电力载波技术简介及工程中的应用

电力载波技术简介及工程中的应用

一、电力载波技术简介及特点

电力载波技术,简称PLC技术,是英文Power line Communication的简称。电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术，最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递，是利用1.6～30MHz频带范围在电力线路上传输信号。在发送时,利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制、线路耦合,然后在电力线上进行传输.在接收端,先经过耦合、滤波,将调制信号从电力线路上滤出,再经过解调,还原成原信号。目前可达到的通信速率依具体设备不同在4.5～45MB/s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，来自终端地址或用户的数据进入调制解调器调制后，通过系统的配电线路传输到局端设备，局端将信号解调出来，再转到控制主机或外部的Internet。

电力载波技术相关特性

（一）信道传输特性

电力载波通信不同于常规的点对点或点对多点阻抗恒定传输媒介。由于大多电力线具有分支多、不同分支电缆物理特性不一致及负载阻抗不恒定等特点，其中，中压电力线的阻抗变化稍小，中压电缆线路分支一般不多。因而电力线信道是一个多径反射以及频率选择性衰落信道。我们可以通过模拟技术研究不同拓扑结构网络上通信性能的可能性。通过搭建模型，并基于大量的测试，可以研究和设计出PLC网络。同时可以对不同的调制技术和编码技术进行比较研究。

（二）信道噪声特性

除了因线路衰减和多路传输所造成的信号失真外，噪声是影响电力线数据可靠通信的关键因素。通过大量理论研究和实际测试表明，电力线信道中的噪声分布和其它常见信道有很大的不同，其噪声并不呈现白高斯噪声（AWGN）特性，在频率从几百kHz到数十MHz之间，主要为窄带干扰和脉冲噪声。为了克服这些影响，必须考虑采用复杂的信道编码技术。中低压配电网中的噪声可以分为以下五类。

（1）有色背景噪声：具有相对较低的功率谱密度(psd), 而且功率谱密度随频率的变化而变化；

（2）窄带噪声：主要是一些经过幅度调制的正弦信号，严重时在很宽的频率范围内存在高电平的噪声；

（3）非电网谐波的周期性脉冲噪声：这类噪声大多是由开关电源引起的，在低压电力线中出现的几率较大；

（4）与工频同步的周期性脉冲噪声：这些脉冲的重复频率为50Hz或100Hz，与工频同步，它们持续时间很短（几微秒）；（5）异步脉冲噪声：它是由电网中瞬时的电气开断引起的，这类噪声的功率谱密度有时比背景噪声高50dB。

（三）信道电磁兼容特性

由于高速电力载波需要在电力线上注入高频信号（2 MHz～30MHz），但高速PLC的使用不能给其他通信系统带来电磁干扰。为此国外对电力线的高频辐射机理进行了详细的研究并作了大量的测试，大家认为电力线的对地不平衡是其辐射的主要原因。由于电力线的电磁辐射特性跟电力线结构、耦合方式密切相关，一个地方的测量结果很难反映不同应用环境的电磁辐射水平，而且对于2 MHz～30MHz频率范围电磁辐射的测量方法也存在较大的争议，所以尽管有组织定义了高速电力载波的电磁辐射水平，但目前还没有一个世界范围内大家一致

认同的标准。如何设定高速PLC设备及系统的电磁辐射水平及定义测试方法仍然是各个相关组织正在研究的项目。

（四）信道调制编码

电力线是一个极其不稳定的高噪声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决各种因素对数据传输的影响。高效可靠的调制编码技术是高速PLC的关键，国内外对各种调制技术在PLC中的应用进行了大量的研究和测试。

二、电力载波技术的发展研究现状及应用前景

对电力载波技术的研究是产品开发及制定相关标准的基础。经过多年的发展，国外相关研究组织或个人在中低压电力线的信道特性研究方面取得了一定成果，但还有很多研究工作需要进一步深入。

常规单载波调制不但频带利用率不高，而且在无法预计各种强干扰噪声频谱分布的前提下是无法避开或抑制突发噪声和脉冲噪声干扰的，因此也无法实现可靠的高速数据传输。对高速PLC来说，要实现很高的通信速率，在有限的频带内采用CDMA方案较难实现较高的处理增益，所以CDMA技术难以在高速PLC中使用。

另外，电力线载波通讯因为有以下缺点，导致电力载波技术主要应用－－网络通讯（电力上网）未能大规模应用：

1、配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送；

2、三相电力线间有很大信号损失（10 dB -30dB）。通讯距离很近时，不同相间可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输；

3、不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同，藕合方式有线-地藕合和线-中线藕合。线-地藕合方式与线-中线藕合方式相比，电力载波信号少损失十几dB，但线-地藕合方式不是所有地区电力系统都适用；

4、电力线存在本身因有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50HZ和60HZ，则周期为20ms 和16.7ms，在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100HZ或120HZ脉冲干扰，干扰时间约2ms，因定干扰必须加以处理。有一种利用波形过0点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过0点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又比较长，所以难以应用；

5、电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达1欧姆以下，造成对载波信号的高削减。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。

虽然技术问题随着时间的发展，最终都能被解决被克服，但是从目前国内宽带网建设的情况来看，留给PLC的时间和空间并不宽裕。2000年以来各大运营商大规模推出ADSL、光纤、无线网络等多种宽带接入业务，留给电力线上网的生存空间，已经不断被其他接入方式压缩。目前，电力载波技术在以下几个领域仍有较大发展空间。

1、智能家居

智能家居控制网可用电力线载波技术来实现，其原理是将电力载波技术集成后嵌入到各电器中去，并利用家庭现有的电力线作为载波通信媒介，实现智能设备之间的通信与控制。智能家居控制网中智能电器的互联互动，将为您带来高品质的生活体验和生活享受：随时查询所有电器状态；任一开关集中控制家中所有智能电器设备；组开组关指定电器，如场景灯等；随时掌握家庭安防情况，如防盗、火警、探测燃气泄漏等；通过互联网或电话对家中电器进行远程控制等。

2、远程抄表系统（AMR）

远程自动抄表（AMR）系统是智能控制网的重要应用之一。它可以使电力供应商在提高