窄带OFDM低压电力线载波技术及标准化发展趋势分析.pdf
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1、第5 2卷第 1 3期 2 0 1 5年7月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a lM e a s u r e m e n t I n s t r u m e n t a t i o n V0 1 5 2 No 1 3 Ju 1 1 0 2 0 1 5 窄带 O F D M低压 电力线载波技术及标准化发展趋势分析 潘雨晴 , 冯隆基 , 金 萍。 ( 1 江苏省电力公司, 南京 2 1 0 0 2 4; 2 江苏省 电力公司南京供 电公 司, 南京 2 1 0 0 2 4 ; 3 江苏省 电力公司电力科 学研 究院,南京 2 1 0 0 2 4 ) 摘要: 针对低压电力线载
2、波通信及电力用户用电信息采集应用, 分析了窄带 O F D M低压电力线载波技术的发 展现状以及 国际标准化情况 。首先分析了低压配电网电力线信道的特点 , 揭示 了新一代低压 电力线载波通信 均采用窄带 O F D M调制技术的原因; 然后针对我国电力用户用 电信息采集电力线载波本地 网络 , 提 出了一种 协议栈模型 , 目的是为标准化建立一个分层协议框架 , 实现不同厂家载波终端 的互联互通和互操作。最后分析 了物理层工频过零点传输 的必要性 , 并对几个主要的窄带 O F D M物理层标准进行 了比较。 关键词 : 电力线载波通信 ; 正交频分复用 ; 用 电信息采集和电表管理 ; 智
3、能电网 中图分类号 : T M 9 3 3 文献标识码: B 文章编号 : 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 1 30 1 2 4, 0 5 Na r r o wb a n d OF DM l o w- v o l t a g e p o we r l i n e c o mmu n i c a t i o n s t e c h niq u e s a nd a n a l y s i s o f t he i r s t a nd a r di z a t i 0 n de v e l o pme nt t r e nd P a n Y u q i n g , F e
4、n g L o n g j i , J i n P i n g ( J i a n g s u E l e c t r i c P o w e r C o m p a n y , N a n j i n g 2 1 0 0 2 4, C h i n a 2 N a n g P o w e r S u p p l y C o m p a n y , J i a n g s u E l e c t r i c P o w e r C o m p a n y , N a n j i n g 2 1 0 0 2 4,C h i n a 3 J i a n g s u E l e c t r i c P
5、 o w e r C o m p a n y R e s e a r c h I n s t i t u t e , N a n j i n g 2 1 0 0 2 4, C h i n a ) Ab s t r a c t : T h i s p a p e r a n a l y z e d t h e r e c e n t d e v e l o p me n t a n d i n t e r n a t i o n al s t a n d a r d i z a t i o n o f t h e n a r r o w- b a n d O F DM t e c h n o l
6、 o g y f o r l o w v o l t a g e p o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n s( P L C)t a r g e t i n g l o w - v o l t a g e P L C a n d a u t o ma t i c m e t e r r e a d i n g ( A MR)a p p l i c a t i o n s T h e p a g e r fi r s t a n a l y z e d t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e l o
7、w v o l t a g e p o w e r d i s t ri b u t i o n l i n e s w h e n u s e d a s c o mmu ni c a t i o n c ha n n e l s ,a n d r e v e a l e d t h e r e a s o n s wh y t h e n a r r o w b a n d OF DM mo du l a t i o n t e c h n i q u e s ha d b e e n wi d e l y a d o p t e d f o r t he ne w g e n e r a
8、 t i o n o f P LCThe p a p e r t h e n p r o p o s e d a p r o t o c o l s t a c k mo d e l f o r t h e l o c a l P LC i n t h e AM R s y s t e m i n o r d e r t o e s t a b l i s h a l a y e r e d pr o t o c o l f r a me wo r k for s t a n d a r di z a t i o n t o r e a l i z e i n t e r c o n n e
9、c t i o n a n d i n t e r o p e r a b i l i t y a mo n g d i f f e r e n t ma nu f a c t u r e r c a r r i e r t e r mi n a l s Th e p a p e r fin a l l y a na l y z e d t he n e c e s s i t y o f z e r o c r o s s i n g t r a n s mi s s i o n o n t h e p h y s i c a l l a y e r ,a n d c o mp a r e
10、d s e v e r a l ma i n n a rro w- b a n d OF DM s t a n d a r d s o n t h e p h y s i c a l l a y e r Ke y wo r d s : l o w v o l t a g e p o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n s( P L C) ,O h o g o n al F r e q u e n c y D i v i s i o n M u h i p l e x i n g( O F D M) , AMRAMM ,s ma r t d 0 引 言
11、 近年来随着 全球智能 电网的发展 , 新一代低压 电力线载波通信技术 ( P L C) 及其标准化成为 了一大 热点领域。例如 , 自 2 0 0 9年西班牙及法 国推 出针对 智能电表用电信息采集及管理应用 ( A MR A MM) 的 基于 O F D M( 正交频分复用 ) 的多载波调制技术 的高 速电力 线 窄 带 规 范一包 括 由 P R I ME联 盟 提 出 的 P R I ME标准及 由 E R D F ( 法国配电网络公 司) 和 Ma x - 一 l 2 4 一 i m( 美信公司) 联合公布的 G , 一 P L C标准之后 , 国际 化标准组织 I T U和 I E
12、 E E又推 出了针 对更大范 围智 能电网应用的低压 电力线载波通信标 准 G 9 9 5 5和 P 1 9 0 1 2 。所有这些新一代 标准都采 用 了窄带 正交 频分复用( O F D M) 技术 , 即正交 多载波技术 , 充分显 现了当今低压电力线载波通信技术的发展 趋势。文 中就窄带 O F D M低压电力线通信技术 以及当前 主要 标准作一简单介绍 , 并 进一步对其在我 国智能 电网 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1 3期 2 0 1 5年7月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r
13、 e m e n t I ns t r u m e n t a l i on V0 I 5 2 NO 1 3 J u1 1 0, 2 0 1 5 建设及用 电信息采集 中的应 用进行探讨 。特别 是 , 针对我国用电信息信息采集 的具体情况提 出了一种 系统和终端模型 。 1 窄带 O F D M 技术概述 1 1 低压电力线信道特点 低压 电力线载波通信建 立在低压 配 电网上 , 以 低压配电线作 为载波信号传输 介质 , 在 连接 于配 电 线上 的数 据终端 之 间进行 数据 交换 、 通信 或控 制。 低压配电线作为载波通信通道具有以下特点 : ( 1 ) 分支 多、 线路 阻抗变化
14、 大。特别是 , 在 同一 个低压配电台区 内各分支 配电线线径 、 材料都可 能 有很大不 同。这些 都会在线路上 产生多径效应 , 而 且随线路的分支增加 , 信号衰减非常大 ; ( 2 ) 低压 配电线上的阻抗随负载 的变化而会有 大幅度的变化 , 具有较大 的时变 性。负载的变化 可 能从小于 1到几十欧姆 ; ( 3 ) 不 同的频率在信道上呈现不 同的衰落。同 时 , 由于负载的变化 , 这些频率特性随时间变化。 总之 , 由于上述 电力线信道的特 点 , 使得信号 在 电力线信道 中传输 时产生较大衰减 , 而且随着信 道 阻抗在时间上 的变化而变化。同时 , 信 号也经历 频
15、率选择性衰落 , 且随 时间变化 。因而要 求 电力线 通 信采用特殊 的技术来解决这些问题 。 1 2 低压 电力线信道噪声及干扰 除了上述信道特 点外 , 低 压 电力线 上 由于各 种 电器设备的接入 , 产生 了各种各样的噪声 和干扰 , 主 要有 : ( 1 )有色背景噪声 : 由各种低频 噪声源叠加 而 产生 , 不是 白噪声 , 即低频强度 较大 , 随着频率 的增 加减小 。特别 是 , 在 国内电力线载波 通信所使用 的 3 k H z 5 0 0 k H z内, 2 0 0 k H z以下 的频 段 内, 干扰 和噪 声幅度 比高频段大; ( 2 )周期性 噪声 : 与工频
16、 异步或不 同步。通 常 由大功率 电器设 备开关 的周期性 的开闭动作产生 , 其功率谱 为离散 的谱 线 , 重复率在 5 0 k H z一2 0 0 k H z 范围内。这种 类型 的噪声 主要 由开关 电源、 显示 器 的扫描等产生 。与工频同步的周期性噪声主要是电 力设备按 5 0 H z 频率工作产生的脉冲, 重复率为 5 0 H z 或其谐波。例如可控硅调节器。 目前可控硅器件被 大量使用在调光灯 、 电风扇 、 复印机等 电器 中, 产 生 大量的谐波。脉冲频率为工频或其高次谐 波; ( 3 )随机脉冲噪声 : 闪电或网络上的负载( 如: 电容 器组、 自动调温器、 冰箱、 空
17、气调节器) 的开关操作会产 生脉冲噪声, , 每个脉冲噪声都会影响很宽的频带 ; ( 4 )窄带干扰 : 指频带较 窄的干扰信号 , 例如单 频干扰 , 或其它无线通信系统的信号等 。 1 3 O F D M 技 术及特 点 O F D M技术 ( O r t h o g o n a l F r e q u e n c y D i v i s i o n Mu l t i p l e x i n g , 即正交 频分复用 ) 是一 种 当今较为先进 的 数字通信调制技术 。它在工作频段内采用多个相互 正交的子载波( 通常数 十个甚 至数百百或上千个 ) , 将编码后的信息符号映射到子载波上 同
18、时发送 。子 载波映射方式可根据信道情况采用 B P S K、 Q P S K、 甚 至更高阶调制模式 。因此 , O F D M调制技术应用于电 力线载波通信具有 以下特点 : ( 1 ) 抗干扰能力强 : 相对于传统的单载波调制技 术 , O F D M采用数百至上千个子载波传输数据 , 对噪 声及窄带干扰具有较好 的抵抗能力 ; ( 2 ) 具有信道 自适应能力 : 电力线信道变化快且 不可预测 , 而 O F D M采用数百 至上千个子载波传输 数据 , 对时变频 率选择性衰落具有 较好 的 自适应能 力。同时, O F D M可动态调整调制方式以适应信道 的 变化 。这对于提高用 电
19、信 息采集 的及时性及效率数 极为重要 。第一代载波技术 的通 信速率都很低 , 例 如东软 3 3 0 b p s , 晓程 5 0 0 b p s 。而窄带 O F D M技术 的 典型通信速率在 1 0 k b p s以上 ; ( 3 ) 抗 回波反射引起 的多径衰落 : 由于低压配电 线分支多、 负载多样化 , 在信号传输过程 中由于终端 阻抗的不 匹配会 引起信号反射 , 从 而在接收端产生 多径效应 。O F D M符号带有专 门为应对 多径衰落而 附加 的保护间隔并通常采用循环前缀( C P ) 的方式。 典型的时域 O F D M符号如图 1所示 , 其 中 C P部分从 O
20、F D M符号体的结尾拷贝而来。 一 一、 一 一 : : 一 一 l ( 刚 0 F D M 符 号 体 图 1 典型 O F D M 符号 结构 F i g 1 T y p i c a l s y mb o l s t r u c t u r e s o f OF DM 2 P L C用 电信息采集系统标准化 近年来, 我国智能电网建设发展迅速。电力用户用 电信息采集是智能电网的重要组成部分, 其 目的包括智 能电表用电信息 自动采集和电表管理( A MR A MM) 、 线 损分析、 事件主动上报、 信息下发等。而电力线载波通 信是实现电表本地通信的重要手段。 2 1 系统模 型 A M
21、R A MM系统模 型如 图 2所示 , 包 括主站 系 一 】 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1 3期 2 0 1 5年7月 l O日 电测与仪表 El e e t r i c a l M e a s u r e me n t& I ns t r u m e n t a t i o n V0 I 5 2 NO 1 3 J u 1 1 0。 2 0 1 5 统、 远程网络 和 P L C本地 网络。本地 网络包 含集 中 器主节点和 P L C电表或采集器节点。 ( P L C 域) 图 2 AMR AMM 系统模 型 Fi g 2 AM
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