低压电力线载波通信技术研究进展

ABSTRACT: The major research directions of low-voltage power line carrier communication technology, including the research achievements in impedance characteristics, attenuation characteristic of signal, noise characteristic and channel models as well as corresponding solving strategies home and abroad, are expounded. The modulation-demodulation technology and networking technology, in which the former mainly includes the related technology of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), that is regarded as the research highlight at present, and the frequency-hoping modulation/ demodulation technology and in the latter the ant colony optimization routing algorithm considering network availability and service requirements of power line carrier communication networks is investigated, are analyzed. The newest results of the research on the specification for power line carrier communication home and abroad are summarized. Finally, according to its present technical condition and the requirements of its development, the research direction and development potential of power line carrier communication technology are discussed and prospected.
许多学者为提高电力线通信的可靠性做出了 富有成效的努力。在解决电力线通信可靠性问题方 面，主要有 2 大思路。其一，提高点对点通信正确 接发概率。国内外专家主要集中在以下几方面的研 究：1）基于物理层的研究，研究人员从分析电网阻 抗匹配特性、减少信道衰减、减小电网噪声影响、 进行快速信道估算与建模、研究高可靠性的信号调 制/解调方法等角度来考虑提高电力线通信的可靠 性；2）基于链路层的研究，研究人员从信道编码和
电力线信道建模方法
电力线通信调制算法及技术
信道频谱分配及功率控制
图 1 电力线通信问题及解决方案 Fig. 1 Problems and solutions of
power line communication
1 电力线输入阻抗特性和信道衰减
电力线载波通信收发模块的输出阻抗和低压 配电网电力线输入阻抗的匹配程度直接影响了信 号耦合的效率。所以，电网的输入阻抗是低压电力 线传输特性的重要参数。1973 年，J. R. Nicholson 和 J. A. Malack[2]就公布了他们在 20 kHz~30 MHz 范围 内的 25 个离散频率下，对美国未经滤波处理的商 业电源如 AC 115 V 单相、AC 220 V 单相和 AC 208 V 单相等进行的阻抗测量，并与一个典型 5 μH 阻抗 平衡网络提供的阻抗进行了对照，结果表明商业电 源阻抗随频率的升高有上升的趋势(平均从 2~ 100 Ω左右变化)，在 150 kHz~25 MHz 频率范围内， 一个 5 μH 阻抗平衡网络可以很好地描述商业电力 配电网阻抗的平均值。1976 年，J. A. Malack 和 J. R. Engstrom[3]公布了在相同的频率范围内，对 6 个欧 洲国家的 86 个商业电源进行的阻抗测量，结果表 明欧洲各国之间商业电源的阻抗值变化不是很大， 并且在整个 LF-HF 频段上(20 kHz~30 MHz)与后续 文献中报道的美国商业电源上测得的阻抗值相似， 而在 MF-HF 频段上(300 kHz~30 MHz)则两者完全 一致。图 2 为 ST 公司在其 ST7538 应用文档中给出 的由 IBM 电磁兼容实验室在欧洲六国测得关于欧 洲低压商业电网阻抗值，相关参数值与 J. A. Malack 所得结论基本一致[4]，该测试结果为后续的电力线
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戚佳金等：低压电力线载波通信技术研究进展
Vol. 34 No. 5
介质访问控制(media access control，MAC)控制等角 度出发，提高点到点之间的通信可靠性。其二，也
有学者和厂商开始关注于使用网络层组网路由(中 继)的方法来提高电力线通信网络层面的可靠性。所 以，电力线通信技术研究方向和解决电力线通信领
第 34 卷 第 5 期 2010 年 5 月
文章编号：1000-3673（2010）05-0161-12
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TN 913.6；TM 73
文献标志码：A
Vol. 34 No. 5 May 2010
学科代码：470·4054
低压电力线载波通信技术研究进展
戚佳金 1，陈雪萍 2，刘晓胜 3
（1．杭州市电力局，浙江省 杭州市 310009；2．上海市电力公司，上海市 浦东新区 200122； 3．哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江省 哈尔滨市 150001）
Advances of Research on Low-Voltage Power Line Carrier Communication Technology
KEY WORDS: low-voltage power line carrier communication; channel characteristics; noise characteristics; channel model; channel estimation; orthogonal frequency division multiplexing (OFDM); hoping-frequency modulation; routing algorithm
率有关是由电抗性负载和传输线效应引起的。传输线
效应包括反射和多峰抵消，这引起网络中某些特定点
出现窄带衰减。实验结果表明，频率低于 100 kHz，
距离小于 400m 时，传输线效应的影响较小。该文还
在 20~240kHz 的频率下，测量了 5 种不同类型建筑
物的室内信号衰减。结果表明室内电力线的信号衰
发送和接收点距离为 10、20 和 30 m 时(接收点处的
终端阻抗为 5 Ω)，其变化范围分别为−30~−3dB，−3~
0 dB 和−10~−5 dB，频率低于 400 kHz 时每种距离的
衰减随频率变化不大(稳定在−25~−3 dB 之间)，在
400 kHz 以上衰减变化则很快，并且变化范围很大。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(60972065)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (60972065)．
效性和服务需求的蚁群优化路由算法。对国内外电力线标准 的最新研究工作进行了总结。最后，结合低压电力线载波通 信技术现状和发展要求，对低压电力线载波通信的技术研究 方向和发展潜力进行了展望和探讨。
域问题的思路，可以大致概括为图 1 所示的内容。
ISO/OSI 网络 参考模型 应用层问题
解决途径和研究热点 通信业务及网络管理模型
网络层问题 数据链路层问题
物理层问题
电力线通信组网算法 信道编码及媒体接入控制
电力线信道的噪声特性分析
提高 电力线 通信可
靠性
电力线信道的衰减特性分析
电力线信道输入阻抗特性分析
阻抗值/ Ω
1 000.0 100.0 10.0 1.0
最大
平均 最小
Fig. 2
0.1 0.04
0.10 0.75 5.00 频率/MHz
30.00
图 2 欧洲低压商业电网阻抗
Aggregate power line impedance of low voltage
power network in Europe
摘要：阐述了低压电力线载波通信技术研究的主要方向，概 括了国内外学者在阻抗特征、信号衰减特性、噪声特性、信 道模型等方面的研究成果和相应解决策略。针对电力线通信 的调制解调技术和组网技术等方面进行了分析。其中，调制 解调技术主要包括当前热点研究的正交频分复用 (orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)相关技术 以及跳频调制/解调技术，组网技术则主要分析考虑网络有
减一般会超过 20dB。一般来说，发送装置和接收装
置同相时的信号衰减一般比非同相时的低，而且信
号衰减源自文库频率的增长有增加的趋势。并且，电气负
荷对室内电力线信号衰减影响很大，在任何给定频
率下负荷随时间的变化可能导致信号衰减的剧烈变
化。文献[9]给出了在 10 kHz~20 MHz 频率下，对日
本建筑物内低压电力线信号衰减特性的实地测量，
QI Jia-jin1, CHEN Xue-ping2, LIU Xiao-sheng3
(1. Hangzhou Municipal Electric Power Bureau, Hangzhou 310009, Zhejiang Province, China; 2. Shanghai Municipal Electric Power Company, Pudong New District, Shanghai 200122, China; 3. School of Electrical Engineering & Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China)
载波通信模块的阻抗匹配设计奠定了基础。
由于低压配电网结构的复杂性和负载的多样性
与时变性，高频信号在低压电力线上的传输必然会
有衰减，并且该衰减特性难以预测，这就给低压电
力线载波通信带来了困难[5-7]。根据文献[8]，传输信
号在 100kHz 以下的衰减相对稳定，在 100~200kHz
之间以 0.25dB/kHz 的比例线性增长，信号衰减与频
以上的测量分析说明，电力线上的信号衰减随
关键词：低压电力线通信；信道特性；噪声特性；信道模型； 信道估算；正交频分复用；跳频调制；组网算法
0 引言
随着信号处理等技术的发展，低压配电网载波 通信(low-voltage power line communication，LPLC) 被广泛认为是楼宇自动化、保安监控、办公自动化、 远程抄表等领域替代专用网络的一种重要的数字 通信方式[1]。LPLC 产品的研发、推广和应用涉及 政策法规、电网安全、电磁兼容、技术体制、准入 标准、通信可靠性等多方面的问题。在这些问题中， LPLC 可靠性问题是妨碍 LPLC 普遍使用的一个最大 问题。电力线信道的时变性、频率选择性，以及信 号衰减大、时变的强噪声和反射特性等固有特点， 严重降低了 LPLC 的可靠性，制约着 LPLC 的发展。 因此，有必要对目前低压电力线载波通信的研究进 展作较为全面的评述，为后续研究提供参考。