电力线载波通信系统的构成及功能

（一） 电力线载波机

目前，无论超高压电力线载波机，还是高压电力线载波机，都采用单边带调制方式。单边带电力线载波由音频汇接电路、发信支路、收信支路、自动电平调节系统、呼叫系统等部分组成，如图6-4所示。

图6-4　单边带电力线载波原理框图

1.发信支路

发信支路将要传输的音频信号用载波进行调制，实现变频后放大，送到高频通道上去。由图6-4可见，发信支路采用二次调制。第一次变频将音频信号搬移到中频，故称这次变频为中频调制。中频载波fmc的范围为12～48k Hz，一般使用12k Hz，调制后取上边带。第二次调制进一步将中频信号频谱搬移到线路频带40～500k Hz，称为高频调制。高频载频fhc为（56+4n）k Hz，n=0，1，…，114，由所使用的线路确定，高频取下边带。

2.收信支路

收信支路是从高频通道上选出对方送来的高频信号进行解调，恢复出对方发送的音频信号。由图6-4可见，单边带电力线载波机收信应采用检波来实现解调，这就要求收信的高频载频fhc2和中频载频fmc应与对方发信的高载频fhc2和中载频fmc严格相等。否则，解调后所得的音频信号将出现频率偏差。国家标准规定，对于通话，偏差应小于10 Hz，对于传输远动信号，要求偏差小于2Hz。实现这一要求，一般采用最终同步法来解决这一问题。

最常用的最终同步法就是在发信端发出一个中频载波信号，如12Hz，而收信端收信支路中，用中频窄带滤波器将对方送来的中频载波12 Hz滤出，供给收信支路的第二次解调作为载频用，如图6-4所示。这种最终同步系统，只要中频带滤波器是稳定的，收信和发信两端的高频振荡器频率偏差若小于中频窄带滤波器的通带宽度，一般约10 Hz，就能保证稳定工作，实现最终同步。

最终同步系统可用图6-5的骨干图来表示。在发信支路输入的音频信号的频率为F，中频载波频率为fmc，一次调制后取上边带，故1点的信号频率为fmc+F，同时因最终同步需要送入中载频fmc。高频载波频率为fhc，经二次调制后，如取下边带，在输出端发送到对方的信号频率有fhc-（fmc+F）和最终同步所需的中载频调制信号fhc-fmc，如图6-5的2点所示。

图6-5　最终同步系统

在对方收信支路输入端3，由收信带通滤波器接收到的信号频率有fhc-（fmc+F）和fhc-fmc。如收信支路的高频载波频率与发信支路高频载波频率有偏差Δf，则经一次解调后，在4点得到的中频信号频率为

可见，由于收信支路高载频偏差Δf，解调出的中频信号也产生了Δf的偏差。但是，最终同步法是用对方发送的中载频实现二次调解的，而此时经一次解调和中频窄带滤波器所得对方发送的中频的频率在5点为

同样，由于收信支路高载频的偏差Δf，而解调出的中载频也偏差Δf。所以，用5点所得的对方中载频对4点的中频信号进行二次解调，所得6点的输出信号频率为

显然，频率的偏差Δf被抵消，输出信号的频率与原调制信号的频率相同，达到了最终同步的目的。

3.自动电平调节系统

电力线载波所用的高频通道的传输特性是极不稳定的。它的线路衰减随气候条件、电力设备的操作和线路故障有较大的变化。为保证通信质量，在收信端设有自动电平调节系统，可随时进行自动调节，使收信端的电平保持稳定。

为了实现自动调节，如图6-4所示，在发信端送一个导频信号，为简单起见，图中用中频载波作为导频信号。在对方收信端收信支路中，用窄带滤波器滤出导频信号，经放大、整流后作为一个控制信号，用以控制收信支路中可调放大器的增益或可调衰减器的衰减，实现自动调节。

4.呼叫系统、自动交换系统

电力线载波机在传输信号之前，首先应呼出对方用户。为此，在发信支路中要发送一个音频信号，称为呼叫信号。在对方收信支路中接入呼叫接收电路，即收铃器，这样才能呼出对方用户实现通话。电力线载波机采用自动呼叫方式，通常机内附设有自动交换系统，以提高通路的利用率和实现组网功能。

5.音频汇接电路

电力线载波机为实现电话通信，不仅要传输话音信号，同时还应传输呼叫信号。尤其是为电力系统专用通信网服务的电力线载波机，除电话通信外，还同时要传输远动信号和远方保护信号。远方保护信号一般采用与话音、远方信号在时间上交替传输的办法。所有这些信号均在音频部分汇集后再送入发信支路，相应地在收信支路要将其分离后分别输出。

远动信号是一脉冲序列，为使它能和话音信号同时传输，须经过调制解调器将脉冲信号调制在远动信号频段内的音频上，然后才能送入电力线载波机的远动入口。所以，对电力线载波而言，远动信号是指已调的音频信号，通常采用移频键控。

远方保护信号也是音频信号，远方保护装置在电力系统发生故障时，需要可靠地将信号传送到对方。一般这种信号的传输时间极短，故常在传输远方保护信号时，将其他信号停送，而只将远方保护信号传出。待信号传送结束后，再继续传送其他信号，这是一种时间交替传输的复用办法。由于时间极短，并不影响其他信号的传输，同时，可全功率地传输远方保护信号，确保保护信号的可靠性。

6.发信和收信过程

（1）发信过程。来自用户的音频信号经自动交换系统、差接系统进入发信支路，再通过高通滤波器抑制工频干扰，压缩话音动态范围，限幅后用低通滤波器限制话音信号的频带与其他信号汇集。呼叫信号由受自动交换系统控制的音频振荡器产生，经窄带滤波器输出。远动信号由远动设备经调制解调器输入后，高通滤波器限制频带输出。这些信号汇接后送入中频调制器，进行中频调制。如远方保护信号要复用传输，也在中频调制前接入。中频调制后，由中频带通滤波器取上边带，然后与稳幅后的导频信号汇接并送入放大器。再经高频调制，由高频带通滤波器取出所用边带，一般取下边带，进行功率放大，并用方向发送滤波器抑制谐波及无用的杂散成分后，送入高频通道。

（2）收信过程。由方向收信滤波器和高频带通滤波器从高频通道上选出的高频信号，经可变衰减器调整电平后，送入高频解调器，解调后的中频信号再经有自动调节作用的调节放大器，输出电平稳定的中频信号。调节放大器输出的信号分为两路：一路由导频窄带滤波器从中频信号中选出导频信号，以便实现自动电平调节并将此导频信号供给中频解调，实现最终同步；另一路由中频带通滤波器滤出中频信号频谱供给中频解调器。中频解调器的载波，可由接收对方导频信号，即对方中载频来供给，实现最终同步。中频解调后的音频信号由低通滤波器滤取，其中包含话音信号、呼叫信号和远动信号。音频汇接电路将音频信号经话音放大器放大并分离，话音信号用低通滤波器滤出，扩张器恢复话音动态范围，再经差接系统、自动变换系统送到用户。呼叫信号经收铃器中窄带滤波器滤出并转换为控制信号，送进自动交换系统实现自动呼叫。远动信号由高通滤波器选出，复用远方保护信号，则中频解调后输出。

（二） 电力线载波通信方式

为了组网需要，电力线载波通信可以采用不同的通信方式，常用的通信方式是：定周通信方式、中央通信方式和变周通信方式。

1.定周通信方式

在定周通信方式中，电力线载波机的发信频率和收信频率是固定不变的，因此称为定周方式。图6-4所介绍的电力线载波机就是定周式载波机。采用定周通信方式的载波系统如图6-6所示。A、B、C站为三地，A机的发信频率为f1，收信频率为f2，则B1机的发信频率为f2，收信频率为f1，这样通过A、B1两机之间实现一对一的定周式通信。同理，B2机与C机之间也可用收发信频率f3、f4实现一对一的定周式通信。如果A站为调度所在地，B、C站为发电厂或变电站所在地，为了实现调度与厂、站之间的通信，必须在B1机和B2机之间进行转接。通过B1机和B2机之间的转发和转收来实现A站与C站之间的通信。所以，定周式载波机应具有转接的功能，才能组网满足实现通信的需要。这种一对一的定周式通信方式，便于远动信号的传输和各站之间的相互通信，被广泛采用。

图6-6　定周通信方式

T—阻波器；C—耦合电容器；F—结合滤波器

2.中央通信方式

为了实现调度所在地A站和B、C站之间的调度通信，也可采用一对几的定周通信方式，这时称为中央通信方式，如图6-7所示。在这种通信方式中，调度所在地A站称为中央站，其发信频率为f1、收信频率为f2；非中央站的B、C站，发信频率为f2，收信频率都为f1。这样，中央站A与非中央站B、C之间构成一对二的定周通信方式。在实现通信时，当调度所在地的中央站A机摘机时，非中央站B机和C机同时接收到呼叫信号，其自动交换系统同时启动。然后，由A机拨号来自动选择是呼出B机的用户，还时呼出C机的用户，实现通信。

图6-7　中央通信方式

由以上分析可知，中央通信方式只能在中央站与非中央站之间实现通信，而且在同一时间，中央站只能与一个非中央站进行通信，这是此种通信方式的局限性。因此，中央通信方式只在通话次数不多的较小通信网中采用。它的优越性是不论站数多少，仅使用两个频率，且每站只用一台载波机，较为经济。

3.变周通信方式

为了克服中央通信方式的缺点，实现三站之间都能相互通信，可采用变周通信方式。这种通信方式在各站处于静止状态，即A、B、C三站的用户都未摘机时，所有各站载波机都处于发信频率为f2、收信频率为f1状态，如图6-8中的实线箭头所示。当A站用户主叫摘机时，其发信频率自动变换为f1、收信频率自动变换为f2，如图6-8虚线箭头所示。此时主叫站A机与B、C机构成一对二的通信状态，主叫站A机用户可利用拨号自动选择任一站进行通信。同样，B站或C站的用户主叫时，也自动变换本站载波机的收发信频率，利用拨号功能和其他任一站通信。由于这种通信方式在工作时，主叫用户载波机的收发信频率要自动变换，故称为变周通信方式。

图6-8　变周通信方式

在变周式电力线载波机中，应有收发信频率的自动切换电路。当本机用户主叫时，由自动交换系统控制，将发信支路的发信频率和收信频率相互切换。一般是将发信支路的高载频和高频带通滤波器与收信支路的高载频和高频带通滤波器互相切换，所以，载波设备比较复杂。变周通信方式虽使各站之间都能通信，但同一时间也只能在两站之间通信，其使用范围有一定的局限性。

（三） 电力线载波的转接方式

在电力通信网中，为了使调度所能与调度范围内的所有发电厂、变电站取得联系，采集所有厂、站的远动信息，发出相关的调度命令，必须在载波通信系统中使用转接技术。

电力线载波通信常用的转接方式有中频转接和音频转接两种，并且从电路的稳定性出发，均采用四线转接。

1.中频转接

图6-9为中频转接的原理框图，图中A机发信频率为f1，B1机接收频率也为f1。B1机高频解调后变为中频信号，由收信支路转接收信端（简称 “中转收”端）接到B2机发信支路的中频转接发信端（简称“中转发”端）。经B2机高频调制后，中频信号频率变成f3，放大后送往C站。同样，C机发信频率为f4，B2机收信支路的中转收端转接到B1机发信支路的中转发端，由B1机将转接来的中频信号进行高频调制，变为频率f2的高频信号，放大后发往A站。在转接过程中，收到和发出的高频信号频率发生了变换，同时信号从B1（或B2）机收信端到B2（或B1）机发信端得到了放大。所以，对单路机而言，中频转接实际上还起到了频率变换式的增音作用。如果电力线载波机为多路机，就可在其中的某几路实现中频转接。

图6-9　中频转接的原理框图

在中频转接过程中，信号只经过一次解调和一次调制，因而转接过程中所引起的信号失真较小，对保证通信质量是极有利的。中频转接时，两台单路的载波机仅起到一台增音机的作用，它们的音频部分平时都是无用的，但一般仍保留着，中转站可以利用它们分别和A、C站进行通话，这为中转站维护通信提供了方便，也是很有必要的。

导频信号的二次发送是中频转接时必须解决的一个问题。由分析可知，在中转机B1（B2）收到A站 （或C站）的高频信号后，将解调成中频信号。若高频信号中包含有导频信号，也会同时被解调。然后送到B2（或B1）机的 “中转发”端，又进行高频调制而发送出去。同时，B2（或B1）机本身也要发送导频信号，导致C （或A）机收到两个导频信号。这就是导频信号的二次发送。这种情况的出现，将会使接收端的自动电平调节发生混乱，也使最终同步受到干扰。

为了解决这个问题，中频转接时必须在中频转收前抑制导频信号，一般由中频带通滤波器来实现。这样，就只有中转机本身的导频信号送至接收站。

当然，由于接收端收到的是中转站的导频信号，而不是发送端的原始导频，故而无法实现最终同步，这是中转接方式存在的缺点。

2.音频转接

图6-10为音频转接示意图，图中A机和B1机之间以及B2机与C机之间均可实现最终同步。因为转接在音频端进行，所以A机和C机之间的音频信号传输不可能产生频率偏差，这是音频转接的优点。对于同时传输远动信号的电力线载波机而言，音频转接的这一优点是很重要的。所以，目前电力线载波机大量采用音频转接。

图6-10　音频转接示意图

（四） 电力线载波通道

电力线载波通道，即电力线载波信息的传输通道，也称为高频通道。载波通道的有关特性，不仅直接影响载波电路本身的组成，也是设计、制造载波机等终端设备的重要依据。

载波通道由高频电缆、结合滤波器、耦合电容器、高频阻波器和线路组成，即指互相通信的两台载波机输出/输入端之间的各个部分。通道的特性由通道衰耗、通道衰耗的波动值、带内杂音和特性阻抗高频参数来表征。

全通道的传输衰耗包括线路衰耗、线路的终端衰耗、结合设备的工作衰耗、加工设备介入衰耗及高频电缆衰耗。对于复杂的高频通道，还有高频桥路衰耗、中间载波机和并联载波机的介入衰耗及分支线的介入衰耗等。