专利名称：低压配电网载波通信系统中的一种通信方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，具体地说是低压配电网载波通信系统中的一 种通信方法，可用于低压配电网上电力线载波通信。
技术背景目前在低压配电网载波通信系统中，为了提高载波接收灵敏度，增强抗 干扰能力，增大通讯距离，国内外大多采用扩频通信的方法，但是由于电力 线上存在大幅度的宽带干扰和中、高频段信号快速衰减的特性，这类方法在实际使用中只能实现距离为几十米，最多也不过500米的短距离通信，同时 在某些比较复杂的用电环境或比较繁忙的用电时段则完全不能通讯，需要借 助中继器进行中继才能构成比较实用的系统，即使这样，扩频方法依然存在 系统复杂、成本过高等问题，所以目前各种扩频通讯方案几乎无法满足实际 需要。而传统窄带通信技术又由于各种干扰，频率选择性衰减，信道时变等 问题基本上被实践证明是不可用的。在通信技术领域中，还有利用一种超窄 带技术的方法，虽然有很强的抗干扰能力而且传输距离远，但无法低成本的 解决双向传输问题。另外还有一种方法是在电力线载波通信技术在高压、中 压线路上使用低频段3KHz 9KHz通信，在这个频段中由于干扰较少，传输衰 减不大，虽然取得了较好的效果，但由于技术发展的限制，也一直未能应用 到低压配电网上。因此，在低压配电网载波系统中，找到一种切实可行、通 信可靠的方法，是载波通信技术领域内的一个重要课题。 发明内容本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足，提供一种低压配电网 载波通信系统中的一种通信方法，使其在各种复杂的环境下都具有抗强干扰、 抗信号衰减的能力，适合于多种环境下电力线载波通信技术领域，并可广泛 的用于现有的配电网中，无需重新布线，解决了电力线载波通信中的一个难 题。本发明的技术方案是针对载波通信在电力线低电压配电网中存在的问
题，在低电压配电网载波系统中，仅仅采用单一技术往往无法客服众多的不 利因素，通过反复试验和针对性的处理，本发明在低压配电网载波通信系统 中同时采用低频段载波、跳时通信和频谱间置等三种技术，构成了本发明的一种通信方法，该方法包含的具体内容和实现过程如下1. 采用3KHz 15KHz频段的电力线载波频段进行通信，调制可采用单载 波调制，也可以采用多载波调制，由于电力线是专用于传输50Hz的低频信号 的网络，因而低频传输衰减很小，电力线上的用电器件对低频的吸收也较小， 在载波通讯中，国标规定的传输载波通讯频率不能低于3KHz，因此通过试验 得知，在3KHz 15KHz频段的电力线载波频段进行通信，可以有效地避免强 衰减对通信的影响，提高了信噪比和抗干扰能力。2. 采用跳时通信技术的方法，其具体实现过程是:将工频交流电的一个波 周划分成多个时间片，发送端和接收端自动同步选择工频交流电中，在过零点 的时间片内进行载波通讯，使其避开由于干扰或衰减使信噪比大幅度恶化的 时间片，从而提高整个通信系统的抗干扰能力。3. 采用频谱间置技术的方法，在选择通信频率时，使一个或多个载波的 频率是工频交流电频率的2N倍或N+1/2倍，这样就使得所选择的载波频率处 于电力线上工频交流电频率的谐波干扰最小的间隔上，其中N为正整数。本发明与现有技术相比具有的优点1. 本发明具有抗强干扰、抗衰减的能力，在恶劣的环境中仍可实现可靠 通信，并且方法简单，成本低廉，无需重新布线，可广泛应用于现有的低电 压配电网中。2. 本发明具有传输距离远，通讯距离在干扰环境下可达1000米以上。3. 本发明相对于超窄带技术，具有双向传输能力。
图1是本发明应用于系统的框图示意2是本发明选择载波频段的示意3是电力线上某一时间段的噪声波形4是本发明采用的跳时方案示意5是本发明跳时技术在通信系统中实现框图的示意图 图6是本发明采用的频谱间置技术示意7是本发明采用的频谱间置技术的另一种情况的示意图具体实施方式
参照图l，它是本发明应用于系统的框图示意图，针对电力线低电压配电 网的高噪声、高衰减和信号失真等特点，在低电压配电网载波系统中，仅仅 采用单一技术，往往无法客服众多的不利因素，通过反复试验和针对性的处 理，本发明在低压配电网载波通信系统中，同时采用了低频段载波、跳时通信 和频谱间置等三种技术，构成了本发明的一种通信方法,达到了满意的效果。 现结合附图，说明该方法的具体内容与实施过程1. 采用3KHz 15KHz频段的电力线载波频段进行通信，调制可采用单载 波调制，也可以采用多载波调制，由于电力线是专用于传输50Hz的低频信号 的网络，因而低频传输衰减很小，电力线上的用电器件对低频的吸收也较小， 而在载波通讯中，国标中规定的传输载波通讯频率不能低于3KHz，通过试验 得知，在3KHz 15KHz频段的电力线载波频段进行通信可以有效地避免强衰 减对通信的影响，提高了信噪比和抗干扰能力。2. 采用跳时通信技术的方法，其具体实现过程是:将工频交流电的一个波 周划分成多个时间片，发送端和接收端自动同步选择工频交流电中，在过零点 的时间片内进行载波通讯，使其避开由于干扰或衰减使信噪比大幅度恶化的 时间片，从而提高整个通信系统的抗干扰能力。3. 采用频谱间置技术的方法，在选择通信频率时，使一个或多个载波的 频率是工频交流电频率的2N倍或N+1/2倍，这样就使得所选择的载波频率处 于电力线上工频交流电频率的谐波干扰最小的间隔上，其中N为正整数。参照图2，它是本发明选择载波频段的示意图，图中同时标出了现有其它 电力线载波通信的载波范围。图中的Ba表示本发明选择的频段范围在3KHz 15KHz，其中Bs是选择载波方案的一种例子。Bb表示目前其它电力线载波通 信系统使用的频段，多在100 KHz以上，其中Bn为传统窄带电力线载波通信 系统的选择载波的一个例子，Bc为一种扩频电力线载波通信系统使用的频段。由于电力线是专用于传输50Hz的低频信号的网络，并非用于数据传输， 作为通信媒质有其自身特有的不足。因此要想在电力线实现载波通讯，就必
须克服电力线高衰减的不利因素。选取低压电力线上同一台变压器下输出的电力线，在其中一点注入幅度 和频率都已知的特定载波，在另外两个不同距离的地点，用选频电平表测试 该载波信号的幅度。将两点载波信号的幅度相减，就得到载波信道载波信号 的衰减值。据此本发明进行了实验，在低压电力线上选取一点作为载波信号的发送点,分别在距发送点50米和IOO米处接收信号。由于在载波通讯中规定的频率最 低不能低于3KHz，因此选取了9个载波频率进行衰减度测试，经过反复试验， 求出了均值列于表l:表1频率(KHz)发射电平 (db)50m处接收幅 度(db)衰减 值100m处接收幅 度(db)衰减 值30-4-4-11-1190-16-16-20-20150-20-20-36-36200-32-32-41-41400-33-33—44-44500-34-34-46-461000-49-49-57-571500-80_80-65-652000-76-76-71-71从表l很容易看出，低频传输衰减很小，电力线上的用电器件对低频的吸收也较小，因此选择3KHz 15KHz作为电力线载波频段进行通信，既可以有 效避免强衰减对通信的影响，又提高了信噪比和抗干扰能力。参照图3，它是电力线上某一时间段的噪声波形图。对于低电压电力线而 言，电力负载产生的噪声极大的影响了载波通信的可实现性和可靠性，而这 些电力线负载产生的噪声，绝大部分是由用电设备的开关电源所发出的。只 有在开关电源不工作时，低压配电网上由开关电源产生的噪声才会最小，因 此只有选择工频电流过零点时，开关电源中的二极管无法导通，这一时刻通 信才最为可靠。由图3可以看出，3ms和13ms处为工频过零点时刻的噪声图
样，8ms和18ms处为工频峰值时的噪声图样，因此在工频过零点时的通信噪 声影响是最小的。参照图4，它是本发明采用的跳时方案示意图，本发明的跳时通讯是这样 实现的，将工频交流电UAC的一周分成t0-tl、 t1-12、 t2-t3、 t3-14四个时 间区间，或叫时间片，由于工频在过零点时的通信噪声影响是最小的，所以载 波信号只在过零点的t0-tl和t2-13的时间片传输，在tl-12和t3-14不传 '输，该图仅以一个周期为例划分为四个时间片的情况，本发明在具体实施中 可以将一个周期划分为多个时间片，并不局限于四个时间片，并选取过零点 的时间片进行通信。
参照图5，它是本发明跳时技术在通信系统中实现框图的示意图，发送端 的待传数据调制到载波发生器输出的载波上，但该载波在放大并耦合到电力 线上时受跳时图样的控制，跳时图样指图4所示划分的各个时间片，选择那 些过零的时间片传输信号，其余时间片不传输信号的设计，在接收端具有相 同的跳时图样发生算法和跳时同步信号提取电路，这样就保证了收发的跳时 是完全同歩的。参照图6，它是本发明采用的频谱间置技术示意图。在多年对低压配电网 载波通信的研究中，奇数次谐波对载波通讯的影响是十分严重的，因此要在 工频交流电频率等于50Hz的低压配电网上实现可靠的载波通信，就必须要避 开奇数次谐波，这是本发明在釆用频谱间置技术的主要思想。因此，以50Hz的工频为例，图中画出了谐波干扰信号在3000Hz至3250Hz 附近的干扰信号分别是预60 .预61.……fN62. 预63.预64 .预65， 中心频率分别是工频交流电为50Hz的60、 61……65倍，同时也有一定带宽， 作为举例，图6划出了选择五路载波进行通信的情况，五个载波的中心频率 分别是fcl=3025Hz， fc2二3075Hz， fc3:3125Hz， fc4=3175Hz， fc5二3225 Hz， 此时载波频率为(N+l/2)'50 Hz，其中N为正整数。参照图7，它是本发明采用的频谱间置技术的另一种情况的示意图，考虑 了选择交流电的偶次谐波为载波中心频率，避开奇次谐波的情况，此时载波 中心频率为N 100 Hz，其中N为正整数。本发明在实施中可以根据设计的需要，选择一路或多路载波，载波可以是 相邻的，也可以是不相邻的。
权利要求
1、低压配电网载波通信系统中的一种通信方法，其具体内容和实现过程如下(1)用3KHz～15KHz频段的电力线载波频段进行通信，调制可采用单载波调制，也可以采用多载波调制，由于电力线是专用于传输50Hz的低频信号的网络，因而低频传输衰减很小，电力线上的用电器件对低频的吸收也较小，而在载波通讯中，国标中规定的传输载波通讯频率不能低于3KHz，通过试验得知，在3KHz～15KHz频段的电力线载波频段进行通信可以有效地避免强衰减对通信的影响，提高了信噪比和抗干扰能力；
2. 采用跳时通信技术的方法，其具体实现过程是:将工频交流电的一个波 周划分成多个时间片，发送端和接收端自动同步选择工频交流电中，在过零点 的时间片内进行载波通讯，使其避开由于干扰或衰减使信噪比大幅度恶化的 时间片，从而提高整个通信系统的抗干扰能力。
3. 采用频谱间置技术的方法，在选择通信频率时，使一个或多个载波的 频率是工频交流电频率的2N倍或N+1/2倍，这样就使得所选择的载波频率处 于电力线上工频交流电频率的谐波干扰最小的间隔上，其中N为正整数。
全文摘要
本发明公开了低压配电网载波通信系统中的一种通信方法，它涉及通信技术领域，其目的在于针对电力线低电压配电网的高噪声、高衰减和信号失真等特点，在低电压配电网载波系统中采用本发明，既可以克服上述的缺点，又可使通信距离增大，通信系统的成本降低。本发明方法的具体内容和实现过程为1.采用3KHz～15KHz频段的电力线载波频段进行通信；2.从电力线上提取跳时同步信号，将工频交流电的一周划分为多个通信时间片，收发端使用同步跳时，选择一些特定的通信时间片进行通信；3.采用载波中心频率与工频交流电谐波间置安排，选择载波信号频段置于交流电谐波干扰较小的位置。本发明可用于低压配电网上电力线载波通信。
文档编号H04B3/54GK101159449SQ200710018670
公开日2008年4月9日 申请日期2007年9月14日 优先权日2007年9月14日
发明者张化冰, 郭永林 申请人:西安旌旗电子有限公司