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低壓配電網通信技術及應用介紹
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增大字體 關鍵詞：低壓電力線；傳輸特性；載波通信
1 引言
利用現有的電力網作為信道，實現數據傳遞和信息交換具有十分廣闊的前景。電力網絡是已有的 廣泛的有線網絡，電力網絡比任何其他的有線通信網絡更加穩定和現代化。然而，電力線不同于光纖、同軸電纜、雙絞線等專用的通信媒質，它的主要功能是電力傳輸，即傳送50 Hz工頻信號，所以電力線的設計不可能兼顧高頻通信的技術要求。特別是低壓電力線，其環境是一種惡劣的信道環境，線上存在大量噪聲，負載多，配置情況復雜，而且負載工作狀態在隨時變化，導致電力線傳輸特性是時變的。
隨著現代通信技術、網絡技術及相關的數字信號處理技術的快速發展，利用低壓電力進行數據傳輸已逐漸成為現實，并開始服務于人們的日常生活。
2 低壓電力線載波信道的傳輸特性
通信信道的阻抗、信號衰減和噪聲干擾是設計通信信號方式、錯誤控制碼和通訊協議的基礎。因而在使用電力線作為信號傳輸媒介之前，有必要對它的信道特性分析。
低壓電力線上輸入阻抗的變化：由于低壓電力線上的負載的數量、類型不同以及分布電容、電感等的影響，使電力線上輸入阻抗隨著信號頻率變化的情況變得非常復雜，甚至不可預測；低壓電力線上高頻信號的衰減及其變化：對高頻信號而言，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，各種不同性質的負載在這根線的任意位置隨機地連接或斷開，因此，高頻信號在低壓電力線上的傳輸必然存在衰減。這種衰減與通信距離、信號頻率等都有密切關系；低壓電力線傳輸噪聲和干擾特性：低壓電力線上的干擾特性相當復雜，經研究發現，低壓電力線上的干擾不能被簡單地認為是可加性高斯白噪聲，低壓電力線上的干擾還具有多變性，表現為因時而變、因地而變，后者是由高頻信號在傳輸線上的波過程產生的行波、諧振等方面造成。
從以上的簡要分析可以看出，低壓電力線上的信號衰減特性和干擾特性非常復雜，而且隨機性、時變性大，這對低壓電力線載波通信設備的設計提出了很高的要求，即要求其有很好的自適應能力。但同時，出于實用的角度，為了獲得合理的性價比，又要求其成本要限制在一定的范圍內。這些對系統的設計而言是一個很大的挑戰。
3 幾種低壓電力線載波通信方式介紹
盡管低壓電力線載波通信存在上述所說的這些困難，我們仍然認為用低壓電力線作為通信信道是可行的，只是需要采用一些特殊的技術手段。下面將要介紹的幾種通信方式就是充分利用低壓電力線信道的特點，結合新興的信號分析處理技術，在低壓電力線上進行可靠的數據通信。
3.1 窄帶及超窄帶載波通信方式
這種通信方式主要是基于電力傳輸線上的電磁干擾都具有—定的帶寬，其功率雖然很大，但在任一窄帶通道內的值卻很小的原因，在窄帶通道內實現以小的功率獲得大的信噪比。其特點簡要說明如下：
3.1.1 窄帶載波通信方式
這種通信方式主要有：模擬的FM，數字的FSK及QPSK，國內主要應用的是FSK調制技術。傳統窄帶載波FM通信方式是一項成熟的傳統技術，其在電力線模擬通信方面已達到實用標準，能夠做到在電力線上跨相位甚至跨變壓器進行通信，價格低廉且較為容易實現，所以在應用中比較普遍。但該傳統窄帶載波FM通信方式 大的缺點是不能進行數字信號的傳輸或者說在對數據信號傳輸時會引起信號的嚴重畸變。利用現代數字信號處理技術和能信技術、信息編碼技術對傳統窄帶載波FM通信方式進行改進后，可在高干擾、高畸變的環境中準確無誤地傳輸數據信息。
目前低壓電力線載波的許多應用仍舊屬于FSK調制解調方式。數據傳輸率一般為1.2 kb/s。但是窄帶載波通信方式的抗干擾能力比較弱，傳輸距離較短（一般在500 m以內），數據傳輸率也比較低，所以一般適用于傳輸速率低，距離短，數據量不大的點對點場合。低壓電力線MODEM也屬于窄帶載波通信技術，現已有信號傳輸率達10 kb/s的產品。
3.1.2 超窄帶載波通信方式
超窄帶信號具有極窄的帶寬，比通常的窄帶小得多，相鄰兩路信號之間的頻率間隔也可很小(0.01 Hz以下)。因此，在一個幾赫茲窄頻帶內可以傳送成千路信號。每路信號經同一載波調制后發送到輸電線上，由接收部件解調并分離出各路信號，轉換成數據信息。
采用超窄帶信號傳輸有以下幾方面的優點：窄帶和低功耗(2 W)，且各個發送器同時工作；每個發送器只需發送數據，接收器接收站內所有信號，發送設備簡單、安裝方便；信號傳輸距離長，安全可靠。窄帶通信的不足之處是信息傳輸速率低，對超窄帶信號來說，其傳輸速率則更低。
3.2 雙向工頻通信方式
雙向工頻自動通信技術（TWACS，Two Way Automatic Communication System）是近幾年內發展起來的一種基于電力配電網絡的通信技術，非常適合于傳輸速率要求不高的場合，其特殊的調制原理和傳輸方式決定了這種技術的廣泛應用前景。采用TWACS通信系統不需要改造現有的電力配電網絡，成本低廉，無需增加中繼環節，可以直接進行跨變壓器臺區通信，具有很高的實用價值。
簡單地說，TWACS的信號調制原理就是利用工頻電壓基波過零調制的方法實現信號的調制和解調，其核心思想就是利用電網電壓和電流波形的微小畸變來攜帶信息。由于TWACS通信調制信號頻率接近于工頻，因此能夠直接跨變壓器臺區實現雙方的直接通信而不需要中繼環節，沒有駐波和盲區現象。
這種通信方式具有所需設備少、抗干擾能力強、所需調制功率小、易于實現完全雙工通信等優點。其主要缺點是傳輸速率低，只能適合于傳輸速率要求不高的場合。
3.3 擴頻載波通信方式
擴頻通信（SSC：Spread Spectrum Comm unication）技術是一種寬帶信息傳輸模式，擴頻技術就是將要傳輸的信息(本質)用偽隨機碼進行調制，然后以功率很低但頻帶很寬的信號發射出去，將信息頻帶展寬，使其在更寬的頻帶內傳輸，而在接收端通過相關接收設備恢復原始信息。同時，降低單位帶寬上的功率譜密度，使信息更不易被截獲。噪聲信號通過帶通濾波器濾除，使干擾得到抑制。信號頻帶的展寬是通過編碼與調制來實現的，而與所傳信息數據無關。其實質是犧牲信道帶寬換取對信噪比的要求。由于它具有天生的超強抗干擾性，因此特別能夠適應低壓電力網絡中復雜變化的各種干擾和噪聲，有著其他通信模式所無法比擬的優越性。
就低壓電力載波通信而言，應用擴頻通信的主要優點如下：
(1)抗干擾能力強，適合在低壓電力線這樣的惡劣通信環境下實現可靠的數據通信；
(2)可以實現碼分多址(CDMA：Code Division Multiple Access)技術，在低壓配網上實現不同用戶的同時通信；
(3)信號的功率譜密度很低，具有良好的隱蔽性，不易被截獲。
擴頻通信技術在電力線通信中的應用，形成了電力線擴頻載波(SSC—spread spectrum carrier)通信技術，它能夠很好地解決電力線通信的干擾與噪聲問題。
3.4 多載波正交頻分多址(OFDM)技術
利用多載波正交頻分多址(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術可以在低壓電力線上高速數據傳輸，該技術具有抗噪聲、抗多徑效應和抗衰落的特性，其數據傳輸速率可超過10 Mb/s，該技術被認為是適合電力線高速數字通信的主流技術之一。由于利用OFDM調制技術和先進的數字信號處理（DSP：Digital Signal Processing）技術，可以解決在電力線這種惡劣的信道中的通信問題，OFDM技術已引起PLT(Power Line Telecommunication)生產廠家和研究機構的興趣，并有望成為高速寬帶PLT的標準。
4 有關應用
窄帶及超窄帶載波通信方式以及TWACS都屬于低速率載波通信方式，主要用于電網的自動化控制、自動抄表及那些對通信速率要求不高的工業控制等領域，其主要優點是技術較為成熟、設備簡單易于實現；后面介紹的利用SSC和OFDM的通信技術屬中高速載波通信方式，可用于利用低壓電力線的數據通信，這兩種通信方式基本代表了目前低壓電力線通信技術的發展方向。與上面的順序對應，以下分別介紹有關低壓電力線通信的應用。
4.1 窄帶載波通信方式的應用方面
深圳維方電子技術開發有限公司采用窄帶載波FM調制方式自主開發了一套“鏈碼”自適應電力線載波數字通訊技術。該技術主要采用單片機進行開發，獨創了一套全新的硬件濾波、軟件抗干擾和編碼解碼理論，使其產品能夠在異常惡劣的電力線通訊環境下完全做到“全天候24小時、無誤”傳輸。
窄帶載波FSK調制解調技術在國外發展比較成熟，廣泛用于電源管理系統，如自動抄表系統、家庭電器控制、辦公樓內部通信、火警和防盜報警系統等。
超窄帶技術為自動讀表(AMR)系統、電力系統檢測提供了一種低成本的遠距離監視管理方案。該技術在一些發達國家已經得到廣泛應用。除了抄表功能外，在能源管理中也有不少的應用，如線路電壓監視、噪聲監測、監測短時和長時停電情況等。
4.2 雙向工頻自動通信技術的應用方面
80年代中期美國DCSI(Distribution Control Systems Inc)公司就進行基于TWACS技術的產品研制，90年代初期開始進入實用階段。TWACS技術以其抗噪聲性能好、無駐波和盲區、信號可直接穿過配電變壓器而無需中繼等的優良品質，非常適合于電力線通信，可廣泛用于遠程電氣設備監控、自動抄表等方面。2001年10月24日，美國DCSI公司對外宣布，2002年第一季度其TWACS的多功能電力線載波(PLC)自動抄表(AMR)系統訂貨數量達37.6萬套，訂單金額總計3千萬美元。
4.3 擴頻載波通信的應用方面
擴頻通信在無線通信方面得到了很好的運用，第三代移動通信就是建立在擴頻通信基礎上的。在電力線這種突發干擾較大的媒體上采用擴頻通信技術將大有可為。目前，國外采用擴頻技術，在配電網電力線SSC通信系統開發方面，德國、英國、美國、加拿大等國家的研究機構(公司和學校)先后研究開發了自己的系統。已推出了傳輸數據速率為19.2 kb／s和100 kb／s的電力線擴頻通信產品；在市電網上傳送2 Mb／s以上速率的產品；在市電網或10 kV電網上傳輸4.8 kb／s速率的數據傳輸設備(符合以太網協議)。這類產品具有可靠性高、抗干擾能力強、體積小、誤碼率低、傳輸數據速率高等顯著特點。可廣泛用于變電站自動化、配電自動化、遠程數據采集和控制、路燈管理、智能小區等方面。
國內的深圳市亞奇通電子技術有限公司采用直序擴頻頻率調制解調技術實現電力線載波通信。應用先進的模/數轉換、數字濾波、數據壓縮、相關判決、糾錯編碼等數字處理技術，極大地提高了數據交換的可靠性和準確性。在噪聲很大的情況下,即使信噪比S/N<1的情況下依然可以正常通信。并且已生產出了相關的產品，用于自動抄表系統、樓宇自動化等方面。
4.4 多載波正交頻分多址(OFDM)技術的應用
由于OFDM技術可較好地解決多徑衰落或者多徑反射所引起的信道選擇性衰減，又可克服信道的窄帶干擾，同時又具有頻譜利用率高、信道均衡技術簡單、信號調制解調易于實現、糾錯能力強等優點，正受到國內外研究機構和生產廠商的廣泛重視。
OFDM技術在電力線高速數字通信的應用剛剛開始，目前，采用OFDM技術的公司有美國Intellon公司、Wi-LAN公司、德國PolyTrax公司和Inari公司的第三代10Mb/s芯片組等。美國Intellon等61家公司組成家庭插座電力線聯盟（The Home Plug Power Line Alliance），旨在推動以電力線為傳輸媒介的數字化家庭（digital home）。 近，該聯盟研究中、低壓配電網高速數據通信的關鍵技術—多載波正交頻分復用技術(OFDM)取得了突破，于2000年1月4日進行了組網實驗，研究實驗表明，可以在配電線上實現14 Mb/s的數據傳輸。目前，基于OFDM技術的電力線高速數字通信產品的數據傳輸速率已經達到了14 Mb/s。
5 電力線載波通信技術的發展趨勢
作為通訊技術的一個新興應用領域，電力載波通訊技術以其誘人的前景及潛在的巨大市場為全世界所關注，成為世界各大公司及研究單位爭相研究的熱點。國外許多著名公司和研究單位都在對此進行研究，并開發出相對應的器件和產品，如：Intellon、Thomson、Atmel等等。而國內的許多的企業也緊隨國際步伐在利用電力線傳輸信息，特別是在遠程抄表系統方面已逐步形成應用研究的熱點。
從總體來說，電力線載波通訊技術在向五個方面發展：
(1) 從個別用戶到低壓段區段使用（PLC），其后段部分采用電話線、光纜、無線等構筑網絡
(2) 僅用于低壓部分（AC110/220 V）；
(3) 室內系統正在出籠；
（4）室外系統成為研究課題；
（5）向家居自動化發展（需要1 Mb/s以上速率）。
6 結論
電力線主要功能是電力傳輸，對于高頻通信來說，其環境是一種惡劣的信道環境，利用電力線進行載波通信有諸多困難和需要解決的理論問題。然而隨著現代通信技術、網絡技術及相關的數字信號處理技術的快速發展，利用低壓電力進行數據傳輸已逐漸成為現實，并開始服務于人們的日常生活。
電力線通信技術有著令人振奮的應用前景。從速率來看，已有從數十比特到數兆比特的成功應用，因此不管控制網絡還是信息網絡都能使用電力線通信技術獲得所得的應用要求；從可靠性來看，電力線通訊可提供誤碼率小于10-1且無需撥號的專線連接；從經濟上來看，由于電力線隨處部有，無需重新敷設通訊線路，既節省線材費用、又不構成對建筑物（特別是已裝修完工的建筑物）的損壞；從方便性來看，改變通訊對象(或網絡結點)極為方便，提供廠有線方式下無線通訊的位置靈活性。對于我國這樣—個經濟不發達、通訊條件落后的國家，開發利用電力線通訊技術是非常必要的。
參考文獻
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