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单相智能电表之电力线载波通信

1、 研究设计背景 1.1综述

低压电力线载波PLC(Power Line Carrier)通信是以低压配电线(380 V／220 V电力线)作为信息传输媒介进行数据或语音等传输的一种特殊通信方式。电力线网络是目前覆盖范围最广的网络，有着巨大的潜在利用价值。国外对此研究已有近百年的历史，在理论和技术上有着绝对的优势。我国电力网比较独特，直接利用国外先进技术和产品并不能取得令人满意的效果。目前国内参与低压电力载波通信研究的公司、高校及研究机构日益增多，已经在通信信道的特性分析和建模、关键的调制技术的研究、通信芯片及相应产品的研制和应用、市场化运营及相关法规制定等方面取得了一定的成果。 1.2发展历程及现状

1.2.1 国外发展情况

电力线是最普及、覆盖范围最为广阔的一种物理介质，因此，电力线载波通信作为上一世纪20年代的产物，现在利用电力线高速数据通信技术仍然是国内外许多大公司的热点。

97年英国的Norweb通讯公司和加拿大Nortel(北电网络)利用丌发的数字电力线载波技术，实现了在低压配电网上进行的1Mbit／s的速率数据传输的远程通信，并进行了该技术市场推广。

随后，许多国家研究机构纷纷开展了高速电力线通信技术的研究和开发，产品的传输速率也从1Mbit／s发展到2、14、24Mbit／s甚至更高。

国际各大公司纷纷推出PLC调制解调芯片，其中主要有美国Intellon公司的14、54、85和200Mbit／s芯片，西班牙DS2公司45和200Mbit／s芯片等等。其中以美国Intellon公司的14 Mbit／s芯片应用最为普遍，大部分电力线载波系统都是基于该芯片开发的。

目前，电力线载波通信在欧洲发展比较快，欧盟为促进电力线载波技术发展，在2004年启动了OPERA(Open PLC European Research Alliance)的计划，致力于制定欧洲统一的PLC技术标准，推动大规模的商业化应用，并将PLC作为实现信息化欧洲的重要技术手段。

美国也不甘示弱，在它倡导下成立了“家庭插电联盟”，致力于标准研究，

并发布了第一个PLC标准Home．Plu91．0。

日本对PLC的态度，经历了从初期怀疑否定、到开放试验、直至今日的积极推动的三个阶段。

到目前为止，PLC的试验网络已经遍及各大洲许多国家，未来PLC商业化只是一个时间问题。

1.2.2 国内发展情况

相比国外而言，我国的电力载波通信起步较晚，但发展迅速。最早展开研究的是1997年由中国电力科学研究院进行的对我国低压配电网传输特性和参数的测试和分析。90年代末期，针对国内电网特性而设计的载波处理方案的制定使得早期产品在稳定性上逐步接近实用。2000年我国开始引进国外的PLC芯片，研制了2 Mbps样机。2000年末，国家电力总公司颁布了关于利用电力线载波集中抄表技术的若干技术条件。国家电力公司国电通信中心于2001年初成立了电力线通信推广办公室。2001年底，福建电力实验研究院开发成功了“电力线高速数据通信”技术的核心产品一电力调制解调器及多个相关产品，其传输速率可以达到10 Mbps。2002年初，国家电力公司在北京广华轩小区进行了通过电力线上网的试验，小区用户反映良好。2003年我国成功研制出了EPLC一45M和EPL．14M系统。2006年以中电飞华公司为代表，已在北京开通了5个以上的电力线上网实验小区，用户反映非常满意，只是网速会在特定的时候突然衰减。

近十年来，包括清华大学、西安交通大学和华中科技人学在内的高校和科研单位及困内相关公司对低压电力载波通信进行了大量研究，并取得了一定的成果[91。国内前期的研究主要侧蕈于利用国外已有的固化PLC调制技术和芯片进行扩展开发。近几年针对国内配电网的信道特性所进行的调制技术的研究及载波芯片研制取得了突破。但是目前国内相关的法律法规及政策还不健全，如何充分开发和利用宝贵的电力网络资源，实现低压电力载波通信高速、安全和大规模的应用，仍需要很长一段时间的研究和摸索。 1.3电力线载波通信前景以及研究重点

由于低压电力载波通信技术已经逐渐成为国内外通信领域的研究热点，其具有极大的市场潜力和广阔的应用前景。由于我国低压电力网非常独特，通信环境相当恶劣，不利于通信信道的分析和建模，更不能直接利用国外的技术和产品。

但随着国内越来越多的研究机构和公司的参与，我国的低压电力学载波通信出现论文方兴未艾的局面。自主电力载波芯片的研制标志着我国在这一领域迈出了实质性的一大步。目前国外不少重量级公司(例如Microsoft、Intellon、3COM、AMD等) 都不惜高昂的研发费用，致力于高速、可靠、安全的低压电力载波通信系统的研发。考虑到与国外的差距和发展现状，我困低压电力载波通信在未来5～10年内的研究重点将包括四个方面：(1)低压电力线通信信道的分析和建模；(2)载波通信关键技术的研究lrlO,J新；(3)高速、安全且低功耗的电力载波芯片和模块的研制；(4)相关组织、技术标准和法律法规的建设。其具体的应用方向除了远程自动抄表及监控管理系统、家居智能化以及新型智能化小区外，在农业节水灌溉监测与控制和农产品流通过程信息化方面也将有着广阔的应用前景。 2、 研究设计过程 2.1 功能模块介绍

单相智能电表总的框图如下图所示：

图1、单相智能电表框图

采集器信号采集，通过穿将若干用户单元的信号转换成数字信号传递到单片机的I/O口，输入的采集信号将接受单片机的处理、存储并在接收到发送信号以后，通过对通信芯片的控制，把信号转化为能够在电力线传到的特殊波形信号使信号在电力线网络上进行传导，然后在另一端的电力载波通信芯片将侦测到该信号，并将其转换为数字信号传输给集中器，集中器通过与上位计算机的通信将采集到的信号统一处理并加以控制，以达到整个网络实现的通信目的。

其中，电力线载波通信系统由载波耦合电路、信号发送电路（信号功率放大电路和功率输出控制电路）、滤波接收单元（接受滤波电路和解调电路）、电力线载波扩频通信芯片等组成。其主要模块框图如下图2所示：