电力线通信研究论文

2022-04-18

摘要：主要研究了基于OFDM系统的低压电力线通信的信道估计问题。通过分析低压电力线信道特性，提出一种适合电力线信道且不需要导频的判决反馈信道估计方法。在信道慢时变的条件下，这种方法能够提高系统的传输效率。通过仿真电力线信道特性和OFDM系统，将这种信道估计方法应用在仿真系统中，能够得到较好的性能。下面是小编整理的《电力线通信研究论文(精选3篇)》，希望对大家有所帮助。

电力线通信研究论文篇1：

电力线通信在电力系统中应用的研究分析

摘要：电力线通信技术已经突破了仅仅限于使用单片机应用的限制，已经进入了数字化应用时代，随着信息技术的不断发展和社会需要，电力线通信载波技术已经得到了前所未有的重视和发展。本文主要介绍电力线通信技术的基本含义原理、现状、技术关键和使用范围，并把其和传统的通信技术进行比较，重点介绍利用电力线进行信息通信的好处和具体应用，从而对电力系统的远程监控和远程抄表具有重大的现实意义。

关键词：电力线；载波技术；通信技术

一、引言

目前用于衡量一个国家信息技术发展程度的重要标志之一就是通信技术，这也是各个国家竞相发展的主要内容，很多具有现实意义的通信技术已经形成了具有规模化的生产和应用。而电力线载波通信和网络通信技术的结合又是通信领域内的一次巨大的飞跃，具有极大的现实意义[1]。

二、含义

电力线通信全称是电力线载波通信，是指利用高中压电力线或低压配电线（380/220V用户线）作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式[2]。该技术的具体工作方式通常是把载有信息的信号加载到电流上然后用电力线进行传输，接受端的适配器把传送的信号从电流中分离出来并且传送到计算机或电话上进而实现信息的传递。该技术的关键和优势是不需要重新布线，利用现有的无处不在的电力线，只需要终端用户插上电源插头或接线就可以完成信息传送。通过电力线进行宽带上网进行网络IP数字信号的传输已经成为电力线传输信息的最普遍的应用。

三、现状

电力线通信技术出现于20世纪20年代初期，当时主要用于电话信号的传输，后来技术进展逐渐加快。已经出现了共同的家用电力线网络通讯技术标准。在中国，20世纪40年代开始逐步进行电力线通信应用。在2001年8月，第一个实验网络在沈阳建成；2001年12月国电通信中心在北京某居民区开展电力线通信应用试验；福建省电力试验研究院又研制成功了“数字化输电线路技术”的核心产品，并在北京某生活小区成功地进行了因特网接入试验，初步取得较理想效果。目前，高速电力线通信已经为宽带接入通信做出了巨大贡献。

中国的电力通信网络经过若干年的辛苦建设，已经初具规模，从通信电缆和电力线载波通信方式到包含光纤、微波、卫星等多种通信方式并用的覆盖全国30多个省（市、区）的交叉式立体通信网络。整个中国电力系统电力通信的发展，从无到有，从小到大，并且占据了越来越强大的地位。随着通信行业的成熟发展以及在社会中作用的不断提高，以电力线通信为基础的业务在各种信息的传输场合得到了巨大的应用。不但在电力系统的发电、送电、变电、配电、用电等部分的联合运转中卓有成效，而且在保证电力系统电网安全、经济、稳定、可靠的运行方面发挥了应有的作用。另外在各行各业如客户服务中心、营销系统、地理信息系统（GIS）、视频会议、人力资源管理系统、办公自动化系统（OA）、IP电话等多种数据业务方面和基建、行政、水库调度、防汛、燃料调度、电力调度、继电保护等场合得到发展。虽然电力线通信对于电力系统自身的经济效益的取得没有很直接的体现，但是它能够产生并隐含在电力系统管理及生产中的经济效益是极其巨大的。

四、电力线通信具体应用

电力线通信方式利用其独特的成熟的发展优势越来越被社会所重视，因为输电线路是架设电力特殊光缆的极好资源，经济、快速、安全、可靠；而遍布全国各大城市的电缆管道和电杆是建设光纤接入网的极好资源；电力线通信技术日益成熟，为用户接入提供了首选手段；其它具有电力特色的技术，如无源光纤接入、无线宽带、多点扩频系统等，使电力资源得到充分有效的利用和发挥。

（一）可以发挥自身优势促进本系统发展

目前国内外研究出来很多可供电力部门所使用的防盗设备或软件，但是这些设备或系统大部分是与目前电力部门所主要依靠的并且普遍使用的电力线没有任何的关系，是一套独立与电力线的设备，这就给电力部门造成了很大的压力。例如在防窃电方面，现在的窃电者越来越会采用高科技手段进行盗窃，对于使用普通GSM报警器对变压器设备进行防盗的场合，作用不大，因为盗窃者会利用GSM屏蔽器先把报警器屏蔽而不能报警，然后再对电力能源进行盗窃或对电表箱进行破坏，因此给电力系统带来很多的不安全因素。

电力系统本身最主要也是最基本的功能就是输配电，那么除了这个作用，电力系统还可以对本系统中其它功能的实现做出巨大贡獻，比如电力系统的智能抄表、变压器防盗、电力系统电表箱防盗、远程电力防盗系统等均可以利用电力线来实现。我国在早期的实际电力应用中，由于电网环境比较恶劣，信道衰减大、干扰较强和波动范围大等特点，导致数据采集的准确率和实时性不能全面的满足用户对实际通信的需求。但是随着数字技术的不断改进和发展，改善并提高了电力线通信的可用性和可靠性，并且不需要大规模改造电力系统现有设备，只需增加相应装置，利用电力线实时传输信号和设备状态至集中的控制位置并采用专门的软件进行识别。电力线通信技术的应用前景变得越来越广阔，对于电力系统本身的发展会起到非常大的促进作用。

电力线通信和输配电线路具有等时性，只要电力输电线架通到哪里，电力通信就可以延伸到哪里，目前我国110kV输电线路上和35kV的农网上还有大量的电力线载波机在运行，庞大的电力线载波通信担负着电网内调度和远程信息的传输，对电力系统的安全、稳定、经济运行起着重要的作用，因此对这种廉价的电力系统具有的信道资源应该大力开发，加以合理的发展和利用，使之与高速信息传递技术长期并存，互为补充[3]。对电力系统的现代化电力管理提供传输通道，实现电力、数据和图像信息综合业务传输的通信技术。

（二）可以作为常规通信介质使用

在我国，电力系统已经普及，电力线几乎遍布城乡、四通八达，利用这种与用户直接相连的220W380V低压电力线进行高速传输信息，不但可以免除布线这个最麻烦的环节，而且具有覆盖范围广、连接方便的显著优点，电力线通信网络被认为是提供“最后一公里”通信解决方案中最具竞争力的技术之一[3]。与常规通信介质网络相比较，电力线通信基础设施完备，无需任何布线，避免了对建筑物的损坏，节约资源，节省资金、人力、物力和时间。

电力线通信这个传输媒介是全球覆盖最广阔的网络，无需新布线就可以将信号传输到任何有电的地方，不受地形、地貌的影响，投资少，施工期短，设备简单，可以同其他通信手段一起实现网络互联。如果使用高压输电线进行信息传送，那么这种通信方式可靠性会更高，因为高压输电线结构稳固，安全设计系数比光纤的安全设计系数还要高很多。

（三）现代生活智能管理的美好展望

实现现代家居的智能自动化管理的有效手段常采用低速的电力线通信网络，通过在住宅内遍布的电源插座，可对智能家用电器连网，并通过网关与外部连接。住宅主人在家可以享受数字化住宅设施的舒适和便利，在外可以通过接入的网络及时了解和设定住宅内设施。高速的电力线通信网络可以为人们提供Internet接入服务，并且可以享受居家视听一体化的服务。通过电力线通信实现网络浏览、网上购物、视频点播以及可视电话等[4]。利用电力线通信的永久连接在线，可构建住宅楼宇自动化系统，如防火、防盗、防有毒气体泄漏的保安监控系统让上班族倍感放心，医疗急救系统让住有老人、儿童或病人的家庭心里踏实。以上技术有些已经在国外成为现实，而其它甚至更好的未来正在探求之中。可以預测，电力线通信网络这一新技术对促进经济发展必将带来新的机遇。尤其对于中国这样的发展中国家，经济实力不够强大，要赶超发达国家的信息化水平，需要投入巨大的资金，而电力线通信网络提供了另一种可能的技术手段，这种技术手段可以帮助我们以较少的投入加快国家信息化的进程，加快脚步研究出适合中国电力网环境的电力线通信网络技术[5]。

五、总结

在现代社会，电力供应在人们的工作和生活中扮演着非常重要的角色。电力系统本身优势明显，不但可以为本系统做到最好的服务和管理，还可以发挥其它功效，从而使其优势进一步得到更大的发挥，可以有效解决自身的功耗问题，使电力系统的经济损失显著减少，并提高了电力使用的安全性和可靠性。基于电力线通信的系统研究可以使用的区域范围广泛，不仅用于分布集中的住宅区，更可以主要应用于大型工矿企业和自助变电站、储存仓库、金融的房间、停车场等，使电力系统发挥出巨大的作用。

电力线通信技术是一个刚刚兴起的研究课题，在国内外仍处于不成熟的初期研究阶段，需要我们从概念定义、理论研究、技术标准、工程试点以及管制政策等方面进行大量不懈的深入研究，才能够取得美好的前景。

参考文献：

[1]靳保康.低压电力线路通讯网络技术发展的研究[J].计算机光盘与软件应用，2013，8：289-290.

[2]李洪民.电力线通信技术及其应用[J].数字技术与应用，2013，6：42，44.

[3]王军凯.电力线载波通信电路设计[J].中小企业管理与科技，2013，6：269.

[4]孟逢逢.基于电力线通信的信息家电网络系统[J].上海电力学院学报，2013，6：230-232.

[5]李非文.低压电力线通讯网络技术发展的研究[J].无线互联科技，2013，6：6-8.

[作者简介]季鹏伟（1968-），女，吉林长春人，长春工程学院，教授；王丽平（1974-），女，吉林长春人，长春工程学院，讲师。

作者：季鹏伟　王丽平

电力线通信研究论文篇2：

基于ＯＦＤＭ系统的低压电力线通信信道估计的研究

摘要：主要研究了基于OFDM系统的低压电力线通信的信道估计问题。通过分析低压电力线信道特性，提出一种适合电力线信道且不需要导频的判决反馈信道估计方法。在信道慢时变的条件下，这种方法能够提高系统的传输效率。通过仿真电力线信道特性和OFDM系统，将这种信道估计方法应用在仿真系统中，能够得到较好的性能。

关键词：电力线通信；OFDM系统；信道估计；判决反馈

0 前言

低压电力线通信能够通过低压配电网络提供高速的数据服务，将是未来的一种有效通信方式。它无需重新架设新的网络基础设施，大大降低了成本，优于传统的通信方式。但是，考虑到电力线信道较差的特性，需要设计合适的通信方案以克服信道衰落。

正交频分复用（OFDM）技术是一种有效的对抗频谱衰落的调制方式，它通过DFT将串行数据调制到并行的正交子载波上，因而能够对抗信道的多径效应和符号间干扰。这些特性使它非常适合低压电力线通信。

在OFDM系统的发送端, 使用QAM,PSK或DPSK数据调制将输入数字信号映射成复信号，之后进行离散傅立叶变换(DFT)，将这些复数据调制到一些独立的正交子载波上。在接收端,可以根据发射机来选择非相干和相干解调方式。如果使用非相干OFDM系统,将有3db的性能损失。为了提高系统的性能, 应采用相干OFDM系统。使用相干OFDM系统，就必须进行信道估计。本文通过分析低压电力线信道特性，提出了适合电力线信道的判决反馈信道估计方法。

1 低压电力线信道特性

低压电力线信道和传统的通信传输介质相比，比如双绞线、同轴电缆和光纤电缆等，在拓扑结构和物理特性上具有很大的不同。当传输通信信号时，电力线信道的特性非常复杂。它具有各种负荷，严重的噪声和衰减，因此不是一种好的传输通信信号的介质。所以必须对信道特性进行分析，以寻找合适的通信方法。一般来说, 对电力线信道的分析主要是阻抗、衰减和噪声性能这三个主要参数。

实验表明，电力线信道的阻抗在大多数情况下非常低,它是频率的函数，随着频率的变化而变化。但是,它并不随频率成线性变化,它也受时间、负载和位置的影响。如果发射机的内部阻抗与电力线信道的阻抗不匹配,就会产生很大的耦合损失。所以设计好的发射机应该有一个尽可能低的输出阻抗与信道阻抗相匹配。

电力线信道衰减是由多种因素造成的。由于电缆的衰落或者辐射，信号的衰减通常随着电缆长度和信号频率的增加而增加。此外,由于低压主电网比较复杂, 网络上有许多不匹配的接入节点，就会产生反射波和驻波。信号除了直线传输外，还会有多径传输，从而导致信道具有频率选择性衰减特性。为了研究低压电力线信道的特性,文献［2］做了大量连续的测量，通过测量值得出了传输性能，见图1。从图1可以看出, 在一段时间内传输特性变化不大，低压电力线信道具有慢时变的特点。

由于电力线网络复杂环境,信道噪声不能归结为简单的加性高斯白噪声。在通常情况下,电力线信道的噪声可分为有色背景噪声、窄带噪声、与主电网异步的周期脉冲噪声、与主电网同步的周期脉冲噪声和突发噪声。第一到第三种噪声，在几秒几分钟甚至几小时内都可以保持不变, 可以概括为背景噪声。第四和第五种噪声在微秒和毫秒级是时变的。多种噪声的叠加，使得噪声很难进行量化。不过研究表明, 随着频率的增加，一般噪声的功率谱密度会下降，通过分析噪声的功率谱密度,背景噪声在高频率段可以近似认为是白噪声，在通信中背景噪声比周期性噪声和冲激噪声的影响更大。基于这种分析,电力线噪声在仿真中可以归结为白色噪声和周期性噪声。

2 OFDM系统介绍

OFDM技术是一种特殊的多载波传输技术。它是一种并行传输方式，将串行高速数据流传输转化为并行的低速数据流传输, 每一个子数据流被调制在一个单独的子载波上。并行通信延长了信号的传输时间,可以有效地降低多径的影响。加入循环前缀的目的是为了消除ISI（码间干扰）并保护正交子载波。由于子载波正交，每个子信道的频谱可以重叠，提高了信道的频谱利用率。所有这些优点使OFDM系统适合低压电力线通信。

3 基于判决反馈的信道估计

如果OFDM系统采用相干检测，则必须进行信道估计。信道估计技术可以分为两大类:①训练序列方法，从训练序列或导频符号估计信道的信息；②盲信道估计法，直接从数据符号估计信道信息。本文提出了一种基于判决反馈的方法来估计OFDM系统的电力线信道。

3.1 低压电力线信道建模

由于电力线网络的阻抗不连续性和存在许多分支节点，电力线信道可视为具有多径传播特性，因此使用多径传播模型来表征这种特性。为了方便起见，假定发射机和接收机的阻抗完全匹配。图3是一个N径回波模型。

式中gi为路径i的衰减系数,τi为信号通过路径i时的延时。假设信道冲激响应的最大采样延时是L,则此信道就可以用FIR滤波器建模。

3.2 电力线通道的判决反馈信道估计

由于电力线通道的慢时变特性, 符号间的信道特性可视为是时不变的。因此,可以采用判决反馈的信道估计方法,它利用判决反馈值估计信道，然后用估计值来均衡下一个OFDM符号。这一方法不需要导频符号，从而提高了传输效率。图4给出了信道估计器的结构。

信道估计算法可以详细地表达为:①初始化信道估计，发送3个OFDM符号作为训练序列来获得信道的初始信息；②初始化后,判决反馈值作为期望值, 然后用递推LS算法来估计信道；③由于信道噪声和估计噪声的影响, 估计值应进行低通滤波,以减少噪声；④使用经过时域滤波后的估计值来均衡下一个OFDM符号；⑤利用纠错码的纠错能力来实现传输序列的可靠估计；⑥在“反馈环”中使用纠错后的估计序列来进行下一个符号的信道估计,以使这一信道估计过程能够循环进行。

这个信道估计算法是一个循环反馈过程。相对于一个OFDM符号持续时间来说，电力线信道是慢时变的，所以两个相邻符号的信道特性可以视为时不变的。利用这一特性, 在反馈回路可以使用这种信道估计算法。该算法的优点是不需要导频符号，能够提高数字通信的效率,而且在估计中延迟仅一个符号的持续时间, 这样可以满足实时传输的要求。

4 仿真

4.1 仿真参数

仿真参数见表1。传输带宽为15MHZ适合高速的PLC。调制方案采用是16QAM。FFT的数目为1024，有用的子载波的个数为800。循环前缀是符号持续时间的1/4,大于信道冲激响应的最大延迟时间。所以总符号持续时间是有用符号的持续时间加上循环前缀的时间。

4.2 电力线信道模型仿真

由于复杂的拓扑结构和物理特性, 目前还没有标准的低压电力线信道模型。但是,我们可以选择一个能够反映频率选择性衰减和多径传输等主要特点的模型作为仿真模型。所以有人提出了信道模型,这是个四路径的模型,包括电力线通道的主要性能,并在实际中进行了测试。信道的频域传输特性如图5。

4.3 仿真结果

本文对两种信道估计方法进行了仿真，一种方法在文献［3］中的训练序列方法,另一种方法是本文基于判决反馈的方法。仿真结果见图6。

在图6中,“*”代表［3］中的方法，“o”代表本文中的方法。从图中可以看出本文中的方法比［3］中的性能要好。在高信噪比条件下它比［3］中的方法有2db的改善。这种方法的性能较好，是因为它能通过判决反馈值跟踪信道的缓慢变化。

6 结论

本文分析了低压电力线信道的特性。低压电力线信道相对于通信信号传输时间而言，具有慢时变性。针对这种特点，提出了OFDM系统中基于判决反馈的信道估计方法。该信道估计只需要延迟一个OFDM符号，能够保证信道的实时估计，符合实时通信的要求。仿真表明，这种方法的误码率能够达到通信的要求，因此是一种有效的OFDM系统中低压电力线通信信道估计方法。

参考文献

［1］Ye li, Leonard J. Cimini, Jr , Nelson R.Sollenberger ,Robust Channel Estimation for OFDM Systems with Rapid Dispersive Fading Channels. IEEE Trans. Communications, 1998,46(7):902-915

［2］Guo Jingbo, Wang Zanji, Spread spectrum signal transmission over low voltage distribution networks and realization countermeasures of the ommunication system. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering 2001,21(7):78-82

［3］Lv Haifeng, Guo Jingbo, Wang Zanji, Real time channel estimation of power line OFDM communications , Automation of Electric Power System2003, 27(9)：29-31

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

作者：贾景谱　耿　煊