电力线通信（PLC）技术综述

660中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集中国•海南电力线通信（PLC）技术综述曹惠彬（国电通信中心、北京100761）SURVEYOFPOWERLINECOMMUNICATION(PLC)TECHNOLOGYCAOHui-bin(StateGridTelecomCenter,Beijing100761,China)ABSTRACT:Thepaperpresentsthegeneralintroduction,classification,functionalorientation,mainapplications,networkarchitecture,newprogress,standardization,andEMCissuesofpowerlinecommunication(PLC)technology.KEYWORDS:Powerlinecommunication；Techniquenclassification；Functionalorientation；Networkarchitecture；Standardization；EMC摘要：论述了电力线通信技术概况、技术分类、功能定位、主要用途、网络体系结构特征、发展动态、标准化进展、EMC问题等，侧重于宏观分析，不涉及技术细节。关键词：电力线通信；技术分类；功能定位；网络体系结构特征；标准化；电磁兼容1概述电力线通信（PowerLineCommunication）是利用电力线实现信息传递的通信方式的统称，简称PLC。要了解电力线通信，首先必须对电力线有一个基本的了解。电力线大致分为五类：（1）各种输电线：包括特高压输电线（UHV，1000kV及以上）、超高压输电线（EHV，750、500或330kV）、高压输电线（HV，220kV）；（2）高压配电线：110、66、35kV；（3）中压配电线：10（20）kV；（4）低压配电线：380／220V；（5）室内用户线：我国一般为单相220V。中国大多数地区电网的电压序列为500／220／110／35／10／0.38kV，其他电压等级仅在局部地区使用。过去，PLC主要是指输电网中的电力线载波通信（PowerLineCarrier），多数为窄带模拟载波，单路或几路SSB或DSBAM制式。前几年也有少量数字式电力线载波机（DPLC）在国内应用，速率一般不超过（2B+D）/2，即72kb/s。电力线载波技术在国内已经有70多年的应用和发展历史，技术标准和管理规程相当完备和成熟，目前尽管在线运行的载波设备总数呈下降趋势，但在电力系统仍然还有相当大的数量，承载着电网通信的某些核心业务。本文所称PLC，是一个广义的专业术语，既包括输电网中的电力线载波，也包括配电网中利用配电线路实现的数据通信。但是，从谈论新技术发展的角度，主要是指后者，尤其是指中压和低压配电线及室内用户线上的2Mb/s以上的高速数据通信。2PLC技术分类从占用频率带宽角度，可分为窄带PLC（NB-PLC）和宽带PLC（BB-PLC）。窄带PLC的载波频率范围，在不同国家、不同地区是不一样的，美国为50～450kHz，欧洲为3～148.5kHz（95kHz以下用于接入Access通信,95kHz以上用于户内In-house通信），中国为40～500kHz。宽带PLC的载波频率范围，在美国为4～20MHz（HomePlugSpecificationv1.0），主要用于户内；欧洲为1.6～10MHz（Access)和10～30MHz（In-House)，这是ETSI标准，CENELEC标准分界点为13MHz，欧盟委员会从2002年开始正在协调统一；中国尚无宽带PLC的标准。从实现的通信速率来看，可分为低速PLC（LS-PLC）和高速PLC（HS-PLC），一般以2Mb/s线速为分界线。通常，NB-PLC等同于LS-PLC，BB-PLC等同于HS-PLC。另一种分类方法是按应用场合的不同。ETSI标准《PLT体系结构参考模型》中，根据使用场合不同，分为四类，通用符号标记为PLT-x，其中，x中国•海南中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集661=H（高压）、M（中压）、L（低压）、P（室内）。本文以下论述中，PLC和PLT（PowerLineTelecom）为同义词，需要细分时采用PLT-x，一般统称时采用PLC。3电力公司对PLC技术的功能定位电网从超高压输电线路到低压配电线路，分布极为广泛。近年来，国家支持电力部门投入巨额资金实行城市电网和农村电网改造，使得配电网的情况有了极大的改善。实施“两网改造”后一方面大大提高了供电可靠性和电能质量（电压和频率稳定性），另一方面也提出如何满足日趋复杂的配电网安全稳定控制急需的通信手段和如何充分利用配电网资源两个新的问题。电力部门对利用电力线实现通信的研究和开发工作，从来没有停止过。在世界范围来看，窄带PLC在电力系统已经有80多年的发展历史，它曾经是输电网继电保护、远动、调度电话的主要通信手段，目前仍在广泛使用，短时间内也不会完全淘汰。PLC技术逐步向低压网延伸，过去并非不想为之，只是受技术条件限制，未能实现而已。近年来，随着配电网扩大和通信技术发展以及社会逐步信息化，利用低压配电网实现高速数据通信的梦想正在变为现实。低压宽带PLC技术发展再一次引起了各国电力公司的高度关注，这种普遍重视的背后，有几个方面的原因：首先，配电网不断发展，管理和控制复杂性加大；第二，用户对供电可靠性和电能质量的要求越来越苛刻；第三，窄带PLC已经不能适应现代电网的要求，需要新的技术手段；第四，电力公司与电力客户之间双向的宽带通信及增值服务能力，正在成为电力公司在电力市场竞争中取胜的重要因素之一。这四个方面是从电力公司内部需求角度来看的，当然，如果PLC这项技术利用好了，向全社会开放，对促进社会信息化无疑也是非常有利的。无论是否能够开展公众电信业务，作为电力公司来讲，研究开发宽带PLC技术的主要功能定位，应当是以下三个方面：（1）用户进入电力客户服务门户网站的第一渠道。在国外，这已经成为电力市场竞争的法宝，在国内，至少可以改善供电服务、降低通信成本。（2）配电网自动化控制和现代化管理的主要通信手段。配电网点多面广，完全用光纤覆盖是不太现实的。PLC技术与配电线路结合比较自然和紧密。（3）家庭节能工程及家庭智能化的物质基础。电力要加强环保，电网侧的努力固然重要，但是到一定程度后，潜力就不大了，进一步降低污染的主要出路，在于减少不必要的能源消耗。实行家庭节能工程，就是其中一个很重要的方面，其实质是家用电器的智能化和网络化控制，PLC可以很方便地实现智能家电联网和远程控制。4宽带PLC技术的主要用途（1）户内联网（In-housenetworking），即PLT-P：利用室内电源线和任意电源插座，实现家庭内部多台计算机联网及智能家用电器控制，也可以通过家庭网关（或楼层网关）与五类缆、光纤、PLT-L、ADSL、CATV或无线等相连，进入因特网或电力客户服务网。（2）户外接入（Access），即PLT-L：进户：光缆或其他高速通信手段到楼内总配电室后，利用楼内220V线路解决总配电室至每个住户门口的通信接入问题；进楼：楼内总配电室以外更远距离的通信接入，例如小区内从配电变压器到某栋楼的总配电室的通信连接。（3）中压PLC，即PLT-M：35/10kV变压器至10/0.38kV变压器之间，如没有其他通信手段，可利用10kV线路和PLT-M设备，构成接入网主干电路。PLT-M使用的10kV线路可以是地下电力电缆，也可以是架空电力明线。以上三种情况，从技术上讲，对专用通信和公众通信都是适用的，同样的技术、同样的网络，其连接出口不同，尤其是连接目的地不同，服务性质就有所差别。作为公众通信，PLC接入网出口直接或间接至因特网，目的地是因特网；作为专用通信，PLC接入网的出口可以直接连到电力客户供电服务网，也可以通过因特网，但昀终目的地是电力服务网。当然，某些情况下这两者很难截然分开。国外已经有一些电力公司，利用PLC或复合通信能力的电力电缆，开展电力、电信、保险、消费信贷等多种业务的捆绑服务，这种捆绑是指接入服务提供商的能力而言的，用户有选择使用或不用的权利，每项业务都是充分竞争的（包括售电），因此不存662中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集中国•海南在垄断的问题，由于方便，而且电力公司一般资信较好，用户还是欢迎的。5基于PLC的宽带接入网络体系结构网络体系结构，是指各种各样的网络元素按照一定的规则（拓扑、层次等）有机地组合，所形成的完整的装备体系和功能结构。PLC宽带接入网，其网络元素与其他接入网类似，不同的只是PLC主站端设备、信号注入耦合装置、电力线媒介和PLCMODEM，即物理层面的差别。其拓扑形式和通信协议，与基于以太网技术的宽带接入网是类似的，只是为了克服电力线媒介传输条件差、性能变化大的困难，一般都采用OFDM技术，协议方面有的也作了修改和优化。从目前情况来看，完全基于PLC技术，一般只能组成用户室内或小型楼宇的局域网络（HomeLAN或In-houseNetwork），用于家庭多台计算机内部联网及智能家电联网，其网络体系结构比较简单，如果以传输手段作为网络体系结构的主要特征，则可以称之为纯PLC对等网络或主从网络。目前，这种网络在国内家庭需要不大，可能在SOHO应用方面有一定的市场。真正需求量大的，还是家庭宽带上网、大楼内部局域网以及局域网与因特网之间的连接。而这些需求，纯PLC多数是满足不了的。要形成一个实用的网络，还必须结合其他通信技术，优势互补，有机整合。笔者考察了国内外各种PLC试验网的网络结构后，把它们基本上归纳为三类，这个观点和归纳方法已被越来越多的人所接受。(1)FTTB+UTP+PLT_P光纤到楼内总配电室，经过网络交换机或路由器，用5类UTP缆分配至楼层电表间，再经过PLC主站和耦合装置注入各家的进户线，用户在家里任何一个电源插座插上PLCMODEM，接上USB线或RJ45的连线，就可以实现高速上网。这种方式有诸多优点，例如，PLC传输距离短,且都在钢筋混凝土墙内,EMC很容易解决；又如，PLC作为末端支线，14Mb/s网线速率足够了，设备成本比较低。目前，国电通信中心组织中电飞华公司在北京电力职工住宅区建立的试验网络，主要采用的就是这种结构。但前提是，楼内必须具备可以在电表间竖井内上下放线的条件。(2)FTTB+PLT_L+PLT_P这种方式也很简单，光纤到楼，PLT_L作为垂直干线，PLT_P作为水平布线。这里的PLT_L和PLT_P，既可以是同制式、同厂家的产品，也可以是不同制式、不同厂家的产品。前者如西班牙DS2公司的45Mb/s产品，1～30MHz分为三个频段，低频端作为垂直干线通信频段，10～20和20～30MHz作为可选的水平总线通信频段，垂直干线与水平总线之间通过中继网关连接，速率都是45Mb/s（上行、下行分开，总速率45Mb/s）。后者如中国电力科学研究院通信所研发的系统集成方案，垂直干线为基于DS2芯片的45MPLC产品，水平总线为基于Intellon芯片的14M产品，两者制式不同，大部分频段重合，集成互连时必须解决好信号隔离问题。这种方式下，只要光纤进到楼内总配电室，从总配电室至用户家中电源插座之间就不再需要任何布线。下一步，中压PLC（PLT_M）成熟后，还可能出现FTTS+PLT_M+PLT_L+PLT_P的结构，其中FTTS是光纤到变电站（Substation），也可能是FTTT（光纤到变压器）。这种方式也可以简称为“FTTx+PLC”，其中包含了上面所讲的各种情况。(3）其他组合结构上述结构模式中，FTTB可以用其他高速接入手段替代，例如在对价格敏感、对速率要求不高的用户群中，可以用xDSL替代，速率仍高于拨号上网,但多个用户可以分担一条专线的成本，比较经济。另外，P