电力线载波通信系统的关键技术和算法分析
薛岚 杨帅 孙炳孝
摘 要：为实现配电网电力载波可靠通信，提出了一种利用LON双频电力载波通信的技术方案。采用PL3120/3150收发器，结合数字信号处理、噪声消除以及失真校验算法，克服电力载波通信高噪音、高衰减、高失真的弊端，实现了配电网电力双频载波模式的信息传输。配电网电力载波通信关键技术的研究对扩大电力网应用范围具有重要意义。
关键词：配电网；LON电力载波；双频模式
中图分类号：TM73 文献标志码：A 文章编号：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
电力载波通信技术出现于20世纪20年代初期，电力载波通信以配电网作为通信信道。目前配电网基本覆盖了我国居住区，利用配电网进行信息传输一直是人们的梦想。但是电力载波通信技术具有信号衰减、阻抗调制、脉冲噪声、等幅振荡波干扰等不利于数据传输的缺点，在一些涉及任务复杂、可靠性要求高、实时性要求强的领域，电力载波通信技术未得到实际应用。
2 常用电力载波技术的比较分析
目前主流的电力载波技术包括ST7540电力载波技术、SSCP485电力载波技术、LON电力载波技术、RISE3301电力载波技术和PL3106电力载波技术。基于ST7540和SSCP485的电力载波技术只提供了自己专属的电力载波芯片，必须配合其它公司的微处理器才能完成电力载波信号的解析和编码，因此设计难度较大，开发周期长，开发成本高。而基于RISE3301和PL3106的电力载波技术虽然在各自的电力载波芯片中集成了自己的微处理器，但是没有合理分配CPU的承担任务，没有标准网络通讯协议，通信过程没有安全监测和网络优化措施，造成通信质量不高。LON电力载波技术是目前一个非常完善的选优方案，该技术采用先进的双频载波的数字信号处理手段，通过数字信号处理器完成电力线上载波数据的发送和接收，能够根据动态调节电力载波信号的噪声灵敏度。凭借双频载波模式，电力通信的主频率受到干扰时能够自动切换第二频率继续通信，电力通信的报文信息通过纠错技术手段能够恢复错误报文，同时结合丰富的接口电路和智能路由算法有效降低电力载波设备开发难度，节约设备的开发成本。鉴于系统稳定性、可靠性以及开发成本的考虑，基于LON的双频电力载波技术是实现配电网电力载波通信的最优手段[1]。
3 配电网双频电力载波通信关键技术原理
基于LON的双频电力载波通信采用PL3120/3150收发器实现，PL3120/3150收发器可以工作在A波段和C波段。当工作在A波段时，第一载波频率是86kHz，第二载波频率为75kHz。当工作在C波段时，第一载波频率为132kHz，第二载波频率为115kHz。在每个载波频率上使用6kHz 的频率带宽。第一载波频率具有更好的畸变纠正能力和更强大的数据包分辨能力和抗噪声能力，第二载波频率比第一载波频率的误差校正能力强。两个载波频率被选择时，充分考虑了由于諧波而导致的两个载波同时被阻塞[2]。PL3120/3150收发器将一个Neuron处理器核心和一个电力线耦合器合在一起，更适合于配电网电力载波通信，作为一个单芯片系统，PL3120/3150收发器包括一个高可靠性的窄带电力线耦合器、一个用于运行应用程序和管理网络通信的8位神经元处理器核心、可选择的片内或片外存储器，如图1所示。
LON双频电力载波通信电力载波由信息源发出信号，通过编码器的编码，调制器的调制，将此信息转成可用于传送的数码序列，耦合到电力线上，然后将此数码序列通过解调，译码，来送到受信者。图2为电力载波通信系统模型。
4 配电网双频电力载波通信特性研究
图3是一个家庭配电网络示意图，该配电网络包括从配送变压开始的线路到与其相连的所有节点。如果该网络中存在其他的媒体，则需要使用路由器或网桥。配电网络包含很多电阻性或电抗性负载，通常被一个配电变压器隔离，配电变压器对于该部分所用的频率呈现高阻抗。家庭配电网络通常三相四线制较为普遍，由三个具有公共中线、彼此独立的220V交流单相电源线组成，并在供电断路器面板的独立之路上终结。220V交流单相耦合节点和380V交流三相耦合节点与电器通过L1、L2、L3和中线连接，配电网中的节点使用基于PL3120/3150电力收发器进行通信[3]。通过试验，配电网电力载波通信主要表现出衰减性、失真性和噪声干扰。
（1）衰减性。电力线的非均匀分布以及各种性质的设备随机的接入，因此信号在电力线上的传输必然存在着信号衰减。不同相位的耦合也会引起衰耗，跨相传输比同相传输衰耗大10dB左右。此外，配电变压器阻碍信号的通过，在配电变压器原、副两边的信号衰耗可达到60dB-100dB，次级间也会有20dB-40dB的衰耗。电力载波信号衰耗随频率上升、距离增大而增加，信号衰耗绝大部分不超过55dB。
（2）失真性。电力网上的各种用电设备的断切换，在信道上会表现出时变性，能引起信号的相位、幅值发生很大变化。而且在传输过程中信号很容易导致失真。
（3）噪声干扰。各式各样的电器和设备产生的噪声和干扰严重，电力线上的连接设备、雷电等自然现象都很容易在电力线上引起脉冲干扰。硅控整流器及一些电源产生的工频噪声，它会造成整数倍工频上的频谱突变。
为克服电力载波通信高噪音、高衰减、高失真的弊端，利用PL3120/3150收发器特有的双频调制特性在主频率被噪声阻塞后自动选择备用的第二个通信频率；利用高性能、获得专利的、低开销的前向纠错（FEC）算法可以克服由于噪声引起的错误；采用了最先进技术的数字信号处理、噪声消除以及失真校验算法，纠正信号传输受到的瞬间噪声、连续音频噪声和相位失真各种阻碍；同时高输出、低失真外部放大器的设计可以输送1A/2A峰-峰值到低阻抗负载，从而避免了在通常的配电应用中对昂贵的相位耦合器的需求。采用增强的LonTalk代理协议，在集中控制器中实现自学习报文路由功能；在PL3120/3150收发器固件中实现报文自动转发机制。实现上述自动中继功能后，当集中控制器无法和某个单灯控制器直接通讯时，可以借助中继节点来实现数据交互。
5 結束语
电力线遍布城市和乡村，其覆盖面是任何网络无法比拟的，是最适合实现配电网自动化系统分支部分的通信方式。在电力通信信道特性恶劣的条件下，利用LON双频电力载波技术实现可靠通信有利于信息资源共享，对建设经济节约型社会和实现配电网的智能化都具有非常重要的现实意义。
参考文献：
[1]杨帅，张楼英，朱静.基于LON总线平台的智慧型水质监测管理系统[J].科技通报，2017，33（4）：155-158.
[2]杨帅，薛岚，成建生.采用LonWorks电力载波技术的控制器[J].低压电器，2011（13）：41-44.
[3]高安邦，孙杜文，单洪，等.LON技术开发与应用[M].北京：机械工业出版社，2009.
[4]王津.低压电力线载波通信原理及应用分析[J].科技创新与应用，2016（32）：192.
[5]肖燃.基于电力载波通信的居民用电负荷预测大数据应用[J].科技创新与应用，2017（04）：198.
