淺談電力系統(tǒng)中載波通信的作用和意義

吳冕

【摘要】電力線載波通信（PLC）是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式。對(duì)于低壓配電網(wǎng)來說，許多新興的數(shù)字技術(shù)，大大提高和改善了低壓配電網(wǎng)電力載波通信的可用性和可靠性，使得電力載波通信技術(shù)具有更加誘人的應(yīng)用前景。利用低壓電力線來傳輸用戶用電數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效收集和統(tǒng)計(jì)，是目前國內(nèi)外公認(rèn)的一個(gè)最佳方案。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；載波通信

中圖分類號(hào)：TM92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0278（2015）03-108-01

一、載波技術(shù)發(fā)展歷程

20世紀(jì)80年代末至90年代中。在此階段，電能表以機(jī)械電能表為主，采樣方式主要采用脈沖采樣和機(jī)械采樣，存在一定誤差，系統(tǒng)所采集的電能數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較低，系統(tǒng)應(yīng)用效果不夠理想。

從上世紀(jì)90年代中到2001年，此階段采集器向上傳送的信道以電力線載波和無線微功率方式為主，電力線載波傳輸抗干擾問題仍是本階段的技術(shù)難點(diǎn)，無線微功率受傳輸距離、建筑物阻擋、無線干擾等原因影響，抄表成功率也較低。

白2003年開始，隨著電力線載波通信物理層調(diào)制/解調(diào)與糾錯(cuò)技術(shù)的不斷發(fā)展以及半導(dǎo)體集成規(guī)模的不斷擴(kuò)大，采用復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的超大規(guī)模電力線載波通信集成電路所能達(dá)到的抗干擾能力與其前幾代產(chǎn)品相比，有了極大提高。

從2005年開始，國內(nèi)幾家大的電表供應(yīng)商開始了以網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元芯片為核心技術(shù)的第二代載波通信產(chǎn)品的研發(fā)。部分企業(yè)開始采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理與信道編碼技術(shù)，對(duì)通信頻帶做白適應(yīng)選擇的窄帶調(diào)制/解調(diào)方式，芯片內(nèi)部嵌入式微處理器來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量，應(yīng)用效果有待現(xiàn)場的考驗(yàn)。

二、電網(wǎng)環(huán)境對(duì)電力線通信的影響

根據(jù)國內(nèi)將近二十年的現(xiàn)場探索與信道研究，制約低壓載波通信覆蓋率的主要原因是低壓載波信道的信道衰減與干擾。據(jù)國內(nèi)學(xué)者現(xiàn)場的不完全測試，從配電變壓器到電網(wǎng)末端，在500khz窄帶載波范圍內(nèi)，最大信道衰減可以高達(dá)130db；最大干擾源的幅度也能夠達(dá)到90db，甚至更高。尤其嚴(yán)重的是信道的衰減與干擾是隨機(jī)變化的，而且動(dòng)態(tài)變化范圍極大。

這是因?yàn)椋弘娏€是給用電設(shè)備傳送電能，而不是用來傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有許多限制：首先，配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送。其次，二相電力線間有很大信號(hào)損失（lOdB-30dB），一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸。第二，不同信號(hào)耦合方式使電力載波信號(hào)的損失不同，耦合方式有線一地耦合，線一中線耦合。第四，電力線白身的脈沖干擾，加大了應(yīng)用難度。第五，電力線對(duì)載波信號(hào)有高削減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，線路阻抗可達(dá)1歐姆以下，造成對(duì)載波信號(hào)的高削減。實(shí)踐中，當(dāng)電力線空載時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)載波信號(hào)可傳輸?shù)綆坠镆酝?，但?dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，只能傳輸幾十米。第六，電力線上有高噪聲。電力線上接有各種各樣的用電設(shè)備，阻性的、感性的、容性的；有大功率的、小功率的。各種用電設(shè)備經(jīng)常頻繁開閉，就會(huì)給電力線上帶來各種噪聲干擾，而且幅度比較大。第七，電力線可使數(shù)據(jù)信號(hào)變形。電力線是一個(gè)分布參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)，不同點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)影響不一樣，同時(shí)電力線是時(shí)刻動(dòng)態(tài)變化的，不同時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)影響也不一樣，這就使發(fā)出的規(guī)則數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過電力線后，發(fā)生嚴(yán)重變形，必須加以特殊處理。

三、現(xiàn)有載波通訊技術(shù)路線分類

現(xiàn)有的低壓載波通信芯片的技術(shù)可以從調(diào)制方式、傳輸速率、帶寬等幾個(gè)方而來分類。

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。電力線寬帶通信技術(shù)是利用電力線傳輸高速數(shù)據(jù)和話音信號(hào)的一種通信技術(shù)，是目前研究“四網(wǎng)（寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話線、有線電視和低壓配網(wǎng)）融合”的關(guān)鍵技術(shù)之一。所謂窄帶電力線載波通信技術(shù)就是指帶寬限定在3-500kHZ，通信速率小于lMbit/s的電力線載波通信技術(shù)。

從技術(shù)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(shù)和目前流行的擴(kuò)頻通信（SSC）技術(shù)：所謂頻帶傳輸就是用載波調(diào)制的方法將攜帶信息的數(shù)字信號(hào)的頻譜搬移到較高的載波頻率上。其基本的調(diào)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(guān)派生的調(diào)制技術(shù)。

四、載波通信在電力系統(tǒng)典型應(yīng)用

集中抄表系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)應(yīng)用、現(xiàn)代數(shù)字通信、電力線載波數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等為基礎(chǔ)的信息采集處理系統(tǒng)，由主站、集中器、采集器、電能表，以及主站與集中器、集中器與采集器或電能表之間的數(shù)據(jù)傳輸信道組成。

集中抄表基本系統(tǒng)由主站、集中器、采集器、電能表四大部分組成：

·主站通常由通信前置機(jī)、后臺(tái)工作站和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和組成，可根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模進(jìn)行合理的配置。

·集中器是系統(tǒng)中的中心通信節(jié)點(diǎn)，一個(gè)臺(tái)區(qū)域通常配置一個(gè)，一個(gè)集中器可以采集該臺(tái)區(qū)下的所有電能表、采集器的計(jì)量數(shù)據(jù)，并能控制它們的運(yùn)行狀態(tài)，并采集臺(tái)區(qū)變壓器運(yùn)行參數(shù)。

·采集器用于采集多個(gè)用戶電能表電量信息，并經(jīng)處理后通過信道將數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)上一級(jí)的設(shè)備。

·電能表必須具備與采集器或集中器進(jìn)行通信或數(shù)據(jù)交換的能力，其種類有具備載波通信能力的電能表、具備RS485總線通信能力的電能表、帶有有功電能量脈沖輸出裝置的電能表，以及采用其它通信方式與上級(jí)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的電能表。