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1、武汉理工大学硕士学位论文基于现场总线的电力线载波通信系统的设计姓名：匡杨申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：徐华中20090601武汉理I：人学硕十学何论文摘要低压电力线载波通信技术是一种经济可行的配电网自动化通讯技术，其具有很高的经济效益和社会效益，受到了越来越广泛的关注。然而目前利用电压配电网建立数据通道还存在不少困难，主要表现在信号传输衰减较大，电网上噪声高，信号接入点的阻抗随时变化而不可预测。因而严重影响了通信的质量。所以，如何克服以上问题，提高低压电力线载波通信的稳定性是实现电力线载波通信技术的关键。本文针对电力线载波通信耦合技术做了深入的研究。主要涉及到三个方面的内
2、容：电力线通信信道阻抗分析与建模以及对F S K 调制解调的抗噪性进行了理论分析与M a t l a b 仿真、结合带通滤波器的设计、C E B u s 协议的研究与实现。并在此基础上设计了信道衰减自平衡模块、自动阻抗匹配模块，并在软件上实现了一种载波监听的多机竞争的解决方案。在电力线通信信道阻抗分析与建模中，参考传输线理论和无线传输信道建模中的相关技术，建立了电力线阻抗模型，并且对F S K 的调制解调方式从误码率的角度进行了抗噪性的理论分析。在结合带通滤波器的设计中，提出了结合滤波器的设计思路以及设计步骤，并给出了具体的结合滤波器的设计与实测波形结果。在C E B u s 协议的研究与实现
3、中，介绍了E I A 制定的电力线通信协议标准C E B u s，并在C E B u s 的基础上编制具体的通信协议、编码方案、C R C 校验等，提出了一种载波监听的多机竞争的解决方案，确保了通信的高可靠性和高效性。最后介绍通信控制程序的编写。针对在不同时间段阻抗变化较大和谐波干扰提出了两种有效的解决方案，设计了信道衰减自平衡模块与自动阻抗匹配模块。这两种电路结构简单，可靠性高。并自制了一个双机通信的演示系统，以便有最初的模型，成为开发其他应用电路的基础。关键词：电力线载波通信，F S K 调制解调，C E B u s 通信协议，电力线信道建模武汉理I：人学硕十学位论文A B S T R A
4、 C TL o w v o l t a g ep o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sa ne c o n o m i c a la n dd o a b l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y W i t hh i g he c o n o m i cr e t u r n sa n ds o c i a lb e n e f i t s，n o w a d a y si tr e c e i v e sm o r ea n
5、dm o r ew i d e s p r e a da t t e n t i o n H o w e v e r,a tp r e s e n t，u s i n gt h el o w-v o l t a g ep o w e rl i n et os e tu pt h ed a t aa c c e s ss t i l lh a sm a n yd i f f i c u l t i e s，m a i n l yi nt h e s er e s p e c t s：l a r g e-s i g n a la t t e n u a t i o n，t h en o i s e
6、l e v e lo ft h el o w v o l t a g ep o w e rl i n ei sh i g h，a n dt h ei m p e d a n c ew i l lc h a n g eu n p r e d i c t a b l ew i t h o u ta n yf o r e c a s t T h el o w v o l t a g ep o w e rl i n en e t w o r kw i t hal a r g en u m b e ro fb r a n c hl i n e sw h i c ha r ea l s ou n a b
7、l et ob u i l dr e s i s t a n c ef i l t e r,S Ot h ei n t e r f a c ei m p e d a n c ei nl i n eu s u a l l yc a nn o tb em a t c h e d，w h i c hw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o n s T h e r e f o r e，h o wt oo v e r c o m et h ea b o v ep r o b l e m
8、sa n di n c r e a s i n gt h es t a b i l i t yo ft h es i g n a lt r a n s m i s s i o ni st h ek e yt or e a l i z et h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y T h ea u t h o rh a sd o n ea ni n-d e p t hs t u d yo nt h el o w-v o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i
9、 o nc o u p l et e c h n o l o g y I ti n v o l v e st h r e em a i na s p e c t s：T h ea n a l y s i so ft h ei m p e d a n c eo ft h el o w-v o l t a g ep o w e rl i n en e t w o r k，t h et h e o r e t i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ea n t i n o i s eo ft h eF S Ka n dm a d et h es i m u
10、 l a t i o nb yM a t l a b；t h ed e s i g no ft h eb a n dp a s sf i l t e r；T h ea n a l y s i sa n dt h er e a l i z a t i o no ft h eC E B u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 O nt h eb a s e so fa b o v e，D e s i g n e da u t ob a l a n c e da t t e n u a t i o nm o d u l e、t r a pm o d u
11、 l ea n da u t o m a t i ci m p e d a n c em a t c h i n gm o d u l e W h e na n a l y z i n gt h ec h a n n e l si m p e d a n c eo ft h el o w v o l t a g ep o w e rl i n en e t w o r k,Ir e f e r e n c e dt r a n s m i s s i o nl i n et h e o r ya n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o nc h a n
12、n e lm o d e l i n gt e c h n o l o g y,m a d et h ep o w e rl i n ei m p e d a n c em o d e l，a n da n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea n t i n o i s eo fF S Kf r o mb i te r r o rr a t ea s p e c t I nd e s i g n i n gt h eb a n dp a s sf i l t e rf o rl o w v o l t a g ep o w
13、e rl i n ec o m m u n i c a t i o n,t h ea u t h o rr a i s e dac o m b i n a t i o nf i l t e rd e s i g ni d e a sa n dt h ed e s i g ns t e p s，a n dg i v e sas p e c i f i cc o m b i n a t i o no ff i l t e rd e s i g na n dt h er e s u l t sm e a s u r e dw a v e f o r m I na n a l y z i n gC E
14、 B u sp r o t o c o l，t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a n d a r dw h i c hi sd e v e l o p e db yE I A-C E B U S a n do nt h eb a s e so fC E B u sp r o t o c o l，t h ea u t h o ra c c o m p l i s h e dp r o g r a m ss u c ha s：c o
15、d i n gs c h e m e s，C R Cm e t h o d，t oe n s u r et h a tt h eh i g hr e l i a b i l i t yl Io fc o m m u n i c a t i o n F i n a l l y,t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h ec o m m u n i c a t i o nc o n t r o lp r o c e d u r e s I nd i f f e r e n tt i m ep e r i o d sf o rc h a n g e si ni m
16、 p e d a n c ea n dh a n n o n i ci n t e I 缸e n c et ot h ep o w e rl i n e,t w oe f f e c t i v es o l u t i o n sh a v e b e e nr a i s e d，c h 甜m e la t t e n u a t i o nm o d u l ew l t ha u t o m a t i cs e l f-b a l a n c i n gi m p e d a n c em a t c h i n gm o d u l e s T h e s et w oc i r
17、c u i t sh a v eS l m p l es t r u c t u r ea n dh i g hr e l i a b i l i t y A tl a s t，t h ea u t h o rm a d eat w o t e n n i n a ld e m o n s t r a t l o no fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw h i c hb e c a m et h ep r i m a r ym o d e l s a st h eb a s i so ft h ed e v e l o p m e n to fo
18、 t h e ra p p l i c a t i o n s 1(e Yw o r d s：p o w e rl i n e sc a r r i e rc o m m u n i c a t i o n，F S Km o d u l a t i o na n dd 锄o d u l a t i o n C E B u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l，p o w e rl i n ec h a r m e lm o d e l i n gI l l独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研究成果。尽我所知，
19、除了文字特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：一同期：关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密的论文在解密后遵守此规定)研究生签名：导师签名：斌汉理l：大学硕士学位论文第1 章绪论，课题研究的目的和意义本课题研究的对象为工业现场中
20、的气压控制系统，包括对电动阀、传感器的信息交换与传输。气压控制系统在工业系统中，尤其是在航空仪器测试模拟系统中，具有很关键的作用。其中的执行器件电动气压阀相对于传感器、控制器而言，作为一种大功率执行器件，如何保证它稳定和可靠运行是个重要的课题。目前的气压监控系统存在着以下几个方面麴润题：(1)现场监控系统的总线化和智能化气压控制系统中的电动阀节点不仅有2 2 0 V 交流驱动电磁阀，也有2 4 V 直流驱动电动阀，存在着动力和信息混合布线与交叉布线；由于气压控制系统体积庞大以及出于对人身安全的考虑，会采用远程控制方案，中距离的布线也给安装、调试、维修特别是可靠性方面带来了许多问题，系统的成本也
21、会增加。(2)现场信息的功率信息的混合传输在本课题的系统设计中，采用了低压电力线作为传输媒介。僵是电力耀络是为电力传输丽组建，其传输媒会相对于通信而言是遗基常恶劣的，这就引起了一个如何对电力线信道建模以及采用何种传输技术已保证信号传输的速率和误码率的问题。针对以上问题，我们采用了基于现场总线的电力线载波通信智能监控系统以实现现场总线化和智能化。考虑到电动阀单元所处的工监现场环境及其安培数量级的驱动电流，本文将低压电力线扩频载波传输翻基于改进的C E B u s 现场总线技术相结合，实现了这一全分散型的工业级监控网络。采用现场总线技术，减少了一对一布线时的连线与I o 口数量，消除了模拟电路4
22、2 0 m A 的瓶颈现象，电力线载波通信技术大大提高了电动阀的智能，使电动阀的引出线减少到最低，简化了电动阀和总线之间的连线结构，同时也节省了成本，提高了可靠性，便于日常维修和维护。电力线载波通信(P o w e r l i n eC a r r i e rC o m m u n i c a t i o n)技术是利用现成的电力武汉理。f：人学硕十学位论文网作为信道进行载波通信的一种有线通信方式，避免了新的通信网络的建设和投资。电力线载波通信与其他通信方式相比，能充分利用现有的电力线资源，即利用电力线进行通信，实现信息的传输。它最大的优点是不需要新铺通信线路，不占用无线通信频道，省时、省力、
23、省资会，而且设备移动非常方便，在遥测遥控方面的应用前景相当乐观。电力线上网充分利用现有的配电网络基础设施，无需任何布线，是一种“N oN e wW i r e s”技术。可以节省了巨大的新增投资。目前，我国拥有全世界长度排名第二的电力输电线路，全国5 0 0 k V 和3 3 0 k V 的电力线路长达2 5 0 9 4 1 6 K m，2 2 0 K v 线路1 0 7 3 4 8 0 6 K m，加上1 1 0 l 线路共计3 1 0 0 0 0 K m，可绕地球近8 圈。我国目前电话用户不到3 亿，但用电用户已超过1 0 亿，显然这连接1 0 亿用户的既存电力线是提供上网服务的巨大物质基
24、础，直接在覆盖全国的电力网络上架构互联网连接将比现在铺设光纤的方式节省大量的人力和物力。因此，随着用户的增长，局端设备可以随时进行动态增加。这一点对于运营商来说就意味着，他可以不必在设备采购初期投入巨大的资金。因此也有宽带网络接入“最后一公里 最具竞争力的解决方案之称。利用电力上网全天候在线的特点，可轻松实现数据、语音、视频以及电力于一体的“四网合一，更可以在工业控制、智能家用电器控制等领域大显身手。目前蓬勃发展的现场总线技术有望使系统的网络拓扑最简化和开放化，提高各网络节点的“智能”。而新兴的低压电力线载波技术则可以实现功率和信息混合传输，真正实现“二线制现场总线，即无须布线，即插即用。以上
25、几个方面问题的圆满解决可望使整个气压控制系统实现二线制的功率型现场总线网络，前端电动阀节点具有高度分散的智能，任何节点的失效都不会影响其他节点的正常运行，具有很强的鲁棒性。同时电动阀通过电源插座就可以方便地接入到基于电力线的现场总线网络中，可实现即插即用。采用二线最简传输媒介还可以将系统费用降到最低，而且便于安装、调试、维修，特别是提高了系统的可靠性。2武汉理l：大学硕十学位论文1 2 国内外研究现状1 2 1 工业监控系统的发展工业监控系统的发展大致可分为以下几个阶段。(1)从手工操作到单回路调节器早期的监控，以现场或泵室内的手动操作为中心，操作人员通过巡检温度、压力表渎数来随时手动操作调节
26、阀的丌度，以达监控目的。到4 0 一5 0 年代，引入了控制室集中操作概念，把操作员从严酷的现场操作中解放出来。到了6 0年代，随着电子技术的发展，模拟式电子仪表丌始普及。当时的调节器，基本上是一台控制一个回路的单回路调节器。因此可以说，在早期的控制系统中，基本上不存在网络的概念【2 引。(2)计算机集中控制系统6 0 年代中期，计算机在监控系统中开始应用。首先是S P C 控制。继而在一部分工厂中采用计算机输出的直接数字控f l 尹J(D D C)。在D D C 控制中，由于一个C P U 担当全部功能，功能太集中，危险也就太集中，故C P U 的可靠性成了最大的问题，从而影响了它的推广使用
27、。不过，数字技术从此开始被运用于控制中【2 9 1，对分散式控制模式的研究也逐步展开。(3)分散型控制系统(D C S)1 9 7 5 年，世界各大仪表厂商相继发展了分散型控制系统(D C S)，以代替计算机直接数字控制装置(D D C)。所谓分散是指功能、危险和地域的分散。它采用分级的控制系统，每个分支负责一个控制回路，一个分支的失效并不影响其他控制回路，从而大大分散了危险。而功能和地域的分散性也降低了主机的负担，扩大了监控范围。其不足之处在于，主机的核心地位还是没有改变，各分支只能完成简单的控制任务，主机的失效会给整个系统带来很大的危害。且由于其控制系统的封闭性，各厂商之间的设备不能相互兼
28、容。因此，全分散式和开放式的控制系统的研发被提到了议事日程上来。(4)现场总线控制系统(F c s)8 0 年代后期，现场总线技术开始迅速发展起来。9 0 年代国际上相继成立了几个现场总线基金会组织，致力于推动各种现场总线的发展于应用。现场总线己成为牵动监控系统新变革的主导技术。武汉理i：人学硕十学位论文现场总线被定义为【3 0】：在制造过程领域(指现场)的主要自动化装置和生产控制领域(控制室)的自动化控制设备之间通过共用通信介质进行双向传输，同时也可实现可寻址现场设备多点连接。简单得说现场总线是连接设置在工业现场的仪表与设置在控制室内控制设备的数字化、串行、双向、多站通信网络。就现场总线一词
29、的含义而言，现场是指其工作环境处于生产设备一侧，而总线则是指传输信息的公共路径，指遵循同一技术规范的连接与操作方式。这些遵守相同连接规范的设备可通过总线互连为系统，并实现相互操作。现场总线作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高级控制管理层之间的联系。现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布式控制系统。从这个意义上来说，现场总线是一种新型的网络自动化系统。它以现场总线为纽带，把挂接在总线上相关的网络节点组成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、综合自动化等多项功能。是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。
30、现场总线监控系统相对于传统的集中单回路控制系统或分散(D C S)控制系统的优越性可以从图中得到很好的体现。圄主控P 机传统D S 系统结构 E B U S 现场总线控制系统结构图1 1 现场总线控制系统和传统控制系统结构比较由图可见，传统的气压控制系统主要采用D C S(集散控制系统)，有的甚至还在使用集中控制系统或简单的单回路调节器。系统采用一对一的设备连线，4武汉理I：人学硕十学位论文按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器间；控制器与位于现场的开关、马达、电液阀等控N 执行器之间均是一对一连接。由于控制相对集中，系统的可靠性不高，单个节点的失效往往会造成整个系统
31、运行不正常甚至引发事故。且该类系统中有众多连线，不利于维护和管理，特别是在老系统改造中需要从新设计整个系统，开放性和可扩展性差。而现场总线监控系统由于采用了智能现场设备，把控制功能直接置于现场设备之中，从而把控制功能、各输入模块移至现场，实现了彻底的分散控制。且系统的网络拓扑简单，维护方便，不同厂家的产品可以互联互换，方便系统升级改造。鉴于现场总线技术代表了自动化技术发展的一个主流方向，国家有关部委也已确定在1 9 9 5 到2 0 0 5 年问技术上要基本完成从目前模拟现场仪表系统到基于现场总线的全数字丌放自动化系统的转化的前景目标，并己开始着手实施。而在国家现场总线专业委员会C F F C
32、 的九五期间现场总线及其开放自动化系统规划重点和发展方针中，基于现场总线的智能执行器的研究、开发和工程化己被列入攻关项目。在我们研究的基于现场总线的气压控制系统中，如何将功率信息混合传输与现场总线很好地结合在一起是一个亟待解决的问题。1 2 2 电力线载波通信技术的发展电力线通信技术出现于本世纪二十年代初期。应用电力线传输信号的实例最早是电力线电话，它的应用范围是在同一个变压器的供电线路以内，将电信号从电力线上滤下来。1 9 9 1 年美国电子工业协会确认了三种家庭总线，电力线是其中一种。1 9 9 7 年1 0 月，N o r t h e r n T e l e c o m 公司宣布进行数字
33、电线技术的开发，这项技术将使电力公司能够在电力线上以1 M b p s 的速度传送数据和话音业务。去年西门子的P L C 技术将电力线总线的家庭扩大N,b 区的电信接入网端口，而且能以1 M b p s 的速率传输数据。进展在今年加快。由思科、英特尔、惠普、松下和夏普等1 3 家公司已于2 0 0 8 年4 月成立“家庭插电联盟”(H o m e P l u gP o w e r l i n eA l l i a n c e)，致力于创造共同的家用电线网络通讯技术标准。今年底前，正式的“电线 标准可望定案，而第一批使用此技术的产品可望在年内推出。武汉理l：人学硕十学何论文欧洲也不示弱。最近，电
34、力线通信目前在欧洲(德国、英国、法国等)发展得较快。德国与英国是目前世界上唯一制定电力线通信规则的国家。在英国用户可通过电力线进入I n t e m e t 网，它从简单的数据传输提高到了网络联接。法国己推出了电力线调制解调器集成电路，使住宅智能化产品向市场化方向进一步推进。在今年德国汉诺威信息技术大展上，德国电力工业巨头R W E 电力公司推出了名叫电力网的新技术，这种新的传输技术将能通过电源线路传输各种互联网数据信号，从而大大推进互联网的普及。用户只需花上几分钟时间，把特制的调制解调器与普通的电线插口相接，就可以上网浏览，速度也可达到每秒2 兆比特的宽带标准。德国联邦议院议会上院新近通过一
35、项议案，批准使用能使互联网信息通过电力线和墙上电源插座传输的技术。日本将在2 0 0 1 年内制定出连接装置的技术标准。日本九州电力公司和东京电力公司与三菱电机、富士通、松下电器等合作，开发通过电力线路传送和接收图像的技术，并定于2 0 0 1 年内推出实用产品。在我国，四十年代已有日本生产的载波机在东北运行，作为长距离调度的通信手段。从1 9 9 9 年起，我国电科院就开始对高速P L C 进行研究，并在2 0 0 1年8 月，在沈阳建立了第一个实验网络。中国电力系统已组建国电通信中心，并向信息产业部正式申请了牌照。并且从2 0 0 1 年1 2 月起，国电通信中心开始组织国内外厂商在北京居
36、民区开展P L C 应用试验，这些公司包括韩国的X d i n e(1 4 M b s 系统)、瑞士A S C O M 公司(4 5 M b s 系统)、美国L e a p 公司(1 4 M b s)、西班牙的D S 2 公司。福建电力试验研究院(1 0 M b s 系统)，以及电科院(1 4 M b s系统)等。最近，我国福建省电力试验研究院研制成功“数字化输电线路技术的核心产品电力调制解调器及多个相关产品，其传输速率达到1 0 M。同时国电通信中心采用国内外电力线通信(P L C)组网设备，在北京某生活小区成功地进行了I n t e r n e t 接人试验，并获得了较理想效果。随着研究的
37、深入，P L C 也向更高速率发展。例如将速率提高到1 0 0 M b s，甚至2 0 0 M b s。届时，高速P L C将为宽带接入通信做出更大贡献。另外，国家电力公司计划在2 0 1 5 年建成全国统一的联合电力网通信系统，其前景极其可观。但是，低压电力线是一种通信环境非常恶劣的信道，有许多问题有待进一步研究。低压电力线传送着2 2 0 V 5 0 H z 的电能，在低压电力线上并接了许多不同阻抗的用电器。低压电力线的这一固有特点，给低压电力线通信带来了很大的困难。因此，低压电力线通信必须首先解决以下三个难题：6武汉理一r：入学硕十学位论文(1)电力网5 0 H z 的工频信号不能给载波
38、通信系统带来太大的干扰；同时，考虑到整个通信系统的安全，必须进行强电隔离；(2)低压电力线上并接的所有用电器的“统计载波阻抗要高，以确保较高的载波信号加载效率。(3)针对应用领域和通信环境，选取合理的电力线载波通信芯片和M C U，设计有效的耦合电路，采用科学的通信协议，降低通信误码率，提高通信系统稳定可靠性。上述问题，J 下是低压电力线通信的接口技术问题，本文后续章节将从这三方面介绍其设计原理和实现方法。1 3 论文的主要内容与章节安排对于任何一种通信方式而言，信号传输通道的传输特性、干扰和噪声研究是极其重要的，对低压电力线载波通信的研究，将从以下几个方面开展工作。第一章绪论首先介绍了电力线
39、载波通信的概念、主要应用、技术优势，存在的问题以及市场前景与国内外研究现状。第二章分析了低压电力线的信道传输、噪声、阻抗等特性，对其进行了基于传输线理论的总体辨识法的建模，在M a t l a b 下进行了多节点不同阻抗特性的仿真。在此基础上进行了中心频率的选择。并介绍了F S K 调制解调，并对F S K调制进行了基于M a t l a b 仿真以及误码率分析。第三章是总体方案设计。在前一章的理论分析基础上，以L P C 2 1 3 2 单片机为基础，采用S T 公司的符合C E B u s 标准的电力线集成电路的M O D E M，将C E B u s 通信的物理规范和F S K 调制解调
40、结合起来，使用电力线传输数字信号。第四章针对在不同时间段阻抗变化较大和谐波干扰提出了两种有效的解决方案，设计了峰值检测模块与自动阻抗匹配模块，这两种电路结构简单，可靠性高。并自制了一个双机通信的演示系统，以便有最初的模型，成为开发其他应用电路的基础。第五章对全文进行了总结，并对今后的工作进行了展望。7武汉理I：大学硕+学位论文第2 章低压电力线信道建模以及F S K 通信的理论研究2 1 低压电力线信道特性分析电力线最初的设计目的是用来传递5 0 H z 工频电能的，不同于双绞线、光纤、同轴电缆等专用的通信媒介。它导线粗，结构坚固，可靠性高，所以电力线的结构设计不可能考虑高频通信的技术要求，从
41、而导致电力线信道是一个恶劣的通信信道。电力线通信是一个复杂的电磁环境里传输信号，由于线路上存在大量噪声，负载多，配置情况复杂，而且负载工作状态在随时变化，导致电力线传输特性是时变的，通信信道的基本参数，如阻抗、衰减幅度、噪声随时间波动的规律是不可预知的。电力线网络分为高电压(1 0 0 k V 以上)、中电压(1 1 0 0 k V)、低电压(1 k V 以下)3 种，并且电压越低，干扰越复杂，通信难度越大。总的来说交流电源线作为通信信道，存在着以下三个方面的问题：(1)噪声和干扰低压电力线网络中，各式各样的家用电器和办公设备产生的噪声和干扰严重污染着电力线通信环境。V i n e se ta
42、 1 定义了4 种电力线噪声：(a)与工频同步的周期性噪声。主要由硅控整流器及一些电源产生，可控硅整流器在一个工频周期开关两次，使得噪声功率谱图在工频的谐波处呈现尖峰。其噪声峰峰值可达4 v，功率谱最大值达1 1 3 d B m。由于电源系统频率存在一定的抖动，从而这些噪声的功率谱图上的尖峰呈现一定的抖动。其它这类电器主要有空调、计算机等。(b)平滑频谱噪声，其频谱很平坦，可以看作有限带宽的白噪声，几乎分布在整个通信频带，其幅值一般服从高斯分布。家电中的小电机是产生这类噪声的根源。(c)突发性噪声，由设备随机接入或断开等引起。从频域角度看，低频段的噪声比高频段的噪声严重。从信道噪声角度看，欧洲
43、标准C E N E L E C E N 5 0 0 6 5 1 所使用的A 频段3 k H z-1 4 8 5 k H z 频带内的噪声比美国F C C 标准使用的1 0 0 k H z 4 5 0 k H z 频段的噪声要高。(d)非同步周期噪声，如电视和显示器视频信号的行扫描频率对电网的干扰，其功率谱图上尖峰出现在水平扫描信号频率和它的谐波频率处。图2 1 描述的是电力线上的噪声情况，图中横坐标是频率(H z)，纵坐标是武汉理I：大学硬=I：学位论文噪声电压(d B u V)，从国中可以看出，在电力线上存在着白噪声而且在某些固定频点会有一些尖峰图2 I 电力线上的噪声情况(2)信道阻抗输入
44、阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。研究输入阻抗对于提高发送机的效率，增加网络的输入功串有重要意义。低压电力线一般由良导体加工而成，本身阻抗小对于相同频率的信号，其阻抗略有变化但相对稳定，因此电力线本身的阻抗不是产生衰减的主要原因。一般配电网电力线的渡阻抗在几十欧到1 0 0 多歇阃。例如1 2 一Z B X 金属外皮的输电线每米串联电感约为4 luH、并联电容约7 4，5 p F、串联电阻约0 0 3o。因此波阻抗约为7 4 0。另一种输电线1 2-2 G R o m e x N M-B 的波阻抗约为1 4 3Q 传播常数约为0 0 0 4 r a d m。在通信频率下如1 3 0 k
45、H z 1 2-2(3 R o m e x N M-B在2 0 m 长的末端接l p F 的电容(低阻抗)时线路输 阻抗约为1 0 Q，呈葛性：在末端接5 0 0 D 的电阻时线路输入阻抗呈现容性。许多电器中都有电容滤波器，滤波器的电容与电力线的电感产生谐振，可在莱些频率范围内使阻抗大大降低(小于lQ)线路上的感性负载或容性负载随机地接入，会引起以下2 个方面的效果：复阻抗负载与线路形成谐振电踌，可形成阻抗零点；O)动态接入线路的负载不能保证与线路的特征阻抗匹配，从而引起线路波的反射和驻波效应，造成不同测量点的不同阻抗。此外，随着整流设备的应用武汉理+1：人学硕十学位论文越来越普遍，大多数整流
46、设备在交流电压峰值点附近导通，并与阻抗较小的滤波电容相接，造成交流电压在过零点附近时的阻抗大于过峰值点附近时的阻抗。低压电力线网络总阻抗主要由三部分组成：(a)变电站的变压器产生的阻抗，它随着频率的增高而增大；(b)导线的特性阻抗，导线可以看作电阻和电感的串联，不同导线的特性阻抗相差7 0 1 0 0 欧姆；(c)接在电力线上的设备阻抗，一般相差1 0 1 0 0 0 欧姆。图2 2 描述的是电力线上阻抗与频率关系的曲线图，这个图是I B M 电磁兼容性实验室M a l a c k 和E n g s t r o m 对欧洲六国的8 6 个配电网做了大量的实验得出来的结果。图中红色标记的线是最大
47、值，绿色标记的线是最小值，而蓝色标记的线是平均值。从图中可以看出，电力线上阻抗变化很大，而且在某些时刻有可能会有很小很小的阻抗，而这些阻抗的大小和频率又是很有关系的，基本上呈现频率越高，阻抗越高的趋势。I M P E D A N C EM A G N I T U D E(O H M 1 0 0 0 O1 01 0 01 0O 1-一M 良)a M U M+M E A NM I N M U MO 掉O 佣D 1 D口O 7 52 1 05 f 刀1 5，：狐f 鼯F R E Q U E N C Y(M I I z D图2 2 电力线上阻抗与频率关系曲线图1另外，根据线路传输理论，当传输线的长度超
48、过电磁波波长的兰允时，驻波毯效应起作用，例如，相对应的1 0 0 K h z 的1 8 波长是3 7 5 m，而1 5 0 k H z 的1 8 波长是2 5 0 m。导线不在只起到一个传到电信号的作用，而是在信号传输中起到“元件的作用。(3)信号衰减在电力线的标准连接上，也有固定的信号衰减，低压电力线上衰减的一般1 0武汉理l：人学硕十学位论文规律：(a)除了短距离传输外，信号衰减可高达2 0 d B 或以上，一般在同一支路上，信号衰减会有1 0,1 5 d B，在不同支路上信号衰减会有2 5 3 5 d B，在某些特别恶劣的情况有可能会衰减5 0-6 0 d B。)同相衰减一般小于跨相衰减
49、，但在一定的频率点上有例外。(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)电力线上的负载将极大地影响载波信号的衰减。由于负载是时变的，因此在任何给定的频率点上，衰减也是时变的，其变化范围可高达2 0 d B。电力线中传输信号的损耗由多方面引起：(a)由线路串联电感和并联负载、并联的分别电容(并联的电磁兼容电容)组成电压分压器造成的损耗。伯)不同相位耦合引起的损耗。绝大多数的配电变压器将阻碍通信信号通过，因此配电变压器原、副边之间的传输信号衰减可达6 0 d B 1 0 0 d B。配电变压器次级线圈间的信号传输也会达到2 0
50、 d B 4 0 d B 的衰减，其程度与分支线路用线的类型、不同相位线布线耦合程度有关。(c)由信号经过配电盘电源的交汇处引起的损耗。在电力线通信频率下，配电盘相当于小于1 欧姆的负载，可以引起1 2 d B 2 4 d B 的信号损失。在一般情况下，传输信号的损耗是频率的函数，高频段的损耗大于低频段的损耗。从信号损耗角度来看，欧洲标准C E N E L E C E N5 0 0 6 5 1 所使用的A 频段3 k H z 1 4 8 5 k H z 频带内的噪声比美国F C C 标准使用的1 0 0 k H z 一4 5 0 k H z 频段的损耗要小。另外，传输信号的损耗与配电网的拓扑结