通信合用电力线路进行

2、通信不需要通信线 路建设的基建投资和日常维护费用，在电力系统中占 有重要地位。 一、电力线载波通信的特点 1. 独特的耦合设备 载波信号和工频电流的各自传输和分离 G G CC JLJL 载 波 机 A 载 波 机 B GZ GZ 耦合装置耦合装置 电力线路 GLGL 变压器变压器发电机发电机 一、电力线载波通信的特点（续） 2. 线路频谱安排的特殊性 电力线载波通信能使用的频谱由三个因素决定： （1）电力线路本身的高频特性（ 500KHz）。 （2）避免50Hz工频的干扰。 （3）考虑载波信号的辐射对无线电广播及无线通信的影 响。（300K3M)Hz 我国统一规定电力线载波通信使用的频率范围

3、为40 500KHz(实际能使用的频谱更窄）。 一、电力线载波通信的特点（续） 3. 以单路载波为主 电力系统从调度通信的需要出发，往往要依靠发电 厂、变电所同母线上不同走向的电力线开设载波来 组织各方向的通信。 电力线通信大量采用单路载波设备（上世纪八十年代） 多路载波机 （上世纪九十年代末） 一、电力线载波通信的特点（续） 4. 线路存在强大的电磁干扰 n由于电力线路上存在强大的电晕等干扰噪声，要求 电力线载波设备具有较高的发信功率，以获得必需 的输出信噪比。 n另外，由于50Hz基波和低次谐波的强烈干扰，使得 0.3-3.4KHz的话音信号不能直接在电力线上传输，只 能将信号频谱搬移到4

4、0KHz以上，进行载波通信。 二、我国电力线载波通信的现状 n在以数字微波通信、卫星通信为主干线的覆盖全国的 电力通信网络已初步形成、多种通信手段竟相发展的 今天，电力线载波通信仍是地区网、省网乃至网局网 的通信手段之一，仍是电力系统应用区域最广泛的通 信方式，仍是电力通信网重要的基本通信手段； n定位：电力线载波对定位：电力线载波对小容量、长距离小容量、长距离的电力通信来的电力通信来 说，是一种经济可靠的通信方式说，是一种经济可靠的通信方式 二、我国电力线载波通信的现状（续） n出现于上个世纪二十年代初期 n上个世纪七十年代时期，我国模拟电力线载波机技术已趋成熟 （先进调制技术） n八十年代

5、中期，电力线载波通信的应用达到了史无前例的高峰 （载波频谱日趋紧张） n九十年代，数字多路载波机问世 n2000 年左右，我国大规模地开展低压电力线载波应用技术的研究 “未被挖掘的金山”之势PLC (Power line communication，而不 是Power line carrier)。 n未来主要应用领域:使用窄带的电度表自动集抄系统、家居自动化 和使用宽带的电线上网 ，配网自动化等 第二节 电力线载波通信系统 一、电力线载波通信系统构成一、电力线载波通信系统构成 电力线载波机、电力线路和耦合设备构成。 耦合装置（又称结合设备）包括: 线路高频阻波器GZ、耦合电容器 C、结合滤波器

6、JL和高频电缆GL /HFC. 作用 提供高频信号通路 电力线高频通道 , 工频通道 G G CC JLJL 载 波 机 A 载 波 机 B GZ GZ 耦合装置耦合装置 电力线路 HFCHFC 变压器变压器发电机发电机 耦合装置（又称结合设备） 各构成部分的作用 n电力载波机：核心 主要实现调制和解调，完成频率搬移， 载波机性能好坏直接影响电力线载波通信系统的质量。 n耦合电容C和结合滤波器JL组成：高频带通滤波器， 其作用： 通过高频载波信号， 阻止电力线上的工频高压和工频电流进入载波设备， 确保人身、设备安全。 G G CC JLJL 载 波 机 A 载 波 机 B GZ GZ 耦合装置

7、耦合装置 电力线路 HFCHFC 变压器变压器发电机发电机 各构成部分的作用 n线路阻波器GZ：串接在电力线路和母线之间，是对电 力系统一次设备的“加工”，故又称“加工设备”。 作用：通过电力电流、阻止高频载波信号 减小变电站和分支线路对高频信号的介入损耗及同 一母线不同电力线路上高频通道。 n输电线: 既传输电能又传输高频信号。 G G CC JLJL 载 波 机 A 载 波 机 B GZ GZ 耦合装置耦合装置 电力线路 HFCHFC 变压器变压器发电机发电机 二、电力线载波机 （一）特点 （1）电力线上噪声电平很高，为保证接收端信噪比符合要求，载波机发送 功率较大(约为1100w)。 （

8、2）为集中利用发送功率，一台载波机的路数较少，一般为单路机。 （3）接收机应具有较好的自动电平调节系统，在接收信号电平变化较大的 情况下，仍使音频输出电平变动很小。 （4）复用机：传送电力调度及安全运行所需的电话、远动、远方保护信号。 专用机： 专门传送其中一种信号。 n为了满足不同电压等级的线路上开设电力线载 波通信的需求，目前国产电力线载波机已形成 系列机，通过对系列机的选择和组合，可以实 现调度所、发电厂和变电站之间的各种通信。 （二）调制方式 主要：双边带幅度调制、单边带幅度调制和频率调制三种， 单边带幅度调制最为普遍 n单边带幅度调制(SSB)也称单边带调幅，一般采用两次调 制及滤波

9、的方法，将双边带调幅产生的两个边带除去一 个，载频也被抑制。 优点： （1）接收频带减为一半，噪声及干扰影响减小。 （2）提高了电力线载波频谱的利用率。 （3）发送功率集中在一个边带中，利用率高。 （三）典型电力线载波机的组成 音频汇接电路、发信支路、收信支路、自动电平调节系 统、呼叫系统等 讨论：为什么有导频信号？ 讨论：为什么有压缩扩展器？ 1音频汇接电路 音频段（0-4）kHz ： n0.3-2.0kHz 话音信号 n2.220kHz30Hz呼叫信号（FSK) n2.4-3.4 kHz 远动信号（FSK) n3.660kHz30Hz 呼叫信号（FSK) n保护信号时间短，优先级高（全功

10、率）展开 保护信号传输的工作方式 音频保护信号设备与电力载波机配合的三 种方式： n 专用 n 同时复用 n 交替复用 n 专用：单路载波机专用来传输保护信号。 采样这种方式，传输距离远，信号延时 最小（ 中频，故称为中频调制 中频载波的一般取12kHz，调制后取上边带。 n第二次调制:中频 -高频, 故称为高频调制 高频频带（40-500）kHz，调制后取下边带。 调制器 84k 三路 复用 BPF 1224 调制器 96k 调制器 108k 调制器 120k BPF BPF BPF 6072 7284 8496 96108 60108 1 2 4 3 5 6 7 8 9 10 11 12

11、信号 三路 复用 三路 复用 三路 复用 12路载波通信 3收信支路 n相干解调， n这就要求收信端的高频与中频载频与发送端完全相 等载波同步方法： 最终同步法控制载频偏差。 4自动电平调节系统 n原因：电力线载波通道传输特性：非常不稳定 线路衰减随气候条件、电力设备的操作和线路故障 有很大变化。 n目的：收信端设有自动电平调节系统，用于补偿高频 通道在运行过程中的衰减变化，保证收信端传输电平 的稳定。 n过程：将导频信号（中频载波信号）为参考，来控制 收信支路中可调放大器的增益或可调衰减器的衰减， 实现自动调节。 5呼叫系统、自动交换系统 n在传输语音信号之前，首先应呼出对方用户。 n因此，

12、发信支路中发送呼叫信号的音频 在对方收信支路中接入呼叫接收电路 电力线载波机采用自动呼叫方式，自动交换系统 国产载波机一般设四门用户交换系统， 进口载波机一般不设交换系统，而是连接小交换机。 （五）电力线载波机的主要技术指标 n传输信号电平、通路净衰耗频率特性、通路振幅特性、 通路稳定度、通路杂音、通路串音、载波同步、回音 与群时延和振铃边际等 n电力线载波机的技术指标满足国家和国际的有关标准 或建议，即国标GB/T7255-95单边带电力线载波终 端机、IEC495单边带电力线载波终端机及ITU-T 有关建议。 三、电力线高频通道 n电力线高频通道组成： n 耦合装置：结合滤波器JL（又称结

13、合设备）、耦合 电容器C、阻波器GZ（又称加工设备） n电力线路。 G G CC JLJL 载 波 机 A 载 波 机 B GZ GZ 耦合装置耦合装置 电力线路 HFCHFC 变压器变压器发电机发电机 （一）耦合装置与耦合方式 1耦合装置 n耦合电容C： n传输高频信号，阻隔工频电流， n在电气上与结合设备中的调谐元件配合，形成高通滤波器或 带通滤波器， n容量一般为3000-10000pF； n线路阻波器GZ n主要由强流线圈、保护元件及电感、电容与电阻等调谐元件 组成， n 串联在输电线路上。通过工频电流，阻止高频信号 n线路阻波器的电感量一般为0.1-2mH；对高频信号呈现高阻抗 （几

14、千欧姆以上） n线路阻波器GZ 耦合电容C： n结合滤波器JL（又称结合设备） 与耦合电容器组成高通或带通滤波器。 构成：排流线圈、接地刀闸、匹配变压器、 调谐装置。 n 分频滤波器 载波机与高频保护收发信机的并机运行。 提供防卫度和并机阻抗特性。 2耦合方式 三种：相地、相相 和相地、相相混合方式。 （1）相地耦合方式。 载波设备在一根相导线和大地之间， 特点：只需一个耦合电容器和一个阻波器，设备使用经济， 因而得到了广泛应用。 不足：衰减比相相耦合方式大；在相导线发生接地故障 时高频衰减增加很多。 （2）相相耦合方式 需要至少两个耦合电容器和 两个阻波器， 特点： n耦合设备费用约为相地耦

15、合方式的两三倍， n高频衰减小，而且当电力线路故障时，由于 80%的故障属于单相故障，所以具有较高的安 全性， n目前国内外在一些可靠性要求较高的电力线高 频通道中已采用了相相耦合方式。 （二）电力线载波通路上的杂音干扰 1杂音的类型 n杂音： 对语音的较弱部分掩盖，使人耳对有用信号的听觉灵 敏度降低，从而降低了语音的清晰度。 n串音： n可懂串音 n不可懂串音，对于通路的影响与杂音相同 通路的杂音 n通路杂音：线路杂音、设备内的固有杂音、制际串音 形成的杂音和路际串音形成的杂音。 n线路杂音：高压电力线上，由导线发生电晕和绝缘子 表面局部放电所造成的杂音主要杂音来源。 不同电压等级的电力线路

16、杂音电平数值如表。 n设备内固有的杂音： 导体电阻、电气元器件的热噪音和电源滤波不良产生 的纹波电压所引起的杂音等。 n制际串音形成的杂音： 其它通信设备传输信号时串入设备的不可懂杂音。 n路际串音形成的杂音： 是指在同一设备中，各通路间的不可懂串音。主要由线 路放大器等部件的非线性所造成的。 2对电力线载波通路杂音的要求 衡量杂音对通信质量的影响： n杂音电平的大小， n信号电平的大小以及信号电平与杂音电平的差值。 n信号与杂音电平的差值称为信杂比，又称为杂音防卫 度，用SNR表示。 （三）电力线载波通道的频率分配 n1必要性 防止通道间相互干扰，保证通信系统正常运行。 nZJA(通道A):

17、fA， nZJB(通道B):fB， 路径干扰: 相线间电磁耦合， fA信号-A相-ZJB 电力线载波通道的干扰计算 n载波机A 对载波机B的 信号干扰比： PS/IPB一(PA一bT一bI一bS) （3-1） n PS/I为信号干扰比，dB n PB为被干扰载波机接收信号电平，dB； n PA为干扰载波机A发送电平，dB； n bT 为干扰信号路径中的跨越衰减，dB； n bI 为干扰信号路径的传输衰减，dB； n bS 为干扰载波机选择性衰减，dB；。 n可懂串音防卫度大于55dB，对不可懂串音防卫度大于 47dB，表示通道间的干扰在允许范围内可正常运行。 影响载波通道间的干扰有以下因素 n

18、载波机A 对载波机B的 信号干扰比： PS/IPB一(PA一bT一bI一bS) （3-1） （1） PA越大，则对其他载波通道的干扰信号越强。 （2）干扰信号在传输过程中总会有衰减，（bTbI）的总和 越大，衰减越大，产生的干扰越小。 （3）PB越强，则受干扰的影响越小。 （4）干扰载波机的收信选择性愈高，对干扰信号和被干扰 信号的分辨能力愈强，则被干扰载波机所受的干扰越小。 为了提高通道间的跨越衰减，减小通道干扰， 可以采取在电厂的电力线出线A、B、C三相用阻波 器阻塞；在电厂的电力线出线A、B、C三相加装电 力线载波频率分隔设施。 2频率分配方法 n电力线载波系统的频率范围：40一500

19、kHz，一条电力 线载波电路占用频带宽度为24kHz，共有57组载波 电路频带可供安排 n频率分配： 使通道间相互干扰满足指标要求， 并且在指定的范围内尽可能安排较多的电路，提高频 谱的利用率。 n频率分配方法有频率插空法、频率实测法及频率分组 重复法等。 频率分配方法 n频率插空法 经过计算选择插入新的载波频率，使其与原有的载波 频率间无干扰。 方法简单 ，频率浪费大。 n频率实测法 用测试方法证明新的载波频率与原有的载波频率间无 干扰。 可靠，频率浪费大。 n频率分组重复法 将40一500 kHz分成若干频率组，如A,B,C,D等，可以重 复使用频率。 较完善。可以安排较多通道。 频率分组

20、重复法 的划分原则 n频率分组:将40一500 kHz分成若干频率组，如A,B,C,D等 1） 同一条电力线： 同一频率组，组内各频率点无相互干扰，载波机 可并联使用。 2）不同的相邻电力线：不同的频率组，频点间无相互干扰。 3）在经过23个电力线路段之后：可以重复使用频率组。 优点： 频率分配有计划，频率可重复使用，提高频谱的利用率； 一条线路分一组频率，做到频率预留，对发展留有余度。 中国已普遍推广使用该方法。 电力线载波的频率分配属于线性规划范畴，可用线性规划数 学工具来解决，用计算机和线性规划方法进行频率分配的优化设计。 四、电力线载波通信方式与转接方式 （一）电力线载波通信方式 n电

21、力线载波通信的方式主要由电网结构、调度 关系和话务量多少等因素决定， n定频通信方式 n中央通信方式 n变频通信方式 目前我国主要采用定频通信方式和中央通信 方式两种。 1定频通信方式 n 载波机收发频率固定不变。 n Af1B1转接 B2f3C n应用最普遍。一对一的定频通信方式又是定点通信， 各站相互同时通信，传输稳定，电路工作比较可靠。 n 占用频带较多，接通用户时间长。 2中央通信 方式 nA站中央站，发f1，收f2 nB、C两站外围站，发f2，收f1 n更多站间通信可只使用一对频率，节约了载波频谱也节 约了设备数量（每站只需一个载波机） n但这种方式只限 一对N 外围站。各外围站间不

22、能通话。 n只宜在通话量少的简单通信网中使用，如集中控制站对 无人值守变电所的通信。 3 变频通 信方式 n为克服中央通信方式的不足，使各站间都能通话，仍 只使用一对频率，可以采用变频通信方式 n平时A、B、C三机不发信号，发送都为f2，接收为f1。 n任一站发信号时，将发送改为f1，接收改为f2，其他站 频率仍不改变 n 发送接收频率需要改变，载波机结构复杂，各站间传 输衰减变化较大，使用受到局限。 （二）电力线载波通信的转接方式 电路转接的常用方式有 n话音、远动通路同时转接时， n中频转接 n低频转接 n话音通路单独转接时， n音频转接 1中频转接 n指转接的信号为中频信号，即不通过中频

23、调制与解调 1定频通信方式 n 载波机收发频率固定不变。 n Af1B1转接 B2f3C n应用最普遍。一对一的定频通信方式又是定点通信， 各站相互同时通信，传输稳定，电路工作比较可靠。 n 占用频带较多，接通用户时间长。 n优点： n 转接的信号只经过一次解调和调制，信号 失真较小。 n 中转站B1,B2的音频部分在转接中没有传送 用户信号，可以用来与A、C站间维护通信提 供方便。 n 缺点: n导频信号的二次发送，无法实现导频最终同 步。 1中频转接 2低频转接 n也属于话音和远动通路同时转接的方式之一 n两台中转载波机在在中频调制前的“低转发”与中频 解调后的“低转收”端彼此相互连接，即

24、可实现低频 转接。 n这种方式可实现最终同步，传输电平稳定。 图3-11 3音频转接 n音频转接是对同时传输远动信号的载波机为了单独转 接话音信号而设置的，具有低频转接的全部优点，可 实现最终同步。 n仅转接音频信号，可构成灵活的电话通信网。所以， 目前电力线载波机大量采用音频转接。 图3-12 第三节 数字式电力线载波机 n一、数字电力载波通信一、数字电力载波通信 数字电力线载波通信DPLC(Digital Power Line Carrier) 九十年代，数字多路载波机问世 与APLC相比较，DPLC优点： (1) 在相同信道带宽（24kHz条件下，能传输的 电话路数增多，数据容量大，频带

25、利用率提高。 (2) 数字方式抗干扰能力强，通信质量得到提高。 (3) 话音、远动和呼叫信号都变为数字形式，可不必再 考虑发信功率的分配，以全功率发出即可。 (4)提供的数字接口能适应综合业务数字网（ISDN）的 发展趋势，便于灵活组网。 (5)便于用外部计算机实时修改设备参数及工作状态， 实现自动监测与控制。 二、对数字电力线载波机的要求 （1）提供现有APLC的各种业务（调度电话、远动、远 方保护）及新增数据通信业务。 （2）通道容量应比APLC至少大三倍以上。 （3）占用与APLC相同的带宽，且不改变原有的频谱分配。 （4）在线路侧与APLC兼容，原有的耦合装置不变，可与 APLC共同组

26、网。 （5）具有良好的可扩充性能。 （6）投资少、功能强、性能价格比高。 三、数字电力线载波机的关键技术三、数字电力线载波机的关键技术 两种类型 n一种是模拟体制的DPLC，局部采用了一些先进 的数字技术 n（类似于模拟电视接收机的电路数字化），体制还 是模拟，仍采用传统的单边带（SSB）方式，收发 频带仍各为4kHz n在音频部分和其它一些功能实现了数字化，如数字 信号处理技术（DSP），设备性能得以提高，接口 灵活，便于计算机直接监测和控制， n如德国西门子的ESB2000、瑞士ABB的ETL； 模拟体制的DPLC 局部采用数字技术的关键技术关键技术 （1）采用锁相频率合成技术实现数字化。

27、 （2）音频通道复用滤波器DSP进行数字化。 （3）调制、解调部分采用DSP进行数字化等。 三、数字电力线载波机的关键技术三、数字电力线载波机的关键技术 n另一种则是全数字化的载波机 n将音频信号变为数字编码， n传输上采用多电平数字调制技术，如多电平正交调幅 （MQAM）、网格编码调制（TCM）等， n采用回波抵消（EC）技术实现双向通信，信息速率可达 到32kb/s, 实现了体制的彻底转变，容量得到很大提高， 一般传输速率一般为1 0一100 kbit/s，可容纳几路至几 十路低速数据或压缩语音信号。 n如挪威Nera公司的A.C.E.32。 DPLC所采用的数字技术主要有： 1DSP 技术（滤波，均衡，调制，编码） 2 高效的多进制数字调制技术（QAM,TCM) 3语音压缩编码技术 第四节 电力线载波通信新技术 一、中一、中/低压电力载