低压电力线载波通信报告1

低压电力线载波通信
1.引言：
电力线载波通信（PLC）是电力系统特有的、基本的通信方式。

早在20世纪20年代，电力载波通信就开始应用到10 kV配电网络线路通信中，并形成了相关的国际标准和国家标准。

对于低压配电网来说，利用电力线来传输用户用电数据，实现及时有效收集和统计，是国内外公认的最佳方案。

但在早期的实际应用中，由于我国电网环境恶劣，电力线信道高衰减、强干扰和波动范围大等特点，导致数据采集的成功率和实时性不能完全满足实际通信的需求。

近年来，随着许多新兴的数字技术，例如扩频通信、数字信号处理和网络中继拓扑等技术的大力发展，提高和改善低压配电网电力载波通信的可用性和可靠性成为可能，电力载波通信技术的应用前景变得更为广阔。

2.国内外现状：
2.1国外现状：
国外低压电力线载波通信开展较早，美国联邦通信委员会FCC规定了电力线频带宽度为100~450 kHz；欧洲电气标准委员会的EN 50065-1规定电力载波频带为3.0~148.5 kHz。

这些标准的建立为电力载波技术的发展做出了显著的贡献。

20世纪90年代，一些欧洲公司进行涉及电力线数据传输的试验，实验结果好坏参半，但随着通信技术的不断进步与互联网业务的蓬勃发展，电力线载波通信技术也得到了显著增长。

在美国，弗吉尼亚州马纳萨斯市首次开始大范围部署PLC的服务，提供抄表、上网等业务，速率达到了10Mbit/s。

国外利用电力线传输信号已经有一百多年的历史。

如早在1838年，埃德华戴维就提出了用遥控电表来监测伦敦利物浦无人地点的电压等级。

直到20世纪20年代，国外一些著名的公司和研究机构才开始对低压电力载波通信技术进行研究。

1930年西门子公司在德国波茨坦建立了用于低压配电网络和传输媒介的波纹载波系统（RCS系统）。

该系统能够以最小的损耗通过低压配电网实现对终端设备的管理。

1958至1959年间，美国德克萨斯元件公司的Jack Kilby和Fairchild半导体公司的Robert Noyce最早发明了电力线载波通信集成电路。

1971年Intel公司的Ted Hoff发明了低功耗的电力线通信微处理器。

Intellon公司在2000年2月7日召开的DEM200会议上展示了其高速达1Mbps的Power PacketTM 住宅网络技术
芯片。

德国RWE Plug公司于2001年春季推出了RWE PowerNet（电力线通讯上网)、RWEPowerSchool ( 电力线通讯学校上网) 、RWEeHome(智能家庭自动化)三项业务及相应产品。

国外各大公司及研究机构的研究工作主要包括：电力载波通信原理、电力通信信道特性分析和建模、电力载波调制技术、通信协议的研究和创新、电力载波通信芯片的研制、现场试验和测试、电力载波通信技术的推广和商业化以及相关组织和标准的建立等。

目前在电力载波通信领域比较有影响力的公司有美国的Intellon、Thomson、Atmel、TI公司、以色列的ITRAN、公司、韩国的Xeline公司、瑞士的ASCOM 公司、德国的Polytrax公司和西班牙的Ds2公司等。

这些公司和机构在低压电力载波通信技术的研究和设备的研制上取得了丰硕的成果，产品的传输速率从1 Mbps发展到45 Mbps。

包括这些公司在内的90多家公司组成的HomePlug电力线联盟已经参与并制定了第一个标准草(HomePlug 1.0 Spec),这个组织正在研究PLC 技术标准、市场推进和政府管制政策等问题。

2.2 国内现状：
国内的低压电力线载波通信经历了以下4个阶段的发展。

第一阶段：20世纪80年代末至90年代中，国内部分科研单位和生产厂商进行了大量的集中抄表系统组网方式、电力线载波通信技术的研究和试验工作。

这一阶段电力线载波通信质量较差,抄表成功率较低，能连贯传输数据的系统很少。

并且，因为电能表以机械电能表为主, 采样方式主要采用脉冲采样和机械采样,存在一定误差,系统所采集的电能数据准确度较低，应用效果不够理想。

第二阶段：从20世纪90年代中到2001年，市场和技术创新相互推动了电子式电能表的快速发展。

电子式电能表的出现为集中抄表系统抄表数据的准确性提供了可靠的保证，但电力线载波传输的可靠性问题仍是本阶段的技术难点。

第三阶段：自2003年开始，电力线载波抄表的应用进入到快速增长的阶段。

随着电力线载波通信物理层调制/解调与纠错技术的不断发展以及半导体集成规模的不断扩大，采用复杂数字信号处理技术的超大规模电力线载波通信集成电路所能达到的抗干扰能力与前几代产品相比，有了极大提高。

通过信道频带自适应技术，维持相邻通信节点间的可靠传输在技术上已经可以达到。

但由于通信还是基于物理层的技术改进，针对复杂多变的电力线网络，还是存在一定缺陷。

第四阶段：从2005年开始，国内几家大的供应商开始了以网络神经元芯片为核心技术的第三代载波通信产品的研发。

第三代芯片从物理层、网络层、链路层等各个方面都有了较为突破性的提高，本阶段应主要解决的关键问题是，任意相邻节点的物理层通信保障能力与具有帧中继控制的网络传输协议。

部分企业开始采用先进的数字信号处理与信道编码技术，对通信频带做自适应选择的窄带调制/解调方式，芯片内部嵌入微处理器来进行网络传输与信息安全控制等方式提高电力线载波通信芯片的质量，应用效果有待现场验证。

3.低压电力线载波通信的原理和特点
电力线载波通信是利用传输工频电能的线路作为传输媒介的通信方式, 是电力线特有的一种通信方式。

PLC 通常利用1M到30M频率范围传输信号。

发送时, 利用调制技术将用户数据进行调制, 然后在电力线上进行传输。

在接收端, 先经过滤波将调制信号滤出, 再经过解调, 就可以得到原始通信信号。

通信速率依据调制方法和具体设备不同而不同, 目前的传输速率在4.5M到45M之间。

PLC 设备分局端和调制解调器, 局端负责与内部PLC 调制解调器的通信和与外部网络的连接。

在通信时, 来自用户的数据进入调制解调器调制后, 通过用户的配电线路传输到局端设备,局端设备将信号解调出来, 再传到外部的Internet。

如图1所示。

低压电力线作为通信媒介不同于其它的通信媒介, 它有自身的特点。

1.低压电力载波通道的噪声干扰大, 其噪声由背景噪声、脉冲噪声、同步和非同步噪声干扰等构成。

2.低压电力线载波通道的阻抗变化大, 远远超过高压电力线的阻抗变化。

在负荷很重时, 线路阻抗可能低于1Ω, 这使得载波装置不能采用固定的阻抗输出。

3.低压电力载波通道的衰减大, 且时变性强。

电压越低线路衰减越大, 时变性越强, 建立通道越困难。

这些特点给实现准可靠高速的低压电力线通信造成了困难。

低压电力线通信的应用关键在于研究抗干扰技术、解决干扰问题, 实现足够可靠的数据传输。

目前研究的方向是采用高效的数据传输方式( 如OFDM技术) 和自适应滤波和自适应均衡技术。

另外, 低压电力线通信对外界的干扰不容忽视。

据国外媒体报道, 当电力线数据通信使用2~30MHz 的频带传输数据时, 将会对该频段的短波无线电广播、业余爱好者无线电台等产生影响。

目前我国还没有建立这方面的标准, 应当将这种干扰限制在何种程度还需要进一步研究。

4.低压电力线载波通信信道的传输特性
4.1 噪声干扰强已有的研究结果表明,噪声的大量存在是实现数据在低压电力线上优质传输的主要障碍之一。

一般来说,影响电力通信质量的噪声主要有以下3种:
电力线通信信道噪声
4.1.1背景噪声，分布在整个通信频带，背景噪声(包括有色背景噪声、窄带噪声和异步于工频的周期脉冲噪声)。

背景噪声
背景噪声方面，由于其可视为一个平稳随机过程，因此模型可用一组白
噪声通过AR 模型后得到，建模手段较为成熟。

在时间序列模型中，自回归滑动平均(Auto regressive Moving Average，ARMA)模型是最常用的参数模型之一。

由Wold 分解定理可知，任何一个具有有限方差的ARMA 或MA 过程都可以表示成一个AR 过程。

且背景噪声是典型离散高斯型的，可视为一个平稳随机过程，具有有限方差，其模型可简化为AR 模型。

4.1.2 周期性噪声，包括周期性的连续干扰和周期性的脉冲干扰。

脉冲噪声(包括同步于工频的周期脉冲噪声和异步脉冲噪声)两大类。

在脉冲噪声方面，由于其幅值、宽度、间隔和符号的统计特性时变性极强，不可视为平稳随机过程，因此建模方法研究较少。

提出了一种基于分群的马尔可夫链的脉冲噪声模型，得到了与实测结果重合度较好的脉冲宽度和间隔的概率分布曲线，但该方法忽略脉冲噪声幅值、宽度、间隔和符号之间的相互联系，故利用该模型仿真得到的脉冲噪声时域波形，与真实脉冲噪声波形存在一定差异。

针对脉冲噪声建模的不足，对分群的马尔可夫链进行了改进，构造了一种新型脉冲噪声模型。

将实测噪声去除背景噪声后，认为所得噪声中振幅大于背景噪声平均幅值大小10 dB 的即为脉冲噪声。

观察所测实践噪声，幅值的状态转移并非一个简单的马尔科夫链就可以描述，需进行一些改进。

发现一束脉冲群的幅值可能出现呈先上升后下降变化，且脉冲幅度加大，脉冲宽度和间隔呈减小趋势；反之，脉冲幅度减小，脉冲宽度和间隔呈增大趋势。

上述规律可进一步描述为：k+1 时刻的幅值不止和k 时刻的幅值有关，还和k-1 时刻的幅值有关：如果k 时刻幅值大于k-1 时刻幅值，那么k+1 时刻幅值大于k 时刻幅值的概率明显高于k+1 时刻幅值小于k 时刻幅值的概率；如果k 时刻幅值小于k-1时刻幅值，那么k+1 时刻幅值大于k 时刻幅值的概率明显小于k+1 时刻幅值小于k 时刻幅值的概率。

即k+1 时刻幅值不仅与k 时刻幅值有关，还和k 时刻与k-1 时刻的幅值大小关系有关，在进行马尔科夫链转移概率统计时必须将两者区分开来得到两组转移矩阵。

4.1.3突发性噪声，用电设备的随机接入或断开而产生。

研究表明,脉冲干扰对低压电力线载波通信的质量影响最大。

有文献统计出, 脉冲干扰的强度最大可达40dBm ,如此强的干扰将给通信带来致命的伤害,以致于在接收端根本无法识别出发送的信号。

3.2 信号衰减大
信号在电力线上传输过程中的衰减是低压载波通信遇到的另一难点。

同时,由于低压配电网直接面向用户,负荷情况复杂,各节点阻抗不匹配,所以信号会产生反射、谐振等现象,使得信号的衰减变得极其复杂。

总的说来,信号的衰减随着传输距离的增加而增加,同时,有文献报导 ,信号的衰减与频率、工频电源的相位有关,一般来说,随着频率的增加,信号的衰减也将增加,而在某些特殊的频段,由于反射、谐振及传输线效应等的影响,衰减会出现突然剧增。

在100～400kHz 频带内,信号的平均衰减为40dB ,标准偏差为20dB。

低压电力线载波通信信号衰减包括耦合衰减和线路衰减2 部分。

耦合衰减与载波机侧低压电力线输入阻抗相关，由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使其难以和载波机内阻保持匹配，造成载波机输
出功率衰减。

很多文献直接将该方面的衰减归结为低压载波信道输入阻抗特性，简称阻抗特性。

线路衰减是指信号在低压电力线上传输所产生的衰减，表现为信号衰减强烈且不可预测通常直接称该部分为衰减特性。

衰减模型：根据算法的不同，已提出的模型可分为时域模型和频域模型；根据模型适用性，又可分为具体模型和统计模型。

时域模型主要指多径模型，即通过考虑不同时间到达的多径信号的叠加影响而建立的模型。

首先用矩阵描述网络的拓扑结构、负载等基本参数情况，然后将该参数矩阵代入多径模型，计算任意给定链路的传递函数H（f）。

该方法表达清晰，用计算机矩阵运算可方便地计算出需要考虑的多径信号。

但是当多重支路连接于1 个公共点时，多径模型需考虑每条支路的多径信号反射、传递情况，模型计算将变得相当复杂。

频域模型是将整个网络在物理上分为多个级联的可用二端口网络描述的不同部分，网络特性即为这些级联的二端口网络描述，通常也称频域模型为二端口网络模型。

低压电力网络可分为3 部分：电缆线段、并联负载和分支线路。

一般为树状辐射结构，网络结构复杂且类型多样，每部分都可用1个二端口网络传输矩阵T 表示，因此可由1 个二端口网络传输矩阵级联表示整个电力网络，即获得信号收发间二端口网络的传输矩阵，最终求得信号参数。

根据二端口网络的级联原理可得：
即：
衰减特性模型如下：
4.3随机性和时变性
低压电力线直接面向用户的特点导致其干扰具有随机性和时变性,这是低压载波通信面临的又一挑战。

由于用户负荷的随机接入和切除,网络结构的变化以及不可抗拒的自然因素,如雷电等的影响,使得其干扰表现出很强的随机性和时变性,从而难以找到一个准确的数学模型来加以描述。

从以上分析可见,低压电力线自身所具有的特点,大大限制了以其为传输媒介的低压载波通信技术的发展。

科学工作者在研究有效的信号分析方法上进行了大量的工作,如用小波变换、维格纳分布等来解决这一问题。

文献表明 ,这些方法虽能在很大的程度上改善信号处理的结果,但并不是对所有的传输信号都能达到理想的效果。

5.国内现有载波通讯技术路线分类
现有的低压载波通信的技术路线主要从调制方式、传输速率、带宽等几个方面来分类。

从使用的带宽角度来说，电力线载波通信分为宽带电力线载波通信和窄带电力线载波通信。

所谓电力线宽带通信技术，是利用电力线传输高速数据和话音信号的一种通信技术，主要用于为居民用户提供宽带上网和话音业务,它多采用正交频分复用OFDM技术等。

所谓窄带电力线载波通信技术，就是指带宽限定在3～500 kHz，通信速率小于1 Mbit/s的电力线载波通信技术，它多采用普通的FSK 技术、PSK技术、直接序列扩频技术[和线性调频Chirp技术等。

从技术发展的角度来说，电力线载波通信分为传统的频带传输技术和目前流
行的扩频通信（SSC技术）。

频带传输就是用载波调制的方法，将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上，其基本的调制方式分为幅值键控（ASK）、频率键控（FSK）和相位键控（PSK）以及相关派生的调制技术。

扩频通信是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息所必需的最小带宽，频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关。

目前电力线载波通信常用的扩频技术主要有：直接序列扩频、线性调频Chirp 和正交频分复用OFDM等。

此外，跳频FH、跳时TH以及上述各种方式的组合扩频技术也较为常用。

5.1 传统载波通信原理
传统的低压电力线载波通信一般采用频带传输,也就是用载波调制的方法将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上。

其基本的调制方式分为幅值键控(ASK) ,频率键控( FSK) ,相位键控(PSK) 。

在此基础上,又派生出了差分移相键控(DPSK) ,最小移频键控(MSK:Minimum Shift Keying) 、四相移相键控(QPSK:Quadriphase - shift Keying) 、正交幅度调制(QAM:Quadrature amplitude modulation)等。

传统的载波通信原理的最大的弱点就是去噪能力不强,随着配电网结构的不断复杂和人们对低压载波通信质量要求的不断提高,传统的载波通信技术已越来越不适应现代高速率、大容量的要求。

5.2扩频载波通信(SSC) 原理
简单地说,扩频通信(Spread Spectrum Communi2cation) 是用伪随机编码(扩频序列:Spread Sequence)将待传送的信息数据进行调制,实现频谱扩展后再传输,在接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理。

香农公式C = Wlog2 (1 + P/ N) (其中: C 为信道容量, W 为频带宽度, P/ N 为信噪比) 指出, 频带W和信噪比P/ N 是可以互换的,这意味着如果增加频带的宽度,就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的差错概率来传输信息。

这就是用扩展频谱的方法获得的好处, 也是扩频通信的核心所在。

就低压电力载波通信而言,应用扩频通信的主要优点如下:
(1) 抗干扰能力强,适合在低压电力线这样的恶劣通信环境下实现可靠的数据通信。

(2) 可以实现码分多址(CDMA: Code DivisionMultiple Access) 技术,在低压配
电网上实现不同用户的同时通信。

(3) 信号的功率谱密度很低,具有良好的隐蔽性,不易被截获。

就扩展频谱方式的不同,扩频通信系统可分为:直接序列(DS:Dircet Sequency) 扩频,跳频( FH: Fre2quency Hopping) ,跳时(TH: Time Hopping) ,线性调频(Chirp) 以及上述各种基本方式的组合,如: FH/ DS ,DS/ TH 等。

5. 3多载波正交频分多址(OFDM) 技术的原理
多载波正交频分多址(OFDM: Orthogonal Fre2quency Division Multiplexing) 技术是指将可用的频谱分解成一系列低速的窄带—次载波(Subcarrier) ,各次载波相互正交重叠,在发送端分别对其进行调制。

设原信号的带宽为B ,码元速率为R ,OFDM将原信号分解成M 个子信号,分解后码元的速率为R/ M , 然后用M 个子信号分别调制M个相互正交的次载波进行信息传递。

其优越性主要是:
(1) 由于多路次载波能互不干扰地同时传送信息,因此可以从整体上极大地提高通信的速率。

(2) 由于每个子信号的传输速率是原信号的1/M ,因此可以很好地抑制因延迟、多径干扰而带来的误码,从而提高通信质量。

6 现有通信技术标准及其发展
目前,低压电力线载波通信的技术标准主要有三种: X- 10、LonWorks 和CEBus。

原有的低压电力线载波技术主要是基于X - 10 标准的,但随着通信技术的不断发展,CEBus 以其自身的优越性,已被越来越广泛地采用。

6. 1 X- 10 技术标准
X- 10 技术标准于1978 年首次提出,由于其在家庭自动控制(Home Automation) 领域的广泛应用而成为事实上的国际标准。

其最初的设计只是用于
单向通信,后来增加了双向通信功能。

就调制方式而言,由于过零点通常含最少量的噪声和干扰,它使用过零调制技术,调制方式为幅值调
(AM:AmplitudeModulation) ,为减少误码,它需要两个过零点来传送一个“0”或“1”信息,因此,其主要缺点在于通信速率太低和容量太小,难以适应现代高速率、大容量通信的要求。

6. 2 LonWorks 技术标准
LonWorks 技术标准由Echelon 公司提出,它是点到点的对等网络通信(Peer - to - Peer Communication)方式,使用载波侦听多路访问(CSMA: Carrier sense multiple Access) 技术。

目前, Echelon 公司已研制开发出基于该技术标准的扩频通信( SSC) 芯片( 10kbps) 。

6. 3 CEBus (Consumer Electronics Bus) 技术标准
1984 年,电子工业协会( EIA: Electronic Industries Association) 开始着手研
究适用于家庭用户设备通信的标准,这就是后来的CEBus 标准(1992 年正式颁布) 。

CEBus 是提供独立物理层连接规范的开放式通信标准,使用EIA - 600 协议。

由于它使用对等网路通信方式,因此通信网上的任何一个节点都可随时接入。

为避免数据冲突,它使用载波侦听多路访问/ 冲突检测(CSMA/ CD:Carrier sense multiple Access/Collision Detection) 技术,即在发送数据前监听信道上是否有数据正在传输,边发送边监听,一旦监听到冲突,则冲突双方停止发送。

这样,信道很快进入空闲期,提高了信道的利用率。

目前,以Intellon 公司为代表的一批企业已开发出基于CEBus 的系列产品。

图3 给出的是OFDM 与开放系统互联(OSI :Open Systems Interconnection) 模型的比较。

由图3 可见,CEBus 减少了表示层、会话层和运输层,但增加了内部层次的管理LSM(Layer SystemManagement) 并扩展了所支持的物理媒介。

其优点在于,不
但简化了协议,使家庭智能网络易于实现,而且,LSM在维护各层之间的整体性和
协调性、寻址和路由选择中都发挥了重要的作用。

7.低压电力线载波通信的应用领域和发展趋势
电力线载波通信(PLC)作为一种″无新线″(NO NEW WIRE)技术, 利用现有的电力网作为信道,实现数据传递和信息交换, 具有十分广阔的应用前景。

其应用领域包括:
7.1 智能小区中的应用
所谓的智能小区, 是指通过综合配置住宅区内的各功能子系统, 以综合布
线为基础, 以计算机网络为区内各种设备管理自动化的新型住宅小区。

通常智能化大厦是“三A”系统, 即:
1. 安全自动化( SAS- Safe Aut omation System): 包括室内防盗报警系统、消防报警系统、紧急求助系统、出入口控制系统、防盗对讲系统、煤气泄漏报警系统、室外闭路电视摄像监控系统、室外的巡更签到系统。

2. 通讯自动化(CAS 一Communication Automation System) : 包括数字信息网络、语言与传真功能、有线电视、公用天线系统。

3. 管理自动化(MAS 一Management Automation System ) : 包括水、电、煤气的远程抄表系统、停车场管理系统、供水供电设备管理系统、公共信息显示系统。

随着我国国民经济、科学技术水平的提高, 特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术、信息技术的迅猛发展与提高, 促使家庭实现了生活现代化, 居住环境舒适化、安全化。

这些高科技已经影响到人们生活的方方面面, 改变了人们生活习惯, 提高了人们生活质量。

在我国, 智能住宅这一概念推广较晚, 但其发展的速度却很快, 全国已建立了一些具有一定智能化功能的住宅和住宅
小区。

家庭智能大厦、智能小区是一个综合性的系统工程, 她包含了若干子系统, 作为智能大厦、智能小区的后备网络, 采用电力载波通讯有其无法比拟的优越性, 因而在智能大厦、智能小区底层通讯方式的选取上, 各公司不约而同的把电力载波通讯作为首选。

7.2 在自动抄表系统中应用
伴随着城市住宅建设日益发展, 居民数和独立电能表数迅速膨胀, 多种电
价制度开始推行, 抄表计量日趋复杂, 传统的人工抄表方式已难以适应新的变化。

所谓自动抄表系统就是自动采集各种计量表的读数( 如: 电表、水表、煤气表、冷气表等) , 现在采集数据方法有: 电话线、无线电、电力线和红外线等等。

电力线载波抄表系统则是利用现有的电力线为媒介进行数据收集。

不但有效降低系统的成本同时可以方便快捷地实现自动化抄收。

利用计算机的强大功能抄收的数据可以立即处理形成报表, 同时由于双工通讯可以很容易做到监控用户用电
参数、欠费断电等其他系统没有的功能。

采用以计算机为基础、利用电力线载波通讯技术开发的自动抄表系统, 可以取消用电中间层,降低用电中间层, 降低居民用电价格, 消除用电过程腐败现象。

随着各种抄表自动计量装置产品的间世,“人工抄表”将在不久的将来会被自动抄表系统所取代。

同时也给远程智能抄表的技术发展与产品推广提供了前所未有的契机、巨大的潜在市场和蓬勃的生命力。

7.3 在家居智能化的应用
把电力线通信技术、网络、微控制器相结合,是在现有基础上推进家庭自动化的最现实最经济的途径, 即以电力线为物理媒介, 把分布在住宅各个角落的。