计算机毕业设计基于低压供电网通讯的软件设计.docx
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计算机毕业设计基于低压供电网通讯的软件设计
基于低压供电网通讯的软件设计
摘要:
电力线高速数据通信技术(PLC)在电力系统通信中占有重要位置。
文章首先对该项技术在国内外的研究和应用现状进行了回顾,介绍了我国PLC方面的主要工作成果和国内外PLC关键技术发展情况(包括信道模型、噪声特性、信道容量、调制技术及MAC层协议等)、标准的进展情况以及尚存在的主要问题。
本文还简要介绍了低压供电网通讯的特点和研究价值。
归纳了噪声、多径干扰、信道阻抗变化对通讯的影响,提出了基于低压供电网通讯的系统模型。
关键词:
电力线高速数据通信;供电网;通讯
Abstract:
PowerLinehigh-speeddatacommunicationstechnology(PLC)inthepowersystemoccupiesanimportantpositionincommunications.Thearticlefirstofthetechnologyathomeandabroadintheresearchandapplicationofarecall,onChina'sPLCofthemainresultsoftheworkathomeandabroadPLCandthedevelopmentofkeytechnologies(includingchannelmodel,thenoisecharacteristics,channelcapacity,modulationandMACLayerprotocol,etc.),standardsofprogressandremaininginthemainproblems.Italsogaveabriefingonlow-voltagepowernetworkcommunicationsforthecharacteristicsandresearchvalue.Summedupthenoise,multipathinterference,channelimpedancechangesontheimpactofcommunications,basedontheproposedlow-voltagepowernetworkforthecommunicationsystemmodel.
Keywords:
powerlinehigh-speeddatacommunicationforthenetwork;communications
目录
第一章前言2
1.1电力线高速数据通信技术的国外发展现状及趋势4
1.1.1机理研究及产品开发4
1.1.2应用情况5
1.1.3技术标准6
1.1.4发展趋势6
第二章PLC的关键技术7
2.1信道模型、噪声特性以及信道容量7
2.2调制技术7
2.3MAC层协议8
第三章我国低压供电网数据通信技术的研究及应用9
3.1基本情况9
3.2机理研究及产品开发9
3.3实际应用10
3.4技术标准的进展11
3.5基本评价11
3.6存在的问题及进一步的工作12
第三章供电网通讯系统模型13
3.1噪声和干扰13
3.2信道阻抗13
3.3信号衰减13
3.4多径干扰14
3.5通讯系统模型15
3.5.1通讯系统及解决方案15
3.5.2模拟系统15
3.5.3数字系统(ASK,FSK,PSK)16
3.5.4扩频通信16
3.5.5其他方法18
3.6各种通讯系统的比较18
第四章数据通讯系统的实现19
4.1基于滤波器组的多载波传输系统19
4.1.1传统OFDM的滤波器组表示方式19
4.1.2基于小波滤波器组的多载波传输系统21
4.2多径信道下的多载波系统性能分析22
4.3系统结果24
参考文献:
26
致谢27
第一章前言
随着科学技术的发展,生活水平的日益提高,人们对家庭环境的要求越来越高。
智能大楼(In-telligentBuildings)和家用电器自动化产品(HomeAutomation)应运而生。
家庭中的电力线给这些产品提供了天然的通信介质。
电力线网络覆盖面积之大,是别的网络无法比拟的。
利用电力线网络进行通信非常方便,可以方便地组建计算机局域网络(LAN)、传递远端监视图像、自动抄表(AutomaticMeterReading)系统、火灾报警(FireAlarm)系统等。
电力线高速数据通信技术(PLC或PLT),是一种利用中、低压配电网作为通信介质,实现数据、话音、图像等综合业务传输的通信技术,不仅可以作为解决宽带接入“最后1km”的有效手段,而且可以为电力负荷监控、远程抄表、配用电自动化、需求侧管理、企业内部网络、智能家庭以及数字化社区提供高速数据传输平台。
电力线通信是在一个复杂的电磁环境里传输信号,信号会出现明显的衰减和畸变,信道环境非常恶劣。
一些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都是不能预知的。
电力线网络分为高电压(100kV以上)、中电压(1~100kV)、低电压(1kV以下)3种。
电力线网络是一个独立的通信网络,电压越低,干扰越复杂,通信难度越大。
我们主要涉及低压电力线通信的特点和通信技术。
电力线通信存在很大的困难。
长期以来,许多公司和学者对电力线通讯系统进行了大量的研究和实验工作,取得了一定的成果。
如何能够在电力线通讯系统中提高传输速率、延长传输距离、增强抗干扰能力、提高频带利用率和降低通信成本是电力线通信中函待解决的问题。
电力线是设计用来输送电能的,因而并不具备通信链路的必要条件,所呈现的是一种高噪声、强衰减、负荷变化剧烈、阻抗变化大频率响应不平坦等恶劣性能。
要实现可靠的电力线高速数据传输,必须解决以下问题:
(1)尽可能消除电气设备、控制设备、空中无线电等噪声对传输可靠性的影响;
(2}努力阻止线路、各种电气设备、阻抗波动阻抗不匹配以及容性负载引起的信号衰落;
(3)最大限度减缓电力线分支以及网络不均衡引起的多径衰落对传输可靠性的影响。
20世纪90年代以前,电力线载波系统采用的是FM(模拟调频)、FSK(频移键控)、PSK(相移键控)等窄带通信技术,由于抗噪声干扰和多径干扰能力差,对电力线信道的适应性也差,因此主要靠改善信道条件(使用阻波器)和提高信噪比(增大发送功率)来实现可靠传输。
但由于窄带调制技术频带利用率极低,因此在有限的带宽内只能实现低速的数据传输,而目_仅限于适应经过特殊改造的高压线路。
对于低压和中压配电线路,由于线路复杂、分支多,无法对线路进行诸如阻波等技术的改造,因此即使是低速数据,也无法实现可靠的传输。
20世纪90年代以后,随着通信技术的发展,国外开始研制专门用于配电网的高速数据通信技术,将扩频通信技术、多载波调制(DMT)、正交频分多路复用(OFDM)、信道纠错编码、多路访问等先进技术引入电力线载波通信领域。
1997年英国的NORWEB公司在英国曼彻斯特的一个低压配电网上成功进行了传输速率为1Mbit/s的数据通信试验[1],实现了电力线载波通信技术的突破,这个里程碑式的试验极大地推动了电力线高速数据通信技术的发展。
1.1电力线高速数据通信技术的国外发展现状及趋势
1.1.1机理研究及产品开发
电力线高速数据通信技术在英国试验成功以后,许多国家的研究机构和企业相继开展了这方面的研究和开发[2-5],如美国的Inari和Intellon公司、西班牙的DS2公司、以色列的Yitran公司、韩国的Xeline公司、瑞士的ASCOM公司,以及欧美、亚洲的一些大学院校等。
国外学者对电力线高速数据通信技术的机理进行了深入研究,成立了多个PLC国际组织,从1997年开始每年举办数次PLC国际专题会议,研究内容非常广泛,包括:
电力线的信道模型、噪声特性分析、调制方式、MAC层协议、网络管理、室内网络、接入网络、系统设计方法、芯片制造技术、电磁辐射和传播、信道预测技术信道容量预测、信道传播特性测量、标准和协议、系统结构、组网方式、中压高速载波技术等多方面内容。
经过多年的努力,已经基本建立起电力线高速数据通信技术的理论体系。
电力线高速数据通信技术从1997年到现在历经了3个阶段(时间上有一些交叉),产生了3代技术和产品。
第1代:
2001年底以前,采用FSK,GMSIB,DSSS或DMT技术,传输速率为1~4Mbit/s主要目标是验证了电力线高速数据通信技术应用的可行性;第2代:
2001年第三季度至今,主流芯片的传输速率为10~45Mbit/s进入大规模、多区域的试验和实际运行阶段,其主要标志是NTEL-LON公司推出的传输速率为14Mbit/s的芯片和DS2公司推出的传输速率为45Mbit/s的芯片,引入了OFDM技术,不仅有效消除了多径干扰,增强了对电力线信道的自适应性和抗噪声干扰的能力,而且大大提高了频带利用率,实现了l0Mbit/s以上的高速率数据传输;第3代:
从2004年第三季度开始,电力线高速数据通信技术更多使用子载波的OFDM和高频带利用率的调制技术,传输速率达到200Mbit/s(如DS2公司2004年推出的DSS9000系列芯片,NTELLON公司即将推出的NT6000芯片),这代产品具有交换和传输功能,自动中继和自动路由选择技术逐渐得到推广,系统结构更加灵活方便,通用性和兼容性更强,网络管理功能更加完善,数据传输的Qos得到充分保障,设备和系统成本进一步降低。
1.1.2应用情况
欧盟为促进PLC技术的发展,从2004年1月1日开始启动了一个称之为OPERA(OpenPLCEu-ropeanResearchAlliance)的计划,旨在联合欧洲的主要PLC研究开发力量,致力于制定欧洲的PLC统一技术标准、推动大规模商业化应用[5-6],并将PLC作为实现“eEurope"(信息化欧洲)的重要技术手段。
美国、欧洲等国也出台相应政策或措施推动PLC的发展,许多大的电力企业也积极进行中压及低压PLC的试验。
美国的AmericanElectricPower等17家主要电力企业,德国、奥地利、西班牙等15个欧洲国家的32个电力企业均建立了PLC试验网络,有的还进行了PLC商业化运营(如德国的MVV等)。
亚洲开展PLC研究和试验的国家和地区除中国大陆外,还有日本、韩国、新加坡、中国香港、中国台湾等地。
日本对PLC的态度,经历了从初期怀疑否定到开放试验,直至今日的积极推动的三个阶段。
目前,东京电力、新加坡电力、香港中华电力等均建立了一定规模的试验网络。
据不完全统计,截止2004年年底,PLC的试验网络遍及欧洲、亚洲、北美洲、南美洲、非洲以及大洋洲的40多个国家和地区。
1.1.3技术标准
技术的标准化是产品成熟的重要标志和大规模应用的前提。
欧洲、美国从2002年起开始研究PLC系统的技术框架和技术标准[7-9],目前已经取得了积极进展。
在产品技术规范方面,欧洲电信标准化组织ETSI从2002年开始陆续公开了2个PLC技术规范(TS101896,TS101867)和5个技术报告(TR102049,TR102175,TR102258,TR102259,TR102324)。
另外还有6个项目正在进行中(DTS/PLT-00005,DTS/PLT-00007,DTS/PLT-0000DTS/PLT-000010、DTR/PLT-000O11,DTS/PLT-000017)0涉及网络电磁兼容标准制定的机构主要有:
ITU-T,CENELEC/ETSI.JWGEMC,CENELEC的TC210、SC205A,ETSI的TCERM,EPPLT,美国FCC等。
目前定义了1~30MHz范围内电信网络辐射限值的技术标准有4个:
德国的NB30、英国的MPT1570、美国的FCCPart15以及国际电信联盟于2003年7月推出的II'U-TIC.60。
总体而言,PLC的相关技术标准正在制定中,目前还没有形成相应的具有法律约束力的规范。
对于电磁骚扰的测试方法,各国做法不尽相同,限值各异。
但普遍认为,30MHz以下的电磁骚扰主要体现在传导骚扰上,因此,在目前的国际标准中,并未规定相应的辐射骚扰限值。
对于大规模的PLC应用,如何制定科学的测试方法以及规定合理的限值,是欧洲以及一些国际性组织正在研究的重要课题之一。
1.1.4发展趋势
电力线高速数据通信技术具有3个明显的发展趋势。
一方面,正在向更高传输速率的方向发展.其表现为名家公司推传输速高达200Mbit/s的专用芯片;另一方面,利用中压(10kV)配电网组建高速数据传输骨干网的设想也日益引起人们的重视,因为利用中压配电网进行高速数据传输,不仅可以充分、有效地利用电力系统的资源,而民可以极大地延伸光纤骨干网的服务区域,成为骨干通信网的有效补充和有机组成部分,同时为开展电信服务开辟了新的思路;第三方面,电力线宽带接入技术正在向具有更高服务质量和完善传输交换功能的方向发展。
第二章PLC的关键技术
2.1信道模型、噪声特性以及信道容量
研究电力线网络信道模型,通常使用多径传输模型和传输矩阵模型2种方法。
这2个模型从不同角度对高频信号在电力线上的传播特性进行研究。
多径传输模型是根据高频信号的多条路径传播产生的合成效应(多分支及阻抗失配造成的传输反射)研究电力线信号的传播特性;传输矩阵模型则把整个电力线看成为一个二端口网络,利用二端口网络的传输矩阵计算出电力线信道的传递函数[2-3]。
除了因线路衰减和多路传输所造成的信号失真外,噪声是影响电力线数据可靠通信的最关键因素。
和其他信道不同的是,电力线信道的噪声并不呈现白噪声(AWGN)特性,主要是有色背景噪声窄带干扰和脉冲噪声的存在,容易引起突发性传输差错。
脉冲噪声分为与工频同步的周期性脉冲噪声和异步脉冲噪声2种。
与工频同步的脉冲噪声主要是由与工频同步运行的供电设备引起的,它一般在电压的过零点产生;典型的异步脉冲噪声是由电网上的开关事件引起的。
脉冲噪声可以用马尔可夫链(Markov-cha州的随机统计模型表示,背景噪声一般用AR回归模型来模拟,窄带噪声用N个独立的正弦信号叠加表示。
电力线信道容量分析的意义在于了解信道的基本特性和信道传输能力。
配电网的高速数据传输容量,主要受配电网拓扑结构、线路条件、噪声、
EUIC限制等条件的影响。
电力线的信道容量主要利用信道传播模型、噪声模型以及“注水”理论进行计算。
计算结果表明,一般情况下,大约1.6km的电力线信道容量超过250Mbit/s但电力线分支的增多将会导致信道容量的降低,负载阻抗的减小、容性负载的增大也会导致信道容量的降低。
2.2调制技术
目前,有多种高速数据通信技术可以用于电力线通信,如扩频通信、多载波通信等。
选择何种调制技术[2-3],需要综合考虑抗干扰能力、带宽利用率以及实现的复杂程度等多种因素。
由于OFDM能够有效消除多径干扰、脉冲干扰,以及具有较高的带宽利用率,因此在PLC系统中得到广泛应用,并且逐渐成为PLC的标准调制技术。
OFDM通过把电力线分为许多窄带子信道,使得各个子信道呈现相对线性和平坦特性,不仅消除了由于电力线的低通效应和传递函数的剧烈波动而引起的失真,而且无需复杂的信道均衡系统,实现比较简单,成本也比较低廉。
OFDM通过在传输的数据块之间插入一个大于信道脉冲响应时间的保护间隔,消除了由于多径时延扩展引起的符号间干扰(ISI)。
OFDM还可以根据信道情况,采用子载波功率和比特位优化分配算法自动控制各个子载波的使用,有效避开噪声干扰以及频率选择性对数据传输可靠性的影响,实现对信道的自适应性。
通过软件编程,OFDM可以有选择地屏蔽某些子载波,实现对民用或军用重要频点的保护。
OFDM的子载波优化分配算法,主要有Huges-Hartogs,Piazzo,Fischer-Huber等提出的3种算法。
2.3MAC层协议
按照OSI的七层分类,PLC产品属于两层网络设备,即只有物理层和MAC层。
MAC层协议[2]主要用于PLC系统不同服务之间、不同用户之间信道分配和再分配的管理、协调和控制。
在PLC中应用的MAC协议,必须能够满足提供不同服务的要求。
PLC网络的MAC层协议考虑的服务包括:
(1)面向连接的服务,如电话和其他CBR(恒速传输业务);
(2)无需QoS保证的无连接服务;
(3)专门的PLC服务(控制、安全防卫等);
(4)需要QoS保障的数据传输(如VBR,可变速率传输)。
在PLC中应用的信道复用机制主要有FDMA,TDMA,CDMA,TDMA/CDMA,TDMA/FDMA。
多路接入方案可按固定接入、动态接入、预留接入区分。
动态接入协议包括:
(l)ALOHA预先分配时间片;
(2)CAM/CA(载波侦听肿突避免);
(3)令牌传递(令牌环,令牌总线);
(4)轮循。
采用的主要纠错技术为FEC(前向纠错)+ARQ(自动请求重发)。
第三章我国低压供电网数据通信技术的研究及应用
3.1基本情况
国外在电力线载波通信技术方面的进展,特别是英国试验的成功引起了国家电网公司的高度重视和科研单位的密切关注。
国家电网公司先后8次立项,由中国电力科学研究院、国电通信中心等单位承担了电力线高速数据通信技术研究,研制了一系列的产品和系统,并在北京等地建立了一定规模的试验小区,申报了20余项发明及实用的新型专利。
此外,清华大学、西安交通大学、华北电力大学等对电力线信道模型、信道测试等方面也进行了探讨,国家自然科学基金2003年、2004年还资助了多个电力线通信课题,进行电力线通信机理的研究。
3.2机理研究及产品开发
由于我国低压配电网的网络结构、负荷特性、供电方式与国外有很大的不同,国外已有的理论研究成果和开发的系统不能完全适应我国的实际。
我国科技工作者在中国低压配电网高频信号传播特性、电力线高速数据通信机理、应用产品开发等方面进行了大量的研究工作[10-13],主要包括以下几方面。
(1)通过大量的实际测试,获取了我国低压配电网的高频衰减特性、噪声分布特性、阻抗特性等实际数据,结合理论分析,得出了相应的高频信号传播模型,为产品设计及研究提供了第一手资料和理论基础。
(2)深入研究了电力线高速数据传输系统的技术体制最佳使用频段、信道容量预测及优化、适宜的调制技术、信道编码及纠错、MAC层协议、藕合方式、电磁辐射、组网优化技术、信道测试技术、网络管理技术、计费系统等PLC关键技术问题。
(3)研制了速率为2~200Mbit/s的系列化产品。
(4)根据应用的实际提出了电感藕合和电容藕合相结合的藕合技术,扩展了应用范围,增强了不同应用场合的适应性,极大地方便了施工,加快了PLC的应用步伐。
(5)提出了信道优化技术,研制了相应的产品,有效地改善了电力线高频信号传输环境,提高了系统的传输速率稳定性和可靠性。
(6)提出了实现全电力线接入的混合组网技术,改善了系统的整体性能,提高了系统的可靠性、稳定性和有效性。
(7)提出并应用了具有我国特色的多种宽带接入模式和应用模式。
(8)开展了PLC相关应用的研究,开发了基于PLC的宽带抄表系统、智能家居系统、ADSL、无线局域网、电话线与PLC相混合的应用系统等。
(9)研究了PLC的测试技术、实用化工程技术、性能测试方法、技术标准等。
(10)开展了中压PLC的研究及试验,包括在农村电信服务方面的应用研究。
(11)开展了PLC电磁兼容特性的研究和测试。
参照国际和国家标准,制定了测试方法和测试大纲,分别在国家权威检测实验室和现场环境进行
了电磁骚扰和电气性能测试。
对PLC的网络性能也进行了相应测试。
3.3实际应用
中国电力科学研究院和辽宁电力公司扰阳供电公司于2001年在沈阳建立了中国第一个高速PLC试验网络[11-14]。
2001年,国电通信中心开始组织实施低压配电网电力线宽带接入技术的实验及推广应用,成为中国PLC试验和运营的核心推动者。
国电通信中心成立了PLC领导小组,下设PLC推进办公室,确立了推动电力线通信技术研究、试验及推广应用的模式和总体安排,引进了国内外多家企业的产品在北京进行实验。
在短短的3年多时间内,国电通信中心组织研究开发单位·产品试验单位以及网络运营单位进行了大量的实验、电磁兼容特性测试、网络性能测试和工程探索,提出并应用了具有中国特色的电力线通信技术应用模式,建立了世界上最大的电力线宽带接入试验运行网络,为电力线宽带接入技术在中国的商业化运行以及大规模推广应用奠定了扎实的基础。
国电通信中心的大规模试验也极大地推动了电力线宽带接入技术的研究进程,缩短了国内研究开发机构研究成果的产品化转化过程,促进了PLC技术的进步和发展。
到2005年7月为止,由国电通信中心组织、中电飞华公司实施的北京电力线宽带接入试验网接入用户超过30万户,开通用户37000余户,接通率超过11%,建立了北京城域数据网、电力线宽带接入网络管理中心和计费系统。
3.4技术标准的进展
我国在电力线高速通信技术标准化方面的研究[18],还处于起步阶段。
由于没有现成的国际或国家标准,大部分厂家将中国强制认证的CCC标准作为产品标准。
CCC认证涉及到电气安全GB4943《信息技术设备的安全》(等同于IEC60950),电磁兼容GB9254《信息技术设备无线电骚扰限值和测量方法》(等同于CZSPR22),防雷YD/T993《电信终端设备防雷技术要求和试验方法》。
现有的CCC标准,没有对电源端子和电信网络端口共用的情况进行专门的考虑,也没有涉及传输性能、网络性能等方而的规定,因此存在局限性。
由于我国拥有目前全世界最大规模的电力线宽带接入实验网,实现电力线高速通信技术的标准化已经十分迫切,国家电网公司充分认识到了这一点,已经立项准备制定国家电网公司企业标准。
3.5基本评价
通过6年多的努力,中国科技工作者针对我国配电网的实际,在信道特性、通信机理、组网技术、试验网络、产品设计方法、PLC应用技术、工程技术、测试技术、PLC支撑系统等方面取得了丰富的研究成果,许多工作属于我国率先提出并得到推广应用。
但应当指出的是在芯片技术、系统设计技术基础理论等方面,欧美处于领先位置,我国还有待努力。
大量的试验证明,目前国内使用的主流PLC宽带接入系统(第2代产品),在传输速率、数据吞吐量、丢包率、响应速度、接入稳定性等方面,已经
能够满足用户对Internet高速接入的要求。
虽然用电高峰时的数据吞吐量会有所下降,但下降幅度普遍能够控制在许可范围内,目_能满足用户基本的带宽要求,用户满意度是比较高的。
个别质量较差的照明设备以及某些具有开关电源的设备,可能会产生较强的高频干扰,影响PLC系统的正常使用,此时需要使用可抑制高频噪声的信道优化装置或阻波器。
经实际环境测试,并未发现PLC对电气设备、电表及抄表系统的精度、短波收音机环境等有实质性影响,试验室测试的PLC产品及系统的电磁骚扰、网络性能、电气性能等也能够满足现有可参照的国家标准的要求,因此可以说,PLC已经具备了大规模推广应用的条件。
对于未来用户需求的实时性更强的业务(如VoIP),则目前的PLC系统需要完善,同时PLC宽带接入系统也会逐渐从目前的第2代过渡到具有完整Qo
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