通信領(lǐng)域中電力線載波通信的應(yīng)用及其原理

1、通信領(lǐng)域中電力線載波通信的應(yīng)用及其原理Power Line Carrier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(lǐng)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(jìn)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(yīng)用的限制，已經(jīng)進(jìn)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(yīng)用亦岀現(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(lǐng)域乃至關(guān)系到千家萬戶的熱門專業(yè)。在這種

2、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(guān)鍵。電力通信網(wǎng)是為了保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行而應(yīng)運而生的，它同電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)，調(diào)度自動化系統(tǒng)，被人們合稱為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的三大支柱。目前，它更是電網(wǎng)調(diào)度自動化網(wǎng)絡(luò)運營市場化和管理現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，是確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運行的重要手段，是電力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。由于電力通信網(wǎng)對通信的可靠性保護(hù)控制信息傳送的快速性和準(zhǔn)確性具有及嚴(yán)格的要求，并且電力部門擁有發(fā)展通信的特殊資源優(yōu)勢，因此世界上大多數(shù)國家的電力公司都以自建為主的方式建立了電力系統(tǒng)專用通信網(wǎng)1。長期以來，電力

3、線載波通信網(wǎng)一直是電力通信網(wǎng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。目前，在長達(dá)670000km 的35kV以上電壓等級的輸電線路上，多數(shù)已開通電力線載波通道 1。形成了龐大的電力線載波通信網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)主要用于地市級或以下供 電部門構(gòu)成面向終端變電站及大用戶的調(diào)度通信遠(yuǎn)動及綜合自動化通道使用。近年來，隨著光纖通信的發(fā)展，電力線載波通信已從主導(dǎo)的電力通信方式改變?yōu)檩o助通信方式，但是由于我國電力通信發(fā)展水平的不平衡,由于電力通信規(guī)程要求主要變電站必須具有兩條以上不同通信方式的互為備用的通信信道，由于電力線載波技術(shù)革新帶來的新的載波功能，以及由于昔日數(shù)量龐大的電力線載波機的更新?lián)Q代都導(dǎo)致了電力線載波機雖然作為電力通信的輔助 通信

4、方式但是在全國仍然存在較大的市場需求。全國共有約 20 家企業(yè)從事高壓電力線載波機的 開發(fā)和生產(chǎn)。中低壓電力線載波的應(yīng)用， 目前主要在 10kV 電力線作為配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道 和在 380/220V 用戶電網(wǎng)作為集中遠(yuǎn)方自動抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道。 還有正在開發(fā)并取得階段 性成果的電力線上網(wǎng)高速 MODEM 的應(yīng)用，在這些方面 10kV 上的應(yīng)用已達(dá)到了實用化。成都 一家公司開發(fā)的擴(kuò)頻載波數(shù)據(jù)傳輸裝置 （已通過質(zhì)量檢驗 2） ，在四川羅江縣供電局已可靠運行達(dá) 一年之久。 從事這類產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)全國約有幾十家， 一旦市場全面形成競爭， 將較為激烈。 作為自動集抄系統(tǒng)通道的載波應(yīng)用

5、， 目前已能夠形成組網(wǎng)通信完成數(shù)據(jù)抄收功能。 但是， 由于用 戶電網(wǎng)的某些時變特性和突發(fā)噪聲對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懺诩夹g(shù)上并未得到根本解決， 因此還存在著 抄表盲區(qū)的問題。 這一問題目前一直阻礙電力載波通信技術(shù)在自動集抄系統(tǒng)應(yīng)用的主要癥結(jié)所在。 從事這類產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)全國至少有 200 家以上，并且大多數(shù)都存在技術(shù)開發(fā)和工程并行 的狀況， 真正取得良好經(jīng)濟(jì)效益的只是少數(shù)企業(yè)。 在市場還未全面認(rèn)同這種方式的可靠性的狀況 下其市場競爭已達(dá)到了白熱化的程度， 這一現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)引起有關(guān)單位的重視。 關(guān)于電力線上網(wǎng)的電 力載波技術(shù)應(yīng)用，目前以中電飛華公司為代表已在北京開通了 5 個以上的實驗小區(qū)，取得了大 量

6、的第一手工程資料。 這是一個非常好的開端， 至于何時能夠進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)和運營還需綜合考 慮技術(shù)性能成本核算和符合國家有關(guān)環(huán)境政策等方面的問題。電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展在歷史上經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的發(fā)展過程，電力線載波通信技 術(shù)出現(xiàn)于本世紀(jì)二十年代初期 3 ，它以電力線路為傳輸通道具有可靠性高，投資少，見效快， 與電網(wǎng)建設(shè)同步等得天獨厚的優(yōu)點。 在我國四十年代時已有日本生產(chǎn)的載波機在東北運行做為長ZDD-1 型電力線載波機，未能實現(xiàn)距離電力調(diào)度的通信手段，五六十年代我國開始研制自己的產(chǎn)品化，后經(jīng)過不斷改進(jìn)形成了具有中國特色的ZDD-5 型電力線載波機。該設(shè)備為四用戶兩級調(diào)幅具有 AGC 自動增益控

7、制。控制電路和音頻轉(zhuǎn)接接口呼叫方式，采用脈沖制式。經(jīng)改進(jìn)后的 ZDD-5A 型機也能夠復(fù)用遠(yuǎn)動信號。 在我國六十年代到七十年代時期該機所代表的模擬制式電力 線載波機，得到了廣泛應(yīng)用。七十年代時期我國模擬電力線載波機技術(shù)已趨成熟，當(dāng)時以 ZDD- 12ZJ-5ZBD-3 機型為代表，在技術(shù)指標(biāo)上得到了較大地提高，并成為我國應(yīng)用時間最長的主流 機型。 我們可將在此之前的載波機稱為第一代載波機， 八十年代中期電力線載波技術(shù)開始了單片 機和集成化的革命，產(chǎn)生了小型化多功能的載波機，如 S-2 載波機等在這一階段主要的技術(shù)進(jìn) 步，為單片機自動盤代替了三極管或布線邏輯的自動盤集成電路的調(diào)制器壓擴(kuò)器濾波器和

8、 AGC 放大器代替了笨重多故障的模擬電路， CMOSVMOS 高頻大功率管在功放電路中的應(yīng)用等。這 一階段的載波機可稱之為第二代載波機。到了九十年代中期，以 SNC-5 電力線載波機為代表在 國內(nèi)首次采用了 DSP 數(shù)字信號處理技術(shù)，將載波機音頻至中頻部分的信號處理使用 DSP 器件 來完成，實現(xiàn)了軟件調(diào)制濾波限幅和自動增益控制。這類載波機可稱之為數(shù)字化電力線載波機， 劃為第三代。 由此開始電力線載波業(yè)界進(jìn)入了載波機的數(shù)字化革命階段， 許多企業(yè)紛紛投入力量 著力于數(shù)字電力線載波機的技術(shù)研究工作。 到了九十年代末期采用新西蘭生產(chǎn)的 M340 數(shù)據(jù)復(fù)接 器，目前國內(nèi)已有自主知識產(chǎn)權(quán)的同類產(chǎn)品結(jié)合

9、電力線載波機的高頻部分為一體的全數(shù)字多路復(fù) 接的載波機問世， 這一成果提高了載波機的通信容量， 從根本上初步解決了載波機通信容量小的 技術(shù)瓶頸問題， 從而為電力線載波市場帶來了空前的機遇。 從市場上來看， 數(shù)字化和全數(shù)字載波 機已占據(jù)了高壓電力線載波機產(chǎn)品的大部分市場，模擬制式的電力線載波機銷售量已開始萎縮， 除了特殊的應(yīng)用場合外將趨于淘汰。實現(xiàn)點對點通電力線載波在 10kV 線路上的應(yīng)用國外自 50 年代開始， 主要應(yīng)用在中壓電網(wǎng)的負(fù)荷控制領(lǐng) 域，大多為單向數(shù)據(jù)傳輸速率低有時小于 10bit/s 甚至更低，并沒有形成大規(guī)模的電力線載波通 信服務(wù)產(chǎn)業(yè)。 國內(nèi)在八十年代后期多數(shù)是直接使用小型化的

10、集成電路農(nóng)電載波機， 信也有個別采用窄帶調(diào)頻載波機的使用范圍很受限制。隨著 10kV 線路通信需求的增長， 到了九 十年代末出現(xiàn)了多種載波通信設(shè)備， 這些設(shè)備可采用不同的線路耦合方式如電容耦合變壓器， 耦 合低壓，耦合陶瓷，電真空耦合及天線耦合等調(diào)制方式也在原來的 FSK 調(diào)制， PSK 調(diào)制音頻注 入，工頻調(diào)制過零點檢測等方式的基礎(chǔ)上開發(fā)了先進(jìn)的擴(kuò)頻調(diào)制方式，如 DSS 直接序列擴(kuò)頻 F H 跳頻， TH 跳時交叉混合擴(kuò)頻， CHIRP 寬帶線性調(diào)頻， OFDM 正交頻分多路復(fù)用等。目前在 國內(nèi)使用的 10kV 電力線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備中使用最多的還是窄帶調(diào)制設(shè)備，主要是多信道 PSK 及 FSK

11、 調(diào)制，采用擴(kuò)頻方式的設(shè)備也已開始嶄露頭角隨著市場的發(fā)展和技術(shù)的成熟，擴(kuò)頻載波設(shè) 備必將在電力線載波中壓應(yīng)用方面占有越來越重要的地位。電力線載波在 380/220V 用戶配電網(wǎng)上的應(yīng)用，在九十年代后期之前只限于采用調(diào)幅或調(diào) 頻制式的載波電話機實現(xiàn)近距離的撥號通話， 也有采用專用的芯片實現(xiàn)近距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?我國 大規(guī)模地開展用戶配電網(wǎng)載波應(yīng)用技術(shù)的研究是在 2000 年左右， 目前在自動集抄系統(tǒng)中采用的 載波通信方式有， 擴(kuò)頻窄帶調(diào)頻或調(diào)相， 在使用的設(shè)備中以窄帶調(diào)制類型的設(shè)備為多數(shù)， 其主要 原因可能是其成本低廉，而電線上網(wǎng)的應(yīng)用由于要求的速率至少需要達(dá)到 512kbit/s10Mbit/s 所 以無一例外地采用擴(kuò)頻通信方式，在各種擴(kuò)頻調(diào)