电力线通信技术之电力传输网系统及其特性.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,S,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,S,第二章,电力传输网系统及其特征,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第1页,第二章目录,2.1现行电力网络拓扑结构,2.2,作为通信介质电力网络分析,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第2页,2.1,现行电力网络拓扑结构,2.2作为通信介质电力网络分析,第二章目录,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第3页,2.1.1 低压供电网拓扑结构,低压供电网是由各种各样不一样技术产品来组织（包含不一样类型电缆、变压器等），是按照已经有电力行业标准安装。电力网中存在架空电缆和地下电缆，它们含有不一样传输特点，甚至还有两种方式混合。低压供电网拓扑结构在不一样地方也有不一样结构，影响电力线通信网络结构原因有：,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第4页,（1）网络位置,一个电力线通信网络可能位于居民住宅区、工业区或者商业区。另外，在农村和城镇住宅区也有差异。在工业区和商业区存在更多电力用户，他们都是电力线通信服务潜在用户，而且能够预见商业区用户所需要服务要求与工业区用户尤其是居民区用户服务要求还有较大差距，一样差距也存在与农村和城镇之间。,（2）用户密度,各个网络中用户数量以及用户集中度均不一样，在用户密度比较低地域，如农村，在一个网络中可能只有一个用户。相反，在用户密度比较高地域，如城镇居民区，在一个很小一块中就存在很多用户，而在大商业区，在一座建筑里就存在大量用户，用户密度非常高。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第5页,（3）网络长度,在各个供电网络中变压器与用户之间最长距离也是不一样，这种差异在农村和城镇之间是很显著。,（4）网络设计,低压供电网通常包含几个网络分支，而且各个网络都是不一样。,图2.1表示了一个电力线通信可能结构。在这个网络中存在几个分支，每个分支含有不一样拓扑连接不一样用户数量。用户密度不一样，对称或非对称地分布在低压网络中或各个分支上，分支长度也不相同。整个网络和它分支都含有树形拓扑。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第6页,网络中用户数：为250400,（只是电力线通信潜在用户）；,网络分支数：大约为5；,一个网络分支用户数：为5080；,网络长度：大约500 m。,图,2.1,低压供电网可能拓扑图,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第7页,2.1.2,PLC接入网组织,在一个PLC接入网中有一个通信基站，这个基站将PLC接入系统连到主干网上（广域网），所以基站在一个PLC网络中心位置。基站位置设置能够参考以下两个方案：,基站在变压器位置接入WAN，PLC接入网保持低压供电网拓扑如图2.2所表示。,将基站设在靠近PLC用户地点或其它任何位置。PLC网络拓扑结构就改变了，将不一样于供电网拓扑结构，如图2.3所表示。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第8页,图2.2 基站设在变压器,PLC网络结构,图2.3 PLC接入网和,对应供电网,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第9页,假如基站不是位于变压器位置，那么PLC网络中央节点（连接到主干网节点）就移动到网络中其它位置。当然，基站位置只能沿着已经存在供电网格移动，如图2.3所表示。这么在各种网络中改变可能仅仅是基站和用户之间距离而已。所以，PLC接入网拓扑普通是保持不变，基本保持树形结构。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第10页,对于网络分段来说，一个PLC接入网能够包含整个低压供电网，也能够只包含供电网一部分。为了降低每一个PLC系统用户数量和网络长度，能够把一个供电网分成几个部分（比如，每个网络部分一个PLC系统）。这么几个PLC系统就能够在一个供电网中同时工作，如图2.4所表示。一个供电网被分成三个网络部分，每一部分有一个基站，组成一个连接有一定数量用户独立PLC接入网。所以，在这个供电网中存在三个独立PLC接入系统，共享网络带宽用户数量就降低了。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第11页,网络分段一个结果是降低了最初PLC网络长度，这么就能够降低信号传输功率。因为要考虑电磁兼容性，所以信号传输功率是一个非常主要问题，而且在一个网络部分潜在用户数量要小于整个供电网数量，也就是共享网络传输带宽用户数量降低了。网络分段不一定必须局限于网络分支，供电网每一部分都能够组成一个独立PLC接入系统。总之，它降低了网络长度和接入单独一个PLC接入系统用户数量。我们能够认为在一个低压供电网中独立PLC系统依然保持树形拓扑。,图2.4 并行PLC接入系统,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第12页,每一个单独PLC接入系统（见图2.4）都能够分别连接到WAN，来组成一个独立PLC接入网，如右图2.5所表示。,图2.5 供电网中独立PLC接入网,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第13页,接入到关键网另一个可能方法是基站使用供电网作为传输介质连接到中心基站上，中心基站（见图2.6中BS-0）连接到骨干网，从而组成了一个双层次网络。一样，多层次PLC网络也能够实现。这么，基站就要分享PLC媒质来和上层网络通信，或者是保留一部分频谱资源来完成这种通信。这都会造成已经有网络带宽降低，所以这么分层PLC网络有很大缺点，最好不要采取。,图2.6 分两个层次PLC接入网络,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第14页,然而，假如基站和上层网络层次中心节点之间距离很短，上层网络能够到达更高数据传输率。假如基站在和上层网络通信时传输带宽没有什么困难，这种网络结构还是有一定意义。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第15页,2.1.3,家庭内部PLC网络结构,家庭内部电路是PLC传输介质一个简单扩展。内部网络经过网关连接到网络，可能不但仅是经过一个PLC系统接入，也可能是使用其它接入技术，如DSL。,PLC家庭内部网实现有两种方式：,1、独立系统,2、网关接入,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第16页,2.1.3.1 独立系统,一个家庭内部网是作为一个独立系统存在。,内部电网只是一个均质PLC接入网一部分。经过低压电力网传输通信信号不会到电表就截止了，而是继续传输进入家庭内部个供电网络（如图2.7所表示）。这么，经过家里每个插座都能够连接到PLC接入系统中。作为PLC接入网一部分内部布线一样是树形结构。,图2.7 家庭内部PLC网拓扑,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第17页,2.1.3.2网关接入,家庭内部PLC网也能够经过网关接入到任何接入网上。在这种情况中，网关在接入网位置是作为一个用户，而在内部PLC网络中是作为一个基站。假如接入网也采取PLC接入技术，那么网关应该放在电表位置，在这一点能够使家庭内部每一点都能够使用PLC接入。一样假如接入网采取是其它技术，那么这一点也是非常好选择。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第18页,独立家庭内部PLC网路应该包含一个基站，利用这个基站来管理整个家庭PLC系统。我们能够假设这个基站一样位于电表位。内部PLC网一样保持树形拓扑，即使基站移动到其它位置，依然会保持树形结构。家庭内部网长度会远小于接入网长度。,一些内部网可能采取分布式网络来组织，这么就是一个不需要PLC基站网络结构。这在独立内部PLC网络中是常见，它是在全部网络站点之间采取协调机制来实现通信。一样，在这种PLC网络中依然保持着树形网络结构。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第19页,前文讨论了网络中基站位置、网络分割、家庭内部网等，在一个实际网络中还会包括几个PLC系统互连和中继。实际网络必定会非常复杂，这就要求我们在实际分析组网中碰到问题要灵活地处理。,建筑区域网络、办公室电力网络、公寓电力网络和家庭电力网络有着相同拓扑结构。,电力网络分布广泛，是电力线通信系统最大优势所在，它掐住了任何产业结构咽喉成本控制。不过在电力网络中，因为电力线信道特征（详见第3章），所以，电力网络并不能较平衡地实现全覆盖网络。,我们极难去改变现有电力布线结构，不过基于网络通信设备安装保护以及对电力线网络故障有效诊疗，必须检测电力线网络质量。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第20页,当前，经过测量传输点到点信号强度和TCP/UPD传输速率来反应电力线网络质量测量设备已经开始研发，比如美国Asoka企业PNT（Performance Network Tester）工具。它包含两,tianhf1,部分：一个PTD（PNT Device）用往返滚数据传输，另一个THD（Test Host Adaptor）用来连接计算机进行测试计算和在计算机上运行软件GUI（Graphical User Interface）。其中，在PTD中嵌入了代理服务，支持上传和下载业务；THD是PLC AV/Turbo适配器，与PLC网络任意节点和测试主机。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第21页,2.1.4 逻辑网络模型,就像前面讨论过PLC网络实现，PLC接入网是经过基站连接到骨干网络上。这种连接在全部PLC接入系统都是存在，和基站位置和供电网中PLC用户数量没相关系。用户和WAN之间通信都是经过基站来实现，而同一个网络中用户之间通信也是经过基站来实现。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第22页,比如，同一个网络中用户之间数据通信是经过Internet服务来进行，而这种服务普通位于PLC网络之外。假如考虑电话服务，一样是经过一个位于WAN交换系统进行。所以我们能够认为在一个PLC网络中有两个数据传输方向：,从基站到用户下行方向；,从用户到基站上行方向。,在基站发送下行信息能够传输到网络中全部用户并被其接收。在上行方向，用户发送信息不但会被基站接收到，而且会被网络中全部用户都接收到。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第23页,从更高层观点来看（比如MAC层），PLC接入系统能够被认为一个提供和WAN通信一个基站连接一定数量网络站点逻辑总线网络。所以，基站在这个总线网络架构中占据着中心位置。逻辑总线网络不包含基站和用户之间距离及用户之间距离信息，而这种信息在考虑信号传输延迟时是需要，所以需要定义一个指定网路中全部站点之间距离矩阵。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第24页,像前面分析一样，PLC接入网中基站位置改变不了网络物理树形结构。所以，逻辑总线结构（如图2.8所表示）一样能够应用于网路高层分析。这个结论适合用于一个供电网被分割为几个PLC系统情况，也适合用于多个电力网互联所组成PLC接入系统。PLC家庭内部网络一样适用，因为内部网也保持着物理树形结构。,图2.8 PLC网络逻辑总线结构,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第25页,假如在PLC接入网中存在中继器，PLC系统就被中继器分割成几个部分。在不一样部分频率范围和时隙也不一样，但在一个PLC接入系统中允许其共存。中继器对网络分段之间,频率或时隙转换,对,数据内容,没有任何影响。传输数据单元能够在网络分段之间轻易地经过从而确保了整个网络完整。所以，逻辑总线网络结构一样能够应用于存在中继器或网关PLC系统网络高层。,对于覆盖几个供电网包含多个基站、中继器和网关复杂PLC接入网络，因为组成这个复杂网络每一个PLC接入网都保持着物理树形结构，所以逻辑总线结构一样适合用于它们。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第26页,2.1现行电力网络拓扑结构,2.2作为通信介质电力网络分析,第二章目录,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第27页,2.2 作为通信介质电力网络分析,电力线通信是将电力供给网络应用于通信系统。在这种情况下，电力供给网能够看做各种电信服务传输通信介质。所以，基于PLC电信网络能够利用现成电力供给网络，从而降低网络铺设成本。,电力供给网络包含三个部分，如图2.9所表示，都能够作为PLC网络传输介质。,1.1.2 visualSTATE,事件处理机制,图2.9 电力供给网络结构,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第28页,高电压（110380kV）网络连接发电站和用电需求巨大地域和客户。它们通常跨越很长距离，使用架空电缆进行电力传输。,中电压（1030kV）网络给较大地域供电，如城市和大工业或商业客户。跨区距离比高压网络显著缩短，使用架空电缆或地下电缆进行电力传输。,低电压（220/380V）网络给终端客户供电，如独立客户或者作为更大客户单个使用者，其长度普通可达几百米。在城市地域，普通使用地下电缆进线电力传输，而在农村地域，普通使用架空电缆进行电力传输。室内电路设施属于低压网络，它们与用户电表相连。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第29页,低压供电网络直接连接大量家庭终端客户，所以，终端客户数量直接影响PLC技术在低压电网应用前景，与此同时，低压电力线覆盖了客户和传输单元，完全有能力成为通信终端“最终一公里”替换方案。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第30页,2.2.1 PLC信道宽带分类,从占用频率带宽角度，电力线通信网络可分为窄带PLC（NB-PLC）和宽带PLC（BB-PLC）。,窄带PLC载波频率范围，在不一样国家、不一样地域是不一样，美国为50450kHz，欧洲为3149.5kHz（95kHz以下用于接入Access通信，95kHz以上用于户内In-House通信），中国为40500kHz。宽带PLC载波频率范围，在美国为420MHz（HomePlug Specification v 1.0），主要用于户内；欧洲为1.610MHz（Access）和1030MHz（In-House），这是ETSI标准，CENELEC标准分界点为13MHz，欧盟委员会从年开始正在协调统一；中国尚无宽带PLC标准。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第31页,2.2.1.1 窄带PLC,以CENELEC标准要求为例，窄带PLC网络运行频率范围分成了三段：A被用在电力供给方面，B和C用于个人用途。A普通用于能源相关服务。B和C主要用于楼房和智能家居。现在，窄带PLC系统提供高达几kbps传输速率。两个PLC modern最远距离到达1 km。为了到达远距离传输，使用了中继器技术。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第32页,窄带PLC系统提供了窄带和宽带调制方案。,窄带PLC网络使用是ASK（幅度键控）调制。但是，ASK不能适应分布式网络结构，所以不适合在PLC网络中应用。其次，BPSK（差分相位键控）是一个健壮方案，更适合在PLC中应用。但是，BPSK中相位识别十分复杂，所以BPSK系统并不常用。现在经常在PLC系统中使用是FSK（频移键控），希望BPSK可以用在将来通信系统中。,宽带调制方案也应用在窄带PLC系统中。宽带调制优势是，频谱多变性可以抵抗存在于PLC系统中噪声和选择性衰减，未来窄带PLC系统传输方案是OFDM（正交频分复用技术）。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第33页,2.2.1.2 宽带PLC,宽带PLC系统能够提供很高数据速率（2Mbps以上），比窄带PLC系统高很多。窄带网络只能用低比特率传输极少通道声音和数据，宽带PLC网络能够提供更复杂电信服务：多声音接入、高速数据传输、传送视频信息以及窄带能够提供全部功效。,但宽带PLC还是有以下优缺点：,优点：节约电信网络搭建成本,。,缺点：,覆盖距离以及数据传输速率在PLC系统中都受到了限制,；,电力线通信还要考虑到EMC,；,对于其它工作在相同频率通信系统变成了噪声源,，需要限制发射功率。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第34页,在PLC系统中，数据传输在一个频率选择信道上，回波出现，脉冲和窄带干扰叠加成各种噪声，这就要求PLC采取调制方案必须高效地应对这种环境。DSS（直接序列展频）和OFDM技术成为未来宽带PLC侯选技术,。,以下简单对这两种技术进行介绍：,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第35页,展频有着抵抗窄带干扰优势，实现CDMA（频分复用）可能性，运行在低功率谱密度能够降低EMC问题。不过，DSS有低谱效率和低通等特点，对于频率选择衰减很敏感。所以，在一点对多点连接中，需要复杂均衡，比如PLC接入网络，对于每一个单独连接取决于网段长度。,OFDM技术允许降低均衡复杂度，增加对于信号畸变抵抗性，OFDM有选择地使用一个频带特点能够防止窄带干扰使频率分散，同时符合监管部门要求。OFDM提供正交性允许频带重合造成很高效率，利用率能够到达单载波宽带系统两倍。深入来说，位负载技术，应用在OFDM子载波，能够取得和理论值靠近传输能力。基于这个原因，在宽带PLC网络应用中，OFDM被认为最正确选择。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第36页,2.2.2 PLC传输信道特点,低压供电网不是为通信设计，所以，电力线传输特点并不适合数据传输。电力线电缆被不对称地分开，在网络端和用户端和电缆上下传输中有许多不规则连接。电缆传输造成反射和阻抗特点改变。另外，一个PLC网络改变了它结构（增加用户），尤其是在家用PLC网络中，每个开关都能够改变网络拓扑结构。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第37页,PLC网络也有多径传输特点，主要是因为电缆连接和不一样阻抗产生大量反射。这造成了多径信号传输，而且是频率选择衰落。最主要影响信号传输原因是线损，损失是因为分支点反射和电缆端口不匹配以及选择性衰落。,PLC网络衰减取决于电线长度和阻抗特征。大量测量显示电力线衰减在相对短长度（200300 m）是能够接收，不过长电缆衰减非常大，所以，长电缆需要配置中继器。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第38页,2.2.3 电磁兼容,低压供电网被用来作为PLC接入网传输媒介来产生电磁辐射，其次，PLC允许宽带接入网使用最高达30MHz频谱。这个频率范围被用于各种无线电服务和分散PLC系统。,各种短波无线电服务，比如业余广播、不一样公共服务、军事甚至非常敏感服务像空中管控，受到来自PLC网络干扰影响。监管部门设定了PLC系统运行时超出频率范围产生电磁量限定值，是由CENELEC标准定义。在德国，对于运行在频率最高30 MHz系统，NB30定义了非常低辐射限制。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第39页,PLC网络为了限制信号功率来符合NB30要求。下面对于PLC使用详细频率范围有两个处理方案：,烟筒方法：在130MHz之间有一个大约7.5MHz频宽被PLC独自使用。不过，提供给PLC使用频率范围频谱并不连续。在允许范围内，PLC依然需要运行在详细辐射限定下。,总体辐射限制：在整个频谱范围内（低于30MHz），对于全部有线电信服务（如DSL、CATV、PLC）最大辐射被限制一个范围内。,在这两种情况下，PLC系统要确保非常低电磁辐射，所以要运行在很低反射功率。这个问题在非双绞线电线上愈加严重。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第40页,电磁兼容技术相关标准制订正在全球范围内展开：,（1）IEC（International Electrotechnical Commission）,IEC是各国民间制造商组成关于电器规范标准组织，有两个平行组织负责制订EMC标准，分别是CISPR（国际无线电干扰尤其委员会）和TC77（第77技术委员会）。电力线通信（PLT）系统干扰限制订义标准是CISPR22，CISPR22主要面向设备端电磁干扰。,（,2,）,ITU-T,（,ITU Telecommunication Standardization Sector,）,ITU-T,是国际电信联盟管理下专门制订远程通信相关国际标准组织，它下属SG5小组负责电信设备中电磁干扰标准制订。当前，SG5致力于家庭连网技术研究，不论是家庭环境还是商业环境，都有必要对硬件和网络电磁干扰做出对应技术要求。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第41页,（3）CENELEC（European Committee for Electrotechnical Standardization）,CENELEC是由30个欧洲电工委员会组员组成非营利技术组织，CENELEC从事电磁兼容工作技术委员会为TC210（以前为TC110），它负责EMC标准制订或转化工作。CENELEC下EMC标准主要面向整个网络电磁干扰特征。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第42页,我国电磁兼容标准绝大多数来自国际标准，其起源包含：国际无线电干扰尤其委员会（CISPR）出版物，国际电工委员会（IEC）标准，国际电信联盟（ITU）相关提议等，PLT方面EMC测试分别采取国际电信联盟ITU-T K.60标准和GB9254信息技术设备无线电骚扰限值和测量方法（等同于CISPR22）进行。测试单位包含国家无线电监测中心、工业和信息化部通信电磁兼容质量监督检验中心、上海电器研究所、中国泰尔试验室、武汉高压研究所等多家机构，测试地点为检测机构试验室以及实际运行环境。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第43页,2.2.4 干扰影响和速率限制,因为限制发射功率，PLC网络对于干扰愈加敏感，为了确保足够传输能力，不能扩展传输距离。来自PLC网络环境干扰是由运行在30MHz下其它服务（短波）造成。许多干扰来自PLC网络本身；大型机器，比如电动机，能够连接到低压供电网或者在PLC网络附近，电视和计算机显示器以及家用电器开关和相位控制设备产生脉冲干扰。最终，附近PLC网络也造成干扰，如图2.10所表示。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第44页,图2.10 各种干扰源影响,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第45页,错误处理机制可以应用在PLC系统去解决干扰产生传输错误问题。前向纠错机制（FEC）可以恢复原始数据单元内容，尽管有干扰影响。但是，由于纠错过载需要，FEC机制应用要消耗一部分传输能力。使用ARQ（自动重传）机制提供数据重传要消耗传输能力并带来额外传输延时在PLC网络中应用错误处理机制是必要，PLC系统提供数据速率被限制。因为电磁兼容（EMC）要求，所以，现在提供PLC系统有最大净传输速率24Mbps。所以PLC网络不得不运行在低数据速率，另外减小速率由于错误处理机制。其次，PLC接入网连接了许多使用低压电力网作为传输介质用户，这将进一步减小可用数据速率。,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第46页,思索题,1假如你是无线电兴趣者，你会排斥电力线通信吗？谈谈你对电力线通信看法。,2在未来，怎样布署家用电器节点和通信网络节点。,3简述窄带PLC和宽带PLC特点。,4何谓UWB技术？并简明介绍其特点。,5影响电力线通信网络结构原因有哪些？,电力线通信技术之电力传输网系统及其特性,第47页,