电力线载波通信

中低压电力线载波的应用目前主要在 10kV 电力线，作为配电网自动化系统的数据传输通道和在 380/220V 用户电网作为集中远方自动抄表系统的数据传输通道，还有正在开发并取得阶段性成果的电力
线上网高速 MODEM 的应用。在这些方面 10kV 上的应用已达到了实用化，作为自动集抄系统通道的载波 应用，目前已能够形成组网通信完成数据抄收功能，但是由于用户电网的某些时变特性和突发噪声对数据 传输的影响，在技术上并未得到根本解决，因此还存在着抄表盲区的问题，这一问题目前一直阻碍电力载 波通信技术在自动集抄系统应用的主要症结所在，从事这类产品开发生产的企业全国不少于百家，并且大 多数都存在技术开发和工程并行的状况，真正取得良好经济效益的只是少数企业，在市场还未全面认同这 种方式的可靠性的状况下，其市场竞争前几年已达到了白热化的程度。关于电力线上网的电力载波技术应 用，北京地区已有 300 个左右住宅小区，约上万户家庭通过电力线上网。 对于未来，电力线上网技术 将面临技术和市场的双重考虑，由于电压变化所带来的干扰影响上网质量，用电高峰时期速率波动大， PLC 芯片主要来自欧美，以及国家法律法规不明确等因素，都将严重制约着电力线上网技术的良性发展， 其未来之路绝非一帆风顺。技术还需重大改进。由于电力网使用的是非屏蔽线，用它来传输数据不可避免 地会形成电磁辐射，影响数据的保密性，因此信息安全性能差。用电高峰期传输速率严重下降等方面还亟 待改进。商业模式不成熟。此外，中国厂商在产品芯片技术方面的缺乏，最终用户的认可、接受，市场的 培育以及与该技术相关的产业链等问题也必须重点考虑。
高压电力线载波通信技术的发展从上世纪 ４０ 年代在东北电网应用以来，到现在已经经过了 ６０ 年的 发展历史，主要历经了模拟电力线载波机、数字化电力线载波机、全数字电力线载波机三个阶段。在我国 四十年代时已有日本生产的载波机在东北运行，做为长距离电力调度的通信手段，五六十年代我国开始研 制出了自己的电力线载波机，电讯仪器厂也在 1964 年成立的时候生产了自己的载波机，经过不断改进形 成了具有中国特色的 ZJ-3，ZJ-6 型电力线载波机该设备为四用户两级调幅具有 AGC 自动增益控制控制电 路和音频转接接口呼叫方式采用脉冲制式，也能够复用远动信号，在我国六十年代到七十年代时期，该机 所代表的模拟制式电力线载波机得到了广泛应用，七十年代时期我国模拟电力线载波机技术已趋成熟，当 时以 ZJ-5，ZJ-6, ZDD-12，ZBD-3 机型为代表在技术指标上得到了较大地提高，并成为我国应用时间最 长的主流机型。调制方式选用单边带调制技术，我们可将在此之前的载波机称为第一代载波机 。八九十年 代中期电力线载波技术开始了单片机和集成化的革命，产生了小型化多功能的单片机自动盘（我们称之为 微机自动盘）代替了三极管或布线逻辑的自动盘。集成电路的调制器，压扩器，滤波器和 AGC 放大器代 替了笨重多故障的模拟电路，MOSVMOS 高频大功率管在功放电路中的应用等，这一阶段的载波机可称 之为第二代载波机。到了九十年代中期，国内首次采用了 DSP 数字信号处理技术，ＤＳＰ 数字信号处理技术 完成中频及音频部分中各种滤波器、信号调制解调、数字 ＡＧＣ 自动增益控制、呼叫及导频信号的处理，采 用 ＤＳＰ 数字处理技术设计完成的话音带通滤波器、远动信号滤波器、导频收发滤波器以及中频滤波器，可 以说是数字电力线载波机技术上一次重大突破，替代制作工艺复杂、成本昂贵的 ＬＣ 滤波器，不但简化了
长期以来电力线载波通信网一直是电力通信网的基础网络，目前在国内长达 670000km 的 35kV 以上 电压等级的输电线路上多数已开通电力线载波通道，形成了庞大的电力线载波通信网，该网络主要用于地 市级或以下供电部门构成面向终端变电站及大用户的调度通信远动及综合自动化通道使用，近年来随着光 纤通信的发展电力线载波通信已从主导的电力通信方式改变为辅助通信方式，但是由于我国电力通信发展 水平的不平衡及电力通信规程要求主要变电站必须具有两条以上不同通信方式的互为备用的通信信道，及 电力线载波技术革新带来的新的载波功能，以及由于昔日数量庞大的电力线载波机的更新换代，都导致了 电力线载波机虽然作为电力通信的辅助通信方式但是在国内仍然存在一定的市场需求，国外发展中国家的 电力建设都给我们提供了巨大的市场空间。全国共有约十多家企业从事高压电力线载波机的开发和生产。 比较有实力的除了我们（黑马高科）外，还有业通达，南京宏图高科，许继昌南通信等。
电力通信网 是为了保证电力系统的安全稳定运行而应运而生的，它同电力系统的安全稳定控制系统， 调度自动化系统被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱 。目前它更是电网调度自动化网络运营市 场化和管理现代化的基础，是确保电网安全稳定经济运行的重要手段，是电力系统的重要基础设施。由于 电力通信网对通信的可靠性，保护控制信息传送的快速性和准确性，具有及严格的要求，并且电力部门拥 有发展通信的特殊资源优势。因此世界上大多数国家的电力公司都以自建为主的方式建立了电力系统专用 通信网。
电力线载波在 ３８０／２２０Ｖ 用户配电网上的应用在九十年代后期之前只限于采用调幅或调频制式的载波 电话机，实现近距离的拨号通话，也有采用专用的芯片实现近距离数据传输的。我国大规模地开展用户配 电网载波应用技术的研究是在 ２０００ 年左右，目前在自动集抄系统中采用的载波通信方式有扩频、窄带调 频或调相。在使用的设备中，以窄带调制类型的设备为多数，其主要原因可能是其成本低廉。而电线上网 的应用由于要求的速率至少需要达到 ５１２ｋｂｉｔ／ｓ～１０Ｍｂｉｔ／ｓ，所以无一例外地采用扩频通信方式。在各种 扩频调制方式中，由于采用正交频分多路复用技术（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＯＦＤＭ） 调制具有突发模式的多信道传输、较高的传输速率、更有效的频谱利用率和较强的抗突发干扰噪声的能力， 再加上前向纠错、交叉纠错、自动重发和信道编码等技术来保证信息传输的稳定可靠，因而成为电力线上 网应用的主导通信方式。目前需要考虑的一些技术问题：在电力线载波集中抄表系统中较普遍地存在“盲 区”问题，有些用户的电表读书无法正确读出（如果存在的现象为时变的，则问题更严重），需要在技术 上克服。目前一些窄带调制的设备多采用自动切换频道和选择中继的方式在一定程度上来解决这个问题。 需要进一步研究窄带噪声抗干扰技术，以获得足够的数据传输可靠性。目前常用的调制方法分为窄带调制 和宽带调制两种。窄带调制成本低，不能有效地抵抗窄带噪声；宽带调制一般采用扩频技术（如 ＤＳＳ 直接 序列扩频、ＦＨ 跳频、ＴＨ 跳时、ＣＨＩＲＰ 宽带线性调频、交叉混合扩频及 ＯＦＤＭ 正交频分多路复用），能够在 一定程度上克服窄带噪声的干扰，但是有限的扩频增益对于较大功率的窄带干扰仍然无能为力。进一步研 究增强型的模拟前端技术，包括自适应滤波和自适应均衡，以适应时变的、大范围的线路衰减和线路阻抗 的变化，在电力载波的低压应用中，这一点极为重要，也是目前的技术难点所在。低压载波通信在变压器 跨相和穿越变压器方面的实用技术需要研究，在多路供电的现场也需解决电源切换时的通信中断问题。这 一点关系到通信制式、耦合方式等多方面的设计考虑。研究和考虑电磁兼容性能，制定对外干扰的标准。 解决目前存在的电线上网设备对安装地点的敏感性问题，保持合适的速率并解决“马赛克”图象问题。对 于这类载波设备的质量检验，一定要考虑在加入线路噪声的环境下（即在一定的信噪比下）进行传输误码 性能的测试。一些企业提出的关于传输距离能力的指标不能作为工程设计的依据。低压载波通信最终实现 高性能、低价格的关键在于专用芯片的设计和制造，而这正是我国微电子行业的弱点所在，加大这一方面 的研究和投资力度对于低压载波通信的实用公司工程二部
电力线载波通信技术的发展及特点
电力线载波 Power Line Carrier - PLC 通信技术出现于本世纪二十年代初期，它以电力线路为传输通 道具有可靠性高投资少见效快与电网建设同步等得天独厚的优点。利用高压电力线在电力载波领域通常指 35kV 及以上电压等级，中压电力线指 10kV 电压等级或低压配电线 380/220V 用户线作为信息传输媒介进 行语音或数据传输的一种特殊通信方式，近年来高压电力线载波技术突破了仅限于单片机应用的限制，已 经进入了数字时代，并且随着电力线载波技术的不断发展和社会的需要，中/低压电力载波通信的技术开发 及应用亦出现了方兴未艾的局面，电力线载波通信这座被国外传媒喻为未被挖掘的金山正逐渐成为一门电 力通信领域乃至关系到千家万户的热门专业。
生产程序，缩短了生产周期，降低了成本，同时由于 ＤＳＰ 数字滤波器选择性好、带内波动小、温度系数好， 使得数字载波机的整机技术性能大大提高，且现场调整维护非常方便。但是，由于当时受 ＤＳＰ 器件运算速 度及处理能力的限制，以及 Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ 变换器速度及精度影响，还有一些数字通信的新技术不够成熟，那 一时期数字化电力线载波机的功能及主要技术数据仍没有取得突破，主要反映在：高频部分没有进行数字 信号处理，调制方式仍是调幅式单边载波带抑制（ＳＳＢ）；由于受调制方式的限制，传输速率低，抗干扰 能力不强；音频部分仍是频分复用方式，４ｋＨｚ 频带内不能实现多路话音，多路数据的同时传送；设备监控 网管不便。从系统运行情况看，国外几种型号的产品在技术上比较成熟且稳定性、可靠性较高，而且在复 用传输继电保护高频信号方面优势更加明显，但在 ３５ｋＶ、１１０ｋＶ 的农网系统，国内设备价格占优。这类载 波机可称之为数字化电力线载波机划为第三代 。由此开始电力线载波业界进入了载波机的数字化革命阶 段，许多企业纷纷投入力量着力于数字电力线载波机的技术研究工作，到了九十年代末期采用新西兰生产 的 M340 数据复接器，多路复接的载波机问世，这一成果提高了载波机的通信容量，从根本上初步解决了 载波机通信容量小的技术瓶颈问题，从而为电力线载波市场带来了空前的机遇。我们早期的 M680 就是， 现在的 M680AN 也是（用的国产复接器）。可称之为第四代。又叫外接复接器载波机。如果线路突发噪 声比较高，在进行远动数据传输时，有时会产生瞬时中断现象，这种现象对于语音传输无大影响，但是对 于数据传输，尤其是一些重要的控制信号的传输将带来不良的后果，且它的电气连接复杂，由载波收发信 与复接器两部分组成。目前我们已有自主知识产权的 Ｍ６８００ 全数字多路复接的载波机，首先在电气连接上 做了彻底的工艺改进，数字复接单元、用户程控交换单元、语音接口单元、远动调制解调单元全部由独立 单元改为插拔单元，相互连接由电缆连接改为 ＰＣＢ 印制板连接，整机稳定性和传输误码率将大大改善。在 数字信号处理方面，ＤＳＰ（数字信号处理） 和 ＦＰＧＡ（现场可编程门阵列）的配合使用，使整机硬件电路简 单，可靠性进一步提高，基本处理完全通过软件实现，用户参数的变更，包括话音、远动电平的调整、设 置全部通过 ＰＣ 机完成。在硬件上采用了高度集成的 ＩＣ，包括美国德克萨斯仪器公司（ＴＩ）的新型高速数字 信号处理器（ＤＳＰ）、模数／数模转换器（ＡＤＣ／ＤＡＣ）及 Ｘｉｌｉｎｘ 公司的可编程逻辑列阵（ＦＰＧＡ）。在软件上，充 分利用了正交幅度调制、逐级升、降抽样、自适应均衡技术、数字锁相环、前向纠错编码及语音压缩，等 现代通信技术。因此，与早期出现的数字载波机不同，它不再由载波收发信与复接器两部分组成，其面积 仅为 ７ｃｍ×１１ｃｍ 的主模块上集成了载波机的大部份功能，包括高带通、频率均衡、移频、高精度时基电路、 中频带通、语音－数字复接、语音压缩、远动数传通道基带处理、语音数字交换系统、及 ２ 个 ２Ｍｂｉｔｓ／ｓ 系统 Ｉ／Ｏ 连接口。ＩＣ 数量少、集成度高、功耗低等特性则有力的增强了系统的抗电磁干扰能力，提高了可 靠性。另外，它的在线编程功能保证了产品的软件升级潜力。基本处理完全通过软件实现，用户参数的变 更，包括话音、远动电平的调整、设置全部通过 ＰＣ 机完成。并能实现真正意义上的现场改频。可称之为 第五代 。可根据通道情况自动变换传输总速率，不会造成电力自动化的中断。在国内外市场多年的运行情 况很好。我们即将实现数字载波机复用音频保护。将给我们带来更广阔的国内外市场。
电力线载波在 １０ｋＶ 线路上的应用，国外自 ５０ 年代开始，主要应用在中压电网的负荷控制领域，大多 为单向数据传输、速率低（有时小于 １０ｂｉｔ／ｓ 甚至更低），并没有形成大规模的电力线载波通信服务产业。
国内在八十年代后期多数是直接使用小型化的集成电路农电载波机实现点对点通信，也有个别采用窄带调 频载波机的，使用范围很受限制。随着 １０ｋＶ 线路通信需求的增长，到了九十年代末，出现了多种载波通 信设备（这些设备可采用不同的线路耦合方式如：电容耦合、变压器耦合、低压耦合、陶瓷电真空耦合及 天线耦合等），调制方式也在原来的 ＦＳＫ 调制、ＰＳＫ 调制、音频注入、工频调制、过零点检测等方式的基 础上开发了先进的扩频调制方式，（如 ＤＳＳ 直接序列扩频，ＦＨ 跳频，ＴＨ 跳时、交叉混合扩频、ＣＨＩＲＰ 宽带 线性调频，ＯＦＤＭ 正交频分多路复用等）。目前在国内使用的 １０ｋＶ 电力线数据传输设备中，使用最多的还 是窄带调制设备（主要是多信道 ＰＳＫ 及 ＦＳＫ 调制），采用扩频方式的设备也已开始崭露头角，随着市场的 发展和技术的成熟，扩频载波设备必将在电力线载波中压应用方面占有越来越重要的地位。中压电力线载 波目前尚处于发展阶段，有些设备采用的技术不够先进和完善。
电力线上网接入要想挤入宽带接入市场分得一杯羹，确实不是一件容易的事情。相比于其他接入方式， 电力线上网接入一方面存在不稳定，不安全和电磁辐射等先天不足，另一方面，允许其进入市场的时间也 越来越少了。电力线上网接入最大的优势是便利性，无需任何布线，充分利用遍布全球的电力线即可上网， 但是随着 ３Ｇ 和 ＷＬＡＮ 的逐步普及，电力线上网接入的优势将不再存在。