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低壓配電網(wǎng)通信技術(shù)及應(yīng)用介紹
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增大字體 關(guān)鍵詞：低壓電力線；傳輸特性；載波通信
1 引言
利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)作為信道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換具有十分廣闊的前景。電力網(wǎng)絡(luò)是已有的 廣泛的有線網(wǎng)絡(luò)，電力網(wǎng)絡(luò)比任何其他的有線通信網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定和現(xiàn)代化。然而，電力線不同于光纖、同軸電纜、雙絞線等專用的通信媒質(zhì)，它的主要功能是電力傳輸，即傳送50 Hz工頻信號，所以電力線的設(shè)計不可能兼顧高頻通信的技術(shù)要求。特別是低壓電力線，其環(huán)境是一種惡劣的信道環(huán)境，線上存在大量噪聲，負(fù)載多，配置情況復(fù)雜，而且負(fù)載工作狀態(tài)在隨時變化，導(dǎo)致電力線傳輸特性是時變的。
隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及相關(guān)的數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，利用低壓電力進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸已逐漸成為現(xiàn)實，并開始服務(wù)于人們的日常生活。
2 低壓電力線載波信道的傳輸特性
通信信道的阻抗、信號衰減和噪聲干擾是設(shè)計通信信號方式、錯誤控制碼和通訊協(xié)議的基礎(chǔ)。因而在使用電力線作為信號傳輸媒介之前，有必要對它的信道特性分析。
低壓電力線上輸入阻抗的變化：由于低壓電力線上的負(fù)載的數(shù)量、類型不同以及分布電容、電感等的影響，使電力線上輸入阻抗隨著信號頻率變化的情況變得非常復(fù)雜，甚至不可預(yù)測；低壓電力線上高頻信號的衰減及其變化：對高頻信號而言，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，各種不同性質(zhì)的負(fù)載在這根線的任意位置隨機(jī)地連接或斷開，因此，高頻信號在低壓電力線上的傳輸必然存在衰減。這種衰減與通信距離、信號頻率等都有密切關(guān)系；低壓電力線傳輸噪聲和干擾特性：低壓電力線上的干擾特性相當(dāng)復(fù)雜，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，低壓電力線上的干擾不能被簡單地認(rèn)為是可加性高斯白噪聲，低壓電力線上的干擾還具有多變性，表現(xiàn)為因時而變、因地而變，后者是由高頻信號在傳輸線上的波過程產(chǎn)生的行波、諧振等方面造成。
從以上的簡要分析可以看出，低壓電力線上的信號衰減特性和干擾特性非常復(fù)雜，而且隨機(jī)性、時變性大，這對低壓電力線載波通信設(shè)備的設(shè)計提出了很高的要求，即要求其有很好的自適應(yīng)能力。但同時，出于實用的角度，為了獲得合理的性價比，又要求其成本要限制在一定的范圍內(nèi)。這些對系統(tǒng)的設(shè)計而言是一個很大的挑戰(zhàn)。
3 幾種低壓電力線載波通信方式介紹
盡管低壓電力線載波通信存在上述所說的這些困難，我們?nèi)匀徽J(rèn)為用低壓電力線作為通信信道是可行的，只是需要采用一些特殊的技術(shù)手段。下面將要介紹的幾種通信方式就是充分利用低壓電力線信道的特點，結(jié)合新興的信號分析處理技術(shù)，在低壓電力線上進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)通信。
3.1 窄帶及超窄帶載波通信方式
這種通信方式主要是基于電力傳輸線上的電磁干擾都具有—定的帶寬，其功率雖然很大，但在任一窄帶通道內(nèi)的值卻很小的原因，在窄帶通道內(nèi)實現(xiàn)以小的功率獲得大的信噪比。其特點簡要說明如下：
3.1.1 窄帶載波通信方式
這種通信方式主要有：模擬的FM，數(shù)字的FSK及QPSK，國內(nèi)主要應(yīng)用的是FSK調(diào)制技術(shù)。傳統(tǒng)窄帶載波FM通信方式是一項成熟的傳統(tǒng)技術(shù)，其在電力線模擬通信方面已達(dá)到實用標(biāo)準(zhǔn)，能夠做到在電力線上跨相位甚至跨變壓器進(jìn)行通信，價格低廉且較為容易實現(xiàn)，所以在應(yīng)用中比較普遍。但該傳統(tǒng)窄帶載波FM通信方式 大的缺點是不能進(jìn)行數(shù)字信號的傳輸或者說在對數(shù)據(jù)信號傳輸時會引起信號的嚴(yán)重畸變。利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)和能信技術(shù)、信息編碼技術(shù)對傳統(tǒng)窄帶載波FM通信方式進(jìn)行改進(jìn)后，可在高干擾、高畸變的環(huán)境中準(zhǔn)確無誤地傳輸數(shù)據(jù)信息。
目前低壓電力線載波的許多應(yīng)用仍舊屬于FSK調(diào)制解調(diào)方式。數(shù)據(jù)傳輸率一般為1.2 kb/s。但是窄帶載波通信方式的抗干擾能力比較弱，傳輸距離較短（一般在500 m以內(nèi)），數(shù)據(jù)傳輸率也比較低，所以一般適用于傳輸速率低，距離短，數(shù)據(jù)量不大的點對點場合。低壓電力線MODEM也屬于窄帶載波通信技術(shù)，現(xiàn)已有信號傳輸率達(dá)10 kb/s的產(chǎn)品。
3.1.2 超窄帶載波通信方式
超窄帶信號具有極窄的帶寬，比通常的窄帶小得多，相鄰兩路信號之間的頻率間隔也可很小(0.01 Hz以下)。因此，在一個幾赫茲窄頻帶內(nèi)可以傳送成千路信號。每路信號經(jīng)同一載波調(diào)制后發(fā)送到輸電線上，由接收部件解調(diào)并分離出各路信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息。
采用超窄帶信號傳輸有以下幾方面的優(yōu)點：窄帶和低功耗(2 W)，且各個發(fā)送器同時工作；每個發(fā)送器只需發(fā)送數(shù)據(jù)，接收器接收站內(nèi)所有信號，發(fā)送設(shè)備簡單、安裝方便；信號傳輸距離長，安全可靠。窄帶通信的不足之處是信息傳輸速率低，對超窄帶信號來說，其傳輸速率則更低。
3.2 雙向工頻通信方式
雙向工頻自動通信技術(shù)（TWACS，Two Way Automatic Communication System）是近幾年內(nèi)發(fā)展起來的一種基于電力配電網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)，非常適合于傳輸速率要求不高的場合，其特殊的調(diào)制原理和傳輸方式?jīng)Q定了這種技術(shù)的廣泛應(yīng)用前景。采用TWACS通信系統(tǒng)不需要改造現(xiàn)有的電力配電網(wǎng)絡(luò)，成本低廉，無需增加中繼環(huán)節(jié)，可以直接進(jìn)行跨變壓器臺區(qū)通信，具有很高的實用價值。
簡單地說，TWACS的信號調(diào)制原理就是利用工頻電壓基波過零調(diào)制的方法實現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào)，其核心思想就是利用電網(wǎng)電壓和電流波形的微小畸變來攜帶信息。由于TWACS通信調(diào)制信號頻率接近于工頻，因此能夠直接跨變壓器臺區(qū)實現(xiàn)雙方的直接通信而不需要中繼環(huán)節(jié)，沒有駐波和盲區(qū)現(xiàn)象。
這種通信方式具有所需設(shè)備少、抗干擾能力強(qiáng)、所需調(diào)制功率小、易于實現(xiàn)完全雙工通信等優(yōu)點。其主要缺點是傳輸速率低，只能適合于傳輸速率要求不高的場合。
3.3 擴(kuò)頻載波通信方式
擴(kuò)頻通信（SSC：Spread Spectrum Comm unication）技術(shù)是一種寬帶信息傳輸模式，擴(kuò)頻技術(shù)就是將要傳輸?shù)男畔?本質(zhì))用偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，然后以功率很低但頻帶很寬的信號發(fā)射出去，將信息頻帶展寬，使其在更寬的頻帶內(nèi)傳輸，而在接收端通過相關(guān)接收設(shè)備恢復(fù)原始信息。同時，降低單位帶寬上的功率譜密度，使信息更不易被截獲。噪聲信號通過帶通濾波器濾除，使干擾得到抑制。信號頻帶的展寬是通過編碼與調(diào)制來實現(xiàn)的，而與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)。其實質(zhì)是犧牲信道帶寬換取對信噪比的要求。由于它具有天生的超強(qiáng)抗干擾性，因此特別能夠適應(yīng)低壓電力網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜變化的各種干擾和噪聲，有著其他通信模式所無法比擬的優(yōu)越性。
就低壓電力載波通信而言，應(yīng)用擴(kuò)頻通信的主要優(yōu)點如下：
(1)抗干擾能力強(qiáng)，適合在低壓電力線這樣的惡劣通信環(huán)境下實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信；
(2)可以實現(xiàn)碼分多址(CDMA：Code Division Multiple Access)技術(shù)，在低壓配網(wǎng)上實現(xiàn)不同用戶的同時通信；
(3)信號的功率譜密度很低，具有良好的隱蔽性，不易被截獲。
擴(kuò)頻通信技術(shù)在電力線通信中的應(yīng)用，形成了電力線擴(kuò)頻載波(SSC—spread spectrum carrier)通信技術(shù)，它能夠很好地解決電力線通信的干擾與噪聲問題。
3.4 多載波正交頻分多址(OFDM)技術(shù)
利用多載波正交頻分多址(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)可以在低壓電力線上高速數(shù)據(jù)傳輸，該技術(shù)具有抗噪聲、抗多徑效應(yīng)和抗衰落的特性，其數(shù)據(jù)傳輸速率可超過10 Mb/s，該技術(shù)被認(rèn)為是適合電力線高速數(shù)字通信的主流技術(shù)之一。由于利用OFDM調(diào)制技術(shù)和先進(jìn)的數(shù)字信號處理（DSP：Digital Signal Processing）技術(shù)，可以解決在電力線這種惡劣的信道中的通信問題，OFDM技術(shù)已引起PLT(Power Line Telecommunication)生產(chǎn)廠家和研究機(jī)構(gòu)的興趣，并有望成為高速寬帶PLT的標(biāo)準(zhǔn)。
4 有關(guān)應(yīng)用
窄帶及超窄帶載波通信方式以及TWACS都屬于低速率載波通信方式，主要用于電網(wǎng)的自動化控制、自動抄表及那些對通信速率要求不高的工業(yè)控制等領(lǐng)域，其主要優(yōu)點是技術(shù)較為成熟、設(shè)備簡單易于實現(xiàn)；后面介紹的利用SSC和OFDM的通信技術(shù)屬中高速載波通信方式，可用于利用低壓電力線的數(shù)據(jù)通信，這兩種通信方式基本代表了目前低壓電力線通信技術(shù)的發(fā)展方向。與上面的順序?qū)?yīng)，以下分別介紹有關(guān)低壓電力線通信的應(yīng)用。
4.1 窄帶載波通信方式的應(yīng)用方面
深圳維方電子技術(shù)開發(fā)有限公司采用窄帶載波FM調(diào)制方式自主開發(fā)了一套“鏈碼”自適應(yīng)電力線載波數(shù)字通訊技術(shù)。該技術(shù)主要采用單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)，獨創(chuàng)了一套全新的硬件濾波、軟件抗干擾和編碼解碼理論，使其產(chǎn)品能夠在異常惡劣的電力線通訊環(huán)境下完全做到“全天候24小時、無誤”傳輸。
窄帶載波FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)在國外發(fā)展比較成熟，廣泛用于電源管理系統(tǒng)，如自動抄表系統(tǒng)、家庭電器控制、辦公樓內(nèi)部通信、火警和防盜報警系統(tǒng)等。
超窄帶技術(shù)為自動讀表(AMR)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)檢測提供了一種低成本的遠(yuǎn)距離監(jiān)視管理方案。該技術(shù)在一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。除了抄表功能外，在能源管理中也有不少的應(yīng)用，如線路電壓監(jiān)視、噪聲監(jiān)測、監(jiān)測短時和長時停電情況等。
4.2 雙向工頻自動通信技術(shù)的應(yīng)用方面
80年代中期美國DCSI(Distribution Control Systems Inc)公司就進(jìn)行基于TWACS技術(shù)的產(chǎn)品研制，90年代初期開始進(jìn)入實用階段。TWACS技術(shù)以其抗噪聲性能好、無駐波和盲區(qū)、信號可直接穿過配電變壓器而無需中繼等的優(yōu)良品質(zhì)，非常適合于電力線通信，可廣泛用于遠(yuǎn)程電氣設(shè)備監(jiān)控、自動抄表等方面。2001年10月24日，美國DCSI公司對外宣布，2002年第一季度其TWACS的多功能電力線載波(PLC)自動抄表(AMR)系統(tǒng)訂貨數(shù)量達(dá)37.6萬套，訂單金額總計3千萬美元。
4.3 擴(kuò)頻載波通信的應(yīng)用方面
擴(kuò)頻通信在無線通信方面得到了很好的運用，第三代移動通信就是建立在擴(kuò)頻通信基礎(chǔ)上的。在電力線這種突發(fā)干擾較大的媒體上采用擴(kuò)頻通信技術(shù)將大有可為。目前，國外采用擴(kuò)頻技術(shù)，在配電網(wǎng)電力線SSC通信系統(tǒng)開發(fā)方面，德國、英國、美國、加拿大等國家的研究機(jī)構(gòu)(公司和學(xué)校)先后研究開發(fā)了自己的系統(tǒng)。已推出了傳輸數(shù)據(jù)速率為19.2 kb／s和100 kb／s的電力線擴(kuò)頻通信產(chǎn)品；在市電網(wǎng)上傳送2 Mb／s以上速率的產(chǎn)品；在市電網(wǎng)或10 kV電網(wǎng)上傳輸4.8 kb／s速率的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備(符合以太網(wǎng)協(xié)議)。這類產(chǎn)品具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、誤碼率低、傳輸數(shù)據(jù)速率高等顯著特點。可廣泛用于變電站自動化、配電自動化、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制、路燈管理、智能小區(qū)等方面。
國內(nèi)的深圳市亞奇通電子技術(shù)有限公司采用直序擴(kuò)頻頻率調(diào)制解調(diào)技術(shù)實現(xiàn)電力線載波通信。應(yīng)用先進(jìn)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)壓縮、相關(guān)判決、糾錯編碼等數(shù)字處理技術(shù)，極大地提高了數(shù)據(jù)交換的可靠性和準(zhǔn)確性。在噪聲很大的情況下,即使信噪比S/N<1的情況下依然可以正常通信。并且已生產(chǎn)出了相關(guān)的產(chǎn)品，用于自動抄表系統(tǒng)、樓宇自動化等方面。
4.4 多載波正交頻分多址(OFDM)技術(shù)的應(yīng)用
由于OFDM技術(shù)可較好地解決多徑衰落或者多徑反射所引起的信道選擇性衰減，又可克服信道的窄帶干擾，同時又具有頻譜利用率高、信道均衡技術(shù)簡單、信號調(diào)制解調(diào)易于實現(xiàn)、糾錯能力強(qiáng)等優(yōu)點，正受到國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商的廣泛重視。
OFDM技術(shù)在電力線高速數(shù)字通信的應(yīng)用剛剛開始，目前，采用OFDM技術(shù)的公司有美國Intellon公司、Wi-LAN公司、德國PolyTrax公司和Inari公司的第三代10Mb/s芯片組等。美國Intellon等61家公司組成家庭插座電力線聯(lián)盟（The Home Plug Power Line Alliance），旨在推動以電力線為傳輸媒介的數(shù)字化家庭（digital home）。 近，該聯(lián)盟研究中、低壓配電網(wǎng)高速數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵技術(shù)—多載波正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)取得了突破，于2000年1月4日進(jìn)行了組網(wǎng)實驗，研究實驗表明，可以在配電線上實現(xiàn)14 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸。目前，基于OFDM技術(shù)的電力線高速數(shù)字通信產(chǎn)品的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)達(dá)到了14 Mb/s。
5 電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展趨勢
作為通訊技術(shù)的一個新興應(yīng)用領(lǐng)域，電力載波通訊技術(shù)以其誘人的前景及潛在的巨大市場為全世界所關(guān)注，成為世界各大公司及研究單位爭相研究的熱點。國外許多著名公司和研究單位都在對此進(jìn)行研究，并開發(fā)出相對應(yīng)的器件和產(chǎn)品，如：Intellon、Thomson、Atmel等等。而國內(nèi)的許多的企業(yè)也緊隨國際步伐在利用電力線傳輸信息，特別是在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)方面已逐步形成應(yīng)用研究的熱點。
從總體來說，電力線載波通訊技術(shù)在向五個方面發(fā)展：
(1) 從個別用戶到低壓段區(qū)段使用（PLC），其后段部分采用電話線、光纜、無線等構(gòu)筑網(wǎng)絡(luò)
(2) 僅用于低壓部分（AC110/220 V）；
(3) 室內(nèi)系統(tǒng)正在出籠；
（4）室外系統(tǒng)成為研究課題；
（5）向家居自動化發(fā)展（需要1 Mb/s以上速率）。
6 結(jié)論
電力線主要功能是電力傳輸，對于高頻通信來說，其環(huán)境是一種惡劣的信道環(huán)境，利用電力線進(jìn)行載波通信有諸多困難和需要解決的理論問題。然而隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及相關(guān)的數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，利用低壓電力進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸已逐漸成為現(xiàn)實，并開始服務(wù)于人們的日常生活。
電力線通信技術(shù)有著令人振奮的應(yīng)用前景。從速率來看，已有從數(shù)十比特到數(shù)兆比特的成功應(yīng)用，因此不管控制網(wǎng)絡(luò)還是信息網(wǎng)絡(luò)都能使用電力線通信技術(shù)獲得所得的應(yīng)用要求；從可靠性來看，電力線通訊可提供誤碼率小于10-1且無需撥號的專線連接；從經(jīng)濟(jì)上來看，由于電力線隨處部有，無需重新敷設(shè)通訊線路，既節(jié)省線材費用、又不構(gòu)成對建筑物（特別是已裝修完工的建筑物）的損壞；從方便性來看，改變通訊對象(或網(wǎng)絡(luò)結(jié)點)極為方便，提供廠有線方式下無線通訊的位置靈活性。對于我國這樣—個經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、通訊條件落后的國家，開發(fā)利用電力線通訊技術(shù)是非常必要的。
參考文獻(xiàn)
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11 深圳維方科技公司網(wǎng)站:http://www.way.founder.com
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