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摘要:随着电力线载波和低压配电技术的不断发展,用户多、分布广的低压配电网越来越引起人们的关注。低压电力线被认为是不久的将来“最后一公里”互联网接入的理想解决方案。本文详细阐述了低压配电网作为数据网所固有的特点、技术分类、概况、实际应用与开发现状,同时探讨了低压配电网电力线载波通信的发展,并对其所涉及的一些问题进行讨论,阐明电力线载波通信的关键技术及组网方式。
关键词:电力线载波通信;OFDM;逻辑拓扑结构;中继
作者简介:张静(1986-),女,河北石家庄人,华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生,主要研究方向:电力系统通信;杭鑫(1985-),男,内蒙古乌兰察布人,华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生,主要研究方向:无线通信。(北京 102206)
近年来,电力线载波通信(Power Line Communication,PLC)技术已经成为通信系统中新的研究热点,它被看成一种未来重要的现场设备总线通信技术。然而,作为一种具有光明前景的通信方式,电力载波通信由于具有时变性、频率选择性等固有特点,使其在具体应用中还存在很多问题亟待解决。
长期以来,电力线载波通信网一直是电力系统的重要基础网络。随着光纤技术的发展,电力线载波已经从主导电力通信方式转变为辅助电力通信方式。但是,基于我国电力通信发展水平不平衡以及电力线载波技术革新带来的新的载波功能致使电力线载波在我国仍有巨大的需求市场。[1]高压电力线载波通信技术已经很早就应用到配电网络线路通信中,并形成了相应的国际国家标准。而对于低压配电网来说,低压载波无法直接依靠物理层信号的调制实现,所有载波节点的通信必须借助中继等手段。
一、低压电力线载波通信特点
1.通信信道的频率选择性
由于低压配电网中负荷情况复杂,负载变化大且随机,噪声种类多,噪声强度大等特点造成信号的反射、谐振、驻波等现象,导致了信号的不同程度的衰减,由此引起电力载波通信信道具有很强的频率选择性。[2]
2.通信信道的时变性
由于低压电力线对载波信号来说分布不均匀,再加上不同的电力负载在低压配电网的任意位置随机地投入和断开,使信道表现出很强的时变性。
3.噪声干扰强而信号衰减大
影响电力线载波通信的噪声有三种,即分布在整个通信频带的背景噪声、由脉冲干扰所引起的周期性噪声以及由于用电设备的随机接入或断开而产生的突发性噪声。
二、低压电力线通信技术概述
1.电力线载波通信技术分类
电力线载波通信通常分为宽带电力线载波通信和窄带电力线载波通信。宽带电力线通信的带宽为2～30MHz,速率为1Mbit/s以上,而窄带电力线的带宽限制为3～500kHz、通信速率小于1Mbit/s。
我们还可以根据频带传输技术将电力线载波通信划分为传统的频带传输和扩频传输。主要的扩频技术有:直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS),正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)以及调频等。下面重点介绍一下被电力载波通信行业普遍看好的高效多载波宽带数字调制技术——正交频分复用(OFDM)。[3]
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。这样,尽管总的信道是非平坦的,具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。而且由于信道的相互正交导致频谱相互重叠,不但减小了子载波间的相互干扰,又提高了频谱利用率。再加上前向纠错、交叉纠错、自动重发和信道编码等技术来保证信息传输的稳定可靠,因而成为电力线上网应用的主导通信方式。[4]
2.低压电力线载波通信技术难点
低压电力线载波通信技术也同样存在着技术难点,由于大范围的线路衰减和线路阻抗以及时变性,需要我们增强模拟前端技术如自适应滤波、自适应均衡等的研究。另外低压载波通信在变压器跨相和穿越变压器方面的实用技术也需要进一步研究,在多路供电的现场也需解决电源切换时的通信中断问题。这一点关系到通信制式、耦合方式等多方面的设计。考虑到电磁兼容的特性,可以制定对外干扰的标准。低压载波通信最终实现高性能、低价格的关键在于专用芯片的设计和制造,而这正是我国微电子行业的弱点所在,加大这一方面的研究和投资力度对于低压载波通信的实用化至关重要。
三、低压电力线载波通信组网方式
由于低压电力线网复杂的网络拓扑结构和物理结构以及由此所造成的未知性和时变性使得低压电力线组网存在着很大的困难。本文试图通过一种方法找到网络的逻辑拓扑结构,如同在低压抄表系统中由于电网时变性和突发噪声所造成的抄表“盲区”问题,我们在网络扑结构中需要注意的是电力线载波通信中的“孤点”问题,此节点无法通过任何中继手段同其他节点相连,应该置于整个拓扑结构之外。
此方法的基本思想是从主载波节点开始,遍历此网络中的所有从载波节点,找出孤点,从而确定网络逻辑拓扑结构。假设此网络中1个主载波节点,a个从载波节点,确定此网络的逻辑拓扑结构步骤如下:[5]
首先,由1个主载波节点向其余a个从载波节点发送测试轮询包。假设有b(b≤a)个从载波节点接收到轮询包并回复,则找到第一层可以直接和主载波节点通信的从载波节点。若a=b,则此轮询过程结束。然后,从第一层载波节点1到b依次向剩余(a-b)个从载波节点发送测试轮询包。假设有c[c≤(a-b)]个主从载波节点接收到并回复,则找到第二层可以和第一层中继相连接的从载波节点。若c=0,则表明剩下的节点既不能直接与主载波节点相连,也不能与第一层从载波节点中继相连,则其为孤点,轮询结束。若c=(a-b),则表明所有的从载波节点都可以直接或间接与主载波节点相连,轮询结束。若(0 通过此图我们可以看出逻辑拓扑结构和物理拓扑结构之间的不同。逻辑拓扑结构虽然也是采用树的结构,但其所描述的不是一种确定的拓扑结构,而是一种中继策略。它并不代表一种唯一的通信路径。如图中的方法,但它不同于物理拓扑结构,图中1、2节点,4、5节点,6、8节点在物理拓扑结构中属于不同层,但在“逻辑拓扑结构”属于同一层。
四、仿真实验与结果分析
为了验证本文所提出的逻辑拓扑结构算法的可行性和有效性,通过在实验室利用载波机搭建测试网络,人为改变节点总数、网络层数、中继节点、子节点位置等,统计出各种不同情况下轮询的次数以及建立完成逻辑拓扑结构所花费的时间。所选用载波机完成一次点对点轮询所需的时间为0.5s。[6]实验结果如表1所示。
实验结果表明,采用本文所提出来的算法建立逻辑拓扑结构,对耗时影响最大的是需要中继子节点的位置。对于具有40个子节点的网络来说,最长耗时为164.8s,对于实时性要求不高的低压载波通信来说,是可以接受的。具有10个子载波节点的网络其节点数和中继数与一般的中压电力线相当,可以在中压载波组网中借鉴这一方法。
五、结束语
电力线载波技术成本低廉、方便快捷、分布广泛、接入方便,其关键技术OFDM的发展方兴未艾,为电力线载波通信的发展奠定了技术基础。自动集抄系统通道的载波应用目前已能自动组网,但仍存在抄表盲区的的问题,而低压电力电力线载波正好能解决这个问题。但这些场合的网络往往比较复杂,很难找到物理上的“网络拓扑结构”。本文提出了基于逻辑拓扑结构的组网方法,并通过仿真实验计算其组网时间,其耗时可以被目前的低压载波通信接受。
参考文献:
[1]梁明,任燕.高速电力线通信的关键技术[J].电工技术杂志,
2004,(4).
[2]刘晓胜,胡永军,张胜友.低压配电网电力线载波通信与新技术[J].电气应用,2006,25,(2).
[3]李瑞,柯熙政.电力载波扩频通信技术研究进展[J].自动化博览,2003,(9).
[4]李胜利,焦邵华.中低压电力线载波通信方案的研究[J].电测与仪表,2002,39(443):29-33.
[5]刘晓胜,戚家金.基于蚁群算法的低压配电网电力线通信组网方法[J].电测与仪表,2008,28(1):71-76.
[6]刘柱,汪晓岩,蔡世龙.低压电力线载波通信组网方法[J].电力系统通信,2009,(12).
(责任编辑:刘辉)
关键词:电力线载波通信;OFDM;逻辑拓扑结构;中继
作者简介:张静(1986-),女,河北石家庄人,华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生,主要研究方向:电力系统通信;杭鑫(1985-),男,内蒙古乌兰察布人,华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生,主要研究方向:无线通信。(北京 102206)
近年来,电力线载波通信(Power Line Communication,PLC)技术已经成为通信系统中新的研究热点,它被看成一种未来重要的现场设备总线通信技术。然而,作为一种具有光明前景的通信方式,电力载波通信由于具有时变性、频率选择性等固有特点,使其在具体应用中还存在很多问题亟待解决。
长期以来,电力线载波通信网一直是电力系统的重要基础网络。随着光纤技术的发展,电力线载波已经从主导电力通信方式转变为辅助电力通信方式。但是,基于我国电力通信发展水平不平衡以及电力线载波技术革新带来的新的载波功能致使电力线载波在我国仍有巨大的需求市场。[1]高压电力线载波通信技术已经很早就应用到配电网络线路通信中,并形成了相应的国际国家标准。而对于低压配电网来说,低压载波无法直接依靠物理层信号的调制实现,所有载波节点的通信必须借助中继等手段。
一、低压电力线载波通信特点
1.通信信道的频率选择性
由于低压配电网中负荷情况复杂,负载变化大且随机,噪声种类多,噪声强度大等特点造成信号的反射、谐振、驻波等现象,导致了信号的不同程度的衰减,由此引起电力载波通信信道具有很强的频率选择性。[2]
2.通信信道的时变性
由于低压电力线对载波信号来说分布不均匀,再加上不同的电力负载在低压配电网的任意位置随机地投入和断开,使信道表现出很强的时变性。
3.噪声干扰强而信号衰减大
影响电力线载波通信的噪声有三种,即分布在整个通信频带的背景噪声、由脉冲干扰所引起的周期性噪声以及由于用电设备的随机接入或断开而产生的突发性噪声。
二、低压电力线通信技术概述
1.电力线载波通信技术分类
电力线载波通信通常分为宽带电力线载波通信和窄带电力线载波通信。宽带电力线通信的带宽为2～30MHz,速率为1Mbit/s以上,而窄带电力线的带宽限制为3～500kHz、通信速率小于1Mbit/s。
我们还可以根据频带传输技术将电力线载波通信划分为传统的频带传输和扩频传输。主要的扩频技术有:直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS),正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)以及调频等。下面重点介绍一下被电力载波通信行业普遍看好的高效多载波宽带数字调制技术——正交频分复用(OFDM)。[3]
OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。这样,尽管总的信道是非平坦的,具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。而且由于信道的相互正交导致频谱相互重叠,不但减小了子载波间的相互干扰,又提高了频谱利用率。再加上前向纠错、交叉纠错、自动重发和信道编码等技术来保证信息传输的稳定可靠,因而成为电力线上网应用的主导通信方式。[4]
2.低压电力线载波通信技术难点
低压电力线载波通信技术也同样存在着技术难点,由于大范围的线路衰减和线路阻抗以及时变性,需要我们增强模拟前端技术如自适应滤波、自适应均衡等的研究。另外低压载波通信在变压器跨相和穿越变压器方面的实用技术也需要进一步研究,在多路供电的现场也需解决电源切换时的通信中断问题。这一点关系到通信制式、耦合方式等多方面的设计。考虑到电磁兼容的特性,可以制定对外干扰的标准。低压载波通信最终实现高性能、低价格的关键在于专用芯片的设计和制造,而这正是我国微电子行业的弱点所在,加大这一方面的研究和投资力度对于低压载波通信的实用化至关重要。
三、低压电力线载波通信组网方式
由于低压电力线网复杂的网络拓扑结构和物理结构以及由此所造成的未知性和时变性使得低压电力线组网存在着很大的困难。本文试图通过一种方法找到网络的逻辑拓扑结构,如同在低压抄表系统中由于电网时变性和突发噪声所造成的抄表“盲区”问题,我们在网络扑结构中需要注意的是电力线载波通信中的“孤点”问题,此节点无法通过任何中继手段同其他节点相连,应该置于整个拓扑结构之外。
此方法的基本思想是从主载波节点开始,遍历此网络中的所有从载波节点,找出孤点,从而确定网络逻辑拓扑结构。假设此网络中1个主载波节点,a个从载波节点,确定此网络的逻辑拓扑结构步骤如下:[5]
首先,由1个主载波节点向其余a个从载波节点发送测试轮询包。假设有b(b≤a)个从载波节点接收到轮询包并回复,则找到第一层可以直接和主载波节点通信的从载波节点。若a=b,则此轮询过程结束。然后,从第一层载波节点1到b依次向剩余(a-b)个从载波节点发送测试轮询包。假设有c[c≤(a-b)]个主从载波节点接收到并回复,则找到第二层可以和第一层中继相连接的从载波节点。若c=0,则表明剩下的节点既不能直接与主载波节点相连,也不能与第一层从载波节点中继相连,则其为孤点,轮询结束。若c=(a-b),则表明所有的从载波节点都可以直接或间接与主载波节点相连,轮询结束。若(0
四、仿真实验与结果分析
为了验证本文所提出的逻辑拓扑结构算法的可行性和有效性,通过在实验室利用载波机搭建测试网络,人为改变节点总数、网络层数、中继节点、子节点位置等,统计出各种不同情况下轮询的次数以及建立完成逻辑拓扑结构所花费的时间。所选用载波机完成一次点对点轮询所需的时间为0.5s。[6]实验结果如表1所示。
实验结果表明,采用本文所提出来的算法建立逻辑拓扑结构,对耗时影响最大的是需要中继子节点的位置。对于具有40个子节点的网络来说,最长耗时为164.8s,对于实时性要求不高的低压载波通信来说,是可以接受的。具有10个子载波节点的网络其节点数和中继数与一般的中压电力线相当,可以在中压载波组网中借鉴这一方法。
五、结束语
电力线载波技术成本低廉、方便快捷、分布广泛、接入方便,其关键技术OFDM的发展方兴未艾,为电力线载波通信的发展奠定了技术基础。自动集抄系统通道的载波应用目前已能自动组网,但仍存在抄表盲区的的问题,而低压电力电力线载波正好能解决这个问题。但这些场合的网络往往比较复杂,很难找到物理上的“网络拓扑结构”。本文提出了基于逻辑拓扑结构的组网方法,并通过仿真实验计算其组网时间,其耗时可以被目前的低压载波通信接受。
参考文献:
[1]梁明,任燕.高速电力线通信的关键技术[J].电工技术杂志,
2004,(4).
[2]刘晓胜,胡永军,张胜友.低压配电网电力线载波通信与新技术[J].电气应用,2006,25,(2).
[3]李瑞,柯熙政.电力载波扩频通信技术研究进展[J].自动化博览,2003,(9).
[4]李胜利,焦邵华.中低压电力线载波通信方案的研究[J].电测与仪表,2002,39(443):29-33.
[5]刘晓胜,戚家金.基于蚁群算法的低压配电网电力线通信组网方法[J].电测与仪表,2008,28(1):71-76.
[6]刘柱,汪晓岩,蔡世龙.低压电力线载波通信组网方法[J].电力系统通信,2009,(12).
(责任编辑:刘辉)