电力线载波通信

第三章电力线载波通信概述电力线载波通信系统数字电力线载波机电力线载波通信新技术第一节概述电力线载波通信(也称PLC-PowerLineCarrier)是利用高压输电线作为传输通路的载波通信方式，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。电力线路是为输送50Hz强电设计的，线路衰减小，机械强度高，传输可靠，电力线载波通信复用电力线路进行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。电力线载波通信是电力系统特有的通信方式。一、电力线载波通信的特点1.独特的耦合设备电力线路上有工频大电流通过，载波通信设备必须通过高效、安全的耦合设备才能与电力线路相连。这些耦合设备既要使载波信号有效传送，又要不影响工频电流的传输，还要能方便地分离载波信号与工频电流。此外，耦合设备还必须防止工频电压、大电流对载波通信设备的损坏，确保安全。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。（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。我国统一规定电力线载波通信使用的频率范围为40—500KHz。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。由于能使用频谱的限制、通信方向的分散以及组网灵活性的考虑，电力线通信大量采用单路载波设备。一、电力线载波通信的特点（续）4.线路存在强大的电磁干扰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。另外，由于50Hz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40KHz以上，进行载波通信。二、我国电力线载波通信的现状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，电力线载波通信仍然是地区网、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；从理论研究，到运行实践，都取得了可喜的成效。二、我国电力线载波通信的现状（续）(1)电力线载波无论是在所具有的规模范围、装机数量还是在从事人员数量上，都是空前的。(2)电力线载波通信综合业务能力有了很大的发展。(3)载波技术装备水平有了很大提高。(4)理论研究成果卓著。第二节电力线载波通信系统一、电力线载波通信系统构成电力线载波通信系统主要由电力线载波机、电力线路和耦合设备构成，如图3-1。其中耦合装置包括线路阻波器GZ、耦合电容器C、结合滤波器JL（又称结合设备）和高频电缆HFC，与电力线路一起组成电力线高频通道。GGCCJLJL载波机A载波机BGZGZ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图3-1各构成部分的作用电力载波机：是电力线载波通信系统的主要组成部分，主要实现调制和解调，即在发端将音频搬移到高频段电力线载波通信频率，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。耦合电容C和结合滤波器JL组成一个带通滤波器，其作用是通过高频载波信号，并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。各构成部分的作用（续）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”，加工设备的作用是通过电力电流、阻止高频载波信号漏到变压器和电力线分支线路等电力设备，以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。结合设备连接载波机与输电线，它包括高频电缆，作用是提供高频信号通路。输电线既传输电能又传输高频信号。二、电力线载波机（一）电力线载波机的特点（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1—100w)。（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）电力线上载波信号的传输衰减受电力系统运行方式及自然状况的影响，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）主要用来传送电力调度及安全运行所需的电话、远动、远方保护信号。可以复合传送这些信号的，称为复用机，而专门传送其中一种信号的，称为专用机。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）调制方式电力线载波机采用的调制方式主要有双边带幅度调制、单边带幅度调制和频率调制三种，其中单边带幅度调制方式应用最为普遍，本节主要介绍这种调制方式。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。它有以下优点：（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单边带电力线载波机的原理简化框图见图3-2，它由音频汇接电路、发信支路、收信支路、自动电平调节系统、呼叫系统等部分组成。典型电力线载波机的组成框图图3-21．音频汇接电路电力线载波机为实现电话通信，不仅要传输话音信号，同时还应传输呼叫信号，尤其是为电力系统专用通信网服务的电力线载波机，除电话通信外，还同时要传输远动信号和远方保护信号。这些信号均在（0-4）kHz的音频段中传输，通常话音信号采用0.3-2.0kHz或0.3-2.4kHz的窄带传输，其2.4kHz或2.6kHz以上的音频段用于传输远动信号。呼叫信号插在其中，如2.220kHz±30Hz，或插在二者之上3.660kHz±30Hz。远方保护信号一般采用与话音、远动信号在时间上交替传输的办法。所有这些信号均在音频部分汇集后再送入发信支路，相应地在收信支路要将其分离后分别输出。电力线载波机的音频汇接电路就是实现汇集/分离的接口电路。远动信号与保护信号远动信号是脉冲序列。为使它能和话音信号同时传输，需经过调制解调器将脉冲信号调制在远动信号频段内的音频上，然后才能送入载波机的远动入口。所以，对电力线载波机而言，远动信号是指已调的音频信号，通常采用频移键控（FSK）方式传输，2.220kHz±30Hz,或3.660kHz±30Hz等呼叫信号也是采用FSK方式传输。远方保护信号也是音频信号。远方保护装置在发生电力事故时，需要可靠地将信号传送到远方。一般这种信号的传输时间极短，因此经常在传输远方保护信号时，先停送话音、远动、呼叫信号，等远方保护信号传完后，再继续传送其它信号。这是一种时间交替传输的复用方法，由于时间极短，并不影响其它信号的传输，同时可以全功率传输远方保护信号，确保保护信号的可靠性。2．发信支路发信支路将要传输的音频信号用载波进行调制，实现变频后放大，送到高频通道。一般采用二次调制，第一次调制将音频信号搬移到中频，故第一次变频称为中频调制，中频载波的一般取12kHz，调制后取上边带。第二次调制进一步将中频信号频谱搬移到线路频带（40-500）kHz，称之为高频调制，高频调制后取下边带。3．收信支路收信支路从高频通道上选出对方送来的高频信号进行解调，恢复出对方发送的音频信号解调方法选用相干解调，这就要求收信端的高频与中频载频与发送端完全相等，为了保证载频稳定度，一般采用图3-3所示的最终同步法控制载频偏差。图3-34．自动电平调节系统电力线载波所用的高频通道的传输特性非常不稳定，它的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。为保证通信质量，在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。自动电平调节的过程是，在发送端发送一个导频信号（为了简单，采用中频载波作为导频信号）。在对方收信支路，用窄带滤波器滤出导频信号，经放大、整流后作为控制信号，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电力线载波机在传输语音信号之前，首先应呼出对方用户。因此在发信支路中要发送一个称为呼叫信号的音频。在对方收信支路中接入呼叫接收电路（即收铃器）这样才能沟通双方用户。电力线载波机采用自动呼叫方式，通常机内附设有自动交换系统（国产载波机一般设四门用户交换系统，实现通过自动拨号选叫所需用户，但几个用户分时占用同一条载波通路。进口载波机一般不设交换系统，而是连接小交换机），以提高通路的利用率和实现组网功能。如在图3-2中，主叫用户Ⅰ摘机、拨号，呼叫对方用户Ⅱ，则本侧自动交换系统控制呼叫系统，发出相应的音频脉冲。对方收信支路的收铃器选出呼叫信号，取出音频脉冲，去控制其自动交换系统工作，选中用户Ⅱ并对其振铃，沟通双方用户，实现通话。（四）设备类型为满足电力系统载波通信方式的不同需要，电力线载波机可以分成不同机架，一般有载波架、音频架、高频架、人工呼叫台和增音机。其中音频架、三种机架不分电压等级，对各种机型都一样。载波架是按单架设计的电力线载波机，它适合于调度所与变电所较近的场合。载波架安装在变电所的载波室，然后用音频电缆连接调度所的电话用户和远动通路。如果调度所与变电所距离较远，为了保证通信质量，一般在调度所侧安装音频架，而在变电所侧安装高频架，两架之间用音频电缆连接。人工呼叫台主要安装在变电所载波室，用于集中控制所有载波机的维护电话。当变电所载波室的高频架要进行维护通话时，就可以用人工呼叫台来实现。增音机完成长距离通信的增音放大作用。（五）电力线载波机的主要技术指标载波通路传输质量的好坏直接影响用户对通信的满意程度，为了评价载波通路传输质量的好坏，提出电力线载波机的以下电气特性来衡量，即传输信号电平、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，作为电力线载波机的主要技术指标，这些电气指标是载波通信系统设计、安装和维护运行的依据。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电力线高频通道由结合滤波器JL（又称结合设备）、耦合电容器C、阻波器GZ（又称加工设备）和电力线路组成。（一）耦合装置与耦合方式1．耦合装置耦合装置包括结合设备、加工设备及耦合电容器。结合设备JL连接在耦合电容器C的低压端和载波机的高频电缆HFC之间；耦合电容C连接在结合设备JL和高压电力线路之间，其作用是传输高频信号，阻隔工频电流，并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，耦合电容器的容量一般为3000-10000pF；线路阻波器GZ与电力线路串联，接于耦合电容器在电力线路上的连接点和变电所之间。线路阻波器GZ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，线路阻波器的电感量一般为0.1-2mH；在结合设备JL的输出端子和载波机之间一般用高频电缆HFC连接2．耦合方式目前电力线载波的耦合方式有三种：相—地耦合、相—相耦合和相—地、相—相混合耦合方式。（1）相—地耦合方式。相—地耦合方式如图3-4所示，这种方式将载波设备连接在一根相导线和大地之间，其特点是只需一个耦合电容器和一个阻波器，在设备的使用上比较经济，因而得到了广泛应用。但这种方式引起的衰减比相—相耦合方式大，而且在相导线发生接地故障时高频衰减增加很多。图3-4（2）相—相耦合方式相—相耦合方式如图3-5所示，这种耦合方式需要两个耦合电容器和和两个阻波器，耦合设备费用约为相—地耦合方式的两倍，但相—相耦合方式的优点是高频衰减小，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，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