低壓配電網(wǎng)載波通信技術(shù)的研究與發(fā)展

余謙

摘 要：在詳細(xì)介紹國(guó)內(nèi)外低壓電力載波通信技術(shù)發(fā)展歷程和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的闡述了低壓電力載波通信的基本原理、電力線信道特性及其數(shù)學(xué)模型，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在信號(hào)衰減特性、噪聲特性、輸入阻抗特性及信道模型方面的最新研究成果，最后，結(jié)合當(dāng)前低壓電力線載波通信技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展要求，對(duì)低壓電力線通信技術(shù)未來(lái)的研究方向和發(fā)展前景進(jìn)行了展望和探討。

關(guān)鍵詞：低壓配電網(wǎng)；電力線載波通信；智能電網(wǎng)；噪聲特性；信道模型；遠(yuǎn)程抄表技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）05-00-03

0 引 言

隨著全球資源、環(huán)境、人口壓力不斷增大，電力體制改革的不斷深入，以及用戶(hù)對(duì)供電系統(tǒng)可靠性和電能質(zhì)量要求的不斷提高，安全、可靠、高效、交互式電網(wǎng)是未來(lái)電力行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的方向。在2009年中國(guó)北京召開(kāi)的“2009特高壓輸電技術(shù)國(guó)際會(huì)議”上，中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司正式提出“中國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”，并計(jì)劃于2020年基本建設(shè)完成。

電力網(wǎng)作為全球覆蓋規(guī)模最大的網(wǎng)絡(luò)，具有其他網(wǎng)絡(luò)所不具備的顯著優(yōu)勢(shì)，電力線載波通信正是利用電力網(wǎng)絡(luò)覆蓋全球這一特點(diǎn)，在配電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)電力、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻等業(yè)務(wù)的傳輸。在經(jīng)過(guò)十多年的研究和發(fā)展之后，PLC技術(shù)在選頻、中繼、擴(kuò)頻和自適應(yīng)調(diào)制等方面基本克服了電力線信道中衰減大、干擾多以及通信速率低等問(wèn)題，歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家的實(shí)踐也表明電力線載波通信完全可以勝任未來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展需要，PLC技術(shù)的應(yīng)用對(duì)建設(shè)國(guó)家智能電網(wǎng)具有重大的戰(zhàn)略意義。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展情況

西方發(fā)達(dá)國(guó)家使用電力線載波通信技術(shù)進(jìn)行信息傳輸最早可以追溯到19世紀(jì)初期，1838年，David Edwards提出借助電力線通信來(lái)監(jiān)測(cè)地區(qū)電表的電壓情況。20世紀(jì)末，德國(guó)在低壓配電網(wǎng)中成功實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)信息的傳輸，用戶(hù)可以利用PLC以高于當(dāng)時(shí)ISDN約30倍的速度在互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽信息。

近幾年來(lái)，國(guó)外各公司在PLC方面的研究工作主要集中在電力線信道特性分析、載波通信協(xié)議研究、載波芯片研制以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立等。目前在載波通信領(lǐng)域有較大影響力的公司有美國(guó)的Intellon、Atmel、TI，德國(guó)的Polytrax公司等。這些研究機(jī)構(gòu)在載波通信領(lǐng)域取得了豐碩的成果，并極大地推動(dòng)了PLC技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

相對(duì)國(guó)外而言，我國(guó)的PLC技術(shù)起步較晚但發(fā)展較快。最早在1997年中國(guó)電力科學(xué)研究院開(kāi)始對(duì)我國(guó)的低壓配電網(wǎng)信道傳輸特性進(jìn)行參數(shù)測(cè)試和相關(guān)分析；20世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)PLC設(shè)備和產(chǎn)品逐漸增多并開(kāi)始接近實(shí)用；2001年初，國(guó)家電力公司設(shè)立PLC推廣辦公室，大力推動(dòng)PLC技術(shù)在低壓配電網(wǎng)通信中的應(yīng)用；中國(guó)沈陽(yáng)電力科學(xué)研究院于2002年完成了通過(guò)電力線載波訪問(wèn)Internet的實(shí)驗(yàn)；2006年，中電飛華公司在北京完成5個(gè)電力線上網(wǎng)小區(qū)的建設(shè)，電力線上網(wǎng)正式進(jìn)入商用時(shí)代。

2 電力線信道特征模型及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 信道特性

由于配電網(wǎng)電力線設(shè)計(jì)的最初目的是為用戶(hù)輸送電能，而不是作為通信線路，而且配電網(wǎng)內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，目前情況下還無(wú)法建立一個(gè)通用的數(shù)學(xué)模型精確描述電力線的信道特性。通常研究人員會(huì)選擇一個(gè)實(shí)際用電系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，并基于測(cè)量結(jié)果進(jìn)行研究與分析，致使其通用性不強(qiáng)。一般來(lái)講，低壓電力線信道具有如下特點(diǎn)：

（1）信號(hào)衰減大：電力線上的信號(hào)衰減主要是指耦合衰減和線路衰減，一般來(lái)講信號(hào)的傳輸距離越遠(yuǎn)衰減越嚴(yán)重，由于配電網(wǎng)阻抗不匹配，信號(hào)在傳輸過(guò)程中的反射、駐波、諧振等現(xiàn)象十分嚴(yán)重，不利于信息傳輸。研究表明，電力線中信號(hào)隨距離增加而衰減，衰減幅度約10～100 dB/km，當(dāng)通信頻率大于100kHz時(shí)，頻率每增加1 kHz衰減增加0.25 dB。

（2）噪聲干擾強(qiáng)：電力線上的噪聲主要來(lái)源于用電設(shè)備，噪聲干擾是低壓配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息可靠傳輸?shù)闹饕系K之一。由文獻(xiàn)可知，電力線信道中的噪聲主要有背景噪聲、窄帶噪聲、周期性噪聲、脈沖噪聲等。電力線信道噪聲類(lèi)型如圖1所示。

圖1 電力線信道噪聲類(lèi)型

（3）輸入阻抗特性復(fù)雜：配電網(wǎng)中的輸入阻抗主要包括用電設(shè)備阻抗、導(dǎo)線特征阻抗及變壓器阻抗3部分。由于輸入阻抗大小會(huì)直接影響到載波信號(hào)耦合的效率，因此它是決定載波通信能否可靠傳輸?shù)囊粋€(gè)重要因素。實(shí)測(cè)表明，配電網(wǎng)的輸入阻抗在100 kHz下時(shí)較小，一般情況下輸入阻抗在10～100 Hz內(nèi)為2 Ω左右。

（4）時(shí)變性和頻率選擇性：電力線信道等價(jià)于一根非均勻分布的傳輸線，各種用電設(shè)備在電網(wǎng)中隨機(jī)接入或者斷開(kāi)，致使信道呈現(xiàn)出很強(qiáng)的時(shí)變性。

由此可知，電力線復(fù)雜的信道特性決定它并不是最理想的通信線路，然而隨著電力線信道建模研究的深入以及PLC技術(shù)不斷發(fā)展成熟，載波通信在配電網(wǎng)中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。

2.2 數(shù)學(xué)模型

要在電力線上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量通信，需要全面了解電力線信道特性并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，迄今為止國(guó)外許多研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了大量的實(shí)地測(cè)量，并通過(guò)自底向上或者自頂向下的建模方法來(lái)進(jìn)行模擬；電力線信道中各類(lèi)噪聲常用的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 背景噪聲建模

（1）背景噪聲：由于背景噪聲是典型的離散高斯型噪聲，根據(jù)Wold定理，可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)自回歸 （Auto Regressive， AR） 模型，將方差為σ2的白噪聲經(jīng)過(guò)特定的整形、濾波之后即可獲得背景噪聲，背景噪聲建模如圖2所示。噪聲整形、濾波在z平面上的傳遞函數(shù)Hmod（z）為：

（1）

式（1）中B（z）表示移動(dòng)平均部分，A（z）表示自回歸部分，參數(shù)ai，bi的數(shù)值可由頻譜分析儀測(cè)量噪聲信號(hào)獲得。

（2）窄帶噪聲：窄帶噪聲在產(chǎn)生后具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，能量大的特點(diǎn)，如果使用單一頻率載波且載頻恰好位于噪聲頻率附近，則系統(tǒng)的通信質(zhì)量會(huì)大大降低。電力線中的窄帶噪聲可以使用N個(gè)相互獨(dú)立的正弦函數(shù)疊加來(lái)生成，如式（2）：

（2）

其中，Ai（t）、fi和Φi表示各個(gè)正弦函數(shù)的幅值、頻率和相位，幅值既可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是AM信號(hào)的幅值；相位區(qū)間在[0，2π]上隨機(jī)選擇。

（3）脈沖噪聲：Middleton A類(lèi)噪聲模型是用于表示電力線脈沖噪聲特性的常用數(shù)學(xué)模型之一，它由許多服從泊松分布的脈沖噪聲組成。Middleton A類(lèi)噪聲模型的噪聲幅度的概率密度函數(shù)為：

（3）

式（3）中，σ2k=σ2（k/A+Γ）/（1+Γ），A表示脈沖指數(shù)，Γ=σ2G/σ2I，σ2 =σ2G+σ2I，其中σ2G為高斯噪聲的方差，σ2I為脈沖噪聲的方差。

（4）多徑傳輸模型：為了表示電力線信道中的信號(hào)衰減特性以及頻率選擇特性，Zimmermann提出了多徑電力線信道傳輸模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（4）

式（4）中，為加權(quán)因子，為延遲部分，為衰落部分，i表示路徑數(shù)量，N表示信號(hào)可以到達(dá)的接收機(jī)路徑總數(shù)，gi是路徑i的加權(quán)因子，τi是路徑i的延時(shí)，k是衰減因子指數(shù)，a0、a1是衰減參數(shù)，di是路徑i的長(zhǎng)度。

了解低壓配電網(wǎng)信道中的信道特性、建立一個(gè)有效的信道模型，并根據(jù)該模型確定合適的編碼、調(diào)制和傳輸策略，對(duì)于電力載波通信技術(shù)的推廣和應(yīng)用具有重大理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

3 電力線通信應(yīng)用領(lǐng)域

低壓電力線載波通信系統(tǒng)如圖3所示，由設(shè)備終端部分、低壓電力線部分、控制管理部分組成。

圖3 電力線載波通信系統(tǒng)

載波通信系統(tǒng)以配電網(wǎng)中的電力線作為傳輸媒介，在終端和主控計(jì)算機(jī)間實(shí)現(xiàn)單向或雙向通信；由于配電網(wǎng)中的變壓器對(duì)信號(hào)衰減較大，通常情況下控制部分和設(shè)備終端部分位于同一臺(tái)區(qū)內(nèi)。目前低壓電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）自動(dòng)抄表：利用PLC技術(shù)的AMR抄表方式是當(dāng)前配電網(wǎng)中應(yīng)用最為廣泛的一種。AMR系統(tǒng)可分為4層，如圖4所示。第1層由用戶(hù)的各種電表（例如水表、電表、氣表等）組成，負(fù)責(zé)記錄終端設(shè)備的基本信息；第2層是由與電表相連的采集器構(gòu)成，采集器按照集中器下發(fā)的指令對(duì)用戶(hù)端的表采集數(shù)據(jù)信息，并負(fù)責(zé)上傳到集中器；第3層是集中器，它主要負(fù)責(zé)定時(shí)或?qū)崟r(shí)向采集器下發(fā)采集指令，并將獲取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，便于控制中心查詢(xún)和訪問(wèn)；第4層為控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理。

（2）網(wǎng)絡(luò)接入：常用的互聯(lián)網(wǎng)接入方式有ADSL、Cable Modem、無(wú)線及光纖接入等，利用電力線上網(wǎng)就是在無(wú)需布線的基礎(chǔ)上利用現(xiàn)有電力線作為通信線路實(shí)現(xiàn)與Internet數(shù)據(jù)的傳輸與交換；利用PLC接入Internet需要使用專(zhuān)用的調(diào)制解調(diào)器（俗稱(chēng)電力貓），它將需要傳輸?shù)男盘?hào)調(diào)制到220 V電線上或者從220 V電線上解調(diào)出需要的信息；此外，在遠(yuǎn)端還需要一個(gè)局端設(shè)備用來(lái)實(shí)現(xiàn)Internet的接入；電力線上網(wǎng)具有即插即用、成本低廉、連接方便等優(yōu)點(diǎn)，而且技術(shù)也已經(jīng)非常成熟，PLC技術(shù)的應(yīng)用為將來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)可選方案。

圖4 AMR系統(tǒng)

（3）智能家居：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和生活水平的日益提高，人們對(duì)居住環(huán)境也有了更高的要求；由于無(wú)需布線而且成本低廉，因此電力線載波組網(wǎng)方式成為研究者構(gòu)建家庭智能化網(wǎng)絡(luò)的首選方式。除此以外，載波通信還在智能交通、能源監(jiān)控系統(tǒng)以及路燈控制系統(tǒng)都有較多的應(yīng)用。

4 發(fā)展前景及展望

在過(guò)去的幾十年中，載波通信在我國(guó)從無(wú)到有并發(fā)展迅速。縱觀低壓載波通信技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)幾年內(nèi)可以從如下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究和探索：

（1）加大載波芯片的投入和研發(fā)，進(jìn)一步提高載波設(shè)備的傳輸能力和抗干擾能力；

（2）深入研究載波信號(hào)的耦合方式，克服跨變壓器或變壓器跨相后信號(hào)衰落的難題；

（3）擴(kuò)展載波系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)中繼能力，提高載波通信的傳輸距離；

（4）提高電力線通信的安全性，防止各種非惡意或惡意干擾；

（5）大力推進(jìn)高速載波技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，為下一代載波通信的應(yīng)用做好準(zhǔn)備；

（6）加速物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與PLC技術(shù)的融合，推動(dòng)電力線載波技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著載波通信技術(shù)的日趨成熟，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的公司和研究機(jī)構(gòu)正不斷參與到載波通信的研發(fā)中，并相繼推出了自主研發(fā)的電力載波芯片，極大地推動(dòng)了國(guó)家智能電網(wǎng)建設(shè)，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家到2020年基本建成中國(guó)的“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”目標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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