電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展與特點.doc

電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展及特點摘要 本文介紹了電力線載波通信的發(fā)展及特點，文中主要就高壓電力線載波通信、中壓配電網(wǎng)電力線載波數(shù)據(jù)通信和低壓用戶配電網(wǎng)電力線載波通信，以及與其相關的關鍵技術(shù)問題進行了討論。 0 引 言 電力線載波（Power Line Carrier - PLC）通信是利用高壓電力線（在電力載波領域通常指35kV及以上電壓等級）、中壓電力線（指10kV電壓等級）或低壓配電線（380/220V用戶線）作為信息傳輸媒介進行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。近年來，高壓電力線載波技術(shù)突破了僅限于單片機應用的限制，已經(jīng)進入了數(shù)字化時代。并且，隨著電力線載波技術(shù)的不斷發(fā)展和社會的需要，中/低壓電力載波通信的技術(shù)開發(fā)及應用亦出現(xiàn)了方興未艾的局面，電力線載波通信這座被國外傳媒喻為“未被挖掘的金山”正逐漸成為一門電力通信領域乃至關系到千家萬戶的熱門專業(yè)。在這種形勢下，本文旨在通過對電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展及所涉及的一些技術(shù)問題的討論，闡明電力線載波通信的發(fā)展歷程、特點及技術(shù)關鍵。2 電力線載波通信的特點 2.1 高壓載波路由合理，通道建設投資相對較低 高壓電力線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，并且載波通道建設只需結(jié)合加工設備的投入而無須考慮線路投資，因此當之無愧成為電力通信的基本通信方式，尤其在邊遠地區(qū)更是這樣。電力線載波通道往往先于變電站完成建設，對于新建電站的通信開通十分有利。為此，只要妥善解決電力線載波信道的容量問題，載波通信的優(yōu)勢就會顯現(xiàn)出來。在中壓配電網(wǎng)載波和低壓用戶電網(wǎng)載波中，節(jié)省線路建設費用，無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。2.2 傳輸頻帶受限，傳輸容量相對較小 在高壓電網(wǎng)中，一般考慮到工頻諧波及無線電發(fā)射干擾 電力線載波的通信頻帶限制于40500kHz之內(nèi)，按照單方向占用4kHz帶寬計算，理想情況下一條線路可安排115條高頻載波通道。但由于電力線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，真正組成電力線載波通信網(wǎng)所實現(xiàn)的載波通道是有限的，在當今通信業(yè)務已大大開拓的情況下，載波通道的信道容量已成為其進一步應用的“瓶頸”問題。盡管我們在載波頻譜的分配上研究了隨機插空法、分小區(qū)法、分組分段法、頻率阻塞法及地圖色法和計算機頻率分配軟件，并且規(guī)定不同電壓等級的電力線路之間不得搭建高頻橋路，使載波頻率盡量得以重復使用，但還是不能滿足需要。近來隨著光纖通信的發(fā)展和全數(shù)字電力線載波機的出現(xiàn)，稍微緩解了載波頻譜的緊張程度。 在10kV中壓配電網(wǎng)和低壓用戶配電網(wǎng)中，除了新上的載波信號之外，不存在其它高頻信號，并且一般為多址傳輸，因此通道容量問題并不突出。2.5 線路阻抗變化大 此主題相關圖片如下： UPLOAD=gif 高壓電力線阻抗一般為300400，在線路上呈波動狀態(tài)，現(xiàn)場實測表明，在波動幅度達到1/2左右時，對載波通道衰減將產(chǎn)生嚴重的影響7。在通道加工不合理、不完善、存在容性負載以及T接分支線時，會加劇載波通道的阻抗變化并甚至中斷通信。低壓用戶配電網(wǎng)載波通道的阻抗變化更大（見圖2），在負荷很重時，線路阻抗可能低于1，這使得載波裝置不能采用固定的阻抗輸出。2.7 對外界的干擾 由于高壓電力線載波頻段限制在40500kHz，只要控制載波機的諧波和交調(diào)亂真發(fā)射功率足夠小，即可避免對外界的干擾。目前值得研究的是在220V線路上的擴頻電線上網(wǎng)裝置的干擾問題，這類裝置為了實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，往往占用頻帶達30MHz甚至更多，據(jù)國外媒體報道，當電力線數(shù)據(jù)通信使用230MHz的頻帶傳輸數(shù)據(jù)時，將會對該頻段的短波無線電廣播、業(yè)余愛好者無線電臺等產(chǎn)生影響。目前我國還沒有建立這方面的標準，應當將這種干擾限制在何種程度還需要進一步研究8。2.8 網(wǎng)絡應用要求更高 現(xiàn)代通信對電力線載波的要求也更側(cè)重于網(wǎng)絡方面，需要將原先僅限于通道的概念擴展為網(wǎng)絡概念。以往的電力線載波機主要靠自動盤和音轉(zhuǎn)接口實現(xiàn)小范圍的聯(lián)網(wǎng)，而將載波機與調(diào)度機協(xié)同考慮，實現(xiàn)載波機協(xié)同變電站調(diào)度機的組網(wǎng)應用以及適當設置能夠與通信網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)接口的數(shù)據(jù)采集變送器應當是我們近幾年考慮的問題。與高壓電力載波不同，電力線載波在中、低壓線路上的應用在開始階段就是建立在網(wǎng)絡應用的基礎之上的。3 目前需要考慮的一些技術(shù)問題 3.1 高壓電力線載波 3.1.1 信道容量長期以來一直是電力線載波通信存在的關鍵問題，如何進一步實現(xiàn)更高速、多路的電力線載波通信是進一步發(fā)展的主要課題。目前我們已通過成功地采用數(shù)字復接技術(shù)擴展了頻域4kHz帶寬的信道容量（達到28.8kbits/s），今后還可在線路頻率的回波抵消上進行一番深入研究。國內(nèi)以前曾有過對模擬正交調(diào)制實現(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)進行下去。同時，在電力線載波頻率資源趨于寬松的情況下，在載波線路頻譜上采用比當前4kHz載波基本頻帶更寬的頻帶已成為可能，本文認為相關的載波標準應針對當前的實際情況考慮適當修改，并以此來規(guī)范現(xiàn)場的實際應用。3.1.2 數(shù)字多路復接類型的電力線載波機在進行遠動數(shù)據(jù)傳輸時，有時會產(chǎn)生瞬時中斷現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對于語音傳輸無大影響，但是對于數(shù)據(jù)傳輸，尤其是一些重要的控制信號的傳輸將帶來不良的后果。據(jù)分析，這一現(xiàn)象可能是由線路上的突發(fā)脈沖干擾引起的，因此，解決這一問題可以考慮兩個方面，一是在載波機設計中有針對性地重點考慮如何解決（據(jù)說已有產(chǎn)品，還需現(xiàn)場驗證）；二是在現(xiàn)場應用中也要注意不能一概而論地上數(shù)字復接載波機，應針對實際應用的場合來選擇合適的載波機類型。如果線路突發(fā)噪聲比較高，頻繁出現(xiàn)這樣的瞬時中斷時，在目前情況下應考慮采用DSP制式的數(shù)字化電力線載波機。 3.1.3 載波機的接口類型目前有音轉(zhuǎn)、二線E&M、四線E&M、小號、延長線、遠動等，還需更趨于完善，尤其是與數(shù)字設備和通信網(wǎng)管理系統(tǒng)以及調(diào)度自動化系統(tǒng)的接口更需規(guī)范、適用。載波機與程控調(diào)度交換機的結(jié)合方式應更便于組網(wǎng)應用，使調(diào)度機的功能覆蓋到全網(wǎng)。 3.1.4 載波機的電路設計在性能指標冗余度和器件極限指標的余量上還需進行精細地設計（要有量化的指標），以保證設備的整機指標和長期運行的可靠性。整機的出廠不能僅以調(diào)試通過來判斷設備的質(zhì)量，而應按照企業(yè)內(nèi)控標準，在經(jīng)過適當?shù)睦匣\行之后，以最終檢驗的結(jié)果來判斷設備的出廠質(zhì)量水平。 3.1.5 目前載波機的設計主要針對高壓和農(nóng)電兩個方向來進行，雖然我們研究了許多不同的制式，如呼叫信號有脈沖、單頻移頻、雙頻移頻和帶內(nèi)編碼型；導頻制式有單導頻、無導頻、間歇導頻；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、線路回音抵消、高頻數(shù)字調(diào)制、抗突發(fā)噪聲的數(shù)字復接器、自適應線路阻抗匹配、工藝水平、過程質(zhì)量管理等。對于遠動的防衛(wèi)度問題，應當盡可能地設計為自適應地保持恒定的防衛(wèi)度水平，而不是隨著話音和遠動電平的浮動而改變，這樣將更有利于遠動信號的傳輸可靠性。 3.1.6 載波機的電磁兼容性能，如電磁輻射抗擾度、靜電放電、快速瞬變、浪涌等性能應當在整機設計階段就加以考慮，并通過型式試驗的檢驗，在當前嵌入式CPU成為載波機的中心控制單元的情況下更是這樣。以前我們在這方面所做的工作不夠，現(xiàn)在已具備所有的試驗條件，可以按照國標的要求來進行。3.2 中壓電力線載波 3.2.1 10kV配電網(wǎng)的傳輸特性由于十分復雜，只能通過測試來得到該時段的傳輸特性。因此，應當努力進行配電網(wǎng)載波傳輸特性的研究和測試，摸清其能夠為工程應用提供實際參考價值的內(nèi)在特性及規(guī)律。 3.2.2 目前的載波數(shù)據(jù)傳輸設備需要考慮在傳輸距離不能達到時的中繼問題，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)場驗證。 3.2.3 研究對付突發(fā)噪聲干擾的有效方法，而不是簡單地進行重發(fā)校驗。目前的載波裝置在傳輸數(shù)據(jù)可靠性方面的處理應當加強。 3.2.4 對于真正的大型、多用戶的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的載波數(shù)據(jù)傳輸，目前還缺少實際的第一手運行資料。整個系統(tǒng)的響應速度也需要由此來實地考核。 中壓電力線載波目前尚處于發(fā)展階段，有些設備采用的技術(shù)不夠先進和完善，需要在設計方案總體上認真考慮。3.3 低壓電力線載波 3.3.1 在電力線載波集中抄表系統(tǒng)中較普遍地存在“盲區(qū)”問題，有些用戶的電表讀書無法正確讀出（如果存在的現(xiàn)象為時變的，則問題更嚴重），需要在技術(shù)上克服。目前一些窄帶調(diào)制的設備多采用自動切換頻道和選擇中繼的方式在一定程度上來解決這個問題。 3.3.2 需要進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)制一般采用擴頻技術(shù)（如DSS直接序列擴頻、FH跳頻、TH跳時、CHIRP寬帶線性調(diào)頻、交叉混合擴頻及OFDM正交頻分多路復用），能夠在一定程度上克服窄帶噪聲的干擾，但是有限的擴頻增益對于較大功率的窄帶干擾仍然無能為力9。 3.3.3 進一步研究增強型的模擬前端技術(shù)，包括自適應濾波和自適應均衡，以適應時變的、大范圍的線路衰減和線路阻抗的變化，在電力載波的低壓應用中，這一點極為重要，也是目前的技術(shù)難點所在。 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用技術(shù)需要研究，在多路供電的現(xiàn)場也需解決電源切換時的通信中斷問題。這一點關系到通信制式、耦合方式等多方面的設計考慮。 3.3.5 研究和考慮電磁兼容性能，制定對外干擾的標準。 3.3.6 解決目前存在的電線上網(wǎng)設備對安裝地點的敏感性問題，保持合適的速率并解決“馬賽克”圖象問題。 3.3.7 對于這類載波設備的質(zhì)量檢驗，一定要考慮在加入線路噪聲的環(huán)境下（即在一定的信噪比下）進行傳輸誤碼性能的測試。一些企業(yè)提出的關于傳輸距離能力的指標不能作為工程設計的依據(jù)。 3.3.8 低壓載波通信最終實現(xiàn)高性能、低價格的關鍵在于專用芯片的設計和制造，而這正是我國微電子行業(yè)的弱點所在，加大這一方面的研究和投資力