國內低壓電力線載波通信應用現(xiàn)狀分析

呂英杰，鄒和平，趙 兵

（中國電力科學研究院，北京 100192）

國內低壓電力線載波通信應用現(xiàn)狀分析

呂英杰，鄒和平，趙 兵

（中國電力科學研究院，北京 100192）

LV Ying-jie1,ZOU He-ping2,ZHAO Bing3

（China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China）

0 引言

電力線載波通信（PLC）是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式。早在20世紀20年代，電力載波通信就開始應用到10kV配電網(wǎng)絡線路通信中，并形成了相關的國際標準和國家標準。對于低壓配電網(wǎng)來說，利用電力線來傳輸用戶用電數(shù)據(jù)，實現(xiàn)及時有效收集和統(tǒng)計，是國內外公認的最佳方案。但在早期的實際應用中，由于我國電網(wǎng)環(huán)境惡劣，電力線信道高衰減、強干擾和波動范圍大等特點[1-7]，導致數(shù)據(jù)采集的成功率和實時性不能完全滿足實際通信的需求。近年來，隨著許多新興的數(shù)字技術，例如擴頻通信、數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡中繼拓撲等技術的大力發(fā)展，提高和改善低壓配電網(wǎng)電力載波通信的可用性和可靠性成為可能，電力載波通信技術的應用前景變得更為廣闊。

1 國外低壓電力線載波通信現(xiàn)狀介紹

國外低壓電力線載波通信開展較早，美國聯(lián)邦通信委員會FCC規(guī)定了電力線頻帶寬度為100～450kHz；歐洲電氣標準委員會的EN 50065-1規(guī)定電力載波頻帶為3.0～148.5kHz。這些標準的建立為電力載波技術的發(fā)展做出了顯著的貢獻。

20 世紀90年代，一些歐洲公司進行涉及電力線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑囼?，實驗結果好壞參半，但隨著通信技術的不斷進步與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的蓬勃發(fā)展，電力線載波通信技術也得到了顯著增長。在美國，弗吉尼亞州馬納薩斯市首次開始大范圍部署PLC的服務，提供抄表、上網(wǎng)等業(yè)務，速率達到了10Mbit/s。

2 國內低壓電力線載波通信發(fā)展歷程

國內的低壓電力線載波通信經(jīng)歷了以下4個階段的發(fā)展。

第一階段：20世紀80年代末至90年代中，國內部分科研單位和生產廠商進行了大量的集中抄表系統(tǒng)組網(wǎng)方式、電力線載波通信技術的研究和試驗工作。這一階段電力線載波通信質量較差,抄表成功率較低，能連貫傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)很少。并且因為電能表以機械電能表為主,采樣方式主要采用脈沖采樣和機械采樣,存在一定誤差,系統(tǒng)所采集的電能數(shù)據(jù)準確度較低，應用效果不夠理想。

第二階段：從20世紀90年代中到2001年，市場和技術創(chuàng)新相互推動了電子式電能表的快速發(fā)展。電子式電能表的出現(xiàn)為集中抄表系統(tǒng)抄表數(shù)據(jù)的準確性提供了可靠的保證，但電力線載波傳輸?shù)目煽啃詥栴}仍是本階段的技術難點。

第三階段：自2003年開始，電力線載波抄表的應用進入到快速增長的階段。隨著電力線載波通信物理層調制/解調與糾錯技術的不斷發(fā)展以及半導體集成規(guī)模的不斷擴大，采用復雜數(shù)字信號處理技術的超大規(guī)模電力線載波通信集成電路所能達到的抗干擾能力與前幾代產品相比，有了極大提高。通過信道頻帶自適應技術，維持相鄰通信節(jié)點間的可靠傳輸在技術上已經(jīng)可以達到。但由于通信還是基于物理層的技術改進，針對復雜多變的電力線網(wǎng)絡，還是存在一定缺陷。

第四階段：從2005年開始，國內幾家大的供應商開始了以網(wǎng)絡神經(jīng)元芯片[8]為核心技術的第三代載波通信產品的研發(fā)。第三代芯片從物理層、網(wǎng)絡層、鏈路層等各個方面都有了較為突破性的提高，本階段應主要解決的關鍵問題是，任意相鄰節(jié)點的物理層通信保障能力與具有幀中繼控制的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。部分企業(yè)開始采用先進的數(shù)字信號處理與信道編碼技術，對通信頻帶做自適應選擇的窄帶調制/解調方式，芯片內部嵌入微處理器來進行網(wǎng)絡傳輸與信息安全控制等方式提高電力線載波通信芯片的質量，應用效果有待現(xiàn)場驗證。

3 國內現(xiàn)有載波通訊技術路線分類

現(xiàn)有的低壓載波通信的技術路線主要從調制方式、傳輸速率、帶寬等幾個方面來分類。

從使用的帶寬角度來說，電力線載波通信分為寬帶電力線載波通信和窄帶電力線載波通信。所謂電力線寬帶通信技術，是利用電力線傳輸高速數(shù)據(jù)和話音信號的一種通信技術，主要用于為居民用戶提供寬帶上網(wǎng)和話音業(yè)務[9],它多采用正交頻分復用OFDM技術等。所謂窄帶電力線載波通信技術，就是指帶寬限定在3～500kHz，通信速率小于1Mbit/s的電力線載波通信技術，它多采用普通的FSK技術、PSK技術、直接序列擴頻技術[10]和線性調頻Chirp技術[11]等。

從技術發(fā)展的角度來說，電力線載波通信分為傳統(tǒng)的頻帶傳輸技術和目前流行的擴頻通信（SSC）技術。頻帶傳輸就是用載波調制的方法，將攜帶信息的數(shù)字信號的頻譜搬移到較高的載波頻率上，其基本的調制方式分為幅值鍵控 （ASK）、頻率鍵控（FSK）和相位鍵控（PSK）以及相關派生的調制技術。擴頻通信是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息所必需的最小帶寬，頻帶的展寬是通過編碼及調制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關。

目前電力線載波通信常用的擴頻技術主要有：直接序列擴頻、線性調頻Chirp和正交頻分復用OFDM等。此外，跳頻FH、跳時TH以及上述各種方式的組合擴頻技術也較為常用。

4 國內低壓載波通信芯片現(xiàn)狀

4.1 國內外主流載波通信芯片廠家及相關參數(shù)

目前國內外主流的芯片按帶寬分大致有8家，分別為窄帶通信的法國ST7538和美國ECHELON（埃斯朗）的PL3120/3150；擴頻通信的北京福星曉程、青島東軟、青島鼎信、深圳瑞斯康和北京國電龍源。各個廠家的相關產品及主要技術參數(shù)見表1。

4.2 各類芯片產品的應用情況

目前在國網(wǎng)公司系統(tǒng)實現(xiàn)低壓采集的530萬戶中，有73%約400萬戶采用載波抄表。黑龍江、河北、山西、吉林、湖南、江西等省公司到目前都分別安裝運行載波表幾十萬戶以上，積累了許多實際運行經(jīng)驗。在以上用戶使用的載波產品中，又以北京福星曉程公司和青島東軟公司的產品居多，大約占90%以上的市場份額。這2家公司都是較早進入國內載波市場領域的產品研究和開發(fā)，在該領域具有豐富的應用經(jīng)驗，產品運行情況相對良好。其余后進入市場的廠家也有不少技術先進的產品，但還需要大量、長期的現(xiàn)場運行案例來驗證其產品的可靠性和通信成功率等指標。

表1 國內各類載波芯片廠家技術參數(shù)

從各廠家目前的應用情況來看,無論是FSK、BPSK還是擴頻,其調制技術在理論上的優(yōu)劣差異都很小,性能的差異只體現(xiàn)在發(fā)送和接收的處理機制上,也就是說沒有不好的調制理論,只有不好的算法實現(xiàn)設計，因此使用新的調制技術來提高物理層的通信能力是行不通的；同樣，提高發(fā)送功率和靈敏度也是行不通的。因此只有利用網(wǎng)絡通信技術的原理，采用中繼和路由的方法來提高通信的可靠性和實時性[12]。

目前自動路由技術的最大難度在于系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲分析。這里不僅需要設計一個可靠的網(wǎng)絡拓撲分析算法，這個分析算法還必須適應完全隨機、自由動態(tài)變化的電網(wǎng)拓撲結構，因為新戶報裝、定期校驗、壞表更換、元器件老化、甚至電網(wǎng)負載波動、氣候變化、用戶人為破壞，都有可能改變或破壞已經(jīng)計算好的電網(wǎng)拓撲結構。

從網(wǎng)絡層通信的理念分析，低壓載波通信的中繼通信與網(wǎng)絡的路由概念，具有相似的地方。它們具有相同的轉發(fā)與路徑的概念。但它們在通信穩(wěn)定性與路徑的動態(tài)性方面，又有截然不同的內涵。相比之下，由于信道影響的復雜性與拓撲結構的多樣性、時變性，低壓載波通信系統(tǒng)中的中繼通信，就復雜多了。

4.3 各類芯片應用技術存在的主要問題

隨著電力載波通信物理層調制/解調與糾錯技術的不斷發(fā)展以及半導體集成規(guī)模的不斷擴大，采用復雜數(shù)字信號處理技術的超大規(guī)模電力載波通信集成電路所能達到的抗干擾能力與前幾代產品相比，有了極大提高。通過信道頻帶自適應技術，維持相鄰通信節(jié)點間的可靠傳輸已經(jīng)完全可以達到。有了上述基礎，通過載波通信集成電路內嵌的網(wǎng)絡傳輸/控制協(xié)議，實現(xiàn)以配電變壓器為單位的網(wǎng)絡內無障礙數(shù)據(jù)傳輸(抄表)已經(jīng)進入到實用化階段。

由于低壓電網(wǎng)連接著眾多的用電設備，每種用電設備都對電網(wǎng)有不同程度的噪聲污染（諧波、脈沖等），特別是一些開關電源設備、非線性用電設備和大功率變頻設備等。另外，由配電變壓器鐵芯飽和，磁化曲線的非線性引起的諧波干擾相對穩(wěn)定。用電設備的接入和斷開是隨機性的，通常，其峰谷特性有時限特點。電力線路上的噪聲干擾源包括脈沖噪聲和等幅振蕩波。脈沖噪聲具有瞬間、高能和覆蓋頻率范圍廣的特點，因而對于載波信號傳輸?shù)挠绊懴喈敶?，不僅會造成信號誤碼率高，使得接受裝置無法正確接受；另外，它還有可能使接收設備內部產生自干擾，嚴重影響整個系統(tǒng)的工作。

近年來，低壓電力線載波擴頻通信在載波抄表領域大量應用，具有抗干擾性較強的特點，但其應用沒有結合電力線固有的對通信有利的特性。目前，芯片應用技術存在以下2個主要問題。

1）各個載波芯片廠家采用的技術體制存在較大差異，芯片種類繁多；

2）點對點通信傳輸距離有限，中繼算法沒有充分利用電網(wǎng)的樹型結構。

5 結語

低壓電力線是應用最為廣泛的一種通訊媒介網(wǎng)絡，采用合適的技術充分用好這一現(xiàn)成的媒介，所產生的經(jīng)濟效益和生產效率是顯而易見的。

目前，國內應用載波抄表方案需要解決2個關鍵問題：任意相鄰節(jié)點的物理層通信保障能力和具有幀中繼控制的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，采用高度集成的SoC可以同時解決上述2個問題。因此，真正能夠在國內電力線載波通信應用解決方案中脫穎而出的，將是那些采用先進的數(shù)字信號處理與信道編碼技術，并能夠對通信頻帶做自適應選擇的窄帶調制/解調方式的專用電力線載波通信芯片；此外，內部具有嵌入式微處理器來進行網(wǎng)絡傳輸與信息安全控制，也是此類專用芯片必須具備的特征。

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Analysis on Application of Low-Voltage Power Line Carrier Communication in China

This paper presents a detailed analysis of the application background and development of the power line carrier communication （PLC） technology at home and abroad, and generalizes the existingPLCtechnologyroadmaps. It alsointroduces some products manufactured by the leading PLS chip makers in China. About the inadequacies of the existingtechnology, this paper predicts the development direction of the chip technology in the future,and lists the problems to be solved.

power line carrier communication （PLC）；centralizedmeter-readingsystem；networktopology

詳細分析了國內外電力線載波通信應用背景和發(fā)展歷程，對現(xiàn)有載波通信技術路線進行了歸納，對國內主流載波芯片廠家的產品做了介紹，并針對現(xiàn)有技術的不足，提出了未來芯片技術的發(fā)展方向和需要解決的問題。

電力線載波通信(PLC)；集中抄表系統(tǒng)；網(wǎng)絡拓撲

國家發(fā)改委基金項目新時期電力負荷管理系統(tǒng)應用功能及實施保障體系建設研究（2006-7）。

1674-3814（2010）04-0033-04

TN915.853

A

2008-12-22。

呂英杰（1977—），女，碩士，高級工程師，主要從事用電新技術及計量安全防護方面的研究工作；

鄒和平（1976—），男，本科，工程師，主要從事配用電管理硬件產品設計及計量檢測技術方面的研究工作；

趙 兵（1971—），男，碩士，高級工程師，主要從事用電新技術及計量安全防護方面的研究工作。

（編輯 馮 露）