电力线载波通信的应用及其原理

电力线载波通信的应用及其原理电力线载波（PowerLineCarrier–PLC）通信是利用高压电力线在电力载波领域通常指35kV及以上电压等级中压电力线指10kV电压等级或低压配电线380/220V用户线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。电力载波技术，是指利用电力线传输数据和话音、图像信号的一种通信技术方式，他是将低压控制信号加载到电力线上传送到电力网的各个位置，合理地利用了电力线的网络资源。以前该技术只作为长距离调度的通信手段，随着信息技术的飞速发展，利用220V低压电力线传输高速数据的价值越来越为人们所重视，因为他具有不用布线、覆盖范围广、连接方便、功能灵活、安装便捷、扩展容易的显著特点，被认为是提供“最后一公里”解决方案最具竞争力的技术之一。当前，随着我国电子技术和网络技术的发展，很多电力线载波专用芯片的传输速率也越来越高，以电力线作为载体通过电力载波技术进行通信的例子越来越多，如载波电话、家庭智能控制、小区物业管理、安防报警等等。在我国很多地方已经可以通过电力线上Internet网并取得了良好的效果，预计在未来数年，随着技术的发展，使用者可以通过电力连线，轻松地将计算机、各种电子装置、安全系统和家电串连成家庭网络。低压电力线载波通信的基本原理框图如图1所示。信号处理器←→调制解调器←→信号放大器←→信号耦合网络←→低压电力网络图一：低压电力线载波通信的基本原理然而一些基于电力载波技术开发的产品并不能大面积地推广，主要原因是其抗干扰性能差和电网噪声比较大。这是由于我国的电网波动较大，同时接入的干扰噪声较多并且没有进行较好的抑制。电力线上的高削减、高噪声、高变形使得电力线成为一个不理想的通信媒介。近年来高压电力线载波技术突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了数字化时代，并且随着电力线载波技术的不断发展和社会的需要中/低压电力载波通信的技术开发及应用亦出现了方兴未艾的局面。电力线载波通信这座被国外传媒喻为未被挖掘的金山正逐渐成为一门电力通信领域乃至关系到千家万户的热门专业。在这种形势下，本文旨在通过对电力线载波通信技术的发展及所涉及的一些技术问题的讨论，阐明电力线载波通信的发展历程特点及技术关键。电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而应运而生的，它同电力系统的安全稳定控制系统，调度自动化系统，被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。目前，它更是电网调度自动化网络运营市场化和管理现代化的基础，是确保电网安全稳定经济运行的重要手段，是电力系统的重要基础设施。由于电力通信网对通信的可靠性保护控制信息传送的快速性和准确性具有及严格的要求，并且电力部门拥有发展通信的特殊资源优势，因此世界上大多数国家的电力公司都以自建为主的方式建立了电力系统专用通信网[1]。长期以来，电力线载波通信网一直是电力通信网的基础网络。目前，在长达670000km的35kV以上电压等级的输电线路上，多数已开通电力线载波通道[1]。形成了庞大的电力线载波通信网，该网络主要用于地市级或以下供电部门构成面向终端变电站及大用户的调度通信远动及综合自动化通道使用。近年来，随着光纤通信的发展，电力线载波通信已从主导的电力通信方式改变为辅助通信方式，但是由于我国电力通信发展水平的不平衡，由于电力通信规程要求主要变电站必须具有两条以上不同通信方式的互为备用的通信信道，由于电力线载波技术革新带来的新的载波功能，以及由于昔日数量庞大的电力线载波机的更新换代都导致了电力线载波机虽然作为电力通信的辅助通信方式但是在全国仍然存在较大的市场需求。全国共有约20家企业从事高压电力线载波机的开发和生产。中低压电力线载波的应用，目前主要在10kV电力线作为配电网自动化系统的数据传输通道和在380/220V用户电网作为集中远方自动抄表系统的数据传输通道。还有正在开发并取得阶段性成果的电力线上网高速MODEM的应用，在这些方面10kV上的应用已达到了实用化。成都一家公司开发的扩频载波数据传输装置(已通过质量检验[2])，在四川罗江县供电局已可靠运行达一年之久。从事这类产品开发生产的企业全国约有几十家，一旦市场全面形成竞争，将较为激烈。作为自动集抄系统通道的载波应用，目前已能够形成组网通信完成数据抄收功能。但是，由于用户电网的某些时变特性和突发噪声对数据传输的影响在技术上并未得到根本解决，因此还存在着抄表盲区的问题。这一问题目前一直阻碍电力载波通信技术在自动集抄系统应用的主要症结所在。从事这类产品开发生产的企业全国至少有200家以上，并且大多数都存在技术开发和工程并行的状况，真正取得良好经济效益的只是少数企业。在市场还未全面认同这种方式的可靠性的状况下其市场竞争已达到了白热化的程度，这一现象应当引起有关单位的重视。关于电力线上网的电力载波技术应用，目前以中电飞华公司为代表已在北京开通了5个以上的实验小区，取得了大量的第一手工程资料。这是一个非常好的开端，至于何时能够进入商业化生产和运营还需综合考虑技术性能成本核算和符合国家有关环境政策等方面的问题。电力线载波通信技术的发展在历史上经历了从模拟到数字的发展过程，电力线载波通信技术出现于本世纪二十年代初期[3]，它以电力线路为传输通道具有可靠性高，投资少，见效快，与电网建设同步等得天独厚的优点。在我国四十年代时已有日本生产的载波机在东北运行做为长距离电力调度的通信手段，五六十年代我国开始研制自己的ZDD-1型电力线载波机，未能实现产品化，后经过不断改进形成了具有中国特色的ZDD-5型电力线载波机。该设备为四用户两级调幅具有AGC自动增益控制。控制电路和音频转接接口呼叫方式，采用脉冲制式。经改进后的ZDD-5A型机也能够复用远动信号。在我国六十年代到七十年代时期该机所代表的模拟制式电力线载波机，得到了广泛应用。七十年代时期我国模拟电力线载波机技术已趋成熟，当时以ZDD-12ZJ-5ZBD-3机型为代表，在技术指标上得到了较大地提高，并成为我国应用时间最长的主流机型。我们可将在此之前的载波机称为第一代载波机，八十年代中期电力线载波技术开始了单片机和集成化的革命，产生了小型化多功能的载波机，如S-2载波机等在这一阶段主要的技术进步，为单片机自动盘代替了三极管或布线逻辑的自动盘集成电路的调制器压扩器滤波器和AGC放大器代替了笨重多故障的模拟电路，CMOSVMOS高频大功率管在功放电路中的应用等。这一阶段的载波机可称之为第二代载波机。到了九十年代中期，以SNC-5电力线载波机为代表在国内首次采用了DSP数字信号处理技术，将载波机音频至中频部分的信号处理使用DSP器件来完成，实现了软件调制滤波限幅和自动增益控制。这类载波机可称之为数字化电力线载波机，划为第三代。由此开始电力线载波业界进入了载波机的数字化革命阶段，许多企业纷纷投入力量着力于数字电力线载波机的技术研究工作。到了九十年代末期采用新西兰生产的M340数据复接器，目前国内已有自主知识产权的同类产品结合电力线载波机的高频部分为一体的全数字多路复接的载波机问世，这一成果提高了载波机的通信容量，从根本上初步解决了载波机通信容量小的技术瓶颈问题，从而为电力线载波市场带来了空前的机遇。从市场上来看，数字化和全数字载波机已占据了高压电力线载波机产品的大部分市场，模拟制式的电力线载波机销售量已开始萎缩，除了特殊的应用场合外将趋于淘汰。电力线载波在10kV线路上的应用国外自50年代开始，主要应用在中压电网的负荷控制领域，大多为单向数据传输速率低有时小于10bit/s甚至更低，并没有形成大规模的电力线载波通信服务产业。国内在八十年代后期多数是直接使用小型化的集成电路农电载波机，实现点对点通信也有个别采用窄带调频载波机的使用范围很受限制。随着10kV线路通信需求的增长，到了九十年代末出现了多种载波通信设备，这些设备可采用不同的线路耦合方式如电容耦合变压器，耦合低压，耦合陶瓷，电真空耦合及天线耦合等调制方式也在原来的FSK调制，PSK调制音频注入，工频调制过零点检测等方式的基础上开发了先进的扩频调制方式，如DSS直接序列扩频FH跳频，TH跳时交叉混合扩频，CHIRP宽带线性调频，OFDM正交频分多路复用等。目前在国内使用的10kV电力线数据传输设备中使用最多的还是窄带调制设备，主要是多信道PSK及FSK调制，采用扩频方式的设备也已开始崭露头角随着市场的发展和技术的成熟，扩频载波设备必将在电力线载波中压应用方面占有越来越重要的地位。电力线载波在380/220V用户配电网上的应用，在九十年代后期之前只限于采用调幅或调频制式的载波电话机实现近距离的拨号通话，也有采用专用的芯片实现近距离数据传输的。我国大规模地开展用户配电网载波应用技术的研究是在2000年左右，目前在自动集抄系统中采用的载波通信方式有，扩频窄带调频或调相，在使用的设备中以窄带调制类型的设备为多数，其主要原因可能是其成本低廉，而电线上网的应用由于要求的速率至少需要达到512kbit/s10Mbit/s所以无一例外地采用扩频通信方式，在各种扩频调制方式中由于采用正交频分多路复用技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingOFDM)调制具有突发模式的多信道传输较高的传输速率更有效的频谱利用率和较强的抗突发干扰噪声的能力，再加上前向纠错交叉纠错，自动重发和信道编码等技术来保证信息传输的稳定可靠因而成为电力线上网应用的主导通信方式。天津朗辰光电科技有限公司2016年3月15日