1 引言

　　电力线通信plc（power line communication）技术在2001年6月国际组织homeplug制定的 homeplug 1.0版标准确定后，随着各国电力公司对plc态度的大幅转变，短期内plc与wlan、xdsl等其它技术合作，并待日后用户习惯与技术成熟后再进行统一整合的趋势已然成形。plc技术可利用配电网中/低压线路传输高速数据、图像、语音等多媒体业务信号，用于低压民用电力线（110v～220v单相交流电）进行数据通信传输大抵可分为宽带接入型与家庭网络型两种解决方案。宽带接入型主要利用低压配电网，是指从中压变电站到用户电表的一对多点通讯架构，以解决最后1000米的问题。至于家庭网络型是指通过电力线在用户家中组建高速lan。在中压线路中，可以通过其通信方式为配电自动化系统建立可靠的数据传输平台。对该技术的研究和开发将有助于充分发挥电力系统资源的巨大优势。

　　2 ofdm技术简介

　　2.1 ofdm技术的历史和现状

　　电力线作为通信介质不同于其它类型，电力线上存在不同系统噪声和随机噪声,而且由于线路上一般都会有很多电力电气设备，形成不可预测的干扰源。另外，电力电气设备的使用、关闭都是无法规定的，这使得电力线的特性常常处在变化中，因此, 电力线传输特性难以用准确的数学模型来描述，电力线信道在时域上不恒定，不可控。随着数字通信、dsp、internet等技术的发展，采用抗干扰、抗阻抗失配、抗多径衰落的ofdm（多载波正交频分复用）技术逐渐克服电力线上传输特性的一些缺点, 实现了在电力线上进行高速数据通信。chang.r.w在1966年就首先提出了ofdm的概念模型，不过解决 ofdm技术工程实现问题的却是weinstein和ebert，他们在1971年提出了利用动态傅立叶变换（dft）和逆傅立叶变换（ifft）实现基带信号的调制解调的思想，使得ofdm的技术实现难度为之大幅度降低。目前ofdm技术已经在移动通信、数字视频广播（dvb）、数字音频广播（dab）以及数字用户线xdsl序列等领域得到了广泛的应用。

　　2.2 ofdm技术的基本原理

　　ofdm是一种多载波传输技术，其最大的特点是传输速率高，对码间干扰和信道衰落具有很强的抵御能力。其基本思想是变换串行数据流为并行处理，即将串行数据转换为若干个并行数据分配给同样数目的不同的正交子载波以达到并行数据传输的目的，有效的抑制了码间干扰，也不需要复杂的信道均衡处理。

　　假设1个周期内传送的码元序列d0,d1,…,dn-1通过串——并转换器分别调制在n个子载波f0,f1,…,fn-1上,这些子载波满足正交特性,其频谱相互重叠。所谓子载波频谱正交,是指在传统的频分复用（fdma）系统中2个相邻子载波的频率相差系统的码元传输速率为fs,2个相邻子信道的中心频点至少相差fs的3倍～5倍,以防止邻道干扰,而ofdm的相邻子载波十分接近,大大提高了频谱利用率,它们在频域上是相互交叠的。研究表明,只要子载波之间满足特定的正交约束条件,采用变频和积分的手段就可以有效地分离出各个子信道信号。

　　3 int51x1芯片的主要特性与其功能结构

　　3.1 int51x1的主要特性与功能结构

　　int51x1是美国intellon公司推出的目前很完善的ofdm处理芯片，符合homeplug1.0.1技术标准，其上行传输速率最高可达到14mbps。它集成了usb1.1、以太网和mii/gpsi多种接口，还集成了adc、dac和agc控制器，是plc通信装置研发的一款理想处理器。int51x1是专用于电力线的mac/phy集成收发器，它使用intellon公司专有的电力数据包（powerpacket）正交频分复用技术，84个子载波，选择采用robo/dbpsk/dqpsk调制方法，可以根据收发端信噪比分配子载波，用以克服噪声和多径衰落的影响。它在低信噪比信道中完成同步，不需要导频。其内部结构由i/o模块、powerpacket mac模块、powerpacket phy模块以及adc/dac模块组成，如图1所示:

　　
图1 int51x1内部结构图

　　powerpacket mac模块主要完成链路层功能，是int51x1的核心部分。本模块包括一个精简指令集（risc）的处理器内核，一个含有ofdm数据处理、加密/解密算法、信道优化算法的程序存储器（rom），还有一个链接序列、数据存储器（ram）已经两个直接数据传送通道（dma）。从用户发往电力线网络或从物理层来的所有数据都在mac模块中通过一定的算法进行信号处理。mac采用载波侦听多路存取/冲突避免（csma /ca）协议访问公共的电力线信道，辅以自动重传请求arq和电力数据包的优先权机制确保传输的可靠性。由于电力数据包优先等级的灵活设定，使得 int51x1具有较强的突发业务处理能力，允许电力线上的多帧传输，极大的减轻了对网络收端的要求，使网络吞吐量达到最大，同时保证了最短延迟时间和最优的信号稳定性。由于采用自由竞争的介质访问方式，任一单节点都可以作为整个网络的控制器。此外，mac还具有流量控制功能，它的这些功能确保了在特性恶劣的电力线信道上也能为用户提供优良的服务品质。

　　powerpacket phy模块实现物理层功能，主要建立、维持和拆除物理连接的电气手段，保证电力线上比特流的透明传输。该模块主要由一个物理层逻辑序列、一个与mac子层dma通道对应的先进先出（fifo）队列以及一个前向模拟通道组成，此外，还集成有对外加运算放大器的自动增益控制电路（agc）。一对高速的10位a/d、d/a转换器构成了前向模拟通道，其采样速率为50mbps，参考电压独立于片内，低功耗操作，在其后接上运算放大器和滤波器，通过电力线耦合装置，便可与电力线连接。

　　i/o模块集成了mac与主机、外围设备间的各种接口，功能丰富全面。与主机接口有usb接口、媒质独立接口mii或通用串行接口 gpsi（选用）、管理数据接口mdi;与外设接口有e prom接口spi、仿真接口jtag已经用于运行状态监视的led接口。mii是一种标准的工业接口，其发送/接收都以四位并行的形式进行，由mac时钟同步，并带有csma/cd协议。通过mii接口，int51x1可以跟以太网mac控制器直接相连。

　　主机通过mdi可以方便的访问int51x1内部的控制/状态寄存器，从而完成对int51x1的设定和监视int51x1的实时运行状态。 int51x1的控制/状态寄存器均为16位的寄存器。状态寄存器实时反映链路状态、传输速率、前导码判决、自动协商、模糊检测等信息。

　　上电后，int51x1的初始化由其通过spi接口读取预先写入e prom的数据完成。powerpacket采用des的56位密钥管理，除int51x1设定的缺省密钥以外，还可以由用户自定义密钥，确保电力线传输的可靠安全性。

　　3.2 int51x1的引脚说明

　　int51x1采用μbga封装，144引脚，供电电压3.3v，芯片内核供电电压1.5v。它有usb、phy、host/dte3种工作模式选择，部分复用信号引脚如mii接口信号、mdi接口信号、spi接口信号等因模式不同而功能定义不同，其它的信号线在3种模式中都相同，有对模拟前端afe的控制数据线26条，主要是adc输入、dac输出、运放的agc控制等;有led（3线）。jtag（5线），时钟（2线），测试（2线），以及多条电源和地线;3种模式的选择有mode0和mode1两个引脚的状态决定。

　　3.3 微处理器w90n740的简介

　　w90n740是台湾winbond公司开发的基于32位arm核的高性能、低功耗微处理器。w90n740采用arm7tdmi内核，内建两个10/100mb mac以太网络控制器，并采用winbond独家专利的网络地址转换加速器nat accelerator。该器件用硬件方式加速网络封包的转换，不仅减少了中央处理器的负担，同时也大幅提高了宽频的整体系统效能。而芯片方式集成的usb控制器则可透过usb界面连结各种电脑周边设备，以增添产品附加值。此外，w90n740内部还集成了ebi（external bus interface）控制器、系统管理器、gdma控制器等。因而在许多应用领域，用该器件设计的系统成本比目前同类产品要低。加上arm公司开发环境支持汇编语言、ｃ和ｃ++，其软件开发也十分方便。因此，w90n740虽不是主流产品，但也是许多网络电子产品的选择方案之一。

　　4 ofdm配电自动化系统设计

　　4.1 系统通信终端和子站的设计

　　（1） 通信终端的软硬件构成。通信终端硬件电路设计参见图2。

　　
图2 通信终端硬件电路设计图

　　通信终端以int51x1和w90n740为核心，int51x1选phy模式，组成eth-plc路由器。w90n740通过外总线接口 ebi加接1片2m×16位数据宽度的flash外部程序存储器共4m字节，另配2片4m×16位数据宽度的sdram，共16m字节sdram。 int51x1主机侧经mii接口与w90n740 ethernet mac controller 0连接，w90n740再经 ethernet mac controller 1接eth phy（rtl8201），从rtl8201芯片引出rj－45接口与网络交换机连接;电力线侧afe取12v sip规格，以coupler与10kv电力线耦合，coupler只含耦合部分，不含电源部分，并在所有串接开关两端跨接高频桥路。终端需要的工作电源品种比较多, 有+12v、+5v、+3.3v、+1.8v、+1.5v,由整流和相应的dc-dc模块获得。

　　终端通过jtag烧写工具烧写嵌入式linux内核（uclinux-2.4.x）以及10/100m以太网接口驱动、串口驱动等源代码到flash芯片，另外在uclinux上加载了tcp/ip协议栈，使其可以通过交换机与主机pc进行面向连接的通信。

　　（2） 子站的软硬件构成。子站与终端的设计基本相似因此不再附图说明。w90n740通过片内串口uart与ftu、ttu等自动化设备接口，通过片内 ethernet mac控制器与int51x1接口。由于子站与终端之间的通信是通过电力载波完成，故子站设计去掉了rtl8201芯片加rj-45接口。w90n740通过ebi加接128kb的flash（sst29le010-150-4i-nh），3.3v芯片，32-lead，plcc封装，片内8kb i-cache设置为sram，并加接3.3v的rs-232转换器（max2323）。coupler修改为10kv配电线相适应的参数隔离高压，电力线侧特性阻抗取300～400ω，电源部分单独拉出。

　　在int51x1的eeprom中写入初始化数据，w90n740则以arm7编写程序固化到外加的flash外部存储器，实现从rs- 232口接收ftu/ttu数据打包经mac发给int51x1;经mac接收int51x1数据解包送往ftu/ttu以及子站上电初始化等功能。

　　4.2 ofdm配电自动化系统软件的设计开发

　　配电自动化（da）主站是配电自动化系统的控制与管理中心，一般采用客户/服务器方式构成计算机局域网网络系统，以scada和gis（地理信息系统）作为基本平台，配合各种应用软件完成da/dms（配电自动化/配电管理系统）的功能。图3是本系统的功能模块简要图示。

　　
图3 系统功能模块框图

　　每个参数各建一个单独的表，加上用户信息共计十余项记录，并配以操作日志详细记载用户操作记录便于管理。主站pc主控软件在 visual c++6.0平台上开发，能运行于windows2000 professional、windows2000 server、 windows nt和windows xp professional等各种流行的windows平台。数据库专选一台pc作为服务器安装，独立于主控机器。

　　上位机与下位机之间主要采用socket流套接字通信方式，提供双向、有序的无重复并且无边界记录的数据流服务，并面向连接。系统使用自定义的符合电力通信规约的协议，网络中传输的ip数据报文封装格式如下:版本（ipv4）、首部长度、服务类型、总长度、标志、生存时间、协议、首部校验和、源ip地址、目的ip地址、选项、填充（可选）、数据。其中ip数据报封装长度为64kb，数据量不足则填充全0字节，所有控制命令与数据参数定义为一个抽象的struct（结构体）数据类型对象。上位机遵循socket通信流程，启动进程初始化之后即开始listen（）（监听）自定义端口3188，收到终端的connect（）之后accept（）并最终实现3次握手过程为该终端建立一个可靠的连接，然后继续监听端口等候与其他终端的通信，终端与子站之间则以广播式呼叫接受其以int51x1芯片经由电力线传送过来的数据。

　　5 结束语

　　载波通信是电力系统在高压电力网上的传统通信手段，但其在低压电力线上的缺点一直没有得到很好的解决。扩频通信为低压电力线载波通信提供了一个有效的解决方式，相信在不久的将来，低压电力线载波通信能在配电自动化系统中得到更深入的应用，并更高效的发挥出电力系统的优势。

　　作者简介

　　徐 斌（1981-） 男 硕士研究生 主要研究方向:通信网络技术、电力线通信和计算机网络通信与安全等。
　　殷小贡（1945-） 男 教授 博士生导师 主要研究方向:信号处理、通信网络技术和电力线通信等。

　　参考文献

　　【1】孙德胜,郭志忠. 配电自动化系统综述. 继电器，1999,27（3）
　　【2】 殷小贡,杨玲君,万波. 电力线ofdm处理器int51x1及其开发. 继电器,2004年32（17）
　　【3】 w90n740 reference manual. winbond electronics corp. 2003
　　【4】 陈堂,赵祖康等. 配电系统及其自动化技术. 北京:中国电力出版社,2003．
　　【5】 e.lakerrvi,e.j.holmes. 范明天等译. 配电网络规划与设计. 北京:中国电力出版社,2000．
　　【6】 int51x1 integrated powerline mac/phy transceiver with usb and ethintegrated bridges．intellon corp．2003