电力线通信技术在矿井通信系统中的应用.pdf

第 2 8 卷第 1 期 Vo 1 ． 2 8 No ． 1 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f Li a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e 2 0 0 9年 2月 F e b ． 2 0 0 9 文章编号1 0 0 8 0 5 6 2 2 0 0 9 0 1 0 0 8 7 ． 0 3 电力线通信技术在矿井通信系统中的应用 王诗 ，刘晓平 f 北京 邮电大学自动化学 院，北京 1 0 0 8 7 6 摘要 为了提高我国矿井通信系统的数据传输链路的各种特性， 采用分析论证的方法讨论了使用电力线通信的 方式， 来代替现有的单独铺设通信链路各种通信方式。通过分析论证表明，电力线通信的方式在矿井通信系统中 使用的可能行，并且电力线通信系统可以使矿井通信系统通信链路的铺设的成本降低，可铺设的范围增大，提高 监测设备的利用 效率，降低 出现 因链路故 障导致通信 系统失效的可能性。该技术在矿 井通信系统中的应用有相当 的可观前景。 关键词电力线通信；矿井通信系统；扩频通信技术 中图分类号T M 3 5 5 文献标识码A Ap p l i c a t i o n o f P LC i n u n d e r g r o u n d c o mmun i c a t i o n s y s t e m W ANG Shi , LI U Xi ao pi n g S c h o o l o f a u t o ma t i o n ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f P o s t s a n d T e l e c o mmu n i c a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 8 7 6 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e p e r f o r ma n c e o f t h e c o mmu n i c a t i o n l i n k i n t h e u n d e r g r o u n d c o mmun i c a t i o n s y s t e m i n C h i n a ， t h e f e a t u r e s o f P o w e r L i n e C o m muni c a t i o n P L C a r e i n t r o d u c e d ． B y ana l y s i s me tho d ， the p o s s b i l i ty o f P L C u s i n g t h e un d e r gro un d c o mmu n i c a t i o n s y s t e m i s p u t f o r wa r d ． P L C i s a b l e t o r e d u c e the c o s t o f t h e s e t o f the c o mmun i c a t i o n l i n e ， i n c r e a s e t h e s c o p e o f the u n d e r gro un d c o mmun i c a t i o n s y s t e m， i mp r o v e the e ffic i e n c y o f t h e mo n i t o r i n g d e v i c e a n d l o we r the f a u l t p o s s i b i l i ty o f c o mmuni c a t i o n s y s t e m c a u s e d b y t h e f a i l u r e o f c o mmun i c a t i o n l i nk ． P L C h a s a h o p e f u l l f u t u r e u s e d in un d e r gro un d c o mmu n i c a t i o n s y s t e m i n Ch i n a Ke y wor ds po we r l i n e c o mm un i c a t i o n；un d e r gr o un d c o mmun i c a t i o n s y s t e m ； S pr e a d - s pe c t r u m c o mmun i c a t i o n t e c hn o l o g y 0 引 言 电力线通信 P o we r L i n e C o mmuni c a t i o n 是指 利用 电力线作为传输各种数字信 号和模拟信 号的 媒介 ，把调制后的信号叠加在 电力 电流中，通过电 力线传输信号，在 电力线通信网络的各个节点之间 以及在 电力线通信 网络与其他通信 网络之 间实现 数据交换和信息传递的一种特殊 的通信方式。 电力线通信与其他通信方式相比优点在于 1 成本低、架设方便 电力线通信就是以现有的电力线作为传输媒介， 因此使用该项技术的通信系统就不需要铺设新的通 信线路，可直接利用现有的电力线资源。而且电力线 通信系统的各个功能节点也可以实现即插即用。 2 可应用的范围广 基本上 ，有电力线到达 的地方都可 以采用 电力 线通信所搭建的通信系统进行各种数据 的通信。 3 可靠性高 在非电力线通信系统 中，可靠性依赖于 自身的 通信链路 的可靠性和给设备供 电的电力线 的可靠 性。而在 电力线通信系统中，它的通信链路就是给 其设备供 电的电力线 ，因此 ，电力线通信链路受到 破 坏的可能性是低于其他拥 有单独通信线路的通 信系统的。 我 国 目前的矿井通信系统主要用 于对 各种易 燃易爆气体和矿井通风状况的监测监控。矿井通信 系统大大提高 了矿井安全 生产水平和 安全 生产管 理效率 。但该类系统仍存在许多不足 现有 的井 下通信 系统大多数采取井下分站连 接若干个传感器的结构。由井下分站进行对传感器 收稿 日期2 0 0 6 1 2 2 2 基金项 目国家科技支撑计划基金资助项 目 2 0 0 7 B A K2 3 B 0 1 作者简介王诗 1 9 8 3 ． 1 ，男，辽宁 阜新人，主要从事监测设备与自动化装置方面 的研究。刘晓平 1 9 6 5 一 ，男，教授，博士生导师， 主要从事测 控与故障诊断、系统辨识、智能控制技术方面的研究。本文编校于永江 8 8 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 第2 8 卷 数据的读取和处理并将获得 的信息上传给井上 的管理系统。井下分站与井上管理系统的数据通信 采用独立的数据总线，这就使得井下传感器和井下 分站的布置位置受到架设通信线路的限制 。而且 ， 传感器布置完成以后 ，如果需要修改，则需要增加 不少成本，并引入不安全隐患。 而 电力线通信所 具有 的特 点不仅使得它施工 简单 ，可应用的范围广泛，更重要的是使用电力线 通信的监测监控结 点，可 以深入到矿井的各个部 位 ，理论上讲，只要有 电力线 的地方，就可以进行 监测数据的采集和发送。电力线结点可 以实现即插 即用 ，因此可以随着生产的进行 ，灵活调整监测点 的位 置 。 目前 的矿井 监测监控系统数据 的传输速率属 于 k b p s 级别， 属于低速率传输。 而 目前的电力线通 信芯片的设计速率基本上属于 Mb p s 级别，因此， 处理和传输 目前井 下各种传感器产生的数据 是绰 绰有余的。此外，由于井下监测监控数据系统的数 据，并不注重保密性，因此，电力线通信 中比较棘 手的信息安全 问题在这里也可以不考虑了，这样也 会为通信系统的开发免除很多难题【 1 J 。 1 在矿井监控系统中应用 1 ． 1 电力线通信分类 电力线通信 根据传输媒 介的不同可以分 为以 下几种 高压电力线通信、中压电力线通信和低压配电线 的电力线通信。 在矿井 中最 容易实现 的是使用矿井 中的照 明 线路的中低压配 点线路上 的电力线通信 。因为首 先，这些 电线的分布足够广泛，铺设也比较简单 ， 可以提供足够的监测监控的覆盖面。其次，这类线 路上 ，很少连接有大型矿用 电气设备，因此受到的 噪声干扰也比较少【 6 J 。 虽然 ，要将低压 电力线通信应用到在矿井中， 各种设备需要面对恶劣的温度、湿度环境及粉尘浓 度以及防爆等的要求 ，但是当前对于低压电力线通 信的研究 已经 比较成熟 ，产 品也有很多的现 实应 用，这为开发出符合要求的设备提供很大的帮助 。 1 ． 2低压配电线路中信号传输遇到的问题 在低 压配 电线路中信 号传输 时遇 到的最主要 的问题在于噪音和信号衰减 。 与高斯白噪声不 同，低压线路中存在大量 由高 压开关操作、较大 的负荷变化、短路故障等诱发的 脉冲干扰或脉冲干扰群，这些干扰一股持续时间较 短 从几十微秒到几秒不等 ，但能量很大且集中， 频谱也很宽，往往干扰电力线通信信道的大部分可 用频带。某些特定的电力负荷会长时间影响某些频 率， 使得此频率上的信号严重衰落， 造成数据丢失。 低压 电力线通信信道 的衰减特性远 比一般有线通 信线路复杂。 大量测量数据表明信号的衰减不仅随传输距 离的增加而增加，而且不同频率上的衰减也不同。 总体上，电力线上的衰减随着频率的增加而增加； 但在某些频率点，由丁 二 负载产生的共振现象和传输 线效应 的影响，衰减会出现突然的迅速的增加 。此 外，低压电网拓扑结构复杂 ，分支多，衰减大，导 致多径反射，引起信号的码 问串扰 ，使信道容量减 小，误码率特性恶化。 由此可见，电力线通信的环境极为恶劣。要在 电力线上实现可靠数据传输有一定的难度。 1 ． 3 电力线通信信号传输的解决技术 目前，在 电力线中进行低速率传输时，提高传 输的信噪比，可 以采用扩频通信技术。 扩 频通信 是用高速伪 随机序列去扩展所传输 信息的带宽，然后进行传输，在接收端采用发送端 相同的同步伪随机序列进行信号的相关解扩，恢复 所传输信息的一种技术。扩频通信相对于窄带通信 而言具有一定技术上的优势 ，主要表现在抗干扰方 面。 因为扩频载波信号的带宽通常较大f 几十至几百 k I - I z ，所以其受干扰的频率范围所 占比例相对减 小。对于最常见的脉冲噪声而言，尽管窄带通信 中 的接收器具有较窄的通带，使得仅有一小部分噪声 能进入接收器，但 由于此类接收装置中的滤波器具 有高品质 因素 ，瞬 间的脉冲噪声会使其 发生 白干 扰， 而引起它对传输来的信号产生误操作； 而使用低 品质因素的滤波器又会使通带带宽加大，令更多的 噪声进入接收器 ，所以窄带通信对脉冲噪声的抵抗 性较差 】 。 然而利用扩频技术，当接收到具有较大能量的 噪声信号时，接收器会在噪声的高能部分到达时 自 动停止工作，所以接收方仅对一小部分受影响的信 号进行纠错解码即可 另外， 扩频接收设备使用的滤 第 1 期 王诗，等电力线通信技术在矿井通信系统中的应用 8 9 波器具有较低的品质因素，因而不会造成系统 自干 扰， 所 以扩频技术具有较强的抗噪能力。 一般来讲， 目前实现扩频有三种途径 即直接序列调制、 跳频载 波和利用 C h i r p s 扫描频率进行载波。 直接序列调制是将信号 的能量平均 分布 于整 个频带内，并通过伪随机序列将数据流倍加来使信 号得 以扩频，此序列具有数倍于所传信号二进制数 据位率的符号速率 。 跳 频载波即扩频信号在某一频率通过延续一 段时间，来代表数据的一位、几位或是一位的一部 分。当信号在某一频率上受到干扰时，信号就可切 换到扩频带宽内的其他频率上去，因而大大 降低 了 其受干扰的程度。 利用扫描频率的C h i rps 进行载波的方法多用于 类似于 以太的 CS MA 网络 ，它利用一系列短促的、 可 自同步的扫描频率 c h i rps作为载体，每个 c h i r p s 一 般持续 1 0 0 U S ， 它代表了最基本的通信符号时间。 由于 c h i rps 信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得 多，其线性加速度是较高的，而 C W 干扰的频率加 速度一般是稳定的，所 以只要将滤波器设计成只能 通过具有特定角加速度的信号，就可 以将 C W 干扰 排除在外。扩频通信有保密性好、抗干扰和衰减能 力强的特点，所以最早这应用在军事通信中，例如 军事用跳频 电台和直扩坦克电台等 。扩频通信是在 现代通信中应用最为广泛的一种技术 。扩频通信 自 身的特点，使得他非常适合 电力线通信信道。电力 线数字扩频技术可以充分利用传输频带，实现宽带 高速数据传输。扩频通信可以克服窄带噪声影响和 多径影响，因此非常适合电力线通信环境【 l 0 】 。 2 结论 目前 电力线通信 的应用集中在互联 网络 的接 入 。在其他方面的应用相比比较少，但是根据本文 的分析 ，电力线通信技术在矿井的通信系统 中还是 有应用的可能的，而且可 以对矿井通信系统的监测 范围，系统铺设的成本、难度 ，测控 目标等各种参 数有较大提升。 而且，如果技术进一步成熟，可以将井下的通 信通讯和救援系统进一步结合 。尤其可能为矿井的 救灾抢险通信种发挥突出的作用。因为在井下遇到 突发灾难，入瓦斯爆炸，火灾，冒项等情况时，电 力线极有可能成为残 留的可利用的通信信道 ，为抢 险救援等提供信息支持。 参考文献 [ 1 】吴宝丽． 从美国 P L C 网络的建设浅谈我国 P L C 的发展[ J 】 ．国外电 ． 子元器件， 2 0 0 7 3 1 5 4 1 5 5 ． [ 2 ]尹长川， 罗 涛， 乐光新， 等． 多载波宽带无线通信技术【 M] ． 北京 北京 邮电大学出版社， 2 0 0 4 ． 【 3 】曹惠彬． 电力线通信 P L C 技术综述[ J 】 _ 电力系统通信， 2 0 0 4 1 1 5 1 8 ． 【 4 ]李晓君， 张伟 明， 林大朋． 低压配电线 宽带通信技术 ． 电力系统通信 2 0 0 3 4 1 2 1 - 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