電力線(xiàn)載波通信技術(shù)的發(fā)展與特點(diǎn)

電力線(xiàn)載波通信技術(shù)的發(fā)展及特點(diǎn)摘要 本文介紹了電力線(xiàn)載波通信的發(fā)展及特點(diǎn)，文中主要就高壓電力線(xiàn)載波通信、中壓配電網(wǎng)電力線(xiàn)載波數(shù)據(jù)通信和低壓用戶(hù)配電網(wǎng)電力線(xiàn)載波通信，以及與其相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了討論。 0 引 言 電力線(xiàn)載波（Power Line Carrier - PLC）通信是利用高壓電力線(xiàn)（在電力載波領(lǐng)域通常指35kV及以上電壓等級(jí)）、中壓電力線(xiàn)（指10kV電壓等級(jí)）或低壓配電線(xiàn)（380/220V用戶(hù)線(xiàn)）作為信息傳輸媒介進(jìn)行語(yǔ)音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。近年來(lái)，高壓電力線(xiàn)載波技術(shù)突破了僅限于單片機(jī)應(yīng)用的限制，已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代。并且，隨著電力線(xiàn)載波技術(shù)的不斷發(fā)展和社會(huì)的需要，中/低壓電力載波通信的技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用亦出現(xiàn)了方興未艾的局面，電力線(xiàn)載波通信這座被國(guó)外傳媒喻為“未被挖掘的金山”正逐漸成為一門(mén)電力通信領(lǐng)域乃至關(guān)系到千家萬(wàn)戶(hù)的熱門(mén)專(zhuān)業(yè)。在這種形勢(shì)下，本文旨在通過(guò)對(duì)電力線(xiàn)載波通信技術(shù)的發(fā)展及所涉及的一些技術(shù)問(wèn)題的討論，闡明電力線(xiàn)載波通信的發(fā)展歷程、特點(diǎn)及技術(shù)關(guān)鍵。2 電力線(xiàn)載波通信的特點(diǎn) 2.1 高壓載波路由合理，通道建設(shè)投資相對(duì)較低 高壓電力線(xiàn)路的路由走向沿著終端站到樞紐站，再到調(diào)度所，正是電力調(diào)度通信所要求的合理路由，并且載波通道建設(shè)只需結(jié)合加工設(shè)備的投入而無(wú)須考慮線(xiàn)路投資，因此當(dāng)之無(wú)愧成為電力通信的基本通信方式，尤其在邊遠(yuǎn)地區(qū)更是這樣。電力線(xiàn)載波通道往往先于變電站完成建設(shè)，對(duì)于新建電站的通信開(kāi)通十分有利。為此，只要妥善解決電力線(xiàn)載波信道的容量問(wèn)題，載波通信的優(yōu)勢(shì)就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。在中壓配電網(wǎng)載波和低壓用戶(hù)電網(wǎng)載波中，節(jié)省線(xiàn)路建設(shè)費(fèi)用，無(wú)須考慮破壞家庭已裝修環(huán)境，也仍然是載波通信的優(yōu)勢(shì)。2.2 傳輸頻帶受限，傳輸容量相對(duì)較小 在高壓電網(wǎng)中，一般考慮到工頻諧波及無(wú)線(xiàn)電發(fā)射干擾 電力線(xiàn)載波的通信頻帶限制于40500kHz之內(nèi)，按照單方向占用4kHz帶寬計(jì)算，理想情況下一條線(xiàn)路可安排115條高頻載波通道。但由于電力線(xiàn)路各相之間及變電站之間的跨越衰減有限（1343dB），不可能理想地按照頻譜緊鄰的方式安排載波通道，因此，真正組成電力線(xiàn)載波通信網(wǎng)所實(shí)現(xiàn)的載波通道是有限的，在當(dāng)今通信業(yè)務(wù)已大大開(kāi)拓的情況下，載波通道的信道容量已成為其進(jìn)一步應(yīng)用的“瓶頸”問(wèn)題。盡管我們?cè)谳d波頻譜的分配上研究了隨機(jī)插空法、分小區(qū)法、分組分段法、頻率阻塞法及地圖色法和計(jì)算機(jī)頻率分配軟件，并且規(guī)定不同電壓等級(jí)的電力線(xiàn)路之間不得搭建高頻橋路，使載波頻率盡量得以重復(fù)使用，但還是不能滿(mǎn)足需要。近來(lái)隨著光纖通信的發(fā)展和全數(shù)字電力線(xiàn)載波機(jī)的出現(xiàn)，稍微緩解了載波頻譜的緊張程度。 在10kV中壓配電網(wǎng)和低壓用戶(hù)配電網(wǎng)中，除了新上的載波信號(hào)之外，不存在其它高頻信號(hào)，并且一般為多址傳輸，因此通道容量問(wèn)題并不突出。2.5 線(xiàn)路阻抗變化大 此主題相關(guān)圖片如下： UPLOAD=gif 高壓電力線(xiàn)阻抗一般為300400，在線(xiàn)路上呈波動(dòng)狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，在波動(dòng)幅度達(dá)到1/2左右時(shí)，對(duì)載波通道衰減將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響7。在通道加工不合理、不完善、存在容性負(fù)載以及T接分支線(xiàn)時(shí)，會(huì)加劇載波通道的阻抗變化并甚至中斷通信。低壓用戶(hù)配電網(wǎng)載波通道的阻抗變化更大（見(jiàn)圖2），在負(fù)荷很重時(shí)，線(xiàn)路阻抗可能低于1，這使得載波裝置不能采用固定的阻抗輸出。2.7 對(duì)外界的干擾 由于高壓電力線(xiàn)載波頻段限制在40500kHz，只要控制載波機(jī)的諧波和交調(diào)亂真發(fā)射功率足夠小，即可避免對(duì)外界的干擾。目前值得研究的是在220V線(xiàn)路上的擴(kuò)頻電線(xiàn)上網(wǎng)裝置的干擾問(wèn)題，這類(lèi)裝置為了實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，往往占用頻帶達(dá)30MHz甚至更多，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，當(dāng)電力線(xiàn)數(shù)據(jù)通信使用230MHz的頻帶傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)對(duì)該頻段的短波無(wú)線(xiàn)電廣播、業(yè)余愛(ài)好者無(wú)線(xiàn)電臺(tái)等產(chǎn)生影響。目前我國(guó)還沒(méi)有建立這方面的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)將這種干擾限制在何種程度還需要進(jìn)一步研究8。2.8 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求更高 現(xiàn)代通信對(duì)電力線(xiàn)載波的要求也更側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)方面，需要將原先僅限于通道的概念擴(kuò)展為網(wǎng)絡(luò)概念。以往的電力線(xiàn)載波機(jī)主要靠自動(dòng)盤(pán)和音轉(zhuǎn)接口實(shí)現(xiàn)小范圍的聯(lián)網(wǎng)，而將載波機(jī)與調(diào)度機(jī)協(xié)同考慮，實(shí)現(xiàn)載波機(jī)協(xié)同變電站調(diào)度機(jī)的組網(wǎng)應(yīng)用以及適當(dāng)設(shè)置能夠與通信網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口的數(shù)據(jù)采集變送器應(yīng)當(dāng)是我們近幾年考慮的問(wèn)題。與高壓電力載波不同，電力線(xiàn)載波在中、低壓線(xiàn)路上的應(yīng)用在開(kāi)始階段就是建立在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)之上的。3 目前需要考慮的一些技術(shù)問(wèn)題 3.1 高壓電力線(xiàn)載波 3.1.1 信道容量長(zhǎng)期以來(lái)一直是電力線(xiàn)載波通信存在的關(guān)鍵問(wèn)題，如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更高速、多路的電力線(xiàn)載波通信是進(jìn)一步發(fā)展的主要課題。目前我們已通過(guò)成功地采用數(shù)字復(fù)接技術(shù)擴(kuò)展了頻域4kHz帶寬的信道容量（達(dá)到28.8kbits/s），今后還可在線(xiàn)路頻率的回波抵消上進(jìn)行一番深入研究。國(guó)內(nèi)以前曾有過(guò)對(duì)模擬正交調(diào)制實(shí)現(xiàn)通道容量倍增的研究，隨著技術(shù)的發(fā)展，高精度的DDS（直接頻率合成）技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，這一研究還可繼續(xù)進(jìn)行下去。同時(shí)，在電力線(xiàn)載波頻率資源趨于寬松的情況下，在載波線(xiàn)路頻譜上采用比當(dāng)前4kHz載波基本頻帶更寬的頻帶已成為可能，本文認(rèn)為相關(guān)的載波標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)針對(duì)當(dāng)前的實(shí)際情況考慮適當(dāng)修改，并以此來(lái)規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。3.1.2 數(shù)字多路復(fù)接類(lèi)型的電力線(xiàn)載波機(jī)在進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)中斷現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對(duì)于語(yǔ)音傳輸無(wú)大影響，但是對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸，尤其是一些重要的控制信號(hào)的傳輸將帶來(lái)不良的后果。據(jù)分析，這一現(xiàn)象可能是由線(xiàn)路上的突發(fā)脈沖干擾引起的，因此，解決這一問(wèn)題可以考慮兩個(gè)方面，一是在載波機(jī)設(shè)計(jì)中有針對(duì)性地重點(diǎn)考慮如何解決（據(jù)說(shuō)已有產(chǎn)品，還需現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證）；二是在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中也要注意不能一概而論地上數(shù)字復(fù)接載波機(jī)，應(yīng)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合來(lái)選擇合適的載波機(jī)類(lèi)型。如果線(xiàn)路突發(fā)噪聲比較高，頻繁出現(xiàn)這樣的瞬時(shí)中斷時(shí)，在目前情況下應(yīng)考慮采用DSP制式的數(shù)字化電力線(xiàn)載波機(jī)。 3.1.3 載波機(jī)的接口類(lèi)型目前有音轉(zhuǎn)、二線(xiàn)E&M、四線(xiàn)E&M、小號(hào)、延長(zhǎng)線(xiàn)、遠(yuǎn)動(dòng)等，還需更趨于完善，尤其是與數(shù)字設(shè)備和通信網(wǎng)管理系統(tǒng)以及調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的接口更需規(guī)范、適用。載波機(jī)與程控調(diào)度交換機(jī)的結(jié)合方式應(yīng)更便于組網(wǎng)應(yīng)用，使調(diào)度機(jī)的功能覆蓋到全網(wǎng)。 3.1.4 載波機(jī)的電路設(shè)計(jì)在性能指標(biāo)冗余度和器件極限指標(biāo)的余量上還需進(jìn)行精細(xì)地設(shè)計(jì)（要有量化的指標(biāo)），以保證設(shè)備的整機(jī)指標(biāo)和長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。整機(jī)的出廠(chǎng)不能僅以調(diào)試通過(guò)來(lái)判斷設(shè)備的質(zhì)量，而應(yīng)按照企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)睦匣\(yùn)行之后，以最終檢驗(yàn)的結(jié)果來(lái)判斷設(shè)備的出廠(chǎng)質(zhì)量水平。 3.1.5 目前載波機(jī)的設(shè)計(jì)主要針對(duì)高壓和農(nóng)電兩個(gè)方向來(lái)進(jìn)行，雖然我們研究了許多不同的制式，如呼叫信號(hào)有脈沖、單頻移頻、雙頻移頻和帶內(nèi)編碼型；導(dǎo)頻制式有單導(dǎo)頻、無(wú)導(dǎo)頻、間歇導(dǎo)頻；調(diào)制方式有一次、二次和三次調(diào)制，但在下面一些方面還需努力，如：組合功放、線(xiàn)路回音抵消、高頻數(shù)字調(diào)制、抗突發(fā)噪聲的數(shù)字復(fù)接器、自適應(yīng)線(xiàn)路阻抗匹配、工藝水平、過(guò)程質(zhì)量管理等。對(duì)于遠(yuǎn)動(dòng)的防衛(wèi)度問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)盡可能地設(shè)計(jì)為自適應(yīng)地保持恒定的防衛(wèi)度水平，而不是隨著話(huà)音和遠(yuǎn)動(dòng)電平的浮動(dòng)而改變，這樣將更有利于遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)的傳輸可靠性。 3.1.6 載波機(jī)的電磁兼容性能，如電磁輻射抗擾度、靜電放電、快速瞬變、浪涌等性能應(yīng)當(dāng)在整機(jī)設(shè)計(jì)階段就加以考慮，并通過(guò)型式試驗(yàn)的檢驗(yàn)，在當(dāng)前嵌入式CPU成為載波機(jī)的中心控制單元的情況下更是這樣。以前我們?cè)谶@方面所做的工作不夠，現(xiàn)在已具備所有的試驗(yàn)條件，可以按照國(guó)標(biāo)的要求來(lái)進(jìn)行。3.2 中壓電力線(xiàn)載波 3.2.1 10kV配電網(wǎng)的傳輸特性由于十分復(fù)雜，只能通過(guò)測(cè)試來(lái)得到該時(shí)段的傳輸特性。因此，應(yīng)當(dāng)努力進(jìn)行配電網(wǎng)載波傳輸特性的研究和測(cè)試，摸清其能夠?yàn)楣こ虘?yīng)用提供實(shí)際參考價(jià)值的內(nèi)在特性及規(guī)律。 3.2.2 目前的載波數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備需要考慮在傳輸距離不能達(dá)到時(shí)的中繼問(wèn)題，不同的調(diào)制方法可能采取的中繼方式有所不同，并需要現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。 3.2.3 研究對(duì)付突發(fā)噪聲干擾的有效方法，而不是簡(jiǎn)單地進(jìn)行重發(fā)校驗(yàn)。目前的載波裝置在傳輸數(shù)據(jù)可靠性方面的處理應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)。 3.2.4 對(duì)于真正的大型、多用戶(hù)的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的載波數(shù)據(jù)傳輸，目前還缺少實(shí)際的第一手運(yùn)行資料。整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度也需要由此來(lái)實(shí)地考核。 中壓電力線(xiàn)載波目前尚處于發(fā)展階段，有些設(shè)備采用的技術(shù)不夠先進(jìn)和完善，需要在設(shè)計(jì)方案總體上認(rèn)真考慮。3.3 低壓電力線(xiàn)載波 3.3.1 在電力線(xiàn)載波集中抄表系統(tǒng)中較普遍地存在“盲區(qū)”問(wèn)題，有些用戶(hù)的電表讀書(shū)無(wú)法正確讀出（如果存在的現(xiàn)象為時(shí)變的，則問(wèn)題更嚴(yán)重），需要在技術(shù)上克服。目前一些窄帶調(diào)制的設(shè)備多采用自動(dòng)切換頻道和選擇中繼的方式在一定程度上來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。 3.3.2 需要進(jìn)一步研究窄帶噪聲抗干擾技術(shù)，以獲得足夠的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。目前常用的調(diào)制方法分為窄帶調(diào)制和寬帶調(diào)制兩種。窄帶調(diào)制成本低，不能有效地抵抗窄帶噪聲；寬帶調(diào)制一般采用擴(kuò)頻技術(shù)（如DSS直接序列擴(kuò)頻、FH跳頻、TH跳時(shí)、CHIRP寬帶線(xiàn)性調(diào)頻、交叉混合擴(kuò)頻及OFDM正交頻分多路復(fù)用），能夠在一定程度上克服窄帶噪聲的干擾，但是有限的擴(kuò)頻增益對(duì)于較大功率的窄帶干擾仍然無(wú)能為力9。 3.3.3 進(jìn)一步研究增強(qiáng)型的模擬前端技術(shù)，包括自適應(yīng)濾波和自適應(yīng)均衡，以適應(yīng)時(shí)變的、大范圍的線(xiàn)路衰減和線(xiàn)路阻抗的變化，在電力載波的低壓應(yīng)用中，這一點(diǎn)極為重要，也是目前的技術(shù)難點(diǎn)所在。 3.3.4 低壓載波通信在變壓器跨相和穿越變壓器方面的實(shí)用技術(shù)需要研究，在多路供電的現(xiàn)場(chǎng)也需解決電源切換時(shí)的通信中斷問(wèn)題。這一點(diǎn)關(guān)系到通信制式、耦合方式等多方面的設(shè)計(jì)考慮。 3.3.5 研究和考慮電磁兼容性能，制定對(duì)外干擾的標(biāo)準(zhǔn)。 3.3.6 解決目前存在的電線(xiàn)上網(wǎng)設(shè)備對(duì)安裝地點(diǎn)的敏感性問(wèn)題，保持合適的速率并解決“馬賽克”圖象問(wèn)題。 3.3.7 對(duì)于這類(lèi)載波設(shè)備的質(zhì)量檢驗(yàn)，一定要考慮在加入線(xiàn)路噪聲的環(huán)境下（即在一定的信噪比下）進(jìn)行傳輸誤碼性能的測(cè)試。一些企業(yè)提出的關(guān)于傳輸距離能力的指標(biāo)不能作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。 3.3.8 低壓載波通信最終實(shí)現(xiàn)高性能、低價(jià)格的關(guān)鍵在于專(zhuān)用芯片的設(shè)計(jì)和制造，而這正是我國(guó)微電子行業(yè)的弱點(diǎn)所在，加大這一方面的研究和投資力度對(duì)于低壓載波通信的實(shí)用化至關(guān)重要。4 結(jié) 束 語(yǔ) 電力線(xiàn)載波通信在我國(guó)是一門(mén)即古老又年輕的學(xué)科，其近幾年來(lái)的技術(shù)發(fā)展對(duì)于電力線(xiàn)載波通信在高壓到低壓各個(gè)領(lǐng)域里的應(yīng)用所帶來(lái)的震撼的確是十分鼓舞人心的。盡管目前在電力線(xiàn)載波通信技術(shù)及設(shè)備上還不盡完善，但她所激發(fā)的巨大市場(chǎng)潛力已促使我國(guó)眾多的企業(yè)毅然投入到這一領(lǐng)域的研發(fā)之中。據(jù)了