CN105450261A - 一种具有高抗干扰性的中压配电网地埋电力线宽带通信方法 - Google Patents

一种具有高抗干扰性的中压配电网地埋电力线宽带通信方法 Download PDF

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邵炜平
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宋春晓
徐伟东
张磊
汤亿则
高钧利
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    • H04L5/003Arrangements for allocating sub-channels of the transmission path
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    • H04L5/0062Avoidance of ingress interference, e.g. ham radio channels

Abstract

一种具有高抗干扰性的中压配电网地埋电力线宽带通信方法,用于解决多个通道传送不同信息时容易产生相互干扰的问题,其技术方案是,所述方法首先根据中压地埋电力线的传输特性,确定中压配电网地埋电缆电力线宽带通信的频率范围,并根据信道衰减情况将宽带通信的整个频率范围划分成几个频段,然后根据各个频段的信道衰减情况和每个通道的传输速率,分别确定各个频段的调制方式和通道带宽,从而完成整个频率范围内宽带通信频率的分配。本发明通过合理设计中压配电网地埋电缆宽带通信的工作频段和调制方式,很好地解决了多个通道传送不同信息时容易产生相互干扰的问题,通过合理分配电力线宽带通信资源,提高了数据的传输效率和可靠性。

Description

一种具有高抗干扰性的中压配电网地埋电力线宽带通信方法
技术领域
本发明涉及一种适用于智能中压配电网地埋电缆的电力线宽带通信的方法,属于通信技术领域。
背景技术
在智能中压配电网中,需要建设一个与电网同覆盖的双向、实时、互动的通信网络。若采用以光纤为主干的通信网络,需要随线路同期敷设光缆,当配电网变动频繁时,还需要经常改变或扩展覆盖。因此,只单纯地依靠以太无源光网络(EPON)无法解决“最后一公里”问题。利用电力线自身的资源实现宽带电力线通信是一种有效的通信方式。
配电网的主要配电设施包括柱上开关、开闭所、环网柜、箱式变压器、配电变压器,配电线路等。安装在电线杆上的开关称作柱上开关,为提高供电可靠性,配电线路采用多段多连接方式,当线路中发生故障时,通过柱上开关的闭合与断开,可以将故障区域隔离,而非故障区域恢复送电。开闭所是将高压电力分别向周围的几个用电单位供电的电力设施,位于电力系统中变电站的下一级。其特征是电源进线侧和出线侧的电压相同。开闭所一般有两条进线和多条出线,多条出线在电气上相互连接,在配电线路同时作为通信资源使用时,设备间的通信会相互干扰。
传统电力线载波通信使用的频段为40~500kHz,每4kHz划分为一个通道,作为数据通道使用时,其传输速率一般为几kB/s,也称为窄带电力线通信。为了充分利用该频段,并防止通信时相互干扰,需要对通信频率的使用进行划分。一些文献给出了高压输电线路载波频率的划分原则,即对重要的用户优先、以高一级电压优先、高频段的频率安排在近距离的通道原则、对同一变电所不同电压等级的通道上频率不能重复使用原则等。这些方法和原则对于窄带电力线通信非常有效,而宽带电力线通信使用的频段高于500kHz,数据传输速率达到几MB/s到几十MB/s,而且是把整个可用的通信频段一起使用,不进行频率划分。
IEEEP1901标准对宽带电力线通信进行了规范,使电力线宽带通信实现了标准化,IEEEP1901标准是将电力线的整个可用的频段一起考虑的,不利于通信资源的充分利用。而在实际应用中,配电自动化信息的传输需要高的可靠性,但需求带宽不是很大,而且各类设备使用相同通道传输信息会造成相互干扰,影响信息传输的可靠性。因此,如何合理使用电力线宽带通信的资源,提高数据的传输效率和可靠性,就成为有关技术人员面临的课题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端,提供一种具有高抗干扰性的中压配电网地埋电力线宽带通信方法,它能充分使用电力线宽带通信的资源,提高数据的传输效率和可靠性。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的:
一种具有高抗干扰性的中压配电网地埋电力线宽带通信方法,所述方法首先根据中压地埋电力线的传输特性,确定中压配电网地埋电缆电力线宽带通信的频率范围,并根据信道衰减情况将宽带通信的整个频率范围划分成几个频段,然后根据各个频段的信道衰减情况和每个通道的传输速率,分别确定各个频段的调制方式和通道带宽,从而完成整个频率范围内宽带通信频率的分配。
上述具有高抗干扰性的中压配电网地埋电力线宽带通信方法,所述方法按以下步骤进行处理:
a.频段的划分:
选定中压配电网地埋电缆电力线宽带通信的频率范围为2MHz~20MHz,将其分成两个频段,第一个频段对应的频率范围为2MHz~12.8MHz,第二个频段对应频率范围12.8MHz~20MHz;
b.确定各个频段的调制方式和通道带宽:
每个通道的传输速率为2Mb/s时,第一个频段的调制方式为QPSK、QAM、16QAM或64QAM,通道带宽为0.464MHz,即第一个频段划分为24个通道;第二个频段的调制方式为BPSK或QPSK,通道带宽为1.88MHz,即第二个频段划分为4个通道。
上述具有高抗干扰性的中压配电网地埋电力线宽带通信方法,如果传输速率超过2Mb/s,可以采用合并相邻频道的方法增加带宽,提高传输速率。
本发明通过合理设计中压配电网地埋电缆宽带通信的工作频段和调制方式,两者相互配合,很好地解决了多个通道传送不同信息时容易产生相互干扰的问题,通过合理分配电力线宽带通信资源,提高了数据的传输效率和可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1为中压地埋电力线传输特性;
图2为中压地埋电力线误码率仿真特性;
图3为传输速率的测试结果。
图中和文中各符号表示为:为地埋电缆总的前向传输矩阵,是50米电缆长度等效参数,l是线路长度,Z0是50米长线路的特性阻抗,γ为50米长线路的传播常数,为第一频段一个通道占据的频带宽度,为第二频段一个通道占据的频带宽度,BPSK为二进制相移键控,QPSK为正交相移键控,QAM为正交幅度调制,16QAM为16种符号的正交幅度调制,64QAM为64种符号的正交幅度调制。
具体实施方式
对于一个中压配电网,对地埋电缆的传输特性经过理论推导和实际测试,其总的前向传输矩阵是由部分级联获得,即:
(1)
其中,(2)
是50米电缆长度等效参数。其中,l是线路长度,即50米,Z0是50米长线路的特性阻抗,γ为50米长线路的传播常数,cosh()和sinh()分别为双曲余弦和双曲正弦函数。当长度超过50米时,可按照级联公式(1)计算总的传输特性。如图1所示为300米线路长度时的传输特性。从图中可以看出,具有多个传输衰减很大的频率点,如3.15MHz、4.75MHz、5.45MHz,….等,当信号频率落在这些频率点处时,因传输衰减较大,使用高效调制解调技术时,可能无法有效传输信息,因此,在通道划分时,要考虑衰减的影响,合理划分频段。
图1中给出了2~20MHz的信道衰减特性。在2MHz以下传输时,可能影响到窄带电力线通信。20MHz以上衰减很大,基本不适合长距离数据传输。如果用于短距离的传输,需要采用自适应频率分配方法。
按照IEEEP1901协议规定,采用的调制方式BPSK、QPSK、QAM、16QAM、64QAM中,每个载波的间隔约24.414kHz。从图1可以看出,随着频率的升高,传输衰减越来越大,调制方式必须随着衰减的改变而改变。
要把整个频段分成若干个通道,考虑到通信接口速率为E1标准的速率,即通道的传输速率为2Mb/s时,能很好地满足不同用途。由于整个频段通道衰减变化很大,因此,整个频段不能均匀划分的,而是要根据衰减情况和调制方式结合起来考虑。
第一步:频段的划分
如图1所示,在2MHz到20MHz范围内,根据信道衰减的大小分成两个频段。
第一个频段,对应频率范围2MHz~12.8MHz,信道衰减小于45dB。这段的衰减相对较小,几乎每个频率点都能用于数据传输,可采用高效调制方式,16QAMN、64QAM等。
第二个频段,对应频率范围12.8MHz~20MHz,信道衰减加大,相当多的频率点不能用于数据传输。
第二步:确定第一频段2Mb/s通道的带宽
根据IEEEP1901协议规定,每个OFDM(正交频分复用)数据子载波的符号周期为4.96+5.56=10.52(us),其符号率为1/10.52(us)=0.095MB。采用最高效率的64QAM调制方式,其传输速率为6×0.095MB=0.57Mb/s,即一个64QAM的子载波,其数据传输速率是二进制的6倍。同理,QPSK相当于2倍的二进制速率,即
在第一频段,整个频段适合于选择高效调制方式,即可用64QAM。即使在衰减峰处,信号传输性能变差,也能采用QPSK调制方式。
由于OFDM能自动适应信道的传输特性和噪声情况,因此,一个2Mb/s的通道,安排24=16个子载波。这样安排是因为当信道衰减大时,16个子载波都采用QPSK,也能达到的要求,但不至于恶化到只能采用BPSK的程度。
另外,IEEEP1901协议规定,每5个子载波需要加1个导频信号,则16个子载波需要3个导频,即一个通道有19个子载波。可得,一个通道占据的频带宽度为:
(3)
第三步:第一频段的频道的划分
第一频段的通道划分为:2MHz~2.464MHz、2.464MHz~2.928MHz、2.928MHz~3.392MHz、…..、12.366MHz~12.8MHz。整个频段带宽为12.8MHz-2MHz=10.8MHz,因此,该频段划分10.8/0.464=24个通道。
第四步:确定第二频段2Mb/s通道的带宽
该频段信道最大衰减加大,调制方式只能是QPSK或者BPSK,部分频率点甚至无法用于传输数据,每个通道OFDM子载波数增加到26=64个,导频数量增加到13个。即在信道恶化时,还有1/3强的子载波可传输数据,即还有64/3=22个子载波可传数据。并且,每个子载波只采用最低调制效率的BPSK,总速率22×0.095Mb/s=2.09Mb/s,大于2Mb/s,能满足规定速率的要求。
因此,每个通道的载波数量64个,加13个导频,共77个子载波。因此,每个通道带宽为:
(4)
第五步:通道的划分,从12.8MHZ开始,每隔B2的间隔划分一个通道,即:
12.8MHz~14.68MHz、14.68MHz~16.56MHz、16.56MHz~18.44MHz、18.44MHz~20.32MHz,共4个通道。
整个频段可划分24+4=28个通道,每个通道传输速率为2Mb/s,总传输速率大于28×2=56Mb/s。
在实际应用中,如果传输速率超过2Mb/s,可以采用合并相邻频道的方法增加带宽,以提高传输速率。
图2给出了传输速率与信噪比关系的仿真结果,在发送功率达允许的22dB时,传输速率达到60Mb/s以上。
图3是实测速率,达到了61Mb/s。在图3实测速率中,传输速率测试结果最低为61Mb/s。

Claims (3)

1.一种具有高抗干扰性的中压配电网地埋电力线宽带通信方法,其特征是,所述方法首先根据中压地埋电力线的传输特性,确定中压配电网地埋电缆电力线宽带通信的频率范围,并根据信道衰减情况将宽带通信的整个频率范围划分成几个频段,然后根据各个频段的信道衰减情况和每个通道的传输速率,分别确定各个频段的调制方式和通道带宽,从而完成整个频率范围内宽带通信频率的分配。
2.根据权利要求1所述的具有高抗干扰性的中压配电网地埋电力线宽带通信方法,其特征是,所述方法包括以下步骤:
a.频段的划分:
选定中压配电网地埋电缆电力线宽带通信的频率范围为2MHz~20MHz,将其分成两个频段,第一个频段对应的频率范围为2MHz~12.8MHz,第二个频段对应频率范围12.8MHz~20MHz;
b.确定各个频段的调制方式和通道带宽:
每个通道的传输速率为2Mb/s时,第一个频段的调制方式为QPSK、QAM、16QAM或64QAM,通道带宽为0.464MHz,即第一个频段划分为24个通道;第二个频段的调制方式为BPSK或QPSK,通道带宽为1.88MHz,即第二个频段划分为4个通道。
3.根据权利要求2所述的具有高抗干扰性的中压配电网地埋电力线宽带通信方法,其特征是,如果传输速率超过2Mb/s,可以采用合并相邻频道的方法增加带宽,提高传输速率。
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