城市智能路灯控制系统电力线载波技术.docx

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城市智能路灯控制系统电力线载波技术

摘要

随着城市开展的脚步不断加快，市区的照明系统为建设平安城市，和谐社会做出了巨大的奉献。

但是，每年的照明耗电相当于全球17%的发电量，2004年中国照明耗电约为2187亿千瓦时，相当于三峡水力发电工程建成后，年发电能力840亿千瓦时的近3倍。

为了实现照明节约用电，同时易于管理照明系统，需要改变传统的照明控制方式。

电力线载波通信是电力系统特有的一种通信方式，它利用电力线作为传输载体，以变电站为终端，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输，具有信息传输可靠、可同时复用等特点。

通过载波，电力线可以传送语音、图像、数据并且能够进行信息交换、处理、控制、检测，实现信息的自动化。

目前，电力线载波技术主要用于35KV及以上高压线路上，载波带宽为40一500KHZ，传送的信息包括数据、保护、远动、文字、语音及图像等。

但是，在中低压电力线的利用上仍处于研究阶段。

本论文首先对低压电力线信道特性进行分析，并建立相应的信道模型；接着对设计中采用的直接序列扩频技术的原理、实现方法及其作为电力线载波通信调制方案的可行性和优越性做了详细的论证；随后详细介绍了系统构架及主要模块的软硬件实现，其中硬件设计包括电力线载波芯片PL3106外围接收、发送电路的设计，以及系统供电电源局部；软件开发主要包括单片机汇编程序的编写和主机与单片机通信程序的编写；然后，针对系统在实验中暴露出的问题给予简单分析、提出了解决方案。

关键字：

电力线载波，PL3106，直接序列扩频技术

ABSTRACT

Alongwiththepaceofcityconstructionquickening,lightingsystemplaysagreatroleinsafecity,harmonysocietybuilding.Lightingconsumes17%electricitygeneratedintheeartheveryyear.In2004,218.7billionkwhelectricpowerwasusedinlighting,anditisalmostasthreetimesasthetotalelectricitygeneratedbySanxiawaterplanwhenitcompleted.Toeconomizelightingelectricityandmanagelightingsystemeasily,thecontrolquomodooflightingsystemshouldbechanged.

PowerLineCarrierCommunicationPowerSystemisauniquemeansofcommunication,whichusespowerlinesasatransmissionmediumtosubstationfortheterminal,throughthecarriermodeanalogordigitalsignals,high-speedtransmissionwithreliableinformationtransmissioncanbemultiplexedatthesametimeandsoon.Throughthecarrier,powerlinescansendvoice,video,dataandcanexchangeinformation,treatment,control,detection,automationofinformation.Atpresent,themainpowerlinecarriertechnologyforhighvoltage35KVandabovetheroad,a40-carrierbandwidth500KHz,sendinformation,includingdataprotection,remotecontrol,text,voiceandimages.However,theuseoflow-voltagepowerlineisstillataresearchstage.

Inthispaper,low-voltagepowerlinechannelcharacteristicsforanalysisandmodellingtheestablishmentofthecorrespondingchannel

firstly;thenusedinthedesignofdirectsequencespreadspectrumtechnique,anditsimplementationasapowerlinecarriercommunicationmodulationschemetodothefeasibilityandsuperiorityofthedetailedfeasibilitystudies;thendetailedthesystemarchitectureandmainmodulesofthesoftwareandhardwaretoachieve,includinghardwaredesign,includingpowerlinecarrierPL3106chipperipheralsforreceiving,sendingcircuitdesign,andsystempowersupplypart;softwaredevelopmentincludesingle-chipassemblerhostwiththepreparationandproceduresforthepreparationofsingle-chipcommunication;andthen,inviewofthesystemexposedintheexperimenttogiveasimpleanalysisoftheissueandputforwardsolutions.

KEYWORDS：

powerlinecarrier,PL3106,directsequencespreadspectrumtechnology

前言

电力线载波通信，简称PLC〔PowerLineCommunication〕，是以电力网作为通信信道进行载波通信的一种有线通信方式。

电力载波通信的工作原理是把自动化设施中的有效数据通过调制解调器调制后耦合到电力线上，然后经过电力线传输到对端调制解调器，再有对端调制解调器将信号解调后传输给对端自动化设备。

电力线载波通信技术出现于二十世纪二十年代初期。

电力线无处不在，无论城市乡村，还是偏远落后地区，随处可见，电力线是输电的主要媒介。

因此，利用它来进行信息的传输一直是人们的梦想。

电力线载波通信是利用现有的电力线路作为介质进行信息传输的一种通信方式，具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步进行等巨大的优势，有很好的开发前景和应用价值。

但是，电力线作为通信介质也具有很多的缺点，比方，可变信号衰减、阻抗调制、脉冲噪声、等幅震荡波干扰等不利于数据传输的特性。

传统上讲，电力线载波通信是利用高压电力线〔通常在电力载波领域，高压电力线指的是35KV及以上电压等级，中压电力线指10KV电压等级，低压配电线指380/220V用户线〕作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式，广泛运用于电力管理系统、工业自动控制系统、远程控制系统、智能化小区等领域。

电力现载波通信在高压输电线上应用已经比拟成熟，比方110KV的开放，运动，，保护，计算机信息等综合业务。

再比方，葛楠±500KV直流输电系统中，两换流站运行数据的控制信息就是通过长达1053KM的载波电路传送的，实现了两站间的自动控制。

随着载波通信技术的开展，电力线载波现已用于中低压配电网中。

在低压输电线路上的载波通信研究，欧美国家不但在产品研究开发及相关标准的制定方面还是技术应用都走在我国的前面，因此在国内对PLC通信进行研究和开发具有重大意义。

目前，欧美国家已经利用低压配电网载波通信来实现配电网自动化和负荷控制，并应用于工业控制和家庭自动化中，进而提供和视频传输等效劳。

相对于国外PLC技术的飞速开展，我国在低压电力载波数据通信方面尚处于起步阶段，主要停留在自动抄表、楼宇保安和局部过程控制领域。

这几年在国外，电力线已经作为一种家庭总线，应用于家庭智能化和网络效劳的接入。

例如，利用已有电力线网络，可以在医院或家庭建立起医疗监测网，实现重症监护功能，病人的血压、心率、病症等信息可以在家里通过电力线监测网传送至小区控制中心，再通过公共网或Internet传送到较大的医疗单位进行分析、处理和监护。

同样，医院可以将治疗或考前须知等信息通过网络传送至小区控制中心，再传送到病人家里，对病人进行远程诊疗。

在医院，不仅可以用电力线通信实现病人的监护功能，而且可以配合医疗器械智能化，实现智能医疗监测、报警、自动化管理和集中会诊等功能。

因此，用电力线载波来实现一些需要经常在线的报警、防盗以及监护等应用，每一个方面都有广阔的开展前景和巨大的市场机遇。

相对于国外的这些成熟的应用，国内的低压电力线通信还没有形成规模，还有很长的路要走。

另外，我国农村人口较多，农村信息化技术相对落后，信息通信普及面不大，因此在目前的现状下，研究低压电力线通信对开展我国农村和偏远山区等地区的信息产业也具有非常重大的意义。

本文主要工作是研究了电力线载波通信技术并利用串行口通信技术实现城市照明系统的监测系统，实现利用电力线载波技术进行监测主机与城市路灯驱动之间的数据传输。

本文系统的阐述了我国低压电力线信道的噪声状况，目前常用的电力线载波调制技术，分析比拟并选择出适宜我国低压电力线的调制方式及相应的载波芯片，针对选择的芯片特性，设计出相应的外围电路，包括发送、接收以及数据处理局部。

在硬件电路设计完整的根底上，编写软件程序，并进行相关的实验验证设计的合理性，对得到的结果进行分析。

并完成论文。

第1章引言

利用电力先进性数据通信已经有近百年的历史，早期的电力线通信技术采用高压电力线载波，在点对点通信的两端装有阻波器。

其开展历程可以划分为3个主要阶段。

阶段

电压/V

载波频率/MHz

代表产品

应用领域

20世纪20-50年代

>11000

电力载波机

监控、远程指示、设备保护以及语音传输

20世纪50-90年代

220/380

—

ST7536/7537

自动抄表、电网负载控制和供电管理

20世纪90年代后

220/380

INT51，DS2

宽带高速数据多媒体通信、楼宇智能网络

1.1.1单载波模拟通信

最早的电力线通信系统是模拟的单载波系统。

模拟系统传送的信号是一个模

拟的波形，它要求接收机能够高保真地重现波形信号。

模拟系统通过信道的信号频谱比拟窄，信道的利用率高，但是其抗干扰能力差，不易大规模集成化。

随着数字通信技术的完善和开展，出现了窄带、ASK、FKS和PSK电力线通信

系统。

数字系统传递信号的离散脉冲，接收端要求正确判断发送的是哪一种离散

状态，只要脉冲波形的失真缺乏以引起错误判断就不会影响通信质量。

数字通信

抗干扰能力强，可以通过过失编码提高可靠性，易于集成。

缺点是比模拟通信占

带宽。

对于电力线这一强背景噪声的信道来说，数据传输的一种有力手段就是扩频（SS—SpreadSpectrum）技术。

它利用伪随机码把基带信号的频谱进行扩展，形成较高带宽的低功率谱密度信号发射。

接收端再利用相关方法进行处理，把要接收的宽带扩频信号恢复成基带信号。

扩频技术减少了噪声对信号的影响，保证了电力线网络上的可靠通信。

扩频通信技术的理论根底是香农建立的关于通信系统效率的理论。

即：

对加性高斯白噪声信道来说，如果系统数据速率小于或等于信道容量C时，就有可能存在在信道内进行无过失的数据通信的编码方案。

信道容量定义如下：

式中，C为信道容量（bit/s）；B为带宽（Hz）；N为噪声功率（W）；S为信号功率（W）。

上式说明了在功率谱平坦的高斯噪声信道内，信道无误传输信息的能力（即信道容

量）与信道的信噪比和传输信息的带宽之间的关系。

可以看出，在保持一定的C值时，可通过增加带宽来相应地降低对信噪比的要求。

利用扩频技术传送数据，可以在信噪比很低的情况下进行无过失数据通信。

扩频通信系统的根本工作方式

有：

（l）直接序列扩频；

（2）跳变频率方式；（3）跳变时间方式；（4）宽带线性调频方式。

扩频技术由于扩频技术本身要求频带宽度是信号带宽的100倍一1000倍，而

PLC系统的带宽一般为90KHz—125KHz（欧洲）或100kHz一400kHZ（美国），所以在采用扩频技术后可获得较好的抗干扰特性，并在不少领域得到了广泛应用。

1.1.4OFDM调制技术

OFDM的英文全称为OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，中文含义为正交频分复用，这种技术是HPA联盟（HomePlugPowerlineAlliance）工业标准的根底。

OFDM并不是如今开展起来的新技术，OFDM技术的应用己有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。

但是，一个OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。

直到上世纪70年代，人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。

OFDM的根本思想是将可用的频谱分为许多窄带、低数据速率的子载波，为了获得高的频谱效率，子载波的幅频响应相互重叠和正交。

每个子载波可以使用不同的调制方式，比拟常用的有BPSK，QPSK和QMA等。

也就是说，OFDM实际上是将高速的串行数据变成低速并行数据进行传输。

虽然每个子载波的速率并不高，但是所有子信道加起来可以获得很高的数据速率。

1971年，S.B.Weinstein和P.M.Ebert使用DFT实现OFDM的基带调制和解调技术。

他们在OFDM的符号间增加了保护间隔来抑制由多径反射导致的ISI。

1980年，A.Peled和A.Ruiz在保护间隔中引入循环前缀解决了保持正交的问题，从而保证了OFDM克服ICI的问题。

OFDM最大特点是传输速率高、频带利用率高、抵御码间干扰和信道衰减能力强、信道均衡技术简单，由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

1.2电力线载波通信技术的应用状况

1.2.1电力线载波通信技术的国外应用状况

早在1838年，英国人EdwardDavy就用电力线来检查伦敦——利物浦之间处于无人居住区的电表传输系统的供电电池的电压；JosephRoutin和C.E.L.Brown申请了电力线信号电表专利；美国的ChesterThoradson在1905年申请了关于远程抄表系统的专利，但是由于该系统还需要一条附加线路用于信号传输，最后没有得到商业应用。

通过高压电网进行声音信号的CFT（carrierfrequencytransimission）最早开始于20世纪20年代。

分布广阔的电网提供了一条双向通信信道，例如变压站和电厂之间的通信，这对于管理和监控来说是非常重要的，因为在通信的初期阶段网的覆盖范围还不是很广泛，高压电网具有低噪声的特性，加上相对较高的载波频率〔15-500KHz〕，使得高压线传输信号变得很容易，10W的信号功率的通信距离可以到达900Km。

在开始阶段，采用调幅调制方式，只用于传输语音信号，后来实现了遥测和遥控。

在CFT应用于高压电网的同时，RCS（ripplecarriersignaling）应用于中低压电力网。

RCS系统最早应用实例是Simens公司在1930年在德国波茨坦建立的Telenerg工程。

RCS系统最初是为了实现负荷管理功能，与CFT系统不同，RCS只能实现单向数据信号传输。

RCS系统工作在比拟低的频率段〔125~3000Hz〕，正是由于其工作频率很低，所注入的载波信号在中低压电网上的信号衰减很小，并且能够跨越变压器传输。

但是，电力先王的输入阻抗在低频段也比拟小，因此RCS发送器需要更大的信号功率，一般应用范围在10~100KW之间。

在最开始，RCS发送器勇于传输数字信息，常用的调制方式是易于实现的幅移键控〔ASK〕和频移键控〔PSK〕。

由于RCS采用的频率较低、窄带调制方式简单，导致其数据速率较低。

1984年建立的EthernetMELKOTM系统也应用了RCS技术，它采用了更高效的PSK调制，提高了数据传输速率〔可到达50bits/s〕，并能够进行双向数据传输，频带范围为3025~4825Hz，载波信号可以跨越变压器传输，信号功率也相应减小。

该系统主要用于远程抄表和负荷管理。

相应的系统有ABB的DLC-MTM和RMS公司的PowerNetTM。

他们的载波频率范围是10~100KHz，因此，所需的信号传输功率也比MELKOTM小，但需要增加旁路装置才能跨越变压器。

随着集成电路技术的开展，PicoElectronics公司创造了第一款应用于家庭的低价格的电力线通信模块X-10。

X-10模块的载波频率到达120KHz，它在每一次交流电过零时传输一个比特的数据，所以其最大传输速率为60bps（电网频率为60Hz）或50bps〔电网工频为50Hz〕。

目前有大约10家公司在生产与X-10相兼容的用于家庭自动化的控制模块。

针对X-10模块传输速率较低的问题，稍后市场上又出现了能够提供更高数据率、控制功能更强大的电力线载波通信系统，如LonWorks和CEBus。

随着Internet的开展，应用电力线分布网和户内电网的宽带接入技术在上世纪90年代开始兴起。

英国联合电力公司的子公司Norweb通讯公司于1990年开始电力线载波通信的研究，1995年与加拿大北电网络合作共同开发该技术。

1997年这两家公司生成解决了电力线噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，利用新开发的数字电力线载波技术DPL〔DigitalPowerLine〕实现了在低压配电网上进行1Mbps的远程通信。

此后，许多国家的研究机构开展了高速PLCC的研究和开发，如美国的Intellon、Inari公司，以色列的ITRAN、Main.Net公司，韩国的Xeline公司，西班牙的DS2，法国的SPiDCOM等公司开始了高速PLCC专用芯片级应用产品的研究开发，产品包括用于家庭联网及高速接入两大类产品，传输速率从1Mbps到2Mbps、14Mbps、45Mbps直至200Mbps。

目前高速PLCC主要用于家庭、小型办公室联网及高速接入。

在高速PLCC家庭、办公室联网应用中，通过多个高速PLCMODEM组成内部网，并可通过PLCMODEM共享外部ADSL、无线等宽带接入。

随着高速PLCC的快速开展，相关国际组织也越来越多。

当前电力线高速通信的国际组织主要有家庭插电联盟HPA〔HomePlugAlliance）、PLCForm、PALAS、OPERA（OpenPLCEuropeanResearchAlliance〕、UPLC〔UNITEDPOWERLINECOUNCIL）、PUA以及日本的ECHONET等。

所有这些国际组织都有研究机构及厂商共同组成，其中较有影响力的为HPA、PLCForm和OPERA。

HPA致力于创造共同的电力线网络通信技术标准。

HPA现已开展成为有近百家公司组成的联盟，国内的中国电力科学研究院是该组织的成员。

2001年6月，HPA发布了其标准的第一个版本HOMEPLUG1.0Specification，将数据传输速率定位14Mbps，采用OFDM调制解调技术，MAC层协议为CSMA/CA。

HOMEPLUGAVSpecification在2005年4月得到HPA批准，并在9月份发布详细的技术文件，物理层数据速率到达200Mbps，采用TDMA和CSMA接入技术，目前美国Intellon公司开发首款符合该标准的芯片INT6000。

PLCForum与2000年3月23日在瑞士成立。

其包括来自各大洲的成员，该论坛的目标是为所有对PLC感兴趣的制造商、客户、研究人员以及政府及否提供一个平台，促进他们交流和丰富有关PLC的知识。

该论坛的市场目标是提供包括户外接入和户内联网在内的全面PLC解决方案。

PLCForum不制定标准，但致力于将会员的提议提交给该国际标准化组织，并通过努力，使其成为标准。

OPERA是由欧盟出资赞助并有DS2等多个欧洲研究机构及厂商组成的组织，其主要目的是开发下一代用于本地接入的高速PLC技术。

1.2.2电力线载波通信技术的国内应用状况

我国研究PLC技术起步较晚，但开展速度较快。

上世纪五十年代，国内也开始了电力线载波通信技术的研究。

在相当长的时间里，我国的PLC研究根本上应用于电力行业内部，它用来传输电网调度管理所需的远程信息及低速率的语音通信。

近年来，随着数字电子技术的开展，我国传统的PLC技术也开始向数字化方向开展。

在电力部门的支持下，PLC在水表、煤气表、电表三表的远程自动抄表应用已经实用化。

多家公司从事相关的PLC模块和智能仪表的开发和生产，北京智源利和微电子技术和北京福星晓程公司分别推出国产的电力线扩频载波芯片SC1128和PL2000/PL2102/PL3105/PL3200.

中国电力科学研究院于2000年5月在华北电力大学和中国电力科学研究院家属区测试了该公司的E-Magic3000产品，实际测试速率到达1Mbps。

国电通信中心从2001年12月起采用不同的PLC产品和不同的PLC组网方案在北京的一些小区开通了PLC试验网，并接入到中电飞华Internet出口。

截止到2005年5月底，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已经覆盖居民小区500多个，接入楼宇4000栋，开通用户40000余户，目前正以每月开通3000多户的速度推进。

第2章电力线通信信道分析

在过去的几十年中，PLC之所以没有得到飞速开展，其中一个重要原因就是电，力线作为传输媒质有其自身所特有的一些缺点，加之缺乏有效的针对PLC特点的调制方法，造成了PLC长时期的开展缓慢状态。

在22OV/38OV低压电力线上进行信号传输，具有工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大以及时变性大等特点。

电力线上的负载时变性非常强，突发干扰的影响很大，很难给出一个准确的信道模型。

对于低压电力线通信来说，信号衰减十分严重，可以到达1OOdB/Km。

信号衰减有以下特点：

时间不同、信号频率不同、距离不同，衰减幅度也不同。

PLC信道对各种频率信号衰耗的程度是PLC选择载波频率的主要依据。

信号的衰耗主要决定于经由的路径和网络上所连接的负载。

用于调整功率的电容以及各种具有电容特性的电器，对高频载波信号来说相当于短路，造成极大的衰耗；网络中的一些负载对某些频率构成了谐振电路，产生谐振。

当网络上负荷很重时，线路阻抗可到达1欧姆以下，造成载波信号的高衰耗。

总的说来，信号传输距离越远，衰耗越严重，但是由于负载阻抗