电力线载波范文

电力线载波范文（精选11篇）

电力线载波 第1篇

电力线通信 (Power Line Communication) 技术简称PLC, 是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。在低压 (220V) 领域, PLC技术在负荷控制、远程抄表和家居自动化, 家居防范、家用电器控制和多表集中抄送方面, 具有方便、快捷、节省人力物力等得天独厚的优势。目前, 缺少全面的试验测试环境是影响低压电力线载波通信快速发展的最主要原因。因此, 研制低压电力线载波通信负载模拟实验系统, 为广大电力线通信研究者提供了方便快捷的实验平台。

1 低压电力线通信仿真系统原理与性能

由于电力线传输环境很复杂, 存在变化的负载, 不同的电网拓扑结构, 随机的噪声干扰等影响因素。本设计考虑到以上各因素的相对独立性, 提出了模块化的设计思想。即将各影响因素单独的作为一个模块, 分别考虑各模块的变化情况并搭建硬件电路实现。再将各模块注入到净化的模拟电网中, 从而实现对低压电力线载波通信系统的模拟。实验系统结构包括:载波发送模块、净化电源、电网拓扑结构、负载网络、噪声干扰源、耦合器和载波接收模块等设备。基本结构如图1所示。

该系统的工作过程为:

(1) 载波发送模块发送载波信号。

(2) 信号在净化电网环境内传输。

在传输过程中, 根据实验需要, 人为的选择噪声信号 (由噪声发生器产生) , 选择不同电网拓扑结构 (由电力传输线模型实现) , 不同阻抗值的负载, 最后通过载波接收模块来检测载波信号的变化情况。其中, 载波信号频带:100kHz-2MHz;噪声信号频带:10MHz以下;系统额定功率:1kW。

2 负载网络设计与实现

(1) 模拟电网的拓扑结构

低压电力网络的拓扑结构相当复杂, 因此任意两点间的通信效果存在较大差异。由于不同路径的传输特性的差别, 极易造成信号的反射和碰撞。模拟多种拓扑结构, 采取相应措施以实现全网络的任何时间、任何两点的可靠通信[1]。电力网的接线虽然比较复杂, 但它们可分解为若干个简单接线的组合。分解后的简单电力网, 大致单回路放射式、干线式和链式网络、双回路放射式以及环式和两端供电网络。

(2) 模拟接入电力系统的负载

电力线负载的类型繁多, 归纳起来主要有阻性负载、感性负载、容性负载、非线性负载等。在实验所测的频率范围内, 输入阻抗随频率的变化并不符合一般想象中的随频率的增大而减小的变化规律, 甚至与之相反, 阻抗总体上随频率升高而增加, 为了解释这一问题, 可以将电力线看成是一根传输线, 上面连接有各种复杂的负载。这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路, 在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。因而给电路设计带来很大的困难[2,3]。负载值的确定由SPICE模拟仿真与具体实测调整。原则:总功率为1kW;频带30k-1MHz使负载值能典型反应家用电器典型阻抗类型, 使谐振频率点尽量均匀分布在考查频带内。

(3) 负载网络的转换

采用单片机控制继电器实现电力网不同拓扑结构的变换。为提高工业环境下的可靠性工作, 采用微芯公司的PIC16C65单片机, 通过RS232/RS485与上位机进行串行通信[4], 系统扩展1k串行EEPROM作为扩展数据存储器, 并为了控制12个负载的任意阻抗值, 拓扑结构组合, 引用78个继电器, 相应I/O口用3片并行扩展I/O口芯片82C55A实现。软件编程采用精简指令集汇编语言编写, 其基本指令只有31条, 利于软件开发及修改。

具体的工作过程如下:异步通信数据中断接收, 其中一组代码为一至十三个字节, 以0EEH结束, 然后从缓冲区RXBUFF中取出数据, 存入2401, 从2401中取出数据并进行解码后控制继电器动作后, 发动作完毕码0FF给上位机, 上位机发复位码 (0DDH) , 跳入复位。

3 负载模拟实验系统注入方式

净化电源选用测量设备的人工电源网络。人工电源网络有两种基本类型, 对于耦合不对称电压的V型和分别用于耦合对称电压和非对称电压的Δ型。对于每根电源线人工电源网络都配有三个端, 连接设备的电源端, 连接受试设备的设备端和连接测试设备的干扰输出端。人工电源网络的阻抗是指干扰输出端接50Ω负载阻抗时在设备端测得的相对于参考地的阻抗的模。人工电源网络设备的阻抗定义为受试设备呈现的终端阻抗。因此, 当干扰输出端没有与测量接收机相连时, 该输出端应接50Ω负载阻抗。对于其他任意大小的阻抗值, 包括短路或连接在电源和参考地之间的滤波器均起到隔离的作用。这是为了确保在所有测试频率上存在于电源上的无用信号不影响测量, 因此在人工电源网络和电源之间插入附加的射频低通滤波器。本文参考GB/T.6113-1995, 适用于0.15-3.00MHz。允许有±20%的偏差[5]。

4 结束语

低压电力线载波通信的信道特性主要为输入阻抗特性、传输衰减特性和噪声特性, 其最终表现为信号的频率响应。通过对模拟试验系统进行输入阻抗、传输衰减的频率响应测试, 实际通信环境测试数据与模拟实验系统的测试数据相比, 谐振点的频率值非常接近;在指定频率点, 模拟实验系统的衰减特性与实际电力线通信的衰减特性相似, 一般只差5dB。结果表明系统能够较好的反映低压电力线载波信道的基本特性, 为低压电力线载波通信的研究提供一种方便快捷的仿真环境。

参考文献

[1]张志科.电源技术的发展与现状[J].忻州师范学院学报, 2004, 20 (2) :82-84.

[2]刘锐.交流宽带净化电源电路及其它[J].电声技术, 2003 (2) :74-75.

[3]魏永静.电力线扩频载波技术在抄表中的应用[J].自动化与仪器仪表, 2005 (6) :50-51.

[4]程菊花.基于单片机的电力线载波通信系统[J].浙江树人大学学报, 2005, 5 (4) :98.

电力线载波 第2篇

[关键词]电力线载波通信;复用;继电保护

每一项工程都会存在些许缺陷，近几年电力线载波通信不断地发生事故，如果电网发生故障，一点不及时的进行解决，那么电网的运行就会不稳定，从而导致电网瓦解，造成停电事故的发生，这样以来就会带来巨大的经济损失，所以电网是否安全直接影响着国家经济命脉的发展。

一、电力线载波通信的概述

所谓的电力线载波通信就是把输电线路作为一种媒介，从而对传送载波信号的一种电力系统通信。电力线载波通信的载波机在收发信端的时候，通过利用高频电缆与滤波器相结合，然后和耦合电容器进行连接，这样就把电流输送到输电线上了，通过这样，阻波器就可以防止载波电流的流向，从而可以减少分流的损失。

二、继电保护

继电保护对电力系统来说是非常的重要的保护措施，因为如果电力系统出现什么问题，继电保护就会检测出来，而且能够自动的发出警报，把出现故障的部分与好的部分进行分离。下面将从几个方面对继电保护进行阐述。

1、继电保护的基本原理

继电保护可以区分电力系统是否处于一个正常的运行状态，这也是一种特征，而这个特征主要表现在六个方面。第一，对于序分量来说，电力系统在正常运行的时候，负序和零序分量是不会存在的，如果发生什么问题，序分量就会对其进行保护;第二，电流差，它主要是两边的电源线路是否正常运行;第三，可以测量阻抗降低，电力系统在正常运行的时候，Z和负荷阻抗基本上是相等的，而这个数值是比较的大，如果发生故障，它的值就会变小，从而对电力系统进行保护;第四，相位变化，电力系统可分为正常和短路两种情况，正常状态是它的负荷功率的因素角会在20摄氏度左右，而短路则会在60摄氏度到85摄氏度之间;第五，I会增加，电力系统的正常电流和短路电流相比较，如果出现故障，那么电流就会增加，从而对电流进行保护;第六，U会降低，它主要是正常的电压和短路的电压相比较，在电力系统出现故障的时候，电压就会降低，有的时候电压直接降到零，从而对系统进行保护。

2、继电保护的组成

继电保护的组成部分主要是测量部分和逻辑部分以及执行部分三部分组成。原理结构图如下图所示：

原理结构图

3、继电保护的任务

对于电力系统的运行来说，继电保护主要有两个任务，首先是在在发生事故的时候，继电保护要自动并且迅速的切除电力系统运行中的故障，与其它正常的设备进行隔离，并且让没有出现故障的设备能够正常的运行;其次就是能够对于运行状态不正常的电器元件进行反映，在没有工作人员看护的时候，它要发出警报信号，同时要降低负荷或者跳闸。

三、电力通信继电保护的应用和分析

1、保护通道的指标

保护通道的指标主要有三个，即传输时间和可靠性以及安全性。所谓的传输时间就是从一侧倒另一侧保护命令输送所占用的时间，在正常的情况下，传输的时间越短，对于系统来说越好;可靠性就是不小心丢失的信號的概率越低，它的安全性越好，可靠性就越高;安全性就是传输时间越短，可靠性越高，安全性就越好。

2、电力通信网继电保护的模式

随着社会的发展，继电保护也在不断地改进。继电保护通道主要经历了三个阶段，首先，对于模拟的保护通道，可以用模拟的4线通道对于继电保护信号进行传输;其次，在64k的数据接口的前提下，继电保护信号可以用光传输设备进行传输;最后，利用专用通道传输信号。电力系统最常用的模式就是把光传输和复用电力线载波相互结合进行运用。由于电力线载波通信自身所具备的优势，其对于信号传输来说，非常的重要。

3、电力线载波复用继电保护重要指标的分析

3.1电力线载波通道衰减的计算 对于电力线载波通道来说，它的衰减主要有线路衰减和耦合损失以及桥路损失。对于电力线载波通道的总衰减来说，它的计算公式是：总衰减=线路衰减+7倍的通道中高频桥路数+3.5倍的载波机和无阻波器支线的和+0.9倍的载波机和阻波器分支的和+A倍的高频电缆的衰减+A倍的终端衰减;线路衰减=衰减系数*线路长度+2倍的模式转换损失+耦合电路、换位等的损失。

3.2传输时间的测量 它是一个综合性能指标，在设备工作时，要对其进行测试，还要作好记录，为以后的保护通道的指标进行衡量，在测试的时候，测量到的数据与原数据如果存在差异，那么在波高频道就存在异常。

3.3展宽时间的测量 当系统线路出现故障的时候，就会启动闭锁是保护，它的投入使用以后，就会暂时的停止本线路的闭锁保护，当出现故障的时候，系统的状态、线路就会发生变化，这个时候就要暂停封锁信号。所以，时间展宽就可以不必进行。

四、某地区光纤自愈网传输继电保护信号应用案例

在两个站点间使用相同的电缆不同的光纤的方式，使用一加一的线性复用的方式进行保护，在11、1槽位配置光群路板。对于其通道测试，是为了保证通信传输系统要符合继电保护工作的要求，对运行的参数进行测试，这个测试主要从五个方面进行，第一，误码特性测试，它是对于传输网的业务是不是稳定进行测试;第二，抖动测试，它主要是在最短的时间里，对于数字脉冲信号的理想位置的偏离进行测试;第三，平均发送光功率测试;第四，光接收灵敏度测试，接收到的光功率如果降低，那么系统的误码率就会升高，接受光灵敏度一般情况下，被定义在误码率是10-10的条件下，接收机所接收的功率。第五，传输时延测试，它主要是传输系统如果出现故障，切换保护路所用的时间就会延长。

结束语

电网运行是否稳定，继电保护是其关键，如果继电保护工作出现误差，那么，电网的运行将会受到很大的威胁，所以说，继电保护技术对于电网来说，是必不可少的。随着科技的发展，需求的变化，电网的结构变得越来越复杂，所以，为了保护电网的运行，机电保护技术也在不断地改进，这样以来，对保护通道的要求就变得越来越严格了，所以，我们就要不断地研究，为电网的稳定提共更好的技术。

参考文献

[1]张剑飞.电力系统继电保护技术的发展[J].电源技术应用，2012（12）.

[2]张健康.电力系统继电保护技术的现状及发展趋势[J].装备制造技术，2011（2）.

个人简介

对电力线载波通信的探讨 第3篇

关键词：电力载波通信,背景,意义

1、电力线载波通信概述及研究背景

电力线载波通信 (Power Line Communication) 是指利用现有电力线, 通过载波方式将模拟或数字信号进行传输的技术。它最大特点是不需要重新架设网络, 只要有电线, 就能进行数据传递。

通信按其连接方式分为有线通信和无线通信。随着科技的发展, 近年来在信息通信领域中, 发展最快、应用最广的就是无线通信技术, 然而有线通信以其受干扰较小, 可靠性, 保密性强的优点无法完全被无线通信取代。有线通信最大的缺点就是布线繁琐、建设费用大。随着社会的发展, 地球上已经架设了各种各样的有线通信网络, 如电话线网络、有线电视网络、电力线网络等。但是它们的共同特点就是每种有线网络只传输一种特点信号, 造成了有线网络通信的浪费。因此, 能否充分利用资源在现有有线网络中实现不同种信号的传输是人们关注的问题。有线电视上网技术的发展给了我们一种启示, Cable Modem电缆调制解调器 (简称CM) 主要用于有线电视网进行数据传输。它是x DSL技术最大的竞争对手, 广电部门在有线电视网上开发的宽带接入技术已经成熟并进入市场。C a b l e Modem与以往的Modem在原理上都是将数据进行调制后在Cable (电缆) 的一个频率范围内传输, 接收时进行解调, 传输机理与普通Modem相同, 不同之处在于它是通过有线电视网的某个传输频带进行调制解调的。另外, ADSL上网技术也是在现有的电话线中实现了数字信号的传输, 使用户能将电脑通过电话线与Internet连接。这些都是在充分利用现有线网络资源下进行的多种通信方式的体现。

2、发展电力线载波通信的意义

目前, 世界上最大的有线网络是电力线网络, 电力线已经延伸到了世界的每一个角落。因此, 利用电力线作为信息传送信道具有其它信道所无法比拟的优越性。电力载波通信有以下优点: (1) 充分有效的利用电力线这个传输媒介, 有效的进行资源整合, 达到综合利用资源的目的; (2) 利用电力线通信可以减少繁琐的布线环节, 特别是在对智能小区, 家电自能化控制, 楼宇防盗防火报警等方面的应用上尤其独特的优越性, 可以实现即插即用, 永远在线的目的。

3、低压电力线信道传输特性分析

低压电力线不同于高压电力线, 通信频道的状况特别复杂。低压电力线载波通信无论采用何种编码进行数据通讯, 其载波中心频率的选择和耦合电路的质量决定了通信质量的优劣, 并且低压电力线信道的特性参数直接影响着电力载波信号的传输质量。低压电力线支线上每一个工作负载的接入也直接影响着输入输出阻抗的匹配, 对信号传输功率有很大的影响。信道中的干扰噪声对数据信号传输的可靠性、实时性也有很大的影响。因此要设计出可靠的、高效的低压电力载波通信终端非常重要。

4、影响低压电力线载波通信质量的解决方案

对于低压电力线阻抗的不定性和线路对传输信号的衰减方面, 主要影响通信信号在线路中的传输功率, 要使载波终端获得稳定的传输功率, 首先必须要设计可靠的功率放大电路;其次当线路阻抗的变化影响到数据传输功率时, 可以通过设计自动增益调节电路来稳定传输信号的输出功率, 从而减小阻抗和信号衰减等方面给通信质量带来的影响。

针对线路干扰和衰减方面的影响, 通过设计过零检测电路, 在50Hz工频电力信号过零点时传输数据, 可以有效减少线路的干扰, 提高数据传输的准确性。其次设计可靠的带通滤波器, 阻止带宽以外的干扰频率通过载波终端。

设计由瞬态抑制二极管构成的采用星形连接方式的载波终端保护电路, 使载波终端免受电力线路瞬间高压冲击, 同时起到滤除线路尖端脉冲干扰信号 (包括共模信号和差模信号) 的作用。

5、低压电力载波通信技术参数

低压电力线载波通信, 由于受到电力线信道上的阻抗、干扰、衰减等情况的影响要设计出理想的通信终端, 满足特定环境 (楼宇、小区) 的信息交换, 其技术方案的优劣直接影响到电力载波终端的技术水平和实用性。一个合理的解决方案必须要充分地考虑以下问题:

(1) 工作频段:BSEN50065标准是全球唯一的针对性的标准, 这一标准仍在全世界范围内在低压电力线上的任何方式载波严格地遵循, 此标准对在低压电力线上的载波信号的频段、频带和电平等做出了具体的规定。

(2) 传输速率:在性价比合适的前提下, 不宜追求很高的传输速率, 通常速率应在2400bps以下。对实际使用来讲, 从300bps~2400bps都是可行。

(3) 通信方式:数据在两点之间传输, 按照信号的流向可分为三种传输模式, 即单工 (数据传输是单向的) 、半双工 (使用同一根传输线, 既可以发送数据又可以接收数据, 但不能同时进行发送和接收) 、双工 (数据通信允许数据同时在两个方向上传输) 。

(4) 调制解调方法:目前调制方式分窄带技术和扩频技术。扩频技术是利用整个信道带宽来换取高速率的数据传输或以低速率实现远距离通信。而窄带技术只占用极少的信道资源实现通信, 而不会影响其他频点的通信。在通信网络或环境状态良好、有充足的频率带宽的条件下, 扩频技术比窄带技术性能好。然而, 如果通信环境恶劣或频率带宽受限, 则扩频技术的性能表现将不如窄带技术。另外从技术实现的难易程度综合考虑, 本文采用的是窄带调制技术。

参考文献

[1]汤效军.电力线载波通信技术的发展及特点[J].电力系统通信, 2003, (1) :47-51.

电力线载波 第4篇

摘要：依靠低压电力载波通信技术，发展起来的集中抄表应用系统，能实现台区电费的远距离集中抄录，监控对台区总电量、线损的统计、计算，有效缓解了抄收电费工作量大的问题。但只采用远程抄表的台区仍然需要抄表员给用户送电费单，并进行人工催费，仍然无法满足供电局在“电费核收”环节减员增效、提高管理水平的客观要求。

关键词：低压电力载波通信技术 集中抄表应用系统 远程抄表

依靠低压电力载波通信技术，发展起来的集中抄表应用系统，能实现台区电费的远距离集中抄录，监控对台区总电量、线损的统计、计算，有效缓解了抄收电费工作量大的问题。但只采用远程抄表的台区仍然需要抄表员给用户送电费单，并进行人工催费，仍然无法满足供电局在“电费核收”环节减员增效、提高管理水平的客观要求。

依靠智能IC卡技术，发展起来的预付费电力管理系统，能实现先交费，后用电的管理模式。解决了电费收缴难的问题，但无法实施有效的用电管理及监控，如电费核算周期内的线损计算、电量汇总等功能，不能实现“抄”“核”环节的自动化。

预付费低压电力载波集中抄表系统有机的将上述两种技术结合在一起，运用低压载波通信技术、智能（CPU）IC卡技术、国际通行的3DES加密及密码管理技术、数据库管理技术、有线/无线通信网络技术,综合上述两种应用系统的优势，在实现预付费电力管理的同时，使系统仍然具备远距集中抄表，监控的功能。为供电企业全面实现“抄”“核”“收”自动化，提高运营效率，规避电费风险，提供了更加可靠的技术支持。

系统组成

CHZ151-3Dj 多费率载波抄表集中器、DDSD411型单相电子式多功能电能表、中央管理计算机和IC卡多功能电能表管理软件、智能（CPU）IC卡、手抄机

系统各组成部分简介

2.1 CHZ151-3Dj集中器

CHZ151-3Dj 多费率载波抄表集中器作为预付费低压电力载波集中抄表系统的中心环节，通过有线/无线通信网络连接管理系统计算机，通过低压电力线连接电能表。负责抄表过程的控制以及抄表数据的接收、存贮与转发。CHZ151-3Dj 多费率载波抄表集中器与中央管理系统计算机的管理软件通信有多种方式：RS232方式、内置/外置MODEM方式、RS485方式、PDA红外通信方式、GSM和GPRS通信方式。CHZ151-3Dj 多费率载波抄表集中器与下位多个电表控制模块的通信通过电力载波通信方式对管理的电能表进行实时抄表、冻结抄表、通/断电操作。可广泛用于城乡居民小区和企、事业单位的用电管理。

2.2 DDSD411型单相电子式多功能电能表

DDSD411型单相电子式多功能电能表作为预付费低压电力载波集中抄表系统的终端设备，是采集、管理用户用电数据信息的主要设备。该表主控CPU采用专为自动抄表及远程监控系统而设计的单片微处理器（单芯片解决方案）；电能计量采用ADE7755计量芯片；显示器采用专门定制的汉字LED/LCD。具有集成度高、安全性高，计量精度高，功耗小，通信接口丰富，显示清晰且信息量大等特点。

该电能表按照生产使用过程，及所含信息的不同，依次经历如下过程:

·裸表态（即生产出来不含任何信息的电表）

·原始态（即裸表态电表输入了必要电表参数，且启动安全机制的电表）

·发行态（即原始态电表导入了系统管理信息和系统安全信息的电表）

·运行态（即发行态电表导入了用户个人信息和安全信息的电表）

并可通过IC卡进行表态转换。

该表通过电力线载波接口与集中器通信，接受来自集中器的指令，并依据指令要求上传计量数据、用户管理信息及本用户表的状态信息。实现低压电力载波集中抄表功能和实时监测功能。

该表通过IC卡接口，接受来自系统管理计算机的设置信息，用户数据，并依据系统设置进行计量，同时反馈本表的计量信息，用户管理信息和状态信息。实现多种计费方式的预付费功能。

该表还具有多种扩展接口及告警、欠费断电功能，以方便管理部门对用户用电状况的稽查、管理和服务。

该表性能指标符合DL/T614-1997、GB/T 17215-2002（IEC61036）、GB/T 15284-2002的要求；IC卡性能符合GB/T 18460-2002标准要求；载波性能指标符合电力行业标准DL/T 698-1999，红外通信协议符合行业标准DL/T 645-1997。该表具有安全可靠、计量精度高、LCD或LED显示、安装方便等诸多特点，特别适用于居民用户和工业用户的电能计量及控制。

2.3 IC卡多功能电能表管理软件

IC卡多功能电能表管理软件，是专为预付费低压电力载波集中抄表系统设计的配套软件。该软件集电能表档案管理、数据采集、数据管理和异常分析及IC卡售电管理为一体。为用户提供了较为完善的人机界面。

根据软件功能方案的要求，系统划分为以下5个部分

·基本信息管理部分：录入基本数据信息,建立数据库，为具体操作做准备；

·IC卡管理部分：在操作权限的控制下，制备各种功能IC卡，进行预付费管理操作；

·载波管理部分：在操作权限的控制下，完成设置集中器、载波集中抄表、数据管理等操作；

·数据维护部分：在操作权限的控制下，可以对数据库数据进行数据计算和相应的打印、浏览等操作；

·系统管理部分：可以对数据库进行修复、压缩、备份等操作。

2.4 智能（CPU）IC卡

CPU智能IC卡保密性能好，安全系数高。在系统中主要作为电能表的各项参数设置，预付费电量（金额）的传递来使用。其中IC卡操作系统和其支持的国际通行3DES加密算法，负责IC卡信息的存储、传递安全。负责根据预先设定的安全机制，对操作者的身份进行验证并对其操作权限进行控制，以及数据的加解密传递。

预付费低压电力载波集中抄表系统中共有6种功能卡：系统设置卡，清零卡，补电卡，换表卡，检查卡，用户卡。

系统中IC卡电能表和IC卡的运作关系见图2。

2.5 手抄机

手抄机在系统中主要作为电能表的各项参数设置，及人工抄收集中器或电能表的一种补充手段。主要通过红外接口进行工作。预付费低压电力载波集中抄表系统五大特点

3.1 载波通信技术与智能IC卡技术的有机结合

依靠低压电力载波通信技术，发展起来的集中抄表应用系统，能实现台区电费的远距离集中抄录，监控对台区总电量、线损的统计、计算。有效缓解了抄收电费工作量大的问题。但只采用远程抄表的台区仍然需要抄表员给用户送电费单，并进行人工催费。仍然无法满足供电局在电费核收环节减员增效、提高管理水平的客观要求。

依靠智能IC卡技术，发展起来的预付费电力管理系统，能实现先交费，后用电的管理模式。解决了电费收缴难的问题。但无法实施有效的用电管理及监控，如电费核算周期内的线损计算、电量汇总等功能，不能实现“抄”“核”环节的自动化。

预付费低压电力载波集中抄表系统有机的将上述两种技术结合在一起，综合上述两种应用系统的优势，在实现预付费电力管理的同时，使系统仍然具备远距离集中抄表，监控的功能。为供电企业的“抄”“核”“收” 全面自动化，提供了更加可靠的技术支持。

3.2 丰富的工作方式

预付费低压电力载波集中抄表系统中，DDSD411型单相电子式多功能电能表通过电能表工作方式字的设置，完成工作方式控制及转换设计。

该系统由于兼IC卡预付费和载波抄表管理于一体，而且又兼容单费率和多费率于一身。在实际应用中，可以有多种方式可以选择，概括起来主要有以下几种配置方案：

·第一种：单费率IC卡预付费载波系统

·第二种：多费率IC卡预付费载波系统

·第三种：IC卡预付费单费率系统

·第四种：IC卡预付费多费率系统

·第五种：单费率载波系统

·第六种：多费率载波系统

工作方式的转换，只需通过IC卡多功能电能表管理软件制作出相应设置的系统设置卡，将系统设置卡对目标电能表作插卡设置即可完成。省去以往更换电能表的方式，使台区改制和升级变得方便可行，并且可方便的在同一台区内通过设置其电能表的工作方式管理不同的用户。为供电企业管理复杂台区提供了切实可行的解决方案。

3.3 完善的安全措施

对于各种供电管理系统，安全问题一直是系统能否投入使用的重要标志。在预付费低压电力载波集中抄表系统的研制中，通过对国内多种厂家IC卡系统的分析，并模拟了各种可能的攻击，采取了一系列有效的措施。确保系统安全。表1为各安全措施保障的对象和其作用一览表。

该IC卡安全系统符合：《中国金融集成电路（IC）卡规范》及《全国银行IC卡密钥管理规则（暂行）》，为本系统与银行联网，实现一卡通奠定了坚实的基础。

3.4 高度的系统集成

在预付费低压电力载波集中抄表系统的研制中，采用了许多大规模，超大规模集成电路。如：带载波接口，红外接口，RS485接口，显示驱动接口及系统时钟日历的微处理器，带高精度A/D转换，电压/频率转换的ADE7755计量芯片等。这些集成电路的运用，为供电企业提供了有很高性价比的优质产品。具备多种通断电方式：载波电能表状态时，可进行远程通断电控制；IC卡预付费电能表状态时，电量用尽后，继电器自动断电。

3.5 先进的系统升级手段

在预付费低压电力载波集中抄表系统的研制中,项目组在提高产品现有性能的同时，也着眼于未来，选择了具有在线编程能力的微处理器。即当推出新版本时，可在不拆卸电能表的情况下，现场升级系统中应用软件。

应用情况

西安供电局临潼供电分局自2003年底开始参与预付费低压电力载波集中抄表系统的研制，并于2004年开始正式使用。经过近两年的运行，预付费集抄表计运行正常，电能表实抄率达到了100%。后台抄收管理软件运行情况良好，不仅可实时观测客户的电量、电费数据，还可对每户电压、电流、功率进行实时监控。

预付费集抄技术的综合管理系统的推广使用，对于改善电力营销管理的意义是十分重要的，其带来的社会效益和经济效益也是十分显著的。归纳起来，主要有以下几点。

降低了电力系统的管理成本。改变了落后、陈旧的人工抄表计费模式，实现了抄表方式的技术革命，降低了抄表、催费的人力投入，为供电系统减员增效，降低管理成本创造了有利条件。该系统项目实施后，仅通过节省人力及降损两方面分析，临潼供电分局每年可增加直接经济效益20万元以上，而实际上该系统所带来的隐含的、间接的经济效益则远高于此。

安全性和工作效率。采用该系统后，抄表人员可以做到足不出户就可读取实时电能表的数据，极大的提高劳动生产率，同时减少了抄表人员登杆作业的危险性，因而方便、快捷、安全。

避免了人工抄表、收费的弊端。原始的手工抄表和收费，以及一些管理上的漏洞，用电管理中存在“关系电、权力电、人情电”现象，线路高损、抄表差错、客户欠费不仅使供电企业蒙受损失，也给用电客户带来了不必要的麻烦。该系统的实施，增加了用电透明度，最大限度降低了电费回收风险，也使客户用上了“放心电、满意电”。

为科学地发展用电负荷提供帮助。通过本集抄系统的三相负荷平衡分析，营业所管理人员可以很直观地查阅到各台区三相负荷分布情况。在发展新装负荷时，就可以作到有的放矢，避免了由于盲目发展负荷、单项负荷过重所造成的线路损耗。

丰富了农电配网的运行管理手段。本系统的运行实施使农村低压配网的运行管理产生了革命性的变化。不仅改变了旧有的必须依赖线路运行维护人员眼勤、手勤、腿勤的“三勤”维护方式，也给开展完全数字化、精确化的三率管理，合理调配电能资源，科学地进行运行管理奠定了坚实的基础。

电力载波通信（PLC）技术的探讨 第5篇

【关键词】电网；调度业务；电力载波通信；PLC；通信方式

【中图分类号】TN914

【文献标识码】A

【文章编号】1672—5158（2012）10-0098-01

1　引言

电力通信网对通信的可靠性保护控制信息传送的快速性和准确性具有极高的要求。电力载波通信（PLC）一直是电力通信的主要通信方式，它是利用电力线作为介质传输信号的一种通信手段。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。高速电力线通信采用单载波类、正交频分复用（OFDM）和扩展频谱类（主要应用CDMA）三类调制技术。下面主要对OFDM与CDMA做比较，并得出结合二者的MC-CDMA技术。

2　正交频分复用（OFDM）在PLC中的应用

正交频分复用（Orthogonal　Frequency　Division　Multiplexing，OFDM）技术由于其低成本、性能高，依然是现今广泛使用的一种调制方式，应用在电力线载波通信上，使电力线上的高速数据通信成为可能。如何根据电力线介质高频段采用合适的调制技术及相应的编码、均衡、同步及自适应技术在合适的频带上实现告诉电力线通信是非常重要的。OFDM利用IDFT（离散傅里叶逆变换）和DFT（离散傅里叶变换）或者WFT和FFT基带调制实现正交频分复用发送与接收，可以方便地使用数字信号处理器来时实现，采用保护间隔和循环缀来抗多径，从而有效地降低ISI（码间干扰）和ICI（信道间干扰）。OFDM将高速行数据流转化为低速并行数据流，再将这些并行数据调制在相互正交的子载波上，实现并行数据传输。虽然每个子载波的信号传输速率并不高，但是所有字信道合在一起可以获得很高的传输速率。OFDM系统可以通过使用不同数量的子信道实现上下行链路中不同传输速率，最大限度地利用频谱资源，可与多种接入方法结合使用，构成OFDMA系统，其中调频OFDM、多载波码分多址MC-CDMA、OFDM-TDMA等，使得多个用户可以同事利用OFDM技术进行信息的传输。但OFDM与单载波系统相比，频率偏差容易对其产生影响，存在较高的峰值平均功率比。

3　扩频通信（CDMA为主）在PLC中应用

CDMLA为除了OFMA技术的另外一种宽带电力线通信的实现方法。传输速率一定的条件下，增加频带宽度可降低传输信号的噪声比，可增加系统的抗干扰能力。在PLC中，chirp扩频稍有应用，但主要还是CDMA技术，原理为伪随机码在发端进行扩频，在收端用想相同的码序列进行解扩，再将展宽的扩频信号还原成原始信息。CDMA保密性好，具有多址能力，易于实现码分多址，有抗衰落、抗多径干扰的能力。应用直接序列码分多址（DS-CDMA）技术，对各种频率选择性干扰、白噪声以及窄带干扰等都有较好的抑制能力。基于PN码及正交可变扩展系数（OVSF），各数据流经窜并转换为平行的子数据流，再乘上各自独立的OVSF码实现子数据流相互之间的正交化，然后所有子通道数据流叠加到一起并插入一个PN码用于保护它们免受多径干扰及其它用户的可能影响，接着调制后通过传输通道发送出去。两种编码的结合，有助于获得好的正交特性，可降低多址接入的影响。最后分离多径接收端对多径信号进行相关解调。

4　MC-CDMA技术在PLC中的应用

4.1　OFDM与CDMA比较

选择OFDM或CDMA，一般从系统容量、支持高速率多媒体服务、抗多径信道干扰、频谱利用率等因素考虑。

4.1.1　峰均功率比（PAPR）

PAPR过高会使得发送端对功率放大器的线性要求很高，这就意味着要提供额外功率和扩大设备的尺寸，进而增加设备的成本。OFDM对非线性非常敏感，还需结合其他技术来降低PAPR。而CDMA系统自身就有很多技术可降低PAPR。

4.1.2　调制技术

OFDM系统无论上下行链路都易于同时容纳多种混合调制方式，每条链路都可以独立调制，增加系统的灵活性。信道好的情况下，终端可采用较高阶的如64QAM调制以获得最大频谱效率，信道条件变差时可以选择QPSK（四相移相键控）调制等低阶调制来确保信噪比。这样，系统就可以在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。若信道问的干扰限制某条特定链路的调制方式，亦能通过无线资源管理和网络频率规划等手段来解决。CDMA上行线路不支持多种调制，下行线路虽支持，但规定符号调制方式需相同，而且在非正交的链路中，采用低阶调制的用户将受高阶调制用户的噪声干扰。误码率和频谱效率之间获得最佳平衡是判断一个通信系统优良的重要标准。

4.1.3　抗窄带干扰能力

OFDM与CDMA中窄带干扰都只影响其频段的小部分，自身技术均能解决。

4.1.4　抗多径干扰能力

多径传播效应造成接收信号相互重叠，产生信号波形问的相互干扰，使接收端判断错误。这会严重地影响信号传输的质量。OFDM通过窜并变换待发送的信息码，降低速率，以增大码元周期来削弱多径干扰的影响。同时使用循环前缀（CP）作作为保护间隔，大减少甚至消除了码问干扰，但CP越长，能量损失越大。CDMA接收机采用RAKE分集接收技术，使多路信号能量区分和绑定。但当路径条数达到一定值，信道估计精确度将降低，RAKE的接受性能将快速下降。

4.2　MC-CDMA技术

为使PLC得到更好的性能，研究发现，多载波码分多址（MC-CDMA）能把OFDM和CDMA技术结合起来。多载波CDMA方案可分为时域扩频和频域扩频，二者分别用给定的扩频序列对串并变换后的数据流与原始数据流作处理。频域扩频用扩频序列中对应的每个码片将数据调制到不同的子载波上，MC-CDMA技术正是这种方式实现的。MC-CDMA的每个数据符号的扩频在频域中完成，接收机在频域上能充分聚集信号的能量，从而做出最佳判决，具有最佳的频谱分布，抗干扰能力强，而且，频域内有一定的自由度，每个用户的处理增益可随通信网络的要求进行及时修正，同时接收端的解扩合并技术和OFDM的频域均衡技术结合，实现的复杂度较低，这些优点使得我们更倾向于选择MC-CDMA技术作为电力线载波中的应用技术。可以把MC-CDMA看作一种OFDM技术，只是在形成OFDM信号前，先将用户的信息和扩频码矩阵相乘。MC-CDMA方案保留了OFDM和CDMA各自的特点。

5　结论

电力载波通信技术是电力系统的基础建设，是确保电网安全、优质、经济运行，实现调度自动化和管理现代化的重要方式之一。电力载波通信技术的运用及发展，将充分受益于我国智能电网的建设。

参考文献

[1]叶青.电力线载波通信技术在电能表上的应用[J].科技信息，2011，（16）

[2]高宇.低压电力线载波通信系统及抗干扰问题的研究[D].广东工业大学，2004

电力线载波智能收费用户系统 第6篇

随着我国智能化水平越来越高, IC卡电表、IC卡水表、IC卡煤气表及三表出户计量收费管理系统在许多小区得到广泛的应用, 但是由于各自公司不同的软硬件相互不兼容, 为此消耗大量的人力和物力。我们设计的智能仪表集电、水、气的测量于一身, 并通过电力线载波把数据传给终端, 极大地减少了人力, 提高了效率, 有利于加强管理。

1 系统硬件设计

本设计系统的结构框图如图1所示, 系统核心由PIC16C57单片机和PL2000载波扩频芯片构成;显示模块由LCM101 10位8位段带小数点液晶显示模块构成;供电电源模块由PBT变压器和LM317、ER14505锂电池构成;由加装了舌簧管的远传水表、远传煤气表、单相电子式电度表和中断查询电路构成前向通道;由电力线作为信息传递的媒介。

图1中电力线的一端是管理中心的主机, 一端通过PL2000载波扩频芯片与单片机相连并实现两者间数据的双向传输。管理中心将购费金额等信息传入单片机, 固态存贮器中的耗能数据及仪表工作状态传到管理中心, 单片机根据处理后的数据情况向限电、限气装置发出开或关的指令, 耗电、燃气、用水量通过各自的远传仪表上的传感器采集到单片机, 处理后保存在固态存贮器中。

1.1 显示模块

显示模块采用LCM101, 该芯片为10位多功能8段液晶显示模块, 内置显示RAM并包含看门狗 (WDT) /时钟发生器及2种频率的蜂鸣器驱动电路, 可显示任意字段笔划, 具有3～4线串行接口, 可与任意单片机、IC接口。

1.2 单片机模块

PIC16C57芯片外形图及芯片引脚图如图2所示;PL2000载波扩频芯片如图3所示。

PIC单片机总线结构采取数据线 (8位) 和指令线 (12位) 独立分离的哈佛结构, 这样可使单片机的指令速度得到提高。如图4所示。

当一条指令在ALU中执行时, 下一条指令已经被取出放到指令寄存器中等待执行。算术逻辑单元ALU和工作寄存器承担算术逻辑操作任务。在PIC单片机中具有保密位。保密熔丝可在程序读写时选择将其熔断, 则程序不能被读出拷贝。PIC16C5X系列引脚功能描述如表1所示。

1.3 PL2000电力线载波扩频通信芯片

PL2000是用于电力线扩频载波通信的专用大规模集成电路, 是针对中国电力网恶劣的环境所特别研制开发的低压载波通信芯片。由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术, 并采用数字/模拟混合0.35μm CMOS工艺制作, 所以在抗干扰及抗衰落性能等方面有着出众的表现。PL2000的引脚图如图5所示。

2 系统软件设计

用户系统软件设计采用模块化结构, 主要有以下功能:初始化子程序、信号采集子程序、信号处理子程序、显示子程序、延时子程序、自检子程序。系统接受下位机传送来的数据和信号, 输入用户地址可以进行单用户抄表和结算, 可以实现不定时采集和定时采集;可以实现多种方式的查询, 如按用户进行查询;对于欠费用户可以进行送断电控制等功能。系统主程序框图如图6所示。

用户系统除了硬件设计外, 主要任务就是设计用户系统软件即用户终端单片机程序, 该单片机程序主要完成电量的累加与存储、PL2000电力线扩频载波芯片的收/发状态控制、串行口通讯、电量电费的显示及断电控制等。为使数据传送可靠, 需进行多次数据传送。

(1) 初始化程序完成水、电、气和三表控制器的用户地址号、脉冲当量数、表初值;清数据缓冲区, 标志单元;关显示、设置磁保持继电器为接通状态准备供电, 设置磁保持阀为开通状态, 准备供气。

(2) 串行口通讯的发送和接收的数据都是10位数据, 如下面格式所示, 包括1个起始位、8位数据位和1位停止位。

确定所接受到的数据是取数报文还是送数报文, 可以通过所接收地址帧数据的可编程位状态来判断。如果从主机接收到的是取数报文, 则将用户地址号、用户数据传送给主机;若收到主机的送数报文, 则将数据送入相应存储单元, 并执行相应的操作。送数据报文分A类型和B类型2种。

A类型报文所送内容为用户用电数据 (2个字节) 和相应的电费 (2个字节) 。若采用预付费制度, 则所送内容为用户已用电数据 (2个字节) 和预付费剩余金额。其格式如下:

B类型报文所送内容其中一个字节为电表参数, 另一个字节为用电控制信号。若用电控制信号内容为AB, 则切断向用户供电的通道。若用电控制信号内容为其他值, 则正常向用户供电。其格式如下:

(3) 显示程序。显示程序是人机交互的主要窗口, 用来显示用户的用电量以及剩余金额等信息。

3 结语

本系统利用电力线载波扩频芯片实现电力线载波集中抄表。电力线载波扩频芯片应用扩频载波通信技术, 扩频通信技术即扩频谱通信技术, 在发送端使用伪随机码作为扩频码, 通过调制后扩展为宽频带信号再传输, 接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理, 恢复原始信息数据。

参考文献

[1]李林.电力线载波通信的现状、特点和发展.电力系统通信, 1998

[2]刘国忠, 梁福平.智能化抄表系统.电网技术, 1999

[3]金福根.民用电度表集中远程抄表系统规划设计.电测与仪表, 2000

电力线载波通信信道建模技术综述 第7篇

电力线载波通信是以电力线为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种通信方式[1]。电力线遍及千家万户,其作为通信媒介具有应用的广泛性和经济性。人们对于电力载波通信技术的研究历史悠久,早在20世纪20年代就开始将其应用于10 k V配电网线路的通信中。随着人们对各种通信需求的不断上升和相关技术的快速发展,电力载波通信日益成为国内外相关人员研究的热点。近十年来,在权威期刊和国际会议上,有大量基于电力载波通信技术的自动抄表系统[2,3]和家居自动化系统[4,5]等实际应用研究方面文章的出现。电力载波通信为在已加载工频电力信号的通路上传输高速数据信息,因而具有工作环境恶劣、干扰严重、时变性大等特点[6]。同时信号很容易产生反射、驻波、谐振等现象,使信号的衰减特性极其复杂,造成电力载波通信信道具有很强的频率选择性。因此如何精确地建立有效的电力载波通信信道传输模型,进而根据频率选择特性确定最佳信号传输频率,对于电力载波通信技术的发展和应用支持具有重大理论意义和实用价值。

本文首先简要介绍了电力线信号传输的基本理论,然后对国内外近年来的电力载波通信信道建模最新研究成果进行了综述,介绍了各类建模方法的发展历程,对各种建模方法的核心思想进行详细分析,指出了各种方法的优缺点和适用范围。最后提出了一种基于图论法的电力线载波信道建模方法,为在智能电网中压网络中应用电力线载波通信的相关研究工作提供了有益的参考。

1 电力线信号传输基本理论

考虑电力线上电阻、电感、线间电容电导的存在,不同位置处的电压、电流也不等。高频电流沿着传输线传播时,可以用电报方程式来描述[7],即可以用线路始端或末端的电流和电压来确定导线上任一点处的电流和电压。

用传输常数γ和特性阻抗Zc确定线路任一点的电流和电压方程如式(1)。

式中:U0和I0分别为线路首端的电压和电流;x为该点距线路首端的长度;γ和Zc分别为线路传输常数和特性阻抗,它们与线路单位长度电阻R0,电感L0,线间电导G0和电容C0的关系如式(2)所示。

式中:α为衰减常数;β为相移常数。如何简单有效地等效出衰减系数α是信道建模算法的关键。

2 信道建模研究方法分析

决定信道建模可靠性和准确性的两个重要因素是模型参数和建模算法。按照模型参数的获取方法,建模方法可分为自顶向下法和自底向上法。自顶向下法又分为两类。一类是将电力线信道看成一个整体,通过各种参数拟合算法得到所需的各种参数[6,8,9,10,11,12]。另一类是将传输线系统看作一二端口网络,通过求解传输矩阵来建立信道模型[13,14,15]。

与上述方法相对应的自底向上法,基本思想是按照网络的实际接线,考虑阻抗不匹配点的反射和衰减来建立信道模型[16,17,18,19,20,21]。

2.1 信道建模技术中的自顶向下法

最早采用此方法并进行仿真验证的是1999年Holger Philipps提出的电力线多径传输模型。其在文献[8]中指出由于信号在阻抗不匹配点会产生反射,因此从信号发射点到达信号接收点间的波不止一条通路,其由多条路径重叠而成,因此电力线传输信道可以用多径传输模型来建模。信号在经过不同通路的时间和衰减各不相同,每个可能的路径用带有延时τ和复因子ρ的形式表示。

基于多径传输模型的信道传递函数表达式为

经过傅里叶变换得到频域表达式为

Holger Philipps信道模型利用进化策略算法进行参数拟合,分别得到N(N从3取到10)段线模型的参数ρi,φi和τi。再利用最小均方误差和最大相关系数原则进行比较,其得到的8段线模型与实际情况最相近。

文献[6]在此模型基础上进行了简化,忽略信号传输过程中的相移特性,得到的传输函数为

其中:参数ci和τi为路径i的衰减系数和时延;N为路径数,N的选取考虑实际网络的拓扑和反射信号的衰减大小。文中取N=2的二径模型,从而将传递函数进一步简化为式(6)。

由于多径模型简化成二径模型,致使模型仿真结果与实测结果之间的误差不可避免,同时信道传输特性随着通信网络的不同千差万别,因此衰减系数ci和延时τi需根据不同的网络进行实时调整,必要的情况下需要增加路径个数。

上述各种方法参数少,模型简单,但模型参数的计算方法复杂。且该模型衰减系数用一个复因子ρ表示,没有体现信号衰减影响因素的多样性。文献[9]在此基础上对模型进行了改进,指出信号的衰减由两部分组成:在阻抗不匹配点发射时的反射系数g和传播过程中的衰减系数A(f,d)。其传递函数表达式为

其中:c0为光速;εr为介电常数。

该建模忽略了信号传输过程中的相移,而对衰减特性进行了重点分析。gi为第i条路径总的反射和透射系数乘积,记为权重因子,且|gi|≤1;衰减系数A(f,di)由信号传输频率f和第i条路径的长度di决定。信号经过长度为l的传输线,信号就要衰减到原来的e-al。衰减常数α以通过实际测量得到的三个因子α0、α1和k来建模。

其中:gi记为权重因子;为衰减因子;为延时因子。

该方法首先利用最小二乘估计的单通道模型(N=1)来求解衰减系数k,a0,a1,然后通过单峰检测方法的脉冲响应来求出有效路径的长度di和权重gi。作者通过对不同路径模型(即N取值不一样)与实测结果对比发现,一般情况下四径模型基本能反映信道的传输特性。

以上三种方法均将电力线信道看成一个整体,通过各种参数拟合算法得到所需的参数。类似的还有基于改进粒子群优化算法[10]、人工神经网络[11]及遗传算法[12]等各种参数拟合法。由于各种方法的参数拟合算法不同,并且由于PLC信道的时变性和复杂性造成实测结果的差别很大,使得不同研究者得出的最佳路径模型各不相同。因此此类方法没有形成统一的模型。

信道建模技术自顶向下法中另外一种方法是将传输线系统看作二端口网络[13,14,15],通过求解传输矩阵来建立信道模型。由于二端口网络级联时传输矩阵可表示为一系列矩阵的乘积形式,因此能很方便地对网络拓扑发生改变时的传输特性进行分析。

如图1所示,用ABCD四个参数构成的二阶矩阵表示传输函数,则二端口网络首末端电压电流关系式表示为

式中,U1、I1、U2、I2分别为传输线首末端的电压和电流。

由图1可得:信号发送端电压为Us=U1+I1Zs;信号接收端电压为U2=I2ZL。

将Us和U2代入式(10)可求得传输线系统传递函数为

通常情况下,电力线传输系统由多段特性参数不同的线路组成。双端口网络级联时传输矩阵可表示为一系列矩阵的乘积形式。分别求出不同线路的传输矩阵Tf(i),则整个系统的传输矩阵可以表示为

用二端口网络级联模型求解传递函数,参数容易求得,且能很方便地对网络拓扑发生改变时的传输特性进行分析。但若电力网络为环网结构或网格结构时,其传递函数不能通过简单的级联来表示。

2.2 信道建模技术中的自底向上法

与上述方法相对应的是自底向上法。该方法按照网络的实际接线,考虑阻抗不匹配点的反射和衰减来建立信道模型。该方法计算量大,但建模物理概念清晰,便于分析各种影响信道传输特性的因素及其影响规律,且适用性强,对不同的电力拓扑均能快速准确地确定其传递函数。

Stefano Galli等[22]早在2006年考虑实际网络接线,对简单的电力拓扑中波的传输路径进行分类。以图2所示的发送点和接收点阻抗匹配的带分支的两段线电力拓扑为例,从发送点到接收点的所有通路可以分为两类:第一类为信号从X透过A点直接传送到接收端Y;第二类为信号从X透过A点支路AB,并在AB段进行多次往返,最后透过A点传送到接收端Y。传递函数为

而各类路径的长度和折反射系数分别为

其中:LXA、LAB、LAY分别为支路XA、AB、AY的长度;ρA1,ρA2则分别为从发送端X和支路B点的信号传输到A点处的反射系数;ρB为从点A出发的信号传送到B点处的反射系数。

本方法建模物理概念清晰,提供了一种完全不同于参数模拟的建模思路,但该方法有两个明显的弊端。

(1)扩展性差。当电力拓扑发生改变时,需要对通路进行重新分类,且通路类型随着拓扑复杂程度的增加而增多。如图3所示,在图的AY间增加一条支路,则发送点到接收点的所有通路分为四类:1)信号从发送端X经过点A和点C直接传送到接收端Y;2)信号从发送端X经过点A传向点B,在AB段进行多次往返后经过点A和点C再传送到接收端Y;3)信号从发送端X经过点A传向点C,在BC段进行多次往返后经过点C传送到接收端Y;4)信号从发送端X经过点A,同时在AB和BC段经过多次往返,再经过点C再传送到接收端Y。

(2)实用性不高。在对所有可能通路进行分类时,设定发送端和接收端的阻抗匹配,对信号的传输路径进行了极大的简化。而实际情况下,由于负载阻抗的时变性和复杂性,不能与线路特性阻抗完全匹配,因此本建模方法实用性差。

针对上述缺点,J.Anatory[23]以阻抗不同的两段互联线路为研究对象,将与接收端相连的线路上的信号分为三部分来求解传递函数。

如图4所示,线路BC段将会存在三个信号:从A点透过B传送的信号SABC1,从B点反射到C的信号SABC2和从C点反射到B点的信号SABC3。但该方法在处理前行波时较复杂。SABC1的前行波为在线路AB和BC间经过多次折反射后再从A点透射到BC端时的信号,而SABC2,SABC3的前行波在SABC1前行波的基础上再在线路BC上进行N次反射。

该方法以与接收端相连的线路上的信号为突破点进行分析。当网络拓扑改变时,只考虑该线路相连线路的拓扑变化。如当在原两段互联线的基础上增加一条支路时(如图5所示),线路BC上的信号在原来增加了从支路BD透过B点向C点传播的信号。同理该信号也可以分成SDBC1,SDBC2,SDBC3三部分。其中SDBC1从D点透过B点传向C,SDBC2从B点出发在C点反射,SDBC3从C点出发在B点反射。因为信号发射点为A,故SDBC1的前行波为从发射点A透过节点B到达点D,再在线路DB和BC间经过多次折反射后再从D点透射到BC端时的信号,而SDBC2,SDBC3的前行波在SDBC1前行波的基础上再在线路BC上进行N次反射。

该建模方法对模型的扩展性和实用性进行了改进,并对模型传输特性的影响因素及其影响规律进行了大量的研究[16,17,18]。该类方法的主体思想是对实际网络拓扑中所有从信号发送点到信号接收点的所有路径进行枚举,然后进行简化分类。类似的还有基于递归建模的电力线信道建模[19]等。从上面的分析可以看出,此类建模方法在对前行波处理时进行了很大的简化,所获得的结果误差较大。

3 基于图论法的电力线信道建模

通过对以上建模方法的比较发现:网络中两点信号传输过程中的多径干扰可看作信号经过不同路径到达所引起,这与图论中的可达路径概念有极强的相似性[20],因此本文在此基础上提出了一种基于图论法的电力线信道建模思想。通过搜索出两点间全部的可达路径,即可很方便地写出包含多径特征的解析表达式。与常规可达路径不同的是,这里需要考虑多次反射引起的“等效路径”。同时需要将各种衰减情况等效为可达路径的权,以便于在得到可达路径后研究路径的衰减特性。

3.1 电力网络图论化

图论以图为研究对象。图是由若干给定的点及连接两点的线所构成,这种图通常用来描述某些事物之间的某种特定关系,用点代表事物,用连接两点的线表示相应两个事物间具有这种关系。不考虑网络元件的特性,而只研究网络的拓扑关系时,可以将电力网络抽象成n个顶点和b条边构成的图G(N,B)。N表示电力网络节点(阻抗不匹配点或线路末端节点)集合,B表示节点间线路的集合。图5所示的电力网络可以抽象成由4个顶点和3条边构成的图G(4,3),如图6。

3.2 图论法的信道建模可行性分析

基于图论法的电力线信道建模难点是搜索出两点间的全部可达路径。

图论法的基本应用是求解给定图中两点间的最优路径,该方法在电力系统中得到大量应用[21,24,25]。考虑到信号在传输过程中的衰减随着路径长度的增加而增大,当信号衰减到一定程度可以忽略,因此在建模时只需求解出前k次最短路径即可。k的取值根据实际电力线衰减系数等而定。

1994年国外学者[26]首次系统地提出了前k次最短路径的求法,国内学者也进行了大量的研究[27,28]。但这些方法在求解路径通路时不允许出现顶点重复情况。即如图6所示从顶点n1达到顶点n3的通路只有一条n1—n2—n3,而路径n1—n2—n4—n2—n3因为两次经过节点n2而为无效通路,而在电力线信号传输过程中,此路径为有效通路。文献[29]提出一种新的前k次最短路径算法,解决了顶点不允许重复的情况。这些方法都为基于图论法的电力线信道建模的研究提供了理论基础。

4 结论

建立电力线通信信道模型,求解传输函数表达式,进而确定特定电力线上最佳信号传输频率,对电力载波技术的发展具有重要意义。本文对近期国内外相关研究成果进行了详细的综述,剖析了各种建模方法中存在的若干问题,进而提出了基于图论法的电力线载波通信建模的思路,并分析了该方法的可行性。运用图论方法建立信道模型值得探索研究,本文只分析了求解电力网络中长度最短的前k次通路的可行性,进一步的研究工作包括通过程序求解前k次路径,并在此基础上得到考虑折反射、衰减等因素的可达路径的权,为利用图论方法建立信道模型提供了思路。

摘要：电力线信道模型的建立和电力线载波频率的优化是电力线上实现高速数据传输的理论基础。首先简要介绍了电力线信号传输基本理论,然后按照建模所需参数的获取方法进行分类,并对各类建模技术进行了综述:将电力线信道建模技术分为自顶向下法和自底向上法两类,介绍了这两类建模技术的发展历程,并分析了各类建模技术的优缺点。结果显示自顶向下法的精确度不高,而其他学者提出的自底向上法的拓展性太差。因此提出了一种基于图论法的自底向上电力线载波信道建模方法,该方法拓展性良好。最后分析了该方法应用于智能电网中压电力线载波通信的可行性。

居民电力线低压载波抄表的应用 第8篇

关键词：低压,载波抄表,电力系统

1 前言

该区域在改造的时候, 由于是老楼, 其表箱无法设置卡式表。通过多方的分析以及技术性的比对, 最终使用了一项有着较久远的使用时间的技术, 即机械表加远方载波抄表的技术方案, 此时面对的困难得以有效的处理好, 而且获取了非常优秀的效果。为了便于更为优秀的为使用人贡献效益, 减少费用, 该区域开展了每户都设置一个电表的革新, 当地的供电单位供应优秀的电表, 而且实现到户抄表活动。经由很多方面的分析比对, 该区域的这个体系自安装到如今获取了非常优秀的利润, 而且其效益很是不错。

2 关于该抄表体系的分析

2.1 关于体系的具体定义

这个体系使用的是窄带扩频技术, 其有效的处理了信息繁琐的低压线面对的传递方面的不利现象, 有着非常显著的应对干扰的水平, 而且体系很是稳定。所谓的扩频, 具体的说是用以传递内容的信息带较之于信息自身的要宽的一项通信体系。它的调解步骤是由接受信号与一个发端扩频码同步的信号进行相关处理来完成的。结合相关的理论我们可以知道, 它的优势有如下的一些。能够通过较为宽广的带宽来获取非常低的信噪。此时, 体系具有很优秀的应对干扰的水平, 进而能够确保噪声氛围中的通信品质得以完善。这种“用带宽换功率”的措施特别适合电力线载波通信。同时该体系还有着优秀的应对衰减的水平, 因为频带非常宽, 如有因为一些缘由导致变弱的话, 此时仅仅的会导致一些较小的频谱变弱, 并不会干扰到总体。其核心器件载波 (扩频) 调制/解调芯片-PL2000的出现, 能够避免较差状态中的不利现象。

低压载波抄表系统是通过电力线汇集配变下所有终端电表的数据, 与每一终端电表进行数据通讯, 并对这些数据进行分析处理, 同时可以使用相应通讯设备将所抄录的数据发送到供用电管理部门的数据服务器中。中心控制软件分析处理存储在数据服务器中的数据将结果以各种统计报表、图示报告给用电管理部门。并能自动计算电费, 生成报表, 如与银行微机系统联网可方便实现电费银行自动划拨。低压配电网载波抄表系统是集电表数据采集、载波传输、数据存储、数据通信、数据处理及断电控制等功能于一体的自动化系统;低压载波通信设备能够确保供电机构积极的分析用电模式, 分析有没有偷电现象;根据需要进行供电控制;通过远程抄表, 节省抄表的人力物力。

低压载波抄表系统由上位系统管理软件、台区载波集中器、电表端载波RU、载波测试设备组成。

集中器是载波通信的中央设备, 安装在低压配电变压器的低压侧, 通过电力线汇集该配变下所有终端电表的数据。集中器负责主动与每一终端电表进行数据通信并存储数据。这些定时或实时数据可通过电话线、中压载波485总线或红外手持抄表器直接传回到供用电管理部门的数据服务器中, 并对这些数据分析处理。将结果以各种统计报表、图示等形式报告给用电管理部门。可以自行的运算费用, 得到表计。

断电控制器与多路脉冲采集载波终端配合使用, 可接收多路主控模块的继电器控制指令, 实现对用户断电、送电控制。

载波电能表是低压电网载波集中抄表系统的智能终端, 它具有计量、记录、控制和载波通信功能, 与载波集中器、上位机软件构成集抄系统, 可实现“一户一表、集中抄表、银行联网”。

2.2 载波抄表系统功能特点

(1) 核心器件采用PL2000系列电力线载波扩频通信芯片。 (2) 电力线载波表与集中器及管理中心计算机管理软件构成自动抄表系统。 (3) 只需要将模块设置在表中就可以了, 所有的通信经由电线来设置, 不用对其外在的线路变化, 安装很是便捷。 (4) 稳定性优秀, 其规模不是很宽, 而且抄表很是精准。 (5) 所有模块都有自己单独的CPU, 可以自行的对数值分析并且保留。 (6) 结合相关的管控体系, 能够监测使用人的用电状态, 能够更为合理的进行用电方面的管控工作。 (7) 如果有使用人欠费了, 其就能够对他进行断电处理。 (8) 不通电之后信息能够留存大约九年的时间。 (9) 抄表率非常好。 (10) 有着优秀的兼容性。

2.3 软件功能

(1) 实时监控电表状态。 (2) 定时抄表:集中器每隔1、2、…小时抄一个轮回。 (3) 冻结抄表 (每月抄表日) 。 (4) 零点抄表和实时点抄。 (5) 电表数据的统计, 如计算线损, 报表生成。 (6) 设置集中器的自动抄表周期和系统校时。 (7) 用户负荷监控和电量异常报警。 (8) 可提供公共数据库接口, 供电费核算、用电管理等信息系统取用。

2.4 方案说明

2.4.1 设备是分散的设置的。

2.4.2 数据集中器:按照配变的不同, 同一变台下每1024块单表配置1台电话型数据集中器。

下行与本台区内的单表通讯并进行控制, 上行通过公共电话网与集中抄表中心通讯。

2.4.3 采集终端:

假如使用人的电表不是综合设置的, 就使用单表集抄终端方式, 也就是说在所有的表上独自的和对应的集中设备联系。它的优点:结构非常优秀, 而且能够有效的扩充, 稳定性好。单表利用表中的载波通讯芯片通过电力线与数据集中器通讯。

2.4.4 控制功能:

(1) 加装在电子表尾的载波模块采用一体化设计, 模块可包含控制继电器, 可通过集抄中心或现场测试仪器实现控制功能; (2) 机械表改装模块中可包含控制继电器, 可通过集抄中心或现场测试议器实现控制功能。

3 结束语

该体系是当前用电营业体系中的一个分支, 它和供电单位的管控工作者的管控措施以及综合素养和群众的文化性以及获取新事物的能力有着很大的关联, 而且和群众使用的电表的类型等有着一些关联。使用预付模式的电表能够尽量的降低欠费的发生几率。不过也面对一些不利现象, 像是买电并不是很便捷, 当买到的电快要用完, 设备提醒的时候, 很多人都不会非常的关注, 进而导致了停电问题, 假如是在夜晚的话因为不能够去买电, 因此就会干扰到正常的生活。除此之外, 还会受到不法人员的干扰, 导致供电单位受到很大的亏损。同时还无法对所有线路的分路线损精准性分析。其问题很多, 导致供电单位的运作费用变多。使用一般的设备, 面对着抄表以及收费等有很大难度的问题, 同时还会引发欠费问题。

在新的住宅区域之中设置上述讲到的使用时间非常久的机械表加上具备远方断电功能的远方载波抄表系统, 或是采用加继电功能的全电子载波表, 将设备用专门的物质封闭好, 此时就能够防止不利现象发生。体系自行的将获取的用电信息传递到营销机构中, 分析好之后和所在区域的银行机构进行信息传递, 此时群众能够在银行提前的预存费用, 在规定的时间中对其拨付就可以了。或是在规定的时间中到专门的网店续交。比如较之于之前设定的时间要晚的话, 就能够通过远程将相关的设备断开, 当费用续交之后, 再对其开启运行。

低压电力线载波通信信道特性分析 第9篇

1 低压电力线信道特性

低压电力线信道噪声对通信系统的影响主要来自2 个方面:输入阻抗特性和噪声特性[5]。

1.1 输入阻抗特性

利用信号发生器和耦合器测量低压配电网的等效输入阻抗。通过耦合器测出低压电力网的电压V2, 而测量电阻的阻值R和电压V1很容易得到, 可以用示波器读取V1, V2值, 通过式 (2.1) 得出低压配电网的等效输入阻抗。则低压配电网的输入阻抗为:

1.2 信号噪声及干扰特性

低压电力线通信信道噪声的产生于分布主要受时间、地点、温度和负载等影响。目前, 低压电力线通信信道噪声比较公认的可以分为稳态背景噪声, 窄带干扰噪声, 突发性噪声和周期脉冲噪声。在特定时段内, 背景噪声在低压电网上可达22d B以上。脉冲干扰的强度最大可达40d B, 对通信质量有很大影响。干扰基本上可以分为人为的和非人为的。人为干扰是指各种负载, 如电机、照明。家用电器等, 人为的随时随地接入电力网络。这种干扰不可预测, 毫无规律, 一般表现为突发性、随机性。非人为干扰是指暴雨、大风等自然现象造成的。这种干扰受外界干扰影响较大, 与周围环境有一定关系。所以, 低压电力线通信信道噪声成因及影响非常复杂, 只能对几种主要噪声定性分析。

通过耦合电路测出噪声波形, 存储在示波器中, 将测量数据通过计算机进行分析。测量噪声的原理如图1 所示。

(1) 背景噪声:因为背景噪声是一个平稳随机过程, 所以可以用一组白噪声经过自回归来模拟背景噪声。背景噪声模型如图2 所示。

利用该方法得到与实际相近的模拟背景噪声, 得到结论:采用奇异值分解法所得到的参数模型虽然花费时间较长, 但其误差控制在合理范围内, 比较适用于背景噪声离线分析;而LD递推法尽管计算速度很快, 但准确度不高, 误差较大, 比较适用于背景噪声快速生成。

所采用的滤波函数为:

需要指出的是, 自回归模型虽然适用于逼近平稳过程, 但对于非线性时间序列的脉冲噪声并不适用。只有分析考虑脉冲噪声符号、宽度、间隔和幅值之间的内在相互联系才能准确模拟脉冲噪声, 才能得到与实际比较接近的噪声模型, 实现建模的真实性和完整性。

(2) 窄带噪声:可以叠加若干个正弦信号来模拟窄带噪声。

(3) 脉冲噪声:一般为衰减的正弦波或多个衰减正弦波的相互叠加, 但没有规律性, 它对数据传输的影响主要由脉冲的宽度、幅值和间隔时间造成的。绝大多数脉冲噪声可以利用三角形包络的多个正弦波叠加来模拟单个脉冲噪声, 并且将该脉冲叠加在随机噪声中即可。

2 结语

由于低压电力线载波与高压相比较而言, 信道环境区别较大, 主要表现为低压电力线信道干扰特性十分复杂, 同时低压配电网负荷随机性和时变性大, 其信道特性难以用现有的任一数学模型来描述, 增大了通信系统的复杂性。因此, 对电力线信道特性的分析还受到许多的限制, 建立的信道模型应用范围距离实际还有很大的差距。在保证低压电力线通信的传输质量和速率的前提下, 需要对低压电力线的信道特性有十分详细和合理的分析。

参考文献

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[2]黄留欣, 黄磊, 郭禧斌, 等.电力系统容性无功及补偿[J].电力电容器与无功补偿, 2013, 34 (03) :1-5

[3]孙丽君, 郭禧斌.低压电力线OFDM载波通信系统定时同步新方法[J].科学技术与工程, 2014, 14 (7) :186-190

[4]郭禧斌, 左明鑫, 吴伯彪.OFDM技术在低压电力线载波通信中的应用现状[J].信息通信, 2015, (8) :194-195

电力线载波 第10篇

【关键词】 智能小区 电力载波通信技术 应用

随着智能化小区建设的热潮袭来以及整个社会的信息化与智能化发展，智能化小区在建筑建设过程中，通过通信技术及通信网络把各个智能系统有效的联系起来，而得以实现智能化的服务。信息化技术与建筑艺术相结合，为我们提供了更加安全、便捷的生活服务。通信网络作为信息传输的高速公路，是智能小区乃至智慧城市、物联网的重要组成部分。电力载波作为通信技术的一种，是电力系统特有的通信方式，电力载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。其最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。

一、智能小区在通信网络设计时所应遵循的原则

对于智能小区中通信网络的设计，需要在建筑建设期初就做好规划。在应用通信技术过程中需要遵守以下几个原则。

第一个原则就是在智能小区的办公区域内，需要营造出舒适、安全的办公环境，坚持“以人为本”的原则，对于通信系统技术的设计既要有很高的安全性又要经济实用，从而节约经济成本；二是在建立智能小区的安全防范体系时，需要符合于现代安全防范控制技术标准，同时确保通信网络的安全性；第三个原则是在智能小区的通信技术实施过程中，符合节能减排的大环境趋势，从而使得各个通信系统的设计要坚持绿色环保、安全使用以及节能减排的原则；四是对于通信技术的应用，在以技术为依托的设备选择时，产品的质量是不容忽视的，尽量选择国际国内一流的设备厂家且本地有维护团队，设备及产品符合国际和国家通用标准、协议，即使在后期使用过程中出现系统故障，也能够确保通信系统的快速恢复，为智能小区的通信技术应用提供强有力的保障；五是要确保通信技术架构的扩展性和弹性，使得小区的通信系统服务不会受到科学技术发展的制约，从而满足于客户的使用需求，随着科学技术的发展，能够实现通信技术的升级与更新。除此之外，还需要保持智能小区使用的方便性，根据不同文化阶层的智能小区特点，而选择合适的通信技术，从而保证通信技术服务的快捷、简单、方便。

二、电力载波技术在智能小区的应用

2.1 PLC-BUS的电力载波通信网络

电力线是一种新型的宽带接入技术，由于国内居民楼的中低压配电网结构的复杂性，不仅新旧不同，而且其高度也不同，因而使得各式居民楼之间配电网结构也不相同，因此在新的智能小区中，都具有独立的配电间与配电变压器，在每一种的低压配电网结构中都会制定出相应的PLC接入的解决方案，从而使得配电网的结构都各自相同，根据用户接入的方案来灵活改变宽带的共享区域，从而使得通信设备具有很高的利用率。

2.2具体的通信技术应用

1、高层住宅楼。对于高层住宅楼中的用户，使用共同的电梯与楼梯，住房密度相对较大，因而在低压配电网结构时，会有独立的配电间，并且在楼内会有很多条的电力直接会通向用户，为相邻的一层或者几层的用户来传输电力。具体方案就是在PLC设备设置在楼层内的配电间，根据其实际的情况来选择合适的接入方案，并且做好配电网物理的网络规划，如果用户较少的情况下，可以实现三相线路的划分，也可以让相邻的几层用户来共享同一条电力线。

2、低层住宅楼。对于低层住宅楼，则一般会分成很多个单元，每一个单元都是独立的楼层，一层的住户约在两到四户之间。根据这种低层住宅楼的结构特点，一台配电变压器可以提供五到八栋楼的使用，而且在每一个单元中，都会采用一条电力线从单元的低层直达顶层，并且在每一个楼层单都有相应的电表。其具体的组网方案为，以配电网物理网络来进行划分，然后按照一个单元的用户来共享一条电力线，当然，如果用户较少的情况下，可以让几个单元来共享一条电力线。如果用户的数量在增加时，可以灵活的改变共享范围，从而减少对于前期的投资，并且PLC设备还能够保持在一个较高的利用状态，而且网络结构在改动起来也方便、灵活，为智能小区通信系统的实施节省了一部分经济成本。

随着科学技术的不断发展，无论是计算机技术，还是网络通信技术，都在被广泛的应用，而且技术越来越成熟。而智能小区在建设过程中随着信息化技术的融入，使得小区的智能化程度也越来越高，由于小区的通信技术有着其自身的复杂化，并且在实施过程中会涉及到很多领域，如通信、家电、建筑、网络等，因而需要结合智能小区的特点，建立智能化的通信系统，从而为用户提供一个安全、舒适的居住环境，并且在建设过程中遵循一定的原则，做到科学、有效、合理性，从而发挥出通信技术的良好功能性。除此之外，还需要在随着社会快速发展的过程中，不断完善智能小区中通信系统，从而带给用户更好的居住体验。

参 考 文 献

[1] 林自庆，叶国超. 智能小区移动通信网络覆盖优化技术[J]. 中国新通信. 2015（18）

[2] 邹润生. 智能小区通信网络平台设计[J]. 通讯世界. 2000（09）

电力线通信中动态子载波组分配 第11篇

多用户自适应OFDM的关键技术之一是子载波、比特和功率等的分配。目前,针对不同的优化目标和约束条件有多种多用户电力线通信OFDM系统的动态资源分配算法[3,4],但均没考虑在功率和速率限制下根据用户的优先级保证各用户的最小要求速率,同时在剩余资源中寻求总速率的最大。

本文针对多用户电力线通信OFDM系统的限制条件,研究在功率地窖注水分配[5]后的子载波分配问题。先建立多用户的速率自适应子载波分配数学模型,再提出一种基于用户实时优先级和信道相关带宽的动态子载波组分配算法,并在典型电力线信道环境下进行仿真。

1 多用户下速率自适应子载波分配模型

设电力线通信自适应OFDM系统在每个OFDM符号内的子载波数为N,RT业务用户集为Ω1,用户数为K1,每个用户k要求的固定速率为Rk1、目标BER为Pe1;NRT业务用户集为Ω2,用户数为K2,每个用户k要求的最小速率为Rk2、目标BER为Pe2。仅考虑子载波的分配,假设已知系统在每个子载波n上分配的功率pn且其满足电力线通信的电磁干扰限制。为了降低复杂度,假定每个用户子载波对所分配的比特为0～b内的非负整数。

设每个子载波只分配给1个用户。用户k的子载波n上可分配的最大许可比特数rk,n为:

其中表示向下取整,gk,n和分别表示用户k在子载波n上的信道单位功率载噪比(CNR)和噪声功率。Γk表示用户k的子载波采用无编码的MQAM调制时的信道理论极限速率与实际速率的差额:

其中,Q-1(x)为错误概率函数的逆函数:

对于实际的电力线通信系统,要求在上述约束条件下,先保证各用户要求的速率,尽可能降低系统发射总功率,然后在剩余功率下尽可能分配给NRT用户的比特数。因此多用户自适应OFDM系统中子载波分配问题的数学模型为:

式中,ck,n表示子载波n是否分配给用户k,分配为1,反之为0。优化分配目标在最大化系统容量时不用考虑用户分配的公平性,否则必须考虑。

2 层次分析法确定用户优先级

为了区别对待不同用户的不同业务,需先确定用户的优先级,如各用户的最大时延、各用户要求最小速率、各用户信道状态、各用户已分配速率、用户选择的公平性及多用户分集增益等[6]。

本文采用层次分析法[7]确定用户的优先级。设X={x1,x2,…,xm}为可用子载波的m个备选方案(可用用户)集合,S={s1,s2,…,sn}为选择使用该子载波的用户的n个判决指标(选择因素)集合,如各用户的信道状态、可得比特、需要功率、归一化相差速率等。设多指标判决矩阵为A=(aij)m×n,其中aij表示备选方案xi对于判决指标sj的结果。对于效益性指标,如信道状态和可得比特等,设判决指标;对于成本性指标,如需要功率和归一化相差速率等,设,从而标准化决策矩阵为B=(bij)m×n。层次分析法确定用户优先级的步骤为:

(1)方案偏好信息的估计。设方案偏好规则为:用户生命残存期小的强于大的,RT用户强于NRT用户。本文采用4级标度法刻画方案偏好信息,cij表示对象xi与xj相比较的偏好程度,其值等于1、2、3、4分别对应“同等重要”、“较重要”、“非常重要”及“绝对重要”,cji=1/cij,由此可得方案偏好信息矩阵为D=(cij)m×m,各方案xi的偏好优序数为,得各方案xi的偏好信息为:

(2)指标主观偏好权值的确定。设需比较的指标有4个:信道状态、可得比特、需要功率、相差速率归一化值,也采用4级标度法获得指标的偏好信息可逆方阵C=(cij)n×n。计算每行i的所有元素的几何平均值,然后归一化得到各指标的相对权重,即决策者对指标si的主观偏好权值为:

(3)指标客观信息熵的计算。先由标准化决策矩阵B计算矩阵P=(pij)m×n,其中,再由信息论知识计算指标si的信息熵为:

当pij=0时,规定pijlnpij=0。由于0≤pij≤1,从而0≤Ej≤1,则指标si的偏差度为dj=1-Ej。然后由偏差度计算各指标si的客观权重为:

(4)方案信息熵的计算

由决策者对指标的主观偏好权值和客观信息权重,得到指标si的综合权重为:

结合标准化矩阵B可得到方案xi的信息熵为:

(5)最小二乘优化决策求解。假设所有指标的最终权重向量为V=(v1,v2,…,vn)T,由决策分析理论中期望效益法可知,方案xi的决策值为:

综合考虑决策者对备选方案和指标的主客观信息后,应使所选方案对所有指标而言,距离偏好信息值和客观信息熵值的偏差越小越好,为此建立最小二乘法的优化决策模型为[8]:

根据极值理论,式(12)的Lagrange函数为:

令

其中,en1=(1,1,…,1)T,Bnn=(brs)n×n,,,,…,。

求解上述矩阵方程得:

再按式(11)求得方案xi的决策值fi,对所有的决策值从大到小排序以确定用户的优先级和选出使用该子载波的用户k为:

3 子载波组自适应分配

电力线通信HomePlug标准规定的子载波数较多,计算复杂度非常大。本文在传统逐子载波分配算法的基础上,结合各用户反馈的信道带宽信息,利用相邻子载波在相关带宽内强相关性的特点,将子载波分配由逐子载波方式变为以组为单位进行的连续动态分配,从而减小算法的运算量,步骤如下:

(1)计算各用户l的所有多径时延扩展值,从中选出最大值Δl,进而获得相关带宽内的子载波数φl=floor(Bl/bw),式中Bl=1/(2πΔl),bw=Bw/N,Bw是系统带宽,N是系统的子载波数[9]。

(2)令当前的子载波n=1,未满足速率要求的用户集U={1,2,…,K},各用户k已分配速率为Rka=0和系统剩余子载波数Nres=N。计算在当前子载波n上所有用户k∈U的优先级和选出使用该子载波的用户l。根据相关的子载波数φl和剩余子载波数Nres确定一组子载波数t=min{φl,Nres}。如果()不大于用户l要求分配的速率Rlr,则从子载波n起连续t个子载波作为一组一次分配给用户l,同时将当前子载波位置n更新为(n+t),剩余子载波数Nres更新为(Nres-t)和用户l已分配速率Rla更新为();否则计算当前子载波n上一次分配给用户l的子载波数t'∈{1,2,…,t},使得(

,把从子载波n起连续的t'个子载波作为一组一次分配给用户l,同时将当前子载波的位置n更新为(n+t')并更新Nres=Nres-t',用户l如为RT用户,更新已分配速率为Rla=Rlr,其中用户l在前(t'-1)个子载波上分配允许的最大比特,而在最后1个子载波上分配不足的比特数;如用户l为NRT用户,更新,其中用户l在所有t'个子载波上分配允许的最大比特。如用户l的速率满足Rla≥Rlr,更新用户集U=U{l}。重复上步骤直到用户集U为空或剩余子载波数Nres=0。

(3)当U=φ但Nres>0时,设用户集U={NRT用户}。计算当前子载波n上所有用户k∈U的优先级和选出许可使用该子载波的用户l。根据相关子载波数φl和剩余子载波数Nres确定子载波数t=min{φl,Nres},将从子载波n起连续t个子载波作为一组一次分配给用户l,同时将子载波分配的起始位置n更新为(n+t),剩余子载波数更新为Nres=Nres-t和用户l已分配速率更新为。重复上述步骤剩余子载波数Nres=0。

(4)统计最小速率分配未满足的所有用户集U和所有已分配但未用的子载波集S。如集U和集S都非空,则逐个把未用子载波n∈S按下式分配给用户l∈U并更新S=S{n}。

如果用户l为RT用户且(Rla+rl,n)≥Rlr>Rla,在用户子载波对(l,n)上分配(Rlr-Rla)比特和更新Rla=Rlr,否则分配rl,n比特和更新Rla=Rla+rl,n;如果用户l为NRT用户,则在用户子载波对(l,n)上分配rl,n比特和更新Rla=Rla+rl,n。如果Rla≥Rlr,更新用户集U=U{l}。重复以上步骤直到集U或集S为空。

(5)如果未用子载波集S非空而集U已空,则设用户集U={NRT用户},逐个把未用子载波n∈S按式(17)分给NRT用户l∈U,且在用户子载波对(l,n)上分配rl,n比特,更新Rl=Rla+rl,n和S=S{n}。重复上步骤直到集S为空。

(6)统计各用户已分配的速率,确定最小要求速率不足的用户数Nno、最小要求速率刚好的用户数Nok和最小要求速率超过的用户数Nyes;统计各子载波上已分配的比特和功率,系统剩余的总功率和未用的子载波数等性能指标。

4 仿真与分析

子载波组分配方式虽然加快了子载波分配速度,但分得的用户子载波对不一定最优,甚至不匹配。为了对比,子载波分配仍采用类似组的方式,但每组仅有一个子载波,即采用次序分析法确定用户优先级的逐子载波分配方式,此为对比算法1。由于本文算法和对比算法1分配子载波的本质不变,都蕴含了决策者对用户和指标的偏好等信息,故再设计一种不含决策者偏好信息而以比特功率比值最大化为目标的逐子载波分配方式,此为对比算法2。

在实际电力线信道环境下[5],对上子载波分配算法进行了仿真。设PLC系统的FFT点数为3 072,采样频带为0～30 MHz,每个子载波有12个频点,则每OFDM符号内工作的子载波数N=256。假设所有用户的噪声功率谱相同,每个子载波上的功率值由测量所得,每个用户的发射信号功率谱按HomePlug1.0标准设计。设每个子载波上最大比特数为8,用户集{1,2,3,4}的前两个为RT用户,其目标BER为10-4;后两个为NRT用户,其目标BER为10-6。为了简便,采用参考文献[9]的地窖注水算法分配得到每个子载波上的已知功率;设用户1的最小要求速率(比特/符号)为基本速率R,所有用户的最小要求速率为{R,1.2R,0.8R,0.6R}。用户1～4的生命残存期分别为{2,1,1,3}单位时间,确定的方案偏好信息赋值矩阵为D。设每个用户l在相关带宽内的子载波数φ'分别为{6,5,3,4},设在当前子载波n上一次实际分配给用户l的子载波数为t,则用户l的信道状态指标为,可得比特指标为,需要功率指标为和相差速率的归一化指标为(1-Rla/Rlr),则指标偏好信息判断方阵C为:

图1 (a)是在电力线信道环境下产生的4个用户的单位功率载噪比曲线,其变化相似,范围相同,其中用户1的载噪比整体上最好,用户2和3相差不大,而用户4整体上最差。图1(b)为系统的噪声功率、功率上限曲线以及系统在总功率分别为5、10、15、20、25、30、35 mW下的注水分配功率曲线。由其可知,各子载波上的注水分配线都在功率上限之下和在噪声功率之上;当某子载波上的噪声功率大于注水分配线时,不分配功率;随着总功率的增加,注水分配线上升且上升值与总功率的增加值近似成比例,这些都与地窖注水分配功率的原理相符合。

图2是在系统总功率25 mW和基本速率30 bit/符号下,三种算法在部分子载波上实际分配的比特和使用的功率情况。由图看出,子载波组分配的算法与对比算法1的性能非常接近,但与对比算法2的性能相差较大。其中每一子载波上分配的比特数和功率均满足约束要求;有些子载波未分配比特,这是因为该信道状态对任一用户而言都恶劣,或虽信道状态适中但系统的资源有限,而被关闭;有些子载波分配多比特,这是因为该信道状态对某用户而言良好,但并非良好的子载波就一定要分配多的比特,这还与使用该子载波的用户等有关;被关闭的子载波一定不分配功率,分配功率的子载波其功率不一定与分配的比特成正比,也与子载波的信道状态有关,但功率分配的总原则是子载波状态好的多分配,状态差的少分甚至不分配。

本文研究了多用户电力线通信自适应OFDM系统在功率地窖注水分配后的子载波分配问题。由于已有的子载波分配大都采用传统的逐子载波方式,计算复杂度大。本文针对系统的限制条件,先建立多用户在多子载波上的速率自适应子载波分配数学模型,提出一种基于层次分析法得到用户的实时优先级和信道相关带宽,以子载波组为单位对每个用户进行动态子载波分配的自适应算法。为了对比,还仿真了以一个子载波为一组的子载波组分配算法。仿真结果表明,一子载波一组的子载波组分配算法性能最优,但复杂度最大,而本文动态子载波组分配算法的性能与逐子载波分配对比算法的性能相当,但复杂度大大减少,能适合系统资源充足或缺乏情况并能满足多用户资源分配的目标要求。

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