配電網電力載波通信關鍵技術的研究

薛嵐 楊帥 孫炳孝

摘 要：為實現配電網電力載波可靠通信，提出了一種利用LON雙頻電力載波通信的技術方案。采用PL3120/3150收發器，結合數字信號處理、噪聲消除以及失真校驗算法，克服電力載波通信高噪音、高衰減、高失真的弊端，實現了配電網電力雙頻載波模式的信息傳輸。配電網電力載波通信關鍵技術的研究對擴大電力網應用范圍具有重要意義。

關鍵詞：配電網；LON電力載波；雙頻模式

中圖分類號：TM73 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）11-0140-02

Abstract： In order to realize the reliable communication of power carrier in distribution network， a technical scheme using LON dual frequency power carrier communication is proposed. Using PL3120/3150 transceiver， combined with digital signal processing， noise elimination and distortion checking algorithm， the disadvantages of high noise， high attenuation and high distortion in power carrier communication are overcome， and the information transmission of power dual frequency carrier mode in distribution network is realized. The research on the key technology of power carrier communication in distribution network is of great significance to expand the application scope of power network.

Keywords： distribution network； LON power carrier； dual frequency mode

1 概述

電力載波通信技術出現于20世紀20年代初期，電力載波通信以配電網作為通信信道。目前配電網基本覆蓋了我國居住區，利用配電網進行信息傳輸一直是人們的夢想。但是電力載波通信技術具有信號衰減、阻抗調制、脈沖噪聲、等幅振蕩波干擾等不利于數據傳輸的缺點，在一些涉及任務復雜、可靠性要求高、實時性要求強的領域，電力載波通信技術未得到實際應用。

2 常用電力載波技術的比較分析

目前主流的電力載波技術包括ST7540電力載波技術、SSCP485電力載波技術、LON電力載波技術、RISE3301電力載波技術和PL3106電力載波技術。基于ST7540和SSCP485的電力載波技術只提供了自己專屬的電力載波芯片，必須配合其它公司的微處理器才能完成電力載波信號的解析和編碼，因此設計難度較大，開發周期長，開發成本高。而基于RISE3301和PL3106的電力載波技術雖然在各自的電力載波芯片中集成了自己的微處理器，但是沒有合理分配CPU的承擔任務，沒有標準網絡通訊協議，通信過程沒有安全監測和網絡優化措施，造成通信質量不高。LON電力載波技術是目前一個非常完善的選優方案，該技術采用先進的雙頻載波的數字信號處理手段，通過數字信號處理器完成電力線上載波數據的發送和接收，能夠根據動態調節電力載波信號的噪聲靈敏度。憑借雙頻載波模式，電力通信的主頻率受到干擾時能夠自動切換第二頻率繼續通信，電力通信的報文信息通過糾錯技術手段能夠恢復錯誤報文，同時結合豐富的接口電路和智能路由算法有效降低電力載波設備開發難度，節約設備的開發成本。鑒于系統穩定性、可靠性以及開發成本的考慮，基于LON的雙頻電力載波技術是實現配電網電力載波通信的最優手段[1]。

3 配電網雙頻電力載波通信關鍵技術原理

基于LON的雙頻電力載波通信采用PL3120/3150收發器實現，PL3120/3150收發器可以工作在A波段和C波段。當工作在A波段時，第一載波頻率是86kHz，第二載波頻率為75kHz。當工作在C波段時，第一載波頻率為132kHz，第二載波頻率為115kHz。在每個載波頻率上使用6kHz 的頻率帶寬。第一載波頻率具有更好的畸變糾正能力和更強大的數據包分辨能力和抗噪聲能力，第二載波頻率比第一載波頻率的誤差校正能力強。兩個載波頻率被選擇時，充分考慮了由于諧波而導致的兩個載波同時被阻塞[2]。PL3120/3150收發器將一個Neuron處理器核心和一個電力線耦合器合在一起，更適合于配電網電力載波通信，作為一個單芯片系統，PL3120/3150收發器包括一個高可靠性的窄帶電力線耦合器、一個用于運行應用程序和管理網絡通信的8位神經元處理器核心、可選擇的片內或片外存儲器，如圖1所示。

LON雙頻電力載波通信電力載波由信息源發出信號，通過編碼器的編碼，調制器的調制，將此信息轉成可用于傳送的數碼序列，耦合到電力線上，然后將此數碼序列通過解調，譯碼，來送到受信者。圖2為電力載波通信系統模型。

4 配電網雙頻電力載波通信特性研究

圖3是一個家庭配電網絡示意圖，該配電網絡包括從配送變壓開始的線路到與其相連的所有節點。如果該網絡中存在其他的媒體，則需要使用路由器或網橋。配電網絡包含很多電阻性或電抗性負載，通常被一個配電變壓器隔離，配電變壓器對于該部分所用的頻率呈現高阻抗。家庭配電網絡通常三相四線制較為普遍，由三個具有公共中線、彼此獨立的220V交流單相電源線組成，并在供電斷路器面板的獨立之路上終結。220V交流單相耦合節點和380V交流三相耦合節點與電器通過L1、L2、L3和中線連接，配電網中的節點使用基于PL3120/3150電力收發器進行通信[3]。通過試驗，配電網電力載波通信主要表現出衰減性、失真性和噪聲干擾。

（1）衰減性。電力線的非均勻分布以及各種性質的設備隨機的接入，因此信號在電力線上的傳輸必然存在著信號衰減。不同相位的耦合也會引起衰耗，跨相傳輸比同相傳輸衰耗大10dB左右。此外，配電變壓器阻礙信號的通過，在配電變壓器原、副兩邊的信號衰耗可達到60dB-100dB，次級間也會有20dB-40dB的衰耗。電力載波信號衰耗隨頻率上升、距離增大而增加，信號衰耗絕大部分不超過55dB。

（2）失真性。電力網上的各種用電設備的斷切換，在信道上會表現出時變性，能引起信號的相位、幅值發生很大變化。而且在傳輸過程中信號很容易導致失真。

（3）噪聲干擾。各式各樣的電器和設備產生的噪聲和干擾嚴重，電力線上的連接設備、雷電等自然現象都很容易在電力線上引起脈沖干擾。硅控整流器及一些電源產生的工頻噪聲，它會造成整數倍工頻上的頻譜突變。

為克服電力載波通信高噪音、高衰減、高失真的弊端，利用PL3120/3150收發器特有的雙頻調制特性在主頻率被噪聲阻塞后自動選擇備用的第二個通信頻率；利用高性能、獲得專利的、低開銷的前向糾錯（FEC）算法可以克服由于噪聲引起的錯誤；采用了最先進技術的數字信號處理、噪聲消除以及失真校驗算法，糾正信號傳輸受到的瞬間噪聲、連續音頻噪聲和相位失真各種阻礙；同時高輸出、低失真外部放大器的設計可以輸送1A/2A峰-峰值到低阻抗負載，從而避免了在通常的配電應用中對昂貴的相位耦合器的需求。采用增強的LonTalk代理協議，在集中控制器中實現自學習報文路由功能；在PL3120/3150收發器固件中實現報文自動轉發機制。實現上述自動中繼功能后，當集中控制器無法和某個單燈控制器直接通訊時，可以借助中繼節點來實現數據交互。

5 結束語

電力線遍布城市和鄉村，其覆蓋面是任何網絡無法比擬的，是最適合實現配電網自動化系統分支部分的通信方式。在電力通信信道特性惡劣的條件下，利用LON雙頻電力載波技術實現可靠通信有利于信息資源共享，對建設經濟節約型社會和實現配電網的智能化都具有非常重要的現實意義。

參考文獻：

[1]楊帥，張樓英，朱靜.基于LON總線平臺的智慧型水質監測管理系統[J].科技通報，2017，33（4）：155-158.

[2]楊帥，薛嵐，成建生.采用LonWorks電力載波技術的控制器[J].低壓電器，2011（13）：41-44.

[3]高安邦，孫杜文，單洪，等.LON技術開發與應用[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]王津.低壓電力線載波通信原理及應用分析[J].科技創新與應用，2016（32）：192.

[5]肖燃.基于電力載波通信的居民用電負荷預測大數據應用[J].科技創新與應用，2017（04）：198.