第一章 绪论
智能电网是建立在坚实的电力系统网络基本架构上，一般用通信信息网络作为它的支撑，通过智能化控制的手段，实现电网的自动化运行和智能化管理。智能电网的基本技术特征是指它具备数字信息化、智能控制化、互动多样化等[1]。在 2009 年的国际输电会议上，我国提出了智能配电网这一概念，从此我国开启了自我创新的智能电网研发道路。目前在智能电网中大力推广建立电能消费信息采集系统，目的是满足对用户负荷的预测及分析，实现电费的预付与结算，满足远程通断电和线损统计计算，防止窃电及保证供用电质量管理等业务，采取先进的通信技术方式是实现智能电网改造的关键一步[2]。
当前，智能电网通信方式多种多样，主要分为有线通信与无线通信这两大类。从传统电网过渡到智能电网需要解决众多技术难点与瓶颈，在开展相关工作前，需要我们对智能电网的具体要求和关键技术做深入了解与探讨。智能配电是智能电网中与用户直接相连的末端。从用户的角度讲，智能配电网的好坏直接决定智能电网建设质量的高低[3-6]。
1.1 课题背景及研究意义
当爱迪生发明电灯以来，我们就揭开了电力时代的序幕。随着时代日新月异的发展，各国将能源安全上升到国家战略高度，与我们工业、生活息息相关应用最为广泛的清洁能源—电能更是重中之重。十三五规划明确提出：优化电力需求侧管理，加快智能电网建设，提高电网与发电侧、需求侧交互响应能力的总体要求。因此，传统地电网升级改造迫在眉睫。随着全球能源压力提升，对供电可靠性和质量的要求越来越高。2009 年国家电网公司在特高压输电技术国际会议上首次提出“坚强智能电网”这一概念[7]，对电力生产与管控、电能地销售与交易等业务实现信息化，并实现有效融合，实现对信息网、电力网、业务网等地改造升级，在智能电网中实现三网合一[8]。低压配电系统与客户终端直接连接，它处在智能电网电力系统的末端，直接与用户接触，被认为是智能电网的主要部分。
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1.2 低压电力线载波通信技术
LPLC 是将图像、话音、视频等多媒体数据信号通过低压配电网络实现高速传输与通信的技术。目前，低压电力线载波通信技术主要研究热点如下：
（1）电力线信道特性地研究。电力线原本用于传输电能，当它用作传输信号时，其传输环境极其复杂。制约着电力线通信技术发展与普及的瓶颈正是由于电力线信道上存在着复杂多变的噪声以及接入电力线终端用户负载的不确定。由于传输信号在电力线载波通信信道传输过程中常常伴有信道衰减、噪声特性、以及多径效应等传输性质，这会严重影响信号传输质量。因而在电力线信道环境复杂多变的情况下，如何建立一个符合实际的噪声模型以及一个能体现电力线信道多径时变的传输模型是目前研究电力线技术亟待解决的问题。
（2）运用 OFDM 方法改进调制技术。OFDM 技术通过近几年地发展，己经成为电力线通信技术当中最为核心的调制技术。OFDM 技术由于具有频谱利用率高、抗衰减特性强、能够有效克服信道多径效应引起的子载波间干扰(InterCarrier Interference，ICI)等优点，成为电力线通信研究人员重点分析与研究的方向。
（3）从电力线组网技术方向。互联网、广电网、电信网、电网的四网融合以及联合物联网进行频谱资源分配、信号耦合、多址接入以及多用户服务质量等问题成为了目前研究人员必须解决和突破的难题。因此，组网技术将成为电力线通信技术研究人员未来重点突破的技术和加大研究力度的一个方向[21]。
根据对国内相关行业的调查统计，翻阅相关资料，提炼数据（见图 1-1）可知，2010~2015 年这五年期间电力线载波芯片年增长迅速，增长率超过 60%。从市场规模来看，电力线载波芯片达到了 6578.3 万片[22]，鉴于这种增长趋势，估计在 2015~2020 年这五年内对低压电力线载波通信（LPLC）芯片平均年需求量在 5132.67 万只左右。图 1-1 市场容量年份变化表出现这种现象的主要原因是由于电力线低压载波通信技术在我国起步相对较晚，并且发展的速度与技术创新相对较慢。20 世纪末期，我国只有为数不多的电力生产企业对载波通信技术进行研究，到 2001 年年底也只开发出少数电力线载波通信相关产品，并且传输速率仅为 10Mbps 左右。自 2003 年以来其开始应用在电力抄表系统方面，但传输速率慢、通信质量差等原因导致采集数据不准确等方面的缺点使得目前在远程自动抄表的应用没有被普遍的采用。随着智能电网的深入推广，它的应用开始进入快速发展阶段，采用较为先进的通信及超大规模集成电路技术，特别是 2009 年智能电网提出以来，电力线载波技术有了较大地发展。从下表可知，电力线载波通信无论从芯片的数量，还是通信芯片在市场中的占有量等方面都有很大地增加。但我国电力线网络整体性能相对不稳定，负载地切入切出使它复杂多变。如今，对它的研究将更加地深入和广泛[23-25]。
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第二章 信号调制及信号处理基础理论
基带信号传输距离短，且是单向传输，如果相距较远，要实现通信必须经过调制将信号频谱搬移到高频频段才能在信道中传输。信号传输与接收需要经过调制处理，信号的抗干扰和信道容量及频率的利用率取决于信号调制方式。依据调制原理不同，调制方式也多样化，我们在此用专门小节进行介绍。
2.1 调制方式及原理
随着数字化时代地到来，数字信号将逐渐取代模拟信号，为了使数字信号由起初的基带信号转变成能在高频信道中传输的信号，实现高速传输，首先要对数字信号进行调制处理。选用合适的调制方式，是通信的关键，也能改变通信的质量。传输数字信号与传输模拟信号调制方式类型相同，有四种常见的调制方式：
随着远距离数字通信技术地发展及数字通信容量地增大，也将会带来新的问题。影响信息传输的主要原因是信道的带宽限制及传输的非线性。只有进行传统数字调制方式地改进，才能满足当前通信系统应用需要。改进这种调制方式主要在于减小信道对传输信号地影响及干扰，在相对有限的带宽资源条件下，将会获得更高的数据传输速率等。节省频谱和提高频带的利用率是改进的目标。而采用多进制调制方式主要是为提高频谱有效利用率，恒包络技术适应信道的非线性，使频谱占用率小。扩展频谱类调制技术(Spread Spectrum Communication，SSC)是利用频谱展宽的扩频信号进行信息传送，其工作原理是把信息频带按照某规则的伪随机码序列号展宽，让数字信号在更宽的频带上传输，在接收端将相同的伪随机码序列进行解扩，以此恢复原始信息的一种技术[23，26-28]。
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2.2 OFDM 调制技术原理
低压电力线载波通信中一个核心的研究课题是如何使信道充分地利用起来，让传输高效，调制技术在通信中至关重要，OFDM 技术作为多载波传输方案的关键技术，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。
2.2.1 OFDM 的发展现状
目前，各国都在积极探索和研究智能电网相关技术，随着低压电力线载波通信研究地发展，正交频分复用技术在 220V/380V 电力线通信中成为应用热点。二十世纪 50 年代 OFDM 并行传输观点首次提出，研究成果主要用在军事中的高频无线通信中。由于原始的 OFDM 调制系统结构复杂，所以发展非常缓慢。60 年代又提出了并行数据传输与频分复用概念。在 70 年代里为了实现载波调制创新地提出了快速傅里叶变换和傅里叶反变换的处理方法，极大简化了系统结构。随着DSP 技术的发展，特别是 80 年代大规模集成电路地应用，OFDM 技术趋于实用化。在 FFT 技术开拓过程中，OFDM 技术被逐渐应用到其他领域。此时，研究人员将OFDM 技术与快速傅立叶逆变成功应用在高速 MODEM 中。进入 90 年代，欧洲和澳大利亚将 OFDM 技术深入研究到无线调频信道的高速数据传输上，且在各种数字通信中得到了广泛地应用[31]。
2.2.2 数字信号调制识别
伴随着通信手段地多元和通信技术地进步，人工识别的调制方式逐渐被淘汰，智能调制识别方式逐渐产生，这也顺应智能电网的发展趋势。目前应用比较普遍的识别方法大致有两类，下文将围绕这两种识别方法来诠释自适应 OFDM 技术的自动识别原理。首先是基于特征（FeatureBased，FB）的调制识别算法；第二是基于似然（Likelihood Based，LB）的调制识别算法。结合发展历史与研究现状，对模拟信号调制自动识别技术进行详细地介绍与简要分析。
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第三章 低压电力线信道特性分析及建模................................23
3.1 LPLC 信道的传输性质 ..........................................23
3.1.1 噪声特性.................................................23
第四章 自适应 OFDM 在远程自动报表中的应用....................39
4.1 远程自动报表中系统总体结构的设计 .............................39
4.2 基于自适应 OFDM 调制集中器的设计 ..............................40
第五章 总结与展望..................................................51
5.1 总结 .........................................................51
5.2 展望 .........................................................51
第四章 自适应 OFDM 在远程自动报表中的应用
远程自动报表系统的成功应用，可以实现用户自动抄表、用电信息控制、降低电力线损等业务。本文的远程自动抄表系统采用的是低压电力线载波通信的方式，运用自适用 OFDM 技术对系统进行调制，可以有效防止信号衰减和减小子载波间的干扰，提升频谱利用率及整个远程自动报表系统的整体性能[55]。自适应OFDM 系统的调制机制能判断信道环境的优劣，选取与之适应的调制方式。采用加载算法，尽量使数据集中在较优的信道上进行传输，对于慢时变信道，依据每道子载波的信噪比选择合适的各子载波和与调制方式，增加每个符号中比特数目及传送给各个子载波的功率，从而使总比特功率加大，提高对应的系统容量。自适应 OFDM 技术将高速率的数据流经串/并转换、循环前缀的插入来减小符号之间的干扰与简化接收机内均衡的复杂程度。
自适应 OFDM 技术也有缺点，比如：增加发射机和接收机的复杂度；传输距离相距较远时，通信效果较差；同时调制多路载波信号时，信号会在接收端产生叠加，造成相对较大的峰均功率，从而降低系统射频放大器的有效性能；自适应OFDM 技术对信号的频偏、噪声和相位很敏感，如果子载波之间的正交性遭到破坏，1%的频偏将使系统信噪比下降 30dB[56]。在电力系统运营、管理及维护中，通信网络都是最关键的部分。电力线载波通信技术因其方便（即插即用）、可靠、经济、免维护等优势在远程自动报表系统得到大范围应用[57]。
4.1 远程自动报表中系统总体结构的设计
目前，居民生活用电大多采用“一户一表”制，我国是人口大国，家庭数目巨大，因此面对数量庞大的电表，收集用电信息，将花费大量的人力。因此人工抄表的弊端需要引进先进技术或系统来解决，自动抄表技术因为这一内在的要求而产生。电子技术进步、通信技术发展和计算机网络技术的飞越，促进了各种各样的智能仪表的产生，这些技术的进步又使自动抄表系统有了实现成为可能。国家电网公司出台了有关 DL/T695《低压电力线载波抄表系统》的规范标准和《国家电网公司电费抄核收工作规范》，目的是要加强对用户电费抄收的管理工作[58]，规划用户的抄核收作业，实现管理水平精益化、标准化，并达到减员提效的效果。某些偏远地区供电点相对分散，抄收电费不方便，工作量大却效率低下。
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第五章 总结与展望
5.1 总结
本文主要完成了以下工作：
(1) 通过背景介绍与发展方向，确认了电力线载波通信作为研究课题。
(2) 详细介绍自适应 OFDM 调制技术的原理。
(3) 对 LPLC 特性进行了叙述，经负载分析，确立的研究模型有效克服了信道中的时变性和多径效应及干扰，提高通信的质量和速度。
(4) 在以上工作的基础上，开发了远程电表抄报表方案（基于 PLC 技术）；并参与编写了用于提取电表电量的电脑模拟程序。
本设计虽然实现了在电力线中的电流采集与相关通信功能：采用调制解调器与 PLC 远程电表信息收集方案，但还存在较多瑕疵与待改善的方面。
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参考文献（略）
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参考文献（略）