电力线高速数据通信技术的发展及未来
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技术的标准化是产品成熟的重要标志和大规 模应用的前提 。欧洲 、美国从 2002 年起开始研究 PLC系统的技术框架和技术标准 [ 7 - 9 ] ,目前已经取 得了积极进展 。在产品技术规范方面 ,欧洲电信标 准化组织 ETSI从 2002 年开 始陆 续公 开了 2 个 PLC技术规范 ( TS 101 896、TS 101 867)和 5 个技 术报告 ( TR 102 049 、TR 102 175 、TR 102 258 、TR 102 259、TR 102 324) 。另外还有 6个项目正在进 行中 (DTS / PLT - 00005、DTS / PLT - 00007 、DTS / PLT - 00009、DTS / PLT - 000010 、DTR / PLT 000011、DTS / PLT - 000017 ) 。涉及网络电磁兼容 标准制定的机构主要有 : ITU - T, CENELEC / ETSI JW G EMC, CENELEC 的 TC210、SC205A , ETSI的 TC ERM、EP PLT,美国 FCC等 。目前定义了 1 ～ 30 MHz范围内电信网络辐射限值的技术标准有 4 个 :德国 的 NB30、英 国 的 M PT1570、美 国 的 FCC Part15以及国际电信联盟于 2003 年 7 月推出的 ITU - TK. 60。
第 27卷 第 162期 电 力 系 统 通 信 Vol. 27 No. 162 2 0 0 6年 4月 1 0日 Telecommunications for Electric Power System Ap r. 1 0 , 2 0 0 6
·1·
电力线高速数据通信技术具有 3个明显的发 展趋势 。一方面 ,正在向更高传输速率的方向发 展 ,其表现为多家公司推出传输速率高达 200 Mbit/ s
·PLC论坛 · 李祥珍 电力线高速数据通信技术的发展及未来
·3·
的专用芯片 ;另一方面 ,利用中压 ( 10 kV )配电网 组建高速数据传输骨干网的设想也日益引起人们 的重视 ,因为利用中压配电网进行高速数据传输 , 不仅可以充分 、有效地利用电力系统的资源 ,而且 可以极大地延伸光纤骨干网的服务区域 ,成为骨干 通信网的有效补充和有机组成部分 ,同时为开展农 村电信服务开辟了新的思路 ;第三方面 ,电力线宽 带接入技术正在向具有更高服务质量和完善传输 、 交换功能的方向发展 。
收稿日期 : 2005 - 12 - 06
低速的数据传输 ,而且仅限于适应经过特殊改造的 高压线路 。对于低压和中压配电线路 ,由于线路复 杂 、分支多 ,无法对线路进行诸如阻波等技术的改 造 ,因此即使是低速数据 ,也无法实现可靠的传输 。 20世纪 90年代以后 ,随着通信技术的发展 ,国外 开始研制专门用于配电网的高速数据通信技术 ,将 扩频通信技术 、多载波调制 (DM T) 、正交频分多路 复用 (OFDM ) 、信道纠错编码 、多路访问等先进技 术引 入 电 力 线 载 波 通 信 领 域 。 1997 年 英 国 的 NOR. W EB 公司在英国曼彻斯特的一个低压配电 网上成功进行了传输速率为 1 M bit/ s的数据通信 试验 [ 1 ] ,实现了电力线载波通信技术的突破 ,这个 里程碑式的试验极大地推动了电力线高速数据通 信技术的发展 。
电力线是设计用来输送电能的 ,因而并不具备 通信链路的必要条件 ,所呈现的是一种高噪声 、强 衰减 、负荷变化剧烈 、阻抗变化大 、频率响应不平坦 等恶劣性能 。要实现可靠的电力线高速数据传输 , 必须解决以下问题 :
(1)尽可能消除电气设备 、控制设备 、空中无 线电等噪声对传输可靠性的影响 ;
(2)努力阻止线路 、各种电气设备 、阻抗波动 、 阻抗不匹配以及容性负载引起的信号衰落 ;
国外学者对电力线高速数据通信技术的机理 进行了深入研究 ,成立了多个 PLC 国际组织 , 从 1997年开始每年举办数次 PLC 国际专题会议 ,研 究内容非常广泛 ,包括 :电力线的信道模型 、噪声特
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电 力 系 统 通 信 2006, 27 (1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2)
电力线信道容量分析的意义在于了解信道的 基本特性和信道传输能力 。配电网的高速数据传 输容量 ,主要受配电网拓扑结构 、线路条件 、噪声 、 EMC限制等条件的影响 。电力线的信道容量主要 利用信道传播模型 、噪声模型以及“注水 ”理论进 行计算 。计算结果表明 ,一般情况下 ,大约 1. 6 km 的电力线信道容量超过 250 M bit/ s,但电力线分支 的增多将会导致信道容量的降低 ,负载阻抗的减
( 3 )最大限度 减 缓电 力线 分 支以 及 网络 不均 衡引起的多径衰落对传输可靠性的影响 。
20世纪 90年代以前 ,电力线载波系统采用的 是 FM (模拟调频 ) 、FSK (频移键控 ) 、PSK (相移键 控 )等窄带通信技术 ,由于抗噪声干扰和多径干扰 能力差 ,对电力线信道的适应性也差 ,因此主要靠 改善信道条件 (使用阻波器 )和提高信噪比 (增大 发送功率 )来实现可靠传输 。但由于窄带调制技 术频带利用率极低 ,因此在有限的带宽内只能实现
PLC试验网络 ,有的还进行了 PLC商业化运营 (如 德国的 MVV 等 ) 。亚洲开展 PLC研究和试验的国 家和地区除中国大陆外 ,还有日本 、韩国 、新加坡 、 中国香港 、中国台湾等地 。日本对 PLC的态度 ,经 历了从初期怀疑否定到开放试验 ,直至今日的积极 推动的三个阶段 。目前 ,东京电力 、新加坡电力 、香 港中华电力等均建立了一定规模的试验网络 。据 不完全统计 ,截止 2004年年底 , PLC的试验网络遍 及欧洲 、亚洲 、北美洲 、南美洲 、非洲以及大洋洲的 40多个国家和地区 。 1. 3 技术标准
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最关键因 素 。和其他信道不同的是 ,电力线信道的噪声并不 呈现白噪声 (AW GN )特性 ,主要是有色背景噪声 、 窄带干扰和脉冲噪声的存在 ,容易引起突发性传输 差错 。脉冲噪声分为与工频同步的周期性脉冲噪 声和异步脉冲噪声 2 种 。与工频同步的脉冲噪声 主要是由与工频同步运行的供电设备引起的 ,它一 般在电压的过零点产生 ;典型的异步脉冲噪声是由 电网上的开关事件引起的 。脉冲噪声可以用马尔 可夫链 (M arkov - chain)的随机统计模型表示 ,背 景噪声一般用 AR回归模型来模拟 ,窄带噪声用 N 个独立的正弦信号叠加表示 。
电力线高速数据通信技术从 1997年到现在历 经了 3个阶段 (时间上有一些交叉 ) ,产生了 3 代 技术和产品 。第 1 代 : 2001 年底以前 ,采用 FSK、 GMSK、DSSS或 DMT技术 ,传输速率为 1～4 Mbit/ s, 主要目标是验证了电力线高速数据通信技术应用 的可行性 ;第 2 代 : 2001 年第三季度至今 ,主流芯 片的传输速率为 10～45 M bit/ s,进入大规模 、多区 域的试验和实际运行阶段 ,其主要标志是 INTEL2 LON 公司推出的传输速率为 14 M bit/ s的芯片和 DS2公司推出的传输速率为 45 Mbit/ s的芯片 ,引 入了 OFDM 技术 ,不仅有效消除了多径干扰 ,增强 了对电力线信道的自适应性和抗噪声干扰的能力 , 而且大大提高了频带利用率 ,实现了 10 M bit/ s以 上的高速率数据传输 ;第 3代 :从 2004年第三季度 开始 ,电力线高速数据通信技术更多使用子载波的 OFDM 和高频带利用率的调制技术 ,传输速率达到 200 M bit/ s (如 DS2 公司 2004 年推出的 DSS9000 系列芯片 , INTELLON 公司即将推出的 INT6000芯 片 ) ,这代产品具有交换和传输功能 ,自动中继和 自动路由选择技术逐渐得到推广 ,系统结构更加灵 活方便 ,通用性和兼容性更强 ,网络管理功能更加 完善 ,数据传输的 QoS得到充分保障 ,设备和系统 成本进一步降低 。 1. 2 应用情况
电力线高速数据通信技术的发展及未来
李祥珍
(中国电力科学研究院 ,北京 100085)
摘要 :电力线高速数据通信技术 ( PLC)在电力系统通信中占有重要位置 。文章首先对该项技术 在国内外的研究和应用现状进行了回顾 ,介绍了我国 PLC方面的主要工作成果和国内外 PLC关 键技术发展情况 (包括信道模型 、噪声特性 、信道容量 、调制技术及 MAC层协议等 ) 、标准的进展 情况以及尚存在的主要问题 。论述了 PLC技术的发展趋势 ,以及需要进一步开展的工作 。
欧盟为促进 PLC技术的发展 ,从 2004年 1月 1日开始启动了一个称之为 OPERA (Open PLC Eu2 ropean Research A lliance)的计划 ,旨在联合欧洲的 主要 PLC 研究开发力量 ,致力于制定欧洲的 PLC 统一技术标准 、推动大规模商业化应用 [ 5 - 6 ] ,并将 PLC作为实现“eEurope”(信息化欧洲 ) 的重要技 术手段 。美国 、欧洲等国也出台相应政策或措施推 动 PLC的发展 ,许多大的电力企业也积极进行中 压及低压 PLC 的试验 。美国的 American Electric Power等 17 家主要电力企业 ,德国 、奥地利 、西班 牙等 15 个欧洲国家的 32 个电力企业均建立了
总体而言 , PLC的相关技术标准正在制定中 , 目前还没有形成相应的具有法律约束力的规范 。 对于电磁骚扰的测试方法 ,各国做法不尽相同 ,限 值各异 。但普遍认为 , 30 MHz以下的电磁骚扰主 要体现在传导骚扰上 ,因此 ,在目前的国际标准中 , 并未规定相应的辐射骚扰限值 。对于大规模的 PLC应用 ,如何制定科学的测试方法以及规定合理 的限值 ,是欧洲以及一些国际性组织正在研究的重 要课题之一 。 1. 4 发展趋势
性分析 、调制方式 、MAC层协议 、网络管理 、室内网 络 、接入网络 、系统设计方法 、芯片制造技术 、电磁 辐射和传播 、信道预测技术 、信道容量预测 、信道传 播特性测量 、标准和协议 、系统结构 、组网方式 、中 压高速载波技术等多方面内容 。经过多年的努力 , 已经基本建立起电力线高速数据通信技术的理论 体系 。
1 电力线高速数据通信技术的国外发展现 状及趋势
1. 1 机理研究及产品开发 电力线高速数据通信技术在英国试验成功以
后 ,许多国家的研究机构和企业相继开展了这方面 的研究和开发 [ 2 - 5 ] , 如美国的 Inari和 Intellon 公 司 、西班牙的 DS2 公司 、以色列的 Yitran 公司 、韩 国的 Xeline公司 、瑞士的 ASCOM 公司 ,以及欧美 、 亚洲的一些大学院校等 。
2 PLC 的关键技术
2. 1 信道模型 、噪声特性以及信道容量 研究电力线网络信道模型 ,通常使用多径传输
模型和传输矩阵模型 2 种方法 。这 2 个模型从不 同角度对高频信号在电力线上的传播特性进行研 究 。多径传输模型是根据高频信号的多条路径传 播产生的合成效应 (多分支及阻抗失配造成的传 输反射 )研究电力线信号的传播特性 ;传输矩阵模 型则把整个电力线看成为一个二端口网络 ,利用二 端口网络的传输矩阵计算出电力线信道的传递函 数 [2 - 3]。
关键词 :电力线高速数据通信 ;信道特性 ;宽带接入 ;电磁兼容 ;正交频分复用
中图分类号 : TN915. 853
文献标识码 : A 文章编号 : 1005 - 7641 (2006) 04 - 0001 - 06
0 引言
电力线高速数据通信技术 ( PLC或 PLT) ,是一 种利用中 、低压配电网作为通信介质 ,实现数据 、话 音 、图像等综合业务传输的通信技术 ,不仅可以作 为解决宽带接入“最后 1 km ”的有效手段 ,而且可 以为电力负荷监控 、远程抄表 、配用电自动化 、需求 侧管理 、企业内部网络 、智能家庭以及数字化社区 提供高速数据传输平台 。
第 27卷 第 162期 电 力 系 统 通 信 Vol. 27 No. 162 2 0 0 6年 4月 1 0日 Telecommunications for Electric Power System Ap r. 1 0 , 2 0 0 6
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电力线高速数据通信技术具有 3个明显的发 展趋势 。一方面 ,正在向更高传输速率的方向发 展 ,其表现为多家公司推出传输速率高达 200 Mbit/ s
·PLC论坛 · 李祥珍 电力线高速数据通信技术的发展及未来
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的专用芯片 ;另一方面 ,利用中压 ( 10 kV )配电网 组建高速数据传输骨干网的设想也日益引起人们 的重视 ,因为利用中压配电网进行高速数据传输 , 不仅可以充分 、有效地利用电力系统的资源 ,而且 可以极大地延伸光纤骨干网的服务区域 ,成为骨干 通信网的有效补充和有机组成部分 ,同时为开展农 村电信服务开辟了新的思路 ;第三方面 ,电力线宽 带接入技术正在向具有更高服务质量和完善传输 、 交换功能的方向发展 。
收稿日期 : 2005 - 12 - 06
低速的数据传输 ,而且仅限于适应经过特殊改造的 高压线路 。对于低压和中压配电线路 ,由于线路复 杂 、分支多 ,无法对线路进行诸如阻波等技术的改 造 ,因此即使是低速数据 ,也无法实现可靠的传输 。 20世纪 90年代以后 ,随着通信技术的发展 ,国外 开始研制专门用于配电网的高速数据通信技术 ,将 扩频通信技术 、多载波调制 (DM T) 、正交频分多路 复用 (OFDM ) 、信道纠错编码 、多路访问等先进技 术引 入 电 力 线 载 波 通 信 领 域 。 1997 年 英 国 的 NOR. W EB 公司在英国曼彻斯特的一个低压配电 网上成功进行了传输速率为 1 M bit/ s的数据通信 试验 [ 1 ] ,实现了电力线载波通信技术的突破 ,这个 里程碑式的试验极大地推动了电力线高速数据通 信技术的发展 。
电力线是设计用来输送电能的 ,因而并不具备 通信链路的必要条件 ,所呈现的是一种高噪声 、强 衰减 、负荷变化剧烈 、阻抗变化大 、频率响应不平坦 等恶劣性能 。要实现可靠的电力线高速数据传输 , 必须解决以下问题 :
(1)尽可能消除电气设备 、控制设备 、空中无 线电等噪声对传输可靠性的影响 ;
(2)努力阻止线路 、各种电气设备 、阻抗波动 、 阻抗不匹配以及容性负载引起的信号衰落 ;
国外学者对电力线高速数据通信技术的机理 进行了深入研究 ,成立了多个 PLC 国际组织 , 从 1997年开始每年举办数次 PLC 国际专题会议 ,研 究内容非常广泛 ,包括 :电力线的信道模型 、噪声特
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电 力 系 统 通 信 2006, 27 (1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2)
电力线信道容量分析的意义在于了解信道的 基本特性和信道传输能力 。配电网的高速数据传 输容量 ,主要受配电网拓扑结构 、线路条件 、噪声 、 EMC限制等条件的影响 。电力线的信道容量主要 利用信道传播模型 、噪声模型以及“注水 ”理论进 行计算 。计算结果表明 ,一般情况下 ,大约 1. 6 km 的电力线信道容量超过 250 M bit/ s,但电力线分支 的增多将会导致信道容量的降低 ,负载阻抗的减
( 3 )最大限度 减 缓电 力线 分 支以 及 网络 不均 衡引起的多径衰落对传输可靠性的影响 。
20世纪 90年代以前 ,电力线载波系统采用的 是 FM (模拟调频 ) 、FSK (频移键控 ) 、PSK (相移键 控 )等窄带通信技术 ,由于抗噪声干扰和多径干扰 能力差 ,对电力线信道的适应性也差 ,因此主要靠 改善信道条件 (使用阻波器 )和提高信噪比 (增大 发送功率 )来实现可靠传输 。但由于窄带调制技 术频带利用率极低 ,因此在有限的带宽内只能实现
PLC试验网络 ,有的还进行了 PLC商业化运营 (如 德国的 MVV 等 ) 。亚洲开展 PLC研究和试验的国 家和地区除中国大陆外 ,还有日本 、韩国 、新加坡 、 中国香港 、中国台湾等地 。日本对 PLC的态度 ,经 历了从初期怀疑否定到开放试验 ,直至今日的积极 推动的三个阶段 。目前 ,东京电力 、新加坡电力 、香 港中华电力等均建立了一定规模的试验网络 。据 不完全统计 ,截止 2004年年底 , PLC的试验网络遍 及欧洲 、亚洲 、北美洲 、南美洲 、非洲以及大洋洲的 40多个国家和地区 。 1. 3 技术标准
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最关键因 素 。和其他信道不同的是 ,电力线信道的噪声并不 呈现白噪声 (AW GN )特性 ,主要是有色背景噪声 、 窄带干扰和脉冲噪声的存在 ,容易引起突发性传输 差错 。脉冲噪声分为与工频同步的周期性脉冲噪 声和异步脉冲噪声 2 种 。与工频同步的脉冲噪声 主要是由与工频同步运行的供电设备引起的 ,它一 般在电压的过零点产生 ;典型的异步脉冲噪声是由 电网上的开关事件引起的 。脉冲噪声可以用马尔 可夫链 (M arkov - chain)的随机统计模型表示 ,背 景噪声一般用 AR回归模型来模拟 ,窄带噪声用 N 个独立的正弦信号叠加表示 。
电力线高速数据通信技术从 1997年到现在历 经了 3个阶段 (时间上有一些交叉 ) ,产生了 3 代 技术和产品 。第 1 代 : 2001 年底以前 ,采用 FSK、 GMSK、DSSS或 DMT技术 ,传输速率为 1～4 Mbit/ s, 主要目标是验证了电力线高速数据通信技术应用 的可行性 ;第 2 代 : 2001 年第三季度至今 ,主流芯 片的传输速率为 10～45 M bit/ s,进入大规模 、多区 域的试验和实际运行阶段 ,其主要标志是 INTEL2 LON 公司推出的传输速率为 14 M bit/ s的芯片和 DS2公司推出的传输速率为 45 Mbit/ s的芯片 ,引 入了 OFDM 技术 ,不仅有效消除了多径干扰 ,增强 了对电力线信道的自适应性和抗噪声干扰的能力 , 而且大大提高了频带利用率 ,实现了 10 M bit/ s以 上的高速率数据传输 ;第 3代 :从 2004年第三季度 开始 ,电力线高速数据通信技术更多使用子载波的 OFDM 和高频带利用率的调制技术 ,传输速率达到 200 M bit/ s (如 DS2 公司 2004 年推出的 DSS9000 系列芯片 , INTELLON 公司即将推出的 INT6000芯 片 ) ,这代产品具有交换和传输功能 ,自动中继和 自动路由选择技术逐渐得到推广 ,系统结构更加灵 活方便 ,通用性和兼容性更强 ,网络管理功能更加 完善 ,数据传输的 QoS得到充分保障 ,设备和系统 成本进一步降低 。 1. 2 应用情况
电力线高速数据通信技术的发展及未来
李祥珍
(中国电力科学研究院 ,北京 100085)
摘要 :电力线高速数据通信技术 ( PLC)在电力系统通信中占有重要位置 。文章首先对该项技术 在国内外的研究和应用现状进行了回顾 ,介绍了我国 PLC方面的主要工作成果和国内外 PLC关 键技术发展情况 (包括信道模型 、噪声特性 、信道容量 、调制技术及 MAC层协议等 ) 、标准的进展 情况以及尚存在的主要问题 。论述了 PLC技术的发展趋势 ,以及需要进一步开展的工作 。
欧盟为促进 PLC技术的发展 ,从 2004年 1月 1日开始启动了一个称之为 OPERA (Open PLC Eu2 ropean Research A lliance)的计划 ,旨在联合欧洲的 主要 PLC 研究开发力量 ,致力于制定欧洲的 PLC 统一技术标准 、推动大规模商业化应用 [ 5 - 6 ] ,并将 PLC作为实现“eEurope”(信息化欧洲 ) 的重要技 术手段 。美国 、欧洲等国也出台相应政策或措施推 动 PLC的发展 ,许多大的电力企业也积极进行中 压及低压 PLC 的试验 。美国的 American Electric Power等 17 家主要电力企业 ,德国 、奥地利 、西班 牙等 15 个欧洲国家的 32 个电力企业均建立了
总体而言 , PLC的相关技术标准正在制定中 , 目前还没有形成相应的具有法律约束力的规范 。 对于电磁骚扰的测试方法 ,各国做法不尽相同 ,限 值各异 。但普遍认为 , 30 MHz以下的电磁骚扰主 要体现在传导骚扰上 ,因此 ,在目前的国际标准中 , 并未规定相应的辐射骚扰限值 。对于大规模的 PLC应用 ,如何制定科学的测试方法以及规定合理 的限值 ,是欧洲以及一些国际性组织正在研究的重 要课题之一 。 1. 4 发展趋势
性分析 、调制方式 、MAC层协议 、网络管理 、室内网 络 、接入网络 、系统设计方法 、芯片制造技术 、电磁 辐射和传播 、信道预测技术 、信道容量预测 、信道传 播特性测量 、标准和协议 、系统结构 、组网方式 、中 压高速载波技术等多方面内容 。经过多年的努力 , 已经基本建立起电力线高速数据通信技术的理论 体系 。
1 电力线高速数据通信技术的国外发展现 状及趋势
1. 1 机理研究及产品开发 电力线高速数据通信技术在英国试验成功以
后 ,许多国家的研究机构和企业相继开展了这方面 的研究和开发 [ 2 - 5 ] , 如美国的 Inari和 Intellon 公 司 、西班牙的 DS2 公司 、以色列的 Yitran 公司 、韩 国的 Xeline公司 、瑞士的 ASCOM 公司 ,以及欧美 、 亚洲的一些大学院校等 。
2 PLC 的关键技术
2. 1 信道模型 、噪声特性以及信道容量 研究电力线网络信道模型 ,通常使用多径传输
模型和传输矩阵模型 2 种方法 。这 2 个模型从不 同角度对高频信号在电力线上的传播特性进行研 究 。多径传输模型是根据高频信号的多条路径传 播产生的合成效应 (多分支及阻抗失配造成的传 输反射 )研究电力线信号的传播特性 ;传输矩阵模 型则把整个电力线看成为一个二端口网络 ,利用二 端口网络的传输矩阵计算出电力线信道的传递函 数 [2 - 3]。
关键词 :电力线高速数据通信 ;信道特性 ;宽带接入 ;电磁兼容 ;正交频分复用
中图分类号 : TN915. 853
文献标识码 : A 文章编号 : 1005 - 7641 (2006) 04 - 0001 - 06
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电力线高速数据通信技术 ( PLC或 PLT) ,是一 种利用中 、低压配电网作为通信介质 ,实现数据 、话 音 、图像等综合业务传输的通信技术 ,不仅可以作 为解决宽带接入“最后 1 km ”的有效手段 ,而且可 以为电力负荷监控 、远程抄表 、配用电自动化 、需求 侧管理 、企业内部网络 、智能家庭以及数字化社区 提供高速数据传输平台 。