基于低壓電力線的通信技術(shù)與應(yīng)用

王顯亮

【摘 要】低壓電力線載波通信指的是對(duì)已有的低壓配電網(wǎng)進(jìn)行利用使之成為傳輸媒介，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞以及信息交換的一種通信技術(shù)。它最大的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)已有的低壓配電網(wǎng)加以利用，從而能夠減少對(duì)于新的通信網(wǎng)絡(luò)的投資以及建設(shè)。本文主要對(duì)低壓電力線載波通信的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)其發(fā)展慨況及現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。

【關(guān)鍵詞】電力載波通信；特點(diǎn)；技術(shù)；應(yīng)用

低壓電力線載波通信是以低壓配電線作為信息傳輸媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)或語(yǔ)音等傳輸?shù)囊环N特殊通信方式，電力線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的廣泛決定了其具有相當(dāng)大的潛在利用價(jià)值。國(guó)外對(duì)此研究已有近百年的歷史，在理論和技術(shù)上有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)外對(duì)其進(jìn)行的研究起步很早，到目前為止也取得了相當(dāng)大的成績(jī)，而我國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)比較獨(dú)特，同時(shí)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究也直到近些年才開(kāi)始，這些都決定了我們積極進(jìn)行這項(xiàng)技術(shù)研究的迫切性。

1低壓電力線載波通信的特點(diǎn)

1.1存在大量噪聲干擾

有實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，大量存在的噪音是影響低壓電力線上數(shù)據(jù)優(yōu)質(zhì)傳輸?shù)闹饕蛑弧Ｍǔ?duì)電力通信質(zhì)量產(chǎn)生影響的噪聲主要有3種：（1）背景噪聲，其分布于整個(gè)通信頻帶；（2）周期性噪聲，其中包括了周期性脈沖干擾以及周期性的連續(xù)干擾；（3）突發(fā)性噪聲，其產(chǎn)生原因是由于用電設(shè)備的斷開(kāi)或者是隨機(jī)接入。有研究表明，對(duì)低壓電力線載波通信的質(zhì)量產(chǎn)生最大影響的是脈沖干擾。

1.2信號(hào)的衰減

低壓載波通信的另一個(gè)難點(diǎn)是在傳輸過(guò)程中信號(hào)的衰減。同時(shí)，因?yàn)榈蛪号潆娋W(wǎng)時(shí)直接的面向用戶(hù)，導(dǎo)致其負(fù)荷情況較復(fù)雜以及各節(jié)點(diǎn)阻抗不匹配，這會(huì)造成信號(hào)產(chǎn)生反射以及諧振等現(xiàn)象的發(fā)生，這樣就使信號(hào)的衰減變得十分的復(fù)雜。總的來(lái)說(shuō)，隨著傳輸距離的加大信號(hào)的衰減也會(huì)增加。

1.3干擾的隨機(jī)性以及時(shí)變性

由于低壓配電網(wǎng)時(shí)直接面向用戶(hù)的，所以其干擾又有隨機(jī)性以時(shí)變性的特點(diǎn)。用戶(hù)負(fù)荷會(huì)隨機(jī)的接入以及切除，并且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)由于不可抗拒因素而引起的變化例如雷電等，這些原因都使得干擾具有很強(qiáng)的隨機(jī)性以及時(shí)變性，從而就導(dǎo)致很難能找到一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)其加以描述。

2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)外對(duì)于用電力線來(lái)傳輸信號(hào)的歷史已有一百多年。例如早在1838年，就有人提出利用遙控電表來(lái)對(duì)倫敦利物浦無(wú)人地點(diǎn)的電壓等級(jí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一直到上世紀(jì)20年代，國(guó)外才對(duì)低壓電力載波通信技術(shù)開(kāi)始進(jìn)行研究，其研究主要工作有電力載波通信原理、電力載波調(diào)制技術(shù)、電力載波芯片的研制、電力通信信道特性分析與建模以及電力載波通信技術(shù)的推廣與商業(yè)化等等。

與國(guó)外相比較，我國(guó)關(guān)于電力載波通信的研究開(kāi)始時(shí)間比較晚，但是發(fā)展迅速。最早開(kāi)始研究的時(shí)間為1997年，中國(guó)電力科學(xué)研究院對(duì)我國(guó)低壓配電網(wǎng)進(jìn)行了傳輸特性以及參數(shù)的測(cè)試與分析。近十年來(lái)，各高校以及研究單位都對(duì)低壓電力載波通信技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并獲取了一定的成果。近幾年，我國(guó)在針對(duì)配電網(wǎng)的信道特性進(jìn)行了載波芯片的研制以及調(diào)制技術(shù)的研究，并取得了較大的突破。但能夠?qū)崿F(xiàn)低壓電力載波通信的高速、大規(guī)模以及安全應(yīng)用還是需要往后長(zhǎng)時(shí)間的研究。

3低壓電力載波通信系統(tǒng)基本原理及主要技術(shù)的比較分析

3.1系統(tǒng)的基本原理

其系統(tǒng)的組成有三個(gè)部分：終端設(shè)備、管理中心以及低壓電力線。系統(tǒng)將低壓電力線作為信號(hào)傳輸?shù)拿浇?，使終端設(shè)備與主控計(jì)算機(jī)之間的單向或是雙向的通信得到實(shí)現(xiàn)。終端設(shè)備的信號(hào)在進(jìn)行了處理后經(jīng)調(diào)制形成適合在電力線上進(jìn)行傳輸?shù)碾娏π盘?hào)，并通過(guò)耦合電路在電力線上實(shí)現(xiàn)傳輸。由于信號(hào)的衰減性大，因此管理中心和終終端設(shè)備的距離不能相隔太遠(yuǎn)，一般在同個(gè)變電站的范圍內(nèi)。

3.2主要電力載波通信技術(shù)的比較分析

（1）直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。利用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開(kāi)的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來(lái)的信號(hào)。直接序列擴(kuò)頻方式是直接用偽噪聲序列對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過(guò)信道編碼后，與偽噪聲序列進(jìn)行磨合生成復(fù)合碼去調(diào)制載波。它的特點(diǎn)是抗干擾的能力強(qiáng)、能抵抗多徑干擾、不易被截獲、對(duì)其他的電臺(tái)干擾小、方便實(shí)現(xiàn)多址通信以及能夠同頻工作。同時(shí)，這是當(dāng)前我國(guó)應(yīng)用最廣泛的低壓電力載波技術(shù)。

（2）多載波正交頻分多址（OFDM）技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)脑硎窍葘⒁唤M高速傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成低速的并行數(shù)據(jù)，之后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，使它們?cè)谙嗷フ坏淖虞d波上。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮斩藭r(shí)，進(jìn)行并行串轉(zhuǎn)化，這樣就能得到原先的串行數(shù)據(jù)流。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)電力線信道多徑效應(yīng)以及頻率的選擇衰落進(jìn)行有效的克服，減少線性的失真以及碼間的串?dāng)_。

（3）多載波碼分復(fù)用（MC-CDMA）技術(shù)。其原理是將OFDM技術(shù)在CDMA技術(shù)中應(yīng)用，將每個(gè)信息符號(hào)先進(jìn)行擴(kuò)頻，之后把每個(gè)擴(kuò)頻后的chip調(diào)制在一個(gè)子載波上，在通過(guò)信道來(lái)進(jìn)行傳輸。在接受段需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行OFDM解調(diào)、解擴(kuò)和并串變換，使原始的信號(hào)被檢測(cè)出。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾的能力強(qiáng)以及對(duì)極高的頻帶有較高的利用率，同時(shí)能夠有效的延時(shí)擴(kuò)展帶來(lái)的負(fù)作用被避免，其與OFDM相比，能夠使子載波受到深衰落的影響得到有效克服。

4低壓電力載波通信技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

4.1家居智能化

家居智能化即將住宅的各個(gè)電器如微控制器、家用電器以及PC機(jī)連接成一個(gè)家庭的網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行智能化以及自動(dòng)化的使用與管理，因?yàn)椴恍枰贾眯盘?hào)線，所以在組網(wǎng)時(shí)就不會(huì)對(duì)住宅內(nèi)的美觀進(jìn)行破壞。因此電力線載波通訊技術(shù)在家居智能化應(yīng)用方面有著廣泛的前景，特別是在中速率傳輸應(yīng)用方面，因其具有可靠性高、造價(jià)低廉優(yōu)點(diǎn)，故可以與″藍(lán)牙″相媲美。

4.2自動(dòng)抄表系統(tǒng)

伴隨著城市住宅建設(shè)日益發(fā)展，居民數(shù)和獨(dú)立電能表數(shù)迅速膨脹，傳統(tǒng)的人工抄表方式已難以適應(yīng)新的變化。所謂自動(dòng)抄表系統(tǒng)就是自動(dòng)采集各種計(jì)量表的讀數(shù)（如：電表、水表、煤氣表、冷氣表等），現(xiàn)在采集數(shù)據(jù)方法有：電話線、無(wú)線電、電力線和紅外線等等。電力線載波抄表系統(tǒng)則是利用現(xiàn)有的電力線為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。不但有效降低系統(tǒng)的成本同時(shí)可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化抄收。利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能抄收的數(shù)據(jù)可以立即處理形成報(bào)表，同時(shí)由于雙工通訊可以很容易做到監(jiān)控用戶(hù)用電參數(shù)、欠費(fèi)斷電等其他系統(tǒng)沒(méi)有的功能。

4.3新型智能化小區(qū)

智能小區(qū)是指通過(guò)綜合配置住宅區(qū)內(nèi)的各功能子系統(tǒng)，以綜合布線為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為區(qū)內(nèi)各種設(shè)備管理自動(dòng)化的新型住宅小區(qū)。通常智能化大廈是“三A”系統(tǒng)，即：1.安全自動(dòng)化（SafeAutomationSystem）：包括室內(nèi)防盜報(bào)警系統(tǒng)、消防報(bào)警系統(tǒng)、緊急求助系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、防盜對(duì)講系統(tǒng)、煤氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)、室外閉路電視攝像監(jiān)控系統(tǒng)、室外的巡更簽到系統(tǒng)；2.通訊自動(dòng)化（CommunicationAutomationSystem）：包括數(shù)字信息網(wǎng)絡(luò)、語(yǔ)言與傳真功能、有線電視、公用天線系統(tǒng)；3.管理自動(dòng)化（ManagementAutomationSystem）：包括水、電、煤氣的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)、供水供電設(shè)備管理系統(tǒng)、公共信息顯示系統(tǒng)。低壓電力載波通信技術(shù)有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，因而在智能大廈、智能小區(qū)底層通訊方式的選取上，各公司不約而同的把電力載波通訊作為首選。

（作者單位：煙臺(tái)東方威思頓電氣有限公司）