電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

孔思豪

摘 要：隨著社會(huì)生活水平的提高，通信技術(shù)在人們的生活中扮演著不可缺少的重要角色。實(shí)時(shí)、高速、可靠的通信技術(shù)才能滿足人們?nèi)找骖l繁的信息交流，但是要新建能滿足當(dāng)前需求的通信基礎(chǔ)設(shè)施將花費(fèi)巨大的人力和物力，并且還不能跟上需求的增長(zhǎng)速度。電力系統(tǒng)輸電線路錯(cuò)綜復(fù)雜，遍布全球，有線通信具有穩(wěn)定可靠的傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。因此，在電力線上使用載波通信技術(shù)將大大減少資源的消耗，同時(shí)也能滿足高速可靠的通信技術(shù)要求。文章介紹了電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了該技術(shù)在應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)可靠的優(yōu)點(diǎn)和噪音、信號(hào)衰減以及干擾的缺點(diǎn)，詳細(xì)闡述了該技術(shù)噪音干擾問題產(chǎn)生的原因，提出了一些提高電力線載波通信可靠性的措施，最后舉例說明電力線載波通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電力線；載波通信；發(fā)展現(xiàn)狀；信號(hào)衰減；可靠性

中圖分類號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）20-0129-02

電力線載波通信技術(shù)是利用整個(gè)電力系統(tǒng)的輸電線路作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體的一種新型通信模式，這種技術(shù)不需要重新架設(shè)數(shù)據(jù)傳輸通道，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，具有很好的經(jīng)濟(jì)性和便利性。

1 電力線載波通信的發(fā)展及現(xiàn)狀

電力線載波通信技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代，40年代電力線載波技術(shù)最初應(yīng)用在我國(guó)的長(zhǎng)距離電力調(diào)度的通信中，60年代我國(guó)開始自主研發(fā)第一代電力載波機(jī)，80年代中期由于單片機(jī)和集成化的出現(xiàn)和發(fā)展，出現(xiàn)了小型化功能多的第二代載波機(jī)，90年代中后期出現(xiàn)了利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的第三代電力載波機(jī)，具有了軟件調(diào)制、濾波、限幅和自動(dòng)增益的功能。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)輸電線路架設(shè)腳步加快，為電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊空間。2001年底，“電力線高速數(shù)據(jù)通信”技術(shù)的核心產(chǎn)品—電力調(diào)制解調(diào)器及多個(gè)相關(guān)產(chǎn)品成功研發(fā)，其傳輸速率可以達(dá)到10 Mbps；到2005年，北京已經(jīng)有五500多個(gè)居民小區(qū)覆蓋了由電力線寬帶接入的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，電力線寬帶用戶多達(dá)4萬(wàn)多戶。2010年國(guó)內(nèi)首個(gè)電力線載波通信實(shí)驗(yàn)室投運(yùn)使用，大力為研發(fā)我國(guó)智能用電服務(wù)關(guān)鍵電力線通信設(shè)備。到如今，我國(guó)高中壓輸電線路載波通信技術(shù)已經(jīng)比較成熟，低壓配電網(wǎng)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線路多、阻抗大等特點(diǎn)使得載波通信技術(shù)在其上應(yīng)用還有較多難點(diǎn)需要攻克。

2 電力線載波通信的優(yōu)點(diǎn)和不足

2.1 電力線載波通信的優(yōu)點(diǎn)

電力系統(tǒng)輸電線工作運(yùn)行條件苛刻，具有很高的可靠性、自愈性、快速反應(yīng)能力以及高覆蓋率等特點(diǎn)，使用輸電線作為通信媒介，可以不占用無(wú)線頻道資源、無(wú)需布線、省工省錢、維護(hù)簡(jiǎn)單，為輸電線載波通信技術(shù)提供了其他通信無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

2.1.1 高覆蓋率

電力系統(tǒng)網(wǎng)高中低壓各級(jí)的輸電線路聯(lián)絡(luò)全國(guó)各個(gè)省市配電網(wǎng)遍布了每個(gè)家庭每個(gè)房間，使用這些線路進(jìn)行載波通信傳輸信號(hào)將比無(wú)線通信技術(shù)擁有更高的覆蓋率。因?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)會(huì)在一片區(qū)域內(nèi)建設(shè)一定數(shù)量的無(wú)線發(fā)射塔，不僅在某些偏遠(yuǎn)地區(qū)會(huì)出現(xiàn)沒有信號(hào)的情況，在人口密集的地方同樣會(huì)出現(xiàn)信號(hào)弱或者信號(hào)被屏蔽無(wú)法連接的狀況。

2.1.2 運(yùn)行可靠經(jīng)濟(jì)

電力輸電線作為主要適用于電力的輸送，要求必須能承受非常惡劣自然環(huán)境和電磁環(huán)境，不易因外力中段線路，使用年限長(zhǎng)遠(yuǎn)。以此作為通信載體較之于專門的有線通信，具有運(yùn)行可靠、使用年限久、無(wú)需重新架設(shè)線路、運(yùn)行維護(hù)方便的優(yōu)勢(shì)，大大減少了通信的成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)宏觀性。

2.1.3 傳輸速度快

電力線載波通信有高速和低速之分，各有其長(zhǎng)。低速電力線載波通信主要應(yīng)用在配電網(wǎng)自動(dòng)化和部分地區(qū)載波抄表中，高速電力線載波通信主要應(yīng)用在智能配電網(wǎng)高級(jí)測(cè)量體系和用戶側(cè)電力線增值業(yè)務(wù)。電力線載波的數(shù)據(jù)傳輸速率是有線數(shù)據(jù)傳輸，比無(wú)線傳輸速度快很多，其傳輸速率目前可以達(dá)到4.5～45 Mbps。

2.1.4 實(shí)時(shí)性和雙向通信

電力線載波通信可以實(shí)現(xiàn)一直在線，且可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的傳輸和下載。

2.2 電力線載波通信的不足

同樣，由于電力系統(tǒng)輸電線其自身的特點(diǎn)，會(huì)對(duì)載波通信造成一定的局限性，這方面主要體現(xiàn)在輸電線路有自身波阻抗，會(huì)產(chǎn)生熱損失和輻射等，信號(hào)在傳輸時(shí)會(huì)有一定的衰減和損耗，且隨著頻率和距離的增加，衰減的程度也會(huì)增加。另外，輸電線路有成千上萬(wàn)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)兩端的輸電線路很有可能波阻抗是不相同的，因此信號(hào)在輸電線中傳輸會(huì)發(fā)生多次折反射，導(dǎo)致信號(hào)不能完全的傳輸?shù)较乱欢屋旊娋€路，形成多徑折反射衰減。同時(shí)由于輸電線路主要是用于電力輸送，輸電線上面會(huì)存在游離放電電暈、絕緣閃絡(luò)、斷路器重合閘以及檢修線路等情況。這不僅會(huì)給通信信號(hào)造成噪聲干擾，還會(huì)出現(xiàn)通信信號(hào)的中斷的情況。

因此，電力線載波通信將面臨信號(hào)衰減，噪聲、強(qiáng)脈沖干擾等問題。必須采取相應(yīng)的手段和措施對(duì)干擾進(jìn)行改善，否則電力線載波通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)將不能完全體現(xiàn)出來。

3 電力線載波通信可靠性提高措施

電力線載波通信信道的噪聲干擾和衰減性能，這些對(duì)電力線通信的可靠性影響很大。必須采取相應(yīng)的措施來對(duì)其可靠性進(jìn)行提高，具體有提高網(wǎng)絡(luò)層可靠性的組網(wǎng)措施和提高數(shù)據(jù)鏈路層可靠性的差錯(cuò)處理機(jī)制等方法。

3.1 組網(wǎng)措施

電力線組網(wǎng)主要是為了確保網(wǎng)絡(luò)中集中收發(fā)器和每個(gè)通信終端都能夠?qū)崟r(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互傳輸。在理論網(wǎng)絡(luò)中，主要有線形、星形和樹形三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是由于配電網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)層是多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)糅合在一起的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。因此其組網(wǎng)也顯得十分復(fù)雜，可以使用自動(dòng)組網(wǎng)的方法：定時(shí)的發(fā)送和接收每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息包，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)、分類以及判斷數(shù)據(jù)包的內(nèi)容是否有效，實(shí)時(shí)更新記錄能連接的信息包。該方法使得載波通信節(jié)點(diǎn)可以隨意的切換工作狀態(tài)，并且不會(huì)引起數(shù)據(jù)的丟失，提高了網(wǎng)絡(luò)層的可靠性。

3.2 差錯(cuò)處理機(jī)制

在通信傳輸系統(tǒng)中一般都會(huì)使用差錯(cuò)處理機(jī)制來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，例如在?shù)據(jù)傳輸時(shí)在數(shù)據(jù)中加入校驗(yàn)編碼，接收端接收到數(shù)據(jù)后只用對(duì)校驗(yàn)編碼進(jìn)行核對(duì)比較，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤將會(huì)再次重新傳輸，這種方式能過實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷錯(cuò)誤，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，在數(shù)據(jù)鏈路層提高了電力線載波通信的可靠性。

4 電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用

電力線載波通信因其利用現(xiàn)有的電力線為通信媒介，不需重新鋪設(shè)通信線路，覆蓋面廣，成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)有較多的實(shí)際應(yīng)用范例。在遠(yuǎn)程抄表、家居智能網(wǎng)絡(luò)以及醫(yī)療體系領(lǐng)域有了較為成熟的使用。

4.1 遠(yuǎn)程抄表

我國(guó)遠(yuǎn)程抄表出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，但是在隨后的20年內(nèi)進(jìn)展不大，直到21世紀(jì)初電力系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的大力發(fā)展，才逐漸的走向?qū)嵱秒A段。遠(yuǎn)程抄表由終端電表、采集器、收集器和中心控制計(jì)算機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程停送電、收集用水電量等功能。該技術(shù)的應(yīng)用使得抄表人員的工作量大大減少。

4.2 家居智能網(wǎng)絡(luò)

隨著人們生活水平的提高，對(duì)家居生活的質(zhì)量要求越來越高，需要建立一個(gè)智能化的家居網(wǎng)絡(luò)。在分布住處各個(gè)角落的微控制器和家電內(nèi)部安裝電力線載波通信芯片，以室內(nèi)的電力線為通信媒介，將他們連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，不用布設(shè)信號(hào)線和雙絞線和紅外等接口，就可以有效的實(shí)現(xiàn)家居的智能化。

4.3 在醫(yī)療體系中的應(yīng)用

利用已有的電力線網(wǎng)絡(luò)，在醫(yī)院和家庭之間建立起醫(yī)療監(jiān)控網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)重病監(jiān)護(hù)功能，病人的血壓、心率等信息可以通過電力線監(jiān)控網(wǎng)傳送至醫(yī)療單位，進(jìn)行分析、處理和監(jiān)護(hù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著社會(huì)生活水平的提高，通信技術(shù)在人們的生活中扮演著不可缺少的重要角色。實(shí)時(shí)、高速、可靠的通信技術(shù)才能滿足人們?nèi)找骖l繁的信息交流。成熟的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國(guó)每家每戶，電力線布設(shè)到每個(gè)房間，運(yùn)用電力線載波通信的技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。但是在低壓電力線載波通信技術(shù)方面還有一些需要提高的地方，例如如何增強(qiáng)模擬前端自適應(yīng)濾波和自適應(yīng)均衡以適應(yīng)時(shí)變的、大范圍的線路衰減和線路阻抗的變化。同時(shí)還需要大力研發(fā)成本低、功能齊全、使用可靠地載波通信芯片。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡斌杰，陳建平.基于智能電網(wǎng)的電力線載波通信的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[2] 詹志飛.中高壓電力線載波通信的相關(guān)研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2012.

[3] 陳鳳，鄭文剛.低壓電力線載波通信技術(shù)及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，（22）.

[4] 段恒煒，張?jiān)?低壓電力線載波通信中的抗干擾問題分析[J].黑龍江科技信息，2013，（8）.

[5] 劉柱，汪曉巖.低壓電力線載波通信組網(wǎng)方法[J].電力系統(tǒng)通信，2009，（9）.

[6] 郭軍昌.智能配電網(wǎng)電力線載波通信可靠性研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012.