CN1131605C - 超低频超窄带配电网通讯系统以及相应的通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超低频超窄带配电网通讯系统。该系统主要解决同类技术通讯距离短，抗干扰能力弱，发射功率大，信号不能穿越配电变压器的不足。采用在变电站一级安装一台接收器，在配电变压器的用户终端处安装若干路发送器的结构，在电力配电网的下游以调制电流信号的方式向上游发送信息。通信频段采用在100Hz以下的超低频段，信号带宽采用0.01Hz以下的超窄带技术，在发送器中以50Hz工频交流电为基准公共载波，将50Hz工频交流电采样分频得到副载波，用数据信号调制副载波，由副载波调制载波。具有抗干扰能力强，发射功率低，可同时发送、接收几千路信号之优点。

Description

超低频超窄带配电网通讯系统以及相应的通讯方法

本发明涉及通信技术领域，具体的说是一种利用超低频超窄带技术的配电网通讯系统

在电力系统中，由于电力配电网络中线路分布的广泛性，使得利用电力配电网络进行数据传输成为测量水、电、气数据和控制负载最有效的途径之一，也是一种最经济方便的方法。图4就是一个配电网络的简单示意图，在此系统中，高压线路是指10KV以上的线路，中压线路和低压线路是指10KV和0.4KV线路。电力系统目前普遍应用的高频载波通信是在高压线路段。也可应用在低压线路段。其通信方法广泛采用高频载波(50K-500KHz)通信法，该方法主要应用在电力传输网络上。其原理是在电力线路上利用中高频载波调频或调相等方法传输信息。通道两端由发射机和接收机分别进行调制和解调，在传输通道上要设置阻波器和滤波器等设备及中继设施。在此频段，线路具有较高的阻抗。载波信号以电压的方式传播，在长线上有较多的损耗，由于频率较高，各相之间交叉干扰严重，频率不能在各相复用。在电力传输线路(高压线路)上由于阻抗容易匹配、特性差异不大，虽说可以较可靠传输，但在通过变压器时，由于高频信号衰减很大，因此必须增设转接设备才能通过。由于在电力配电网络上，电力线路的高频通道特性差异很大，而且对于同一条线路来说，其特性亦呈现时变性，即不同的时段，特性差异很大。因此，电力配电网络对于高频载波信号来说是一种非常恶劣的信道。由于其节点众多、负载多、干扰源分布随机性大，使得高频载波信号很难有效地传输。尽管利用扩频技术可以提高其信噪比和抗衰落性，但还是达不到较好的水平。一般来说，比较好的技术如果能在电力配电网络上能传输500米左右的距离就已经很不错了。要想使传输距离再加大就得设置中继点，而且不能穿越变压器，必须在台区内设置采集集中器。可见，利用中高频载波通信法在配电网络上通信只能适应短距离和可靠性要求不高的场所。而不能对众多的、分布广泛的数据源进行远程、高可靠的、低成本的采集与传输。

本发明的目的是提出一个利用超低频超窄带技术的配电网通讯系统，以达到可以远程传输，抗干扰能力强，信号可穿越变压器，且同时发送、接收几千路信号的效果。

实现本发明目的的技术方案之一是采用通信频段在100Hz以下的超低频段。这是一个其他技术未涉及的区域。由于电力配电网是基于50Hz工频交流电的传输而设计的，因此，信号在这一频段上可顺利通过配电变压器，而无需中继设施，线路的长度和功率因数补偿电容几乎对信号传输没有影响。且各相之间交叉干扰极小，一个频率可以多相复用。在超低频段，噪声以各种方式出现。通常高频噪声由开关、电刷等引起，低频噪声则主要由感应电机或非平衡负荷电机产生。这些噪声可以通过特殊的滤波和调制解调方法使之最小。由于数据通信的速率随带宽的增大而加快，故在中高频段信号可以占用较大的带宽来提高速率，但又由于，电力传输线上电磁干扰的噪声功率也随带宽的增大而线性地增大，因而，宽带信号在传输时就需要比窄带信号更大的功率来克服这一噪声的影响。当信号在一个极窄的带宽内传递时，就可以以一个极小的功率获得大的信噪比。本发明技术方案之二是采用带宽在0.01Hz以下的超窄带技术来进行数据通信。在一个几赫兹的窄频带内可以同时传送几千路的信号。每路信号经同一载波调制后发送到电力线上，由接收部件解调并分离出各路信号，转换成数据信息。整个配电网通讯系统，主要由电力配电网，接收器，发送器组成。电力配电网是一个恒压供电网络，它作为本系统的通信媒介。发送器设置为若干个，分别安装在配电网络的任一终端节点处，由于信号穿越配电变压器，接收器可安装在变电站一级，接收数千多台发送器所发送的数据；多路发送器可同时发送数据，每一路发送器通过电力线耦合器与电力线接合，并联在回路中，既给自身的工作提供电源又向回路以发送调制电流信号的方式向上游发送信息。

该系统的通讯方法特征在于，通信频段选用在100Hz以下的超低频段，进行电力线数据通信，该数据通信的带宽选用0.01Hz以下的超窄带技术进行，发送信息采用由电力配电网的下游向上游发送电流信号的方式，在发送器中采用以50Hz工频交流电为基准的公共载波，将50Hz工频交流电采样分频而得到副载波，发送调制采用先用数据信号调制副载波再由副载波调制载波的方式，并在一个几赫兹的窄频带内同时传送几千路的信号，每路信号经同一载波调制后发送到电力线上，再由接收机以分层解调的方法来恢复数据，即先用模拟解调的方法从载波中恢复副载波，再使用DSP从副载波中解调数据，并以50Hz工频交流电作为参考信号，使用数字信号处理器DSP对副载波信号进行频谱分析、数字滤波和相关解调，分离出各路信号，转换成数据信息。

本发明由于利用超低频、超窄带技术，因而与现有的高频载波通信法相比，具有如下优点：

1.传输距离不受线路长度和配电变压器的限制，可在配电网络上顺利进行远程传输。

2.抗干扰能力极强。

3.发射功率极低，可限定在几个mW之内。

4.可同时发送、接收几千路的信号。

以下结合付图详细说明本发明的结构原理

图1是本发明的系统结构图

图2是本发明的发送器原理图

图3是本发明的接收器原理框图

图4是配电网络示意图

参照图1，本发明的系统主要由电力配电网，接收器，发送器组成。其中，电力配电网是一个恒压供电网络，即配电变压器，发送器设置为若干个，分别安装在配电网络的任一终端节点处，接收器设置为一台，安装在变电站一级，该接收器可以接收其下游所配置的几千台发送器所发送的数据。

参照图2，本发明的发送器主要由电力线耦合器，PM调制器，以50HZ为基准的分频器，FSK调制器，原始数据信号发生器组成

该发送器采用分层调制的方法，即由原始数据信号发生器和FSK调制器先调制一个超低频的副载波，频率范围是1～12.5Hz，每一路发送器都在此副载波频段内定义了一个特定的频率带宽只有0.01Hz以下的频道。该副载波再进入PM调制器，以模拟相位调制法调制一个低频的载波，为了实现统一的频率基准，以利于超窄带信号的解调，采用以50HZ为基准的分频器，其载波使用以50Hz工频交流电为基准的公共载波，副载波使用50Hz工频交流电，经过采样分频得到带宽小于0.01Hz的超窄带信号，即副载波是频分复用的。这样就可以在一个1～12.5Hz的带宽内，同时传送几千路信号，而互不干扰。发送器采用两级调制，其中，第一级调制是数字信号调制模拟信号，采用FSK或ASK的方式，第二级调制是模拟信号调制模拟信号，可采用调相PM、调频FM或调幅AM的方式来实现。经过第二级调制的信号送入电力耦合器发送到电力线路上。该发送器发送数据的速率很低，一个数据位需要30分钟以上。多路发送器可同时发送数据。每一路发送器通过电力线耦合器与电力线接合，并联在回路中，既给自身的工作提供电源又向回路发送调制电流信号。

参照图3，本发明的接收器由带通滤波器(1)滤去边带以外的噪声，充分抑制电力线上的负载扰动和电磁干扰，然后经模拟的相位解调器(2)恢复出副载波信号而将载波信号充分地抑制。再经缓冲放大器(3)调整到适当的电平，送入A/D变换器(4)，转换为数字信号。数字信号处理器(5)是本接收器的关键，对超窄带信号的处理，无法用普通的模拟方法来实现，只能用数字信号处理器在高精度频谱分析的基础上，进行数字滤波和相关能调的方法来实现。由于每一路发送器都确定了唯一的频率，而该频率是由50Hz分频得到的，因此信号具有良好的相关性，在接收器中同时将50Hz频率经过采样送入DSP分频后作为参考信号与所处理的信号进行相关。它需要对副载波信号进行长时间采集、处理、运算，才能完成对带宽只有0.01Hz以下的信号的分辩。经它解调后的数据送入专用微处理器进行存储、显示、打印或与其他计算机进行的通信。从而完成整个的超窄带信号接收处理过程。

Claims (4)

1.一种利用超低频超窄带技术的配电网通讯系统，主要由变电站，电力配电网，接收器，发送器组成，电力配电网是一个恒压供电网络，即配电变压器，发送器设置为若干个，分别安装在配电网络的任一终端节点处，其特征在于：

(1)接收器安装在变电站一级，接收数千台发送器所发送的数据；

(2)多路发送器设置在电力配电网的下游，以调制电流信号的方式向上游同时发送数据信号，该信号可穿越配电变压器传输到变电站。

2.根据权利要求1所述的通讯系统，其特征在于发送器主要由电力线耦合器，PM调制器，以50HZ为基准的分频器，FSK调制器，原始数据信号发生器组成，通过对50Hz工频交流电采样分频得到超窄带副载波信号，由原始数据信号对该负载波进行FSK调制，经过调制的副载波信号再进入PM调制器，对载波进行模拟调制，PM调制器输出的信号送入电力线耦合器发送到电力线上。

3.根据权利要求1所述的通讯系统，其特征在于接收器由带通滤波器，经模拟的相位解调器，副载波缓冲放大器，A/D变换器，数字信号处理器DSP组成，由带通滤波器滤去边带以外的噪声，抑制电力线上的负载扰动和电磁干扰，然后经模拟的相位解调器恢复出副载波信号，再经副载波缓冲放大器调整电平，送入A/D变换器转换为数字信号，最后送入数字信号处理器DSP，对副载波信号进行频谱分析、数字滤波和相关解调。

4.一种利用超低频超窄带技术的配电网通讯方法，其特征在于按如下步骤进行：

(1)设定通信频段与发送方式：

a.选用100Hz以下的超低频作为通信频段，进行电力线数据通信，该数据通信的带宽选用0.01Hz以下的超窄带进行；

b.发送信息采用由电力配电网的下游向上游发送的方式；

c.在发送器中采用以50Hz工作交流电为基准的公共载波，并将50Hz的工频交流电采样分频而得到副载波；

d.发送调制采用数据信号调制副载波，而副载波调制载波的方式；

(2)发送器将几千路的信号在一个几赫兹的窄频带内同时传送出去，且每路的信号经同一载波调制后发送到电力线上；

(3)接收机按如下分层进行解调恢复数据；

①先通过模拟解调从载波中恢复副载波；

②再用DSP从副载波中解调数据；

③最后以50Hz的工作交流电作为参考信号，用数字信号处理器DSP对副载波信号进行频谱分析、数字滤波和相关解调，分离出各路信号转换成数据信息。

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