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电力线载波通信技术的发展及特点电力线载波通信技术的发展及特点摘要摘要本文介绍了电力线载波通信的发展及特点，本文介绍了电力线载波通信的发展及特点，文中主要就高压电力线载文中主要就高压电力线载波通信、波通信、中压配电网电力线载波数据通信和低压用户配电网电力线载中压配电网电力线载波数据通信和低压用户配电网电力线载波通信，以及与其相关的关键技术问题进行了讨论。波通信，以及与其相关的关键技术问题进行了讨论。0 0 引引 言言电力线载波（电力线载波（Power Line Carrier-PLCPower Line Carrier-PLC）通信是利用高压电力线）通信是利用高压电力线（在电力载波领域通常指（在电力载波领域通常指 35kV35kV 及以上电压等级）及以上电压等级）、中压电力线（指、中压电力线（指10kV10kV 电压等级）或低压配电线（电压等级）或低压配电线（380/220V380/220V 用户线）作为信息传输媒用户线）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。介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。近年来，近年来，高压电力线载高压电力线载波技术突破了仅限于单片机应用的限制，波技术突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了数字化时代。已经进入了数字化时代。并并且，随着电力线载波技术的不断发展和社会的需要，中且，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，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。领域乃至关系到千家万户的热门专业。在这种形势下，在这种形势下，本文旨在通过本文旨在通过对电力线载波通信技术的发展及所涉及的一些技术问题的讨论，对电力线载波通信技术的发展及所涉及的一些技术问题的讨论，阐明阐明电力线载波通信的发展历程、特点及技术关键。电力线载波通信的发展历程、特点及技术关键。2 2 电力线载波通信的特点电力线载波通信的特点2.12.1 高压载波路由合理，通道建设投资相对较低高压载波路由合理，通道建设投资相对较低高压电力线路高压电力线路的路由走向沿着终端站到枢纽站，的路由走向沿着终端站到枢纽站，再到调度所，再到调度所，正是电力调度通信所正是电力调度通信所要求的合理路由，要求的合理路由，并且载波通道建设只需结合加工设备的投入而无须并且载波通道建设只需结合加工设备的投入而无须考虑线路投资，考虑线路投资，因此当之无愧成为电力通信的基本通信方式，因此当之无愧成为电力通信的基本通信方式，尤其在尤其在1/8边远地区更是这样。边远地区更是这样。电力线载波通道往往先于变电站完成建设，电力线载波通道往往先于变电站完成建设，对于对于新建电站的通信开通十分有利。新建电站的通信开通十分有利。为此，为此，只要妥善解决电力线载波信道只要妥善解决电力线载波信道的容量问题，的容量问题，载波通信的优势就会显现出来。载波通信的优势就会显现出来。在中压配电网载波和低在中压配电网载波和低压用户电网载波中，压用户电网载波中，节省线路建设费用，节省线路建设费用，无须考虑破坏家庭已装修环无须考虑破坏家庭已装修环境，也仍然是载波通信的优势。境，也仍然是载波通信的优势。2.22.2 传输频带受限，传输容量相对较小传输频带受限，传输容量相对较小在高压电网中，一般考虑到工频谐波及无线电发射干扰在高压电网中，一般考虑到工频谐波及无线电发射干扰 电力线载波电力线载波的通信频带限制于的通信频带限制于4040500kHz500kHz之内，之内，按照单方向占用按照单方向占用4kHz4kHz带宽计算，带宽计算，理想情况下一条线路可安排理想情况下一条线路可安排 115115 条高频载波通道。条高频载波通道。但由于电力线路各但由于电力线路各相之间及变电站之间的跨越衰减有限（相之间及变电站之间的跨越衰减有限（131343dB43dB），不可能理想地按，不可能理想地按照频谱紧邻的方式安排载波通道，照频谱紧邻的方式安排载波通道，因此，因此，真正组成电力线载波通信网真正组成电力线载波通信网所实现的载波通道是有限的，在当今通信业务已大大开拓的情况下，所实现的载波通道是有限的，在当今通信业务已大大开拓的情况下，载波通道的信道容量已成为其进一步应用的“瓶颈”问题。载波通道的信道容量已成为其进一步应用的“瓶颈”问题。尽管我们尽管我们在载波频谱的分配上研究了随机插空法、在载波频谱的分配上研究了随机插空法、分小区法、分小区法、分组分段法、分组分段法、频频率阻塞法及地图色法和计算机频率分配软件，率阻塞法及地图色法和计算机频率分配软件，并且规定不同电压等级并且规定不同电压等级的电力线路之间不得搭建高频桥路，使载波频率尽量得以重复使用，的电力线路之间不得搭建高频桥路，使载波频率尽量得以重复使用，但还是不能满足需要。但还是不能满足需要。近来随着光纤通信的发展和全数字电力线载波近来随着光纤通信的发展和全数字电力线载波机的出现，机的出现，稍微缓解了载波频谱的紧稍微缓解了载波频谱的紧 X X 程度。程度。在在 10kV10kV 中压配电中压配电网和低压用户配电网中，网和低压用户配电网中，除了新上的载波信号之外，除了新上的载波信号之外，不存在其它高频不存在其它高频信号，并且一般为多址传输，因此通道容量问题并不突出。信号，并且一般为多址传输，因此通道容量问题并不突出。2.52.5 线路阻抗变化大线路阻抗变化大 此主题相关图片如下：此主题相关图片如下：2/8 UPLOAD=gif UPLOAD=gif高压电力线阻抗一般为高压电力线阻抗一般为 300300400，在线路上400，在线路上呈波动状态，呈波动状态，现场实测表明，现场实测表明，在波动幅度达到在波动幅度达到 1/21/2 左右时，左右时，对载波通对载波通道衰减将产生严重的影响道衰减将产生严重的影响77。在通道加工不合理、不完善、存在容。在通道加工不合理、不完善、存在容性负载以及性负载以及 T T 接分支线时，接分支线时，会加剧载波通道的阻抗变化并甚至中断通会加剧载波通道的阻抗变化并甚至中断通信。低压用户配电网载波通道的阻抗变化更大（见图信。低压用户配电网载波通道的阻抗变化更大（见图 2 2），在负荷很，在负荷很重时，线路阻抗可能低于重时，线路阻抗可能低于1，这使得载波装置不能采用固定的阻抗1，这使得载波装置不能采用固定的阻抗输出。输出。2.72.7 对外界的干扰对外界的干扰由于高压电力线载波频段限制在由于高压电力线载波频段限制在4040500kHz500kHz，只要控制载波机的谐波和交调乱真发射功率足够小，只要控制载波机的谐波和交调乱真发射功率足够小，即可避即可避免对外界的干扰。目前值得研究的是在免对外界的干扰。目前值得研究的是在 220V220V 线路上的扩频电线上网线路上的扩频电线上网装置的干扰问题，装置的干扰问题，这类装置为了实现高速数据通信，这类装置为了实现高速数据通信，往往占用频带达往往占用频带达30MHz30MHz 甚至更多，甚至更多，据国外媒体报道，据国外媒体报道，当电力线数据通信使用当电力线数据通信使用 2 230MHz30MHz的频带传输数据时，的频带传输数据时，将会对该频段的短波无线电广播、将会对该频段的短波无线电广播、业余爱好者无业余爱好者无线电台等产生影响。线电台等产生影响。目前我国还没有建立这方面的标准，目前我国还没有建立这方面的标准，应当将这种应当将这种干扰限制在何种程度还需要进一步研究干扰限制在何种程度还需要进一步研究88。2.82.8 网络应用要求更高网络应用要求更高现代通信对电力线载波的要求也更侧重现代通信对电力线载波的要求也更侧重于网络方面，于网络方面，需要将原先仅限于通道的概念扩展为网络概念。需要将原先仅限于通道的概念扩展为网络概念。以往的以往的电力线载波机主要靠自动盘和音转接口实现小电力线载波机主要靠自动盘和音转接口实现小 X X 围的联网，围的联网，而将载波而将载波机与调度机协同考虑，机与调度机协同考虑，实现载波机协同变电站调度机的组网应用以及实现载波机协同变电站调度机的组网应用以及适当设置能够与通信网监测系统接口的数据采集变送器应当是我们适当设置能够与通信网监测系统接口的数据采集变送器应当是我们3/8近几年考虑的问题。近几年考虑的问题。与高压电力载波不同，与高压电力载波不同，电力线载波在中、电力线载波在中、低压线低压线路上的应用在开始阶段就是建立在网络应用的基础之上的。路上的应用在开始阶段就是建立在网络应用的基础之上的。3 3 目前需要考虑的一些技术问题目前需要考虑的一些技术问题 3.1 3.1 高压电力线载波高压电力线载波 3.1.1 3.1.1 信道信道容量长期以来一直是电力线载波通信存在的关键问题，容量长期以来一直是电力线载波通信存在的关键问题，如何进一步实如何进一步实现更高速、现更高速、多路的电力线载波通信是进一步发展的主要课题。多路的电力线载波通信是进一步发展的主要课题。目前我目前我们已通过成功地采用数字复接技术扩展了频域们已通过成功地采用数字复接技术扩展了频域 4kHz4kHz 带宽的信道容量带宽的信道容量（达到（达到 28.8kbits/s28.8kbits/s），今后还可在线路频率的回波抵消上进行一番，今后还可在线路频率的回波抵消上进行一番深入研究。国内以前曾有过对模拟正交调制实现通道容量倍增的研深入研究。国内以前曾有过对模拟正交调制实现通道容量倍增的研究，随着技术的发展，高精度的究，随着技术的发展，高精度的DDSDDS（直接频率合成）技术已经商业（直接频率合成）技术已经商业化，化，这一研究还可继续进行下去。这一研究还可继续进行下去。同时，同时，在电力线载波频率资源趋于在电力线载波频率资源趋于宽松的情况下，在载波线路频谱上采用比当前宽松的情况下，在载波线路频谱上采用比当前 4kHz4kHz 载波基本频带更载波基本频带更宽的频带已成为可能，宽的频带已成为可能，本文认为相关的载波标准应针对当前的实际情本文认为相关的载波标准应针对当前的实际情况考虑适当修改，并以此来规况考虑适当修改，并以此来规 X X 现场的实际应用。现场的实际应用。3.1.23.1.2 数字多路复接类型的电力线载波机在进行远动数据传输时，数字多路复接类型的电力线载波机在进行远动数据传输时，有有时会产生瞬时中断现象，时会产生瞬时中断现象，这种现象对于语音传输无大影响，这种现象对于语音传输无大影响，但是对于但是对于数据传输，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。尤其是一些重要的控制信号的传输将带来不良的后果。据据分析，分析，这一现象可能是由线路上的突发脉冲干扰引起的，这一现象可能是由线路上的突发脉冲干扰引起的，因此，因此，解决解决这一问题可以考虑两个方面，这一问题可以考虑两个方面，一是在载波机设计中有针对性地重点考一是在载波机设计中有针对性地重点考虑如何解决（据说已有产品，还需现场验证）虑如何解决（据说已有产品，还需现场验证）；二是在现场应用中也；二是在现场应用中也要注意不能一概而论地上数字复接载波机，要注意不能一概而论地上数字复接载波机，应针对实际应用的场合来应针对实际应用的场合来4/8选择合适的载波机类型。选择合适的载波机类型。如果线路突发噪声比较高，如果线路突发噪声比较高，频繁出现这样的频繁出现这样的瞬时中断时，瞬时中断时，在目前情况下应考虑采用在目前情况下应考虑采用 DSPDSP 制式的数字化电力线载波制式的数字化电力线载波机。机。3.1.3 3.1.3 载波机的接口类型目前有音转、二线载波机的接口类型目前有音转、二线E&ME&M、四线、四线E&ME&M、小、小号、延长线、远动等，还需更趋于完善，尤其是与数字设备和通信网号、延长线、远动等，还需更趋于完善，尤其是与数字设备和通信网管理系统以及调度自动化系统的接口更需规管理系统以及调度自动化系统的接口更需规 X X、适用。载波机与程控、适用。载波机与程控调度交换机的结合方式应更便于组网应用，调度交换机的结合方式应更便于组网应用，使调度机的功能覆盖到全使调度机的功能覆盖到全网。网。3.1.4 3.1.4 载波机的电路设计在性能指标冗余度和器件极限指标的载波机的电路设计在性能指标冗余度和器件极限指标的余量上还需进行精细地设计（要有量化的指标）余量上还需进行精细地设计（要有量化的指标），以保证设备的整机，以保证设备的整机指标和长期运行的可靠性。指标和长期运行的可靠性。整机的出厂不能仅以调试通过来判断设备整机的出厂不能仅以调试通过来判断设备的质量，的质量，而应按照企业内控标准，而应按照企业内控标准，在经过适当的老化运行之后，在经过适当的老化运行之后，以最以最终检验的结果来判断设备的出厂质量水平。终检验的结果来判断设备的出厂质量水平。3.1.5 3.1.5 目前载波机的设目前载波机的设计主要针对高压和农电两个方向来进行，计主要针对高压和农电两个方向来进行，虽然我们研究了许多不同的虽然我们研究了许多不同的制式，如呼叫信号有脉冲、单频移频、双频移频和带内编码型；导频制式，如呼叫信号有脉冲、单频移频、双频移频和带内编码型；导频制式有单导频、无导频、间歇导频；调制方式有一次、二次和三次调制式有单导频、无导频、间歇导频；调制方式有一次、二次和三次调制，但在下面一些方面还需努力，如：组合功放、线路回音抵消、高制，但在下面一些方面还需努力，如：组合功放、线路回音抵消、高频数字调制、频数字调制、抗突发噪声的数字复接器、抗突发噪声的数字复接器、自适应线路阻抗匹配、自适应线路阻抗匹配、工艺工艺水平、水平、过程质量管理等。过程质量管理等。对于远动的防卫度问题，对于远动的防卫度问题，应当尽可能地设计应当尽可能地设计为自适应地保持恒定的防卫度水平，为自适应地保持恒定的防卫度水平，而不是随着话音和远动电平的浮而不是随着话音和远动电平的浮动而改变，这样将更有利于远动信号的传输可靠性。动而改变，这样将更有利于远动信号的传输可靠性。3.1.6 3.1.6 载波机载波机的电磁兼容性能，如电磁辐射抗扰度、静电放电、快速瞬变、浪涌等的电磁兼容性能，如电磁辐射抗扰度、静电放电、快速瞬变、浪涌等性能应当在整机设计阶段就加以考虑，性能应当在整机设计阶段就加以考虑，并通过型式试验的检验，并通过型式试验的检验，在当在当前嵌入式前嵌入式 CPUCPU 成为载波机的中心控制单元的情况下更是这样。成为载波机的中心控制单元的情况下更是这样。以前我以前我5/8们在这方面所做的工作不够，们在这方面所做的工作不够，现在已具备所有的试验条件，现在已具备所有的试验条件，可以按照可以按照国标的要求来进行。国标的要求来进行。3.23.2 中压电力线载波中压电力线载波 3.2.1 10kV 3.2.1 10kV 配电网的传输特性由于十分复杂，配电网的传输特性由于十分复杂，只能通过测试来得到该时段的传输特性。只能通过测试来得到该时段的传输特性。因此，因此，应当努力进行配电网应当努力进行配电网载波传输特性的研究和测试，载波传输特性的研究和测试，摸清其能够为工程应用提供实际参考价摸清其能够为工程应用提供实际参考价值的内在特性及规律。值的内在特性及规律。3.2.2 3.2.2 目前的载波数据传输设备需要考虑在目前的载波数据传输设备需要考虑在传输距离不能达到时的中继问题，传输距离不能达到时的中继问题，不同的调制方法可能采取的中继方不同的调制方法可能采取的中继方式有所不同，并需要现场验证。式有所不同，并需要现场验证。3.2.3 3.2.3 研究对付突发噪声干扰的有研究对付突发噪声干扰的有效方法，效方法，而不是简单地进行重发校验。而不是简单地进行重发校验。目前的载波装置在传输数据可目前的载波装置在传输数据可靠性方面的处理应当加强。靠性方面的处理应当加强。3.2.4 3.2.4 对于真正的大型、多用户的配电对于真正的大型、多用户的配电网自动化系统的载波数据传输，目前还缺少实际的第一手运行资料。网自动化系统的载波数据传输，目前还缺少实际的第一手运行资料。整个系统的响应速度也需要由此来实地考核。整个系统的响应速度也需要由此来实地考核。中压电力线载波目前中压电力线载波目前尚处于发展阶段，尚处于发展阶段，有些设备采用的技术不够先进和完善，有些设备采用的技术不够先进和完善，需要在设计需要在设计方案总体上认真考虑。方案总体上认真考虑。3.33.3 低压电力线载波低压电力线载波 3.3.1 3.3.1 在电力线载波集中抄表系统中较普遍地在电力线载波集中抄表系统中较普遍地存在“盲区”问题，存在“盲区”问题，有些用户的电表读书无法正确读出有些用户的电表读书无法正确读出（如果存在的（如果存在的现象为时变的，则问题更严重）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，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。解决这个问题。3.3.2 3.3.2 需要进一步研究窄带噪声抗干扰技术，以获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。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目前常用的调制方法分为窄带调制和宽带6/8调制两种。调制两种。窄带调制成本低，窄带调制成本低，不能有效地抵抗窄带噪声；不能有效地抵抗窄带噪声；宽带调制一宽带调制一般采用扩频技术（如般采用扩频技术（如 DSSDSS 直接序列扩频、直接序列扩频、FHFH 跳频、跳频、THTH 跳时、跳时、CHIRPCHIRP宽带线性调频、宽带线性调频、交叉混合扩频及交叉混合扩频及 OFDMOFDM 正交频分多路复用）正交频分多路复用），能够在一能够在一定程度上克服窄带噪声的干扰，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窄带干扰仍然无能为力99。3.3.3 3.3.3 进一步研究增强型的模拟前端技进一步研究增强型的模拟前端技术，术，包括自适应滤波和自适应均衡，包括自适应滤波和自适应均衡，以适应时变的、以适应时变的、大大 X X 围的线路衰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，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。也是目前的技术难点所在。3.3.4 3.3.4 低压载波通信在变压器跨相和穿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，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在多路供电的现场也需解决电源切换时的通信中断问题。切换时的通信中断问题。这一点关系到通信制式、这一点关系到通信制式、耦合方式等多方面耦合方式等多方面的设计考虑。的设计考虑。3.3.5 3.3.5 研究和考虑电磁兼容性能，制定对外干扰的标研究和考虑电磁兼容性能，制定对外干扰的标准。准。3.3.6 3.3.6 解决目前存在的电线上网设备对安装地点的敏感性问题，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。保持合适的速率并解决“马赛克”图象问题。3.3.7 3.3.7 对于这类载波对于这类载波设备的质量检验，设备的质量检验，一定要考虑在加入线路噪声的环境下一定要考虑在加入线路噪声的环境下（即在一定的（即在一定的信噪比下）信噪比下）进行传输误码性能的测试。进行传输误码性能的测试。一些企业提出的关于传输距离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。能力的指标不能作为工程设计的依据。3.3.8 3.3.8 低压载波通信最终实低压载波通信最终实现高性能、现高性能、低价格的关键在于专用芯片的设计和制造，低价格的关键在于专用芯片的设计和制造，而这正是我国而这正是我国微电子行业的弱点所在，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化至关重要。波通信的实用化至关重要。4 4 结结 束束 语语电力线载波通信在我国是一门即古老又年轻的学科，电力线载波通信在我国是一门即古老又年轻的学科，其近几年来的技术发展对于电力线载波通信在高压到低压各个领域其近几年来的技术发展对于电力线载波通信在高压到低压各个领域7/8里的应用所带来的震撼的确是十分鼓舞人心的。里的应用所带来的震撼的确是十分鼓舞人心的。尽管目前在电力线载尽管目前在电力线载波通信技术及设备上还不尽完善，波通信技术及设备上还不尽完善，但她所激发的巨大市场潜力已促使但她所激发的巨大市场潜力已促使我国众多的企业毅然投入到这一领域的研发之中。我国众多的企业毅然投入到这一领域的研发之中。据了解，据了解，这种投入这种投入之大、企业之多和热情的高涨程度在电力线载波业界都是前所未有之大、企业之多和热情的高涨程度在电力线载波业界都是前所未有的。可以相信，电力线载波通信的明天是辉煌的。的。可以相信，电力线载波通信的明天是辉煌的。8/8