電力線載波通信實驗在本科教學(xué)中的探索

陳宏

摘 要 電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信手段，為了使學(xué)生掌握電力線載波通信技術(shù)，在實驗教學(xué)中采用LonWorks技術(shù)和窄帶電力線載波通信實現(xiàn)實時監(jiān)控，將計算機通信理論知識和電力線載波通信實踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，主動建構(gòu)電力線載波通信知識點，不僅提高了學(xué)生的分析能力，還提高了學(xué)生在電力線載波通信方面的設(shè)計技能，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 電力線載波 頻移鍵控 正交頻分復(fù)用 實驗教學(xué)

Abstract The Power Line Carrier Communication is special communication in electrical system. In order to make the undergraduates master this technology， the real time monitoring experimental teaching is set up with LonWorks and Narrow Band Power Line Carrier Communication， which combines the computer communication theory and Power Line Carrier Communication theory to stimulate students enthusiasm and construct the knowledge actively. The Power Line Carrier Communication experimental teaching improves students analysis， enhances students design capability on Power Line Carrier Communication， and cultivates students creativity.

Keywords Power Line Carrier； frequency shift key； Orthogonal Frequency Division Multiplexing； experimental teaching

0引言

電力線載波（Power Line Carrier，PLC）通信作為電力系統(tǒng)特有通信方式，是一種經(jīng)濟、可靠的通信手段。[1]電力線載波通信在現(xiàn)有的電力線上，利用載波方式將模擬或者數(shù)字信號傳送出去、接收進來，隨著智能城市、智能家居、智能生活的概念進入現(xiàn)代化城市發(fā)展的方向，電力線載波通信技術(shù)有了更加廣闊的應(yīng)用前景。廣義的PLC 技術(shù)包含兩個大的分支，一個是面向配電網(wǎng)自動化的，簡稱DLC（配電線路載波）；另一個是面向進戶線路和戶內(nèi)線路的，稱為PLC（線路通信）。[2]電力線載波通信技術(shù)利用現(xiàn)有的電源供電線路網(wǎng)絡(luò)傳送信息，利用電力線載波技術(shù)進行通信，和無線通信需要射頻發(fā)射和接收設(shè)備相比，減少了設(shè)備投資，具有便捷、直接接入、低成本、低功耗等的優(yōu)點。電力網(wǎng)絡(luò)分布極其廣泛，電力線載波通信系統(tǒng)可復(fù)用現(xiàn)有的電力線網(wǎng)絡(luò)而不需額外的布網(wǎng)開銷。[3]作為電力網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的一種方式，電力線載波通信的傳輸距離和信號質(zhì)量一直是最關(guān)注的技術(shù)問題，在傳輸距離上要求越長越好，在信號質(zhì)量方面要求誤碼率越低越好。研究電力線載波通信技術(shù)發(fā)現(xiàn)，其最大傳輸距離可達十幾千米，系統(tǒng)可靠性高，且專有通道可以保證數(shù)據(jù)安全。電力線載波通信中壓、低壓均可覆蓋，適用于用戶信息采集、負荷管理等業(yè)務(wù)，以及配電自動化、智能電動車充電站等擴展業(yè)務(wù)。[4]此外，電力線載波通信還適用于智能路燈控制系統(tǒng)、[5]視頻監(jiān)視系統(tǒng)、[6]建筑能源管理[7]的數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)通信。在實際應(yīng)用中，電力線載波通信包括寬帶電力線載波通信和窄帶電力線載波通信。寬帶電力線載波通信的高頻段實現(xiàn)在2-30MHz高速傳輸數(shù)據(jù)，高段頻率受到電磁兼容的限制，而窄帶電力線載波通信是低速數(shù)據(jù)通信方式。[8]第一代窄帶電力線載波通信采用相移鍵控或者頻移鍵控的每秒十幾千赫茲的數(shù)據(jù)傳輸方式。[9]

實驗教學(xué)因其自身的特點和作用可以全方位地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力， 是實現(xiàn)創(chuàng)新教育的重要途徑。[10]為了使學(xué)生掌握計算機網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，熟悉信息在電力線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方式，了解電力線載波通信技術(shù)的實踐機理，培養(yǎng)智能城市、智能家居、智能生活建設(shè)的科研技術(shù)人才，在實驗教學(xué)中采用LonWorks技術(shù)和窄帶電力線載波通信實現(xiàn)實時監(jiān)控，將計算機通信理論知識和電力線載波通信實踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，主動建構(gòu)電力線載波通信知識點，對培養(yǎng)設(shè)計電力線載波通信的技能有很好的指導(dǎo)作用。

1電力線載波通信實驗準(zhǔn)備和實施

1.1實驗準(zhǔn)備

（1）實驗器材的準(zhǔn)備。實驗器材包括計算機、實驗板、電力線網(wǎng)絡(luò)。需要完成LonWorks軟件的安裝，控制節(jié)點的設(shè)置和功能配置，然后完成實驗板與電源線的連接，完成實驗節(jié)點燈泡的安裝。

（2）實驗內(nèi)容的預(yù)習(xí)。要求學(xué)生仔細學(xué)習(xí)計算機網(wǎng)絡(luò)通信中7層開放互聯(lián)層及其訪問關(guān)系，預(yù)習(xí)電力線載波通信時媒介訪問的控制處理，了解模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制的工作原理和調(diào)制方式，明白實驗?zāi)康暮蛯嶒炞⒁馐马棥?/p>

1.2實驗實施

（1）實驗?zāi)康?。實驗?zhǔn)備工作完成之后，學(xué)生根據(jù)實驗需求完成通信網(wǎng)絡(luò)的建立和控制節(jié)點的選取，用LonWorks軟件的網(wǎng)絡(luò)變量控制電力線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點工作狀態(tài)，觀察實驗現(xiàn)象，進一步理解理論知識，發(fā)現(xiàn)實踐操作和理論理解之間的差距，并校正對相關(guān)知識點的認識。激發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生的積極探索的興趣，培養(yǎng)學(xué)生在電力線載波通信技能中的工作能力。

（2）實驗原理和內(nèi)容。國際上的電力線載波通信采用的調(diào)制技術(shù)有三種：單載波類、擴展頻譜類和正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)。[11]分別滿足不同通信質(zhì)量要求的電力線載波通信。endprint

采用單載波、并且用數(shù)字信號控制高頻率的載波頻率的調(diào)制手段使用2 個不同頻率的高頻載波傳送“0”、“1”信號，這樣通信不必過分依賴于電力線路的質(zhì)量，能較好地適應(yīng)頻繁變化的線路阻抗和噪聲干擾，同時其所需的頻帶較窄，既兼顧了設(shè)備的抗干擾性能，又不致使系統(tǒng)復(fù)雜、昂貴。另外，由于頻率調(diào)制技術(shù)相對成熟而可靠，又有著成本低廉的優(yōu)勢，所以在當(dāng)前得到了廣泛應(yīng)用。[2]擴展頻譜技術(shù)有直擴通信，軟擴頻通信和并行組合擴頻通信幾種。[12]是近年來發(fā)展迅猛的一門學(xué)科，擴頻技術(shù)在傳輸信息時，傳輸帶寬遠大于信息本身的帶寬，信號功率譜密度很低，接收端通過相關(guān)接收，將其恢復(fù)到信息帶寬的一種技術(shù)，[2]擴頻技術(shù)的理論依據(jù)為香農(nóng)公式，如式（1）所示：

C=Blog（1+S/N） （1）

其中C為信道容量，B為信道帶寬，S/N為信噪比。通過增加帶寬B，保持C不變，就可以在較低的信噪比的情況下，保持以原來較大的傳輸速率無差錯的傳輸信息。[13]

正交頻分復(fù)用是一種多載波調(diào)制技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，有效抵抗脈沖干擾噪聲的影響。[2]在電力線載波通信實驗中，數(shù)據(jù)量小，實驗室通信干擾小，采用單載波的頻移鍵控就可以達到通信質(zhì)量要求。學(xué)生在實驗室設(shè)計實現(xiàn)了對輸入開關(guān)信號的讀取和對輸出亮燈信號的寫入，采用在電力線上的窄帶電力線載波通信的工作方式。

窄帶電力線通信是指工作在3kHz～500kHz頻率范圍，通過使用已有的電力線設(shè)施作為傳輸介質(zhì)實現(xiàn)通信的方法，可以代替無線通信或者其它有線通信標(biāo)準(zhǔn)，從而降低成本。 而可以使用的頻帶范圍由各個國家的頻帶管理機構(gòu)來指定和劃分，如歐洲由CENELEC（歐洲電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會）規(guī)定的頻帶為3kHz～148.5kHz，美國由FCC機構(gòu)（美國聯(lián)邦通訊委員會）規(guī)定的頻帶范圍為9kHz～490kHz， 日本則由ARIB（日本無線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會）規(guī)定頻帶范圍為10kHz～450kHz，我國對于3kHz～500kHz這段頻率段如何使用并沒有規(guī)定， 但電科院更傾向于使用3kHz～90kHz頻段。[14]使用的主要有以下幾種技術(shù)規(guī)范： 基于FSK、PSK、S-FSK調(diào)制和單載波、雙載波技術(shù)的低速電力線窄帶規(guī)范（IEC61334-3-1、IEC 61334-5等）和基于OFDM（正交頻分復(fù)用） 的多載波調(diào)制技術(shù)的高速電力線窄帶規(guī)范——包括由PRIME聯(lián)盟提出的PRIME標(biāo)準(zhǔn)及由ERDF（法國配電網(wǎng)絡(luò)公司）和Maxim（美信公司）聯(lián)合公布的G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)。[3-4][14]

實驗中，每個實驗裝置有4個輸入端口和4個輸出端口，每臺電腦可以控制2個實驗裝置上的共8個輸入端口和8個輸出端口。根據(jù)需要抽取其中的3個端口，通過LonMaker編程來控制輸入輸出信號，查看結(jié)果。

在實驗過程中，既沒有無線通信的收發(fā)裝置，也沒有網(wǎng)線、電話線、數(shù)據(jù)線等可連接的線路，直接在220V供電電源線上，實現(xiàn)了計算機對控制節(jié)點的信息傳輸，實現(xiàn)了智能管理電力線網(wǎng)絡(luò)中的電子設(shè)備的工作狀態(tài)，同學(xué)們覺得很新奇，積極性都很高，認真思考，體會到智能城市、智能家居、智能生活的技術(shù)理念，進一步要求學(xué)生探討在家庭環(huán)境中，為了用計算機本地或者遠程控制家電的工作狀態(tài)，必須在計算機和家電之間建立數(shù)據(jù)傳輸，無線傳輸?shù)膫鬏斮|(zhì)量被每個單獨的房間影響，架設(shè)信號線網(wǎng)路增加成本、而且必須固定家用電器的位置，所以目前電力線載波通信是智能家居的有效方法之一。學(xué)生獲得了在實驗課上理論理解和實踐探索相結(jié)合的學(xué)習(xí)樂趣。如圖1所示。

（3）實驗結(jié)果分析。實驗結(jié)束后，教師和學(xué)生對實驗結(jié)果進行討論，探索在計算機和電力線網(wǎng)絡(luò)上電子設(shè)備在通信中的數(shù)據(jù)鏈接方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進一步閱讀文獻和資料，挖掘其中的通信協(xié)議，深入理解電力線載波通信的本質(zhì)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

2電力線載波通信實驗的效果

開展電力線載波實驗以來，結(jié)合當(dāng)前智能城市建設(shè)的需求，使學(xué)生感受到課本知識和社會發(fā)展之間的密切關(guān)系，在實驗教學(xué)中獲得較好的教學(xué)效果。

2.1學(xué)生實驗積極性高

電力線載波實驗獲得了熱烈反響，學(xué)生們積極提問，深入思考，尤其是當(dāng)前節(jié)能環(huán)保、綠色生活、智能生活的理念深入人心，電力線載波通信也是人們開展廣泛探索智能生活、工業(yè)智造的有效技術(shù)手段之一，電力線載波實驗把電力線載波通信的構(gòu)架和實現(xiàn)手段展現(xiàn)在學(xué)生面前，受到學(xué)生的歡迎。

2.2實驗效率高

在實驗過程中，學(xué)生能夠在有限的空間和時間內(nèi)充分了解電力線載波通信的原理和方法，學(xué)生深入研究和理解了電力線載波通信的技術(shù)手段、帶寬要求和通信協(xié)議，在實踐操作中體會實驗電力線載波通信技術(shù)的應(yīng)用。在實驗室不需要額外增加信號線路，在計算機和實驗板之間通過電源線傳輸信號，信號直接接入，方便快捷。

學(xué)生感受直觀、生動，可以瀏覽計算機上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、檢查實驗板上相應(yīng)節(jié)點狀態(tài)變化、再分析計算機上功能編碼，代碼和實驗結(jié)果一目了然，快速發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。

2.3激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣

學(xué)生在實驗課上深入開展功能設(shè)計，如單個輸入信號控制一路節(jié)點，每個輸入信號控制多路節(jié)點，多個實驗板之間相互控制對方的節(jié)點等等，測試并記錄實驗現(xiàn)象，學(xué)生在實驗報告中進一步分析和討論，通過理論聯(lián)系實踐，學(xué)生提出了智能控制的深度討論和創(chuàng)造性的假設(shè)，為激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力提供了實驗平臺。

3電力線載波通信實驗的總結(jié)

3.1 實驗結(jié)果

在實驗室通過電力線載波通信的方式監(jiān)控輸入和輸出信號，實現(xiàn)了用戶靈活定制的監(jiān)控和切換功能。

首先對于電力線上的燈的“亮”和“滅”可以通過電腦查看狀態(tài)。其次對于燈的狀態(tài)可以設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來控制，比如，1個開關(guān)分別控制1盞燈，或者1個開關(guān)同時控制2盞燈，或者1個開關(guān)同時控制1臺實驗裝置上的2盞燈，等等。第三可以按照需求更改控制端口的對應(yīng)關(guān)系。endprint

3.2 存在的問題和改進

在實驗室實現(xiàn)電力線載波通信，需要配置實驗裝置和軟件、硬件，主要存在的問題有：

（1）實驗裝置采用的LonWorks電力線載波軟件，在電腦安裝軟件后，電腦升級換代都會影響軟件運行，需要重新安裝軟件和申請許可密鑰。目前只能先固定電腦，開展電力線載波通信實驗，具有局限性，這也是LonWorks軟件本身的局限。

（2）采用220V的低電壓電力線載波通信，電力線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離和傳輸節(jié)點阻抗匹配方面都有要求，實際工作電力線上的干擾和噪聲還是會影響信號傳輸質(zhì)量，比如我國城市用電規(guī)定50Hz、220V的電力線有效傳輸半徑是250m，衰減在4%。[15]由于實驗室電力線環(huán)境簡單、電子設(shè)備少、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境很好，輸入輸出信號都是比較簡單的“開通”和“關(guān)斷”信號，所以從開展實驗以來，測試結(jié)果一直都很好，實驗教學(xué)效果令人滿意。

4結(jié)語

布魯納認為“教學(xué)過程是一個學(xué)生探究和發(fā)現(xiàn)的過程”。[16]在電力線載波通信實驗教學(xué)中，通過理論聯(lián)系實踐，實驗設(shè)備緊密結(jié)合實驗教學(xué)內(nèi)容，采用LonWorks技術(shù)和窄帶電力線載波通信實現(xiàn)實時監(jiān)控，將計算機網(wǎng)絡(luò)通信理論和電力線載波通信技術(shù)在電力線載波通信實驗中有機融合，采用理論和實踐相結(jié)合的思路，建設(shè)實驗教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生建立了探索研究電力線載波通信的平臺，讓學(xué)生把抽象的理論變成實踐中的應(yīng)用，在實驗中利用軟件編程和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計對電子設(shè)備開展智能管理、實時監(jiān)控、遠程控制，不僅提高了學(xué)生在信號傳輸技術(shù)應(yīng)用方面的視野，開拓了電力電子技術(shù)的研究思維，還提供了學(xué)生在電力線載波通信技術(shù)中的實踐技能，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，收到了良好的教學(xué)效果。

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