低压配电网通信技术及应用介绍
关键词：低压电力线；传输特性；载波通信
1 引言
利用现有的电力网作为信道，实现数据传递和信息交换具有十分广阔的前景。电力网络是已有的 广泛的有线网络，电力网络比任何其他的有线通信网络更加稳定和现代化。然而，电力线不同于光纤、同轴电缆、双绞线等专用的通信媒质，它的主要功能是电力传输，即传送50 Hz工频信号，所以电力线的设计不可能兼顾高频通信的技术要求。特别是低压电力线，其环境是一种恶劣的信道环境，线上存在大量噪声，负载多，配置情况复杂，而且负载工作状态在随时变化，导致电力线传输特性是时变的。
随着现代通信技术、网络技术及相关的数字信号处理技术的快速发展，利用低压电力进行数据传输已逐渐成为现实，并开始服务于人们的日常生活。
2 低压电力线载波信道的传输特性
通信信道的阻抗、信号衰减和噪声干扰是设计通信信号方式、错误控制码和通讯协议的基础。因而在使用电力线作为信号传输媒介之前，有必要对它的信道特性分析。
低压电力线上输入阻抗的变化：由于低压电力线上的负载的数量、类型不同以及分布电容、电感等的影响，使电力线上输入阻抗随着信号频率变化的情况变得非常复杂，甚至不可预测；低压电力线上高频信号的衰减及其变化：对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在这根线的任意位置随机地连接或断开，因此，高频信号在低压电力线上的传输必然存在衰减。这种衰减与通信距离、信号频率等都有密切关系；低压电力线传输噪声和干扰特性：低压电力线上的干扰特性相当复杂，经研究发现，低压电力线上的干扰不能被简单地认为是可加性高斯白噪声，低压电力线上的干扰还具有多变性，表现为因时而变、因地而变，后者是由高频信号在传输线上的波过程产生的行波、谐振等方面造成。
从以上的简要分析可以看出，低压电力线上的信号衰减特性和干扰特性非常复杂，而且随机性、时变性大，这对低压电力线载波通信设备的设计提出了很高的要求，即要求其有很好的自适应能力。但同时，出于实用的角度，为了获得合理的性价比，又要求其成本要限制在一定的范围内。这些对系统的设计而言是一个很大的挑战。
3 几种低压电力线载波通信方式介绍
尽管低压电力线载波通信存在上述所说的这些困难，我们仍然认为用低压电力线作为通信信道是可行的，只是需要采用一些特殊的技术手段。下面将要介绍的几种通信方式就是充分利用低压电力线信道的特点，结合新兴的信号分析处理技术，在低压电力线上进行可靠的数据通信。
3.1 窄带及超窄带载波通信方式
这种通信方式主要是基于电力传输线上的电磁干扰都具有—定的带宽，其功率虽然很大，但在任一窄带通道内的值却很小的原因，在窄带通道内实现以小的功率获得大的信噪比。其特点简要说明如下：
3.1.1 窄带载波通信方式
这种通信方式主要有：模拟的FM，数字的FSK及QPSK，国内主要应用的是FSK调制技术。传统窄带载波FM通信方式是一项成熟的传统技术，其在电力线模拟通信方面已达到实用标准，能够做到在电力线上跨相位甚至跨变压器进行通信，价格低廉且较为容易实现，所以在应用中比较普遍。但该传统窄带载波FM通信方式 大的缺点是不能进行数字信号的传输或者说在对数据信号传输时会引起信号的严重畸变。利用现代数字信号处理技术和能信技术、信息编码技术对传统窄带载波FM通信方式进行改进后，可在高干扰、高畸变的环境中准确无误地传输数据信息。
目前低压电力线载波的许多应用仍旧属于FSK调制解调方式。数据传输率一般为1.2 kb/s。但是窄带载波通信方式的抗干扰能力比较弱，传输距离较短（一般在500 m以内），数据传输率也比较低，所以一般适用于传输速率低，距离短，数据量不大的点对点场合。低压电力线MODEM也属于窄带载波通信技术，现已有信号传输率达10 kb/s的产品。
3.1.2 超窄带载波通信方式
超窄带信号具有极窄的带宽，比通常的窄带小得多，相邻两路信号之间的频率间隔也可很小(0.01 Hz以下)。因此，在一个几赫兹窄频带内可以传送成千路信号。每路信号经同一载波调制后发送到输电线上，由接收部件解调并分离出各路信号，转换成数据信息。
采用超窄带信号传输有以下几方面的优点：窄带和低功耗(2 W)，且各个发送器同时工作；每个发送器只需发送数据，接收器接收站内所有信号，发送设备简单、安装方便；信号传输距离长，安全可靠。窄带通信的不足之处是信息传输速率低，对超窄带信号来说，其传输速率则更低。
3.2 双向工频通信方式
双向工频自动通信技术（TWACS，Two Way Automatic Communication System）是近几年内发展起来的一种基于电力配电网络的通信技术，非常适合于传输速率要求不高的场合，其特殊的调制原理和传输方式决定了这种技术的广泛应用前景。采用TWACS通信系统不需要改造现有的电力配电网络，成本低廉，无需增加中继环节，可以直接进行跨变压器台区通信，具有很高的实用价值。
简单地说，TWACS的信号调制原理就是利用工频电压基波过零调制的方法实现信号的调制和解调，其核心思想就是利用电网电压和电流波形的微小畸变来携带信息。由于TWACS通信调制信号频率接近于工频，因此能够直接跨变压器台区实现双方的直接通信而不需要中继环节，没有驻波和盲区现象。
这种通信方式具有所需设备少、抗干扰能力强、所需调制功率小、易于实现完全双工通信等优点。其主要缺点是传输速率低，只能适合于传输速率要求不高的场合。
3.3 扩频载波通信方式
扩频通信（SSC：Spread Spectrum Comm unication）技术是一种宽带信息传输模式，扩频技术就是将要传输的信息(本质)用伪随机码进行调制，然后以功率很低但频带很宽的信号发射出去，将信息频带展宽，使其在更宽的频带内传输，而在接收端通过相关接收设备恢复原始信息。同时，降低单位带宽上的功率谱密度，使信息更不易被截获。噪声信号通过带通滤波器滤除，使干扰得到抑制。信号频带的展宽是通过编码与调制来实现的，而与所传信息数据无关。其实质是牺牲信道带宽换取对信噪比的要求。由于它具有天生的超强抗干扰性，因此特别能够适应低压电力网络中复杂变化的各种干扰和噪声，有着其他通信模式所无法比拟的优越性。
就低压电力载波通信而言，应用扩频通信的主要优点如下：
(1)抗干扰能力强，适合在低压电力线这样的恶劣通信环境下实现可靠的数据通信；
(2)可以实现码分多址(CDMA：Code Division Multiple Access)技术，在低压配网上实现不同用户的同时通信；
(3)信号的功率谱密度很低，具有良好的隐蔽性，不易被截获。
扩频通信技术在电力线通信中的应用，形成了电力线扩频载波(SSC—spread spectrum carrier)通信技术，它能够很好地解决电力线通信的干扰与噪声问题。
3.4 多载波正交频分多址(OFDM)技术
利用多载波正交频分多址(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术可以在低压电力线上高速数据传输，该技术具有抗噪声、抗多径效应和抗衰落的特性，其数据传输速率可超过10 Mb/s，该技术被认为是适合电力线高速数字通信的主流技术之一。由于利用OFDM调制技术和先进的数字信号处理（DSP：Digital Signal Processing）技术，可以解决在电力线这种恶劣的信道中的通信问题，OFDM技术已引起PLT(Power Line Telecommunication)生产厂家和研究机构的兴趣，并有望成为高速宽带PLT的标准。
4 有关应用
窄带及超窄带载波通信方式以及TWACS都属于低速率载波通信方式，主要用于电网的自动化控制、自动抄表及那些对通信速率要求不高的工业控制等领域，其主要优点是技术较为成熟、设备简单易于实现；后面介绍的利用SSC和OFDM的通信技术属中高速载波通信方式，可用于利用低压电力线的数据通信，这两种通信方式基本代表了目前低压电力线通信技术的发展方向。与上面的顺序对应，以下分别介绍有关低压电力线通信的应用。
4.1 窄带载波通信方式的应用方面
深圳维方电子技术开发有限公司采用窄带载波FM调制方式自主开发了一套“链码”自适应电力线载波数字通讯技术。该技术主要采用单片机进行开发，独创了一套全新的硬件滤波、软件抗干扰和编码解码理论，使其产品能够在异常恶劣的电力线通讯环境下完全做到“全天候24小时、无误”传输。
窄带载波FSK调制解调技术在国外发展比较成熟，广泛用于电源管理系统，如自动抄表系统、家庭电器控制、办公楼内部通信、火警和防盗报警系统等。
超窄带技术为自动读表(AMR)系统、电力系统检测提供了一种低成本的远距离监视管理方案。该技术在一些发达国家已经得到广泛应用。除了抄表功能外，在能源管理中也有不少的应用，如线路电压监视、噪声监测、监测短时和长时停电情况等。
4.2 双向工频自动通信技术的应用方面
80年代中期美国DCSI(Distribution Control Systems Inc)公司就进行基于TWACS技术的产品研制，90年代初期开始进入实用阶段。TWACS技术以其抗噪声性能好、无驻波和盲区、信号可直接穿过配电变压器而无需中继等的优良品质，非常适合于电力线通信，可广泛用于远程电气设备监控、自动抄表等方面。2001年10月24日，美国DCSI公司对外宣布，2002年第一季度其TWACS的多功能电力线载波(PLC)自动抄表(AMR)系统订货数量达37.6万套，订单金额总计3千万美元。
4.3 扩频载波通信的应用方面
扩频通信在无线通信方面得到了很好的运用，第三代移动通信就是建立在扩频通信基础上的。在电力线这种突发干扰较大的媒体上采用扩频通信技术将大有可为。目前，国外采用扩频技术，在配电网电力线SSC通信系统开发方面，德国、英国、美国、加拿大等国家的研究机构(公司和学校)先后研究开发了自己的系统。已推出了传输数据速率为19.2 kb／s和100 kb／s的电力线扩频通信产品；在市电网上传送2 Mb／s以上速率的产品；在市电网或10 kV电网上传输4.8 kb／s速率的数据传输设备(符合以太网协议)。这类产品具有可靠性高、抗干扰能力强、体积小、误码率低、传输数据速率高等显著特点。可广泛用于变电站自动化、配电自动化、远程数据采集和控制、路灯管理、智能小区等方面。
国内的深圳市亚奇通电子技术有限公司采用直序扩频频率调制解调技术实现电力线载波通信。应用先进的模/数转换、数字滤波、数据压缩、相关判决、纠错编码等数字处理技术，极大地提高了数据交换的可靠性和准确性。在噪声很大的情况下,即使信噪比S/N<1的情况下依然可以正常通信。并且已生产出了相关的产品，用于自动抄表系统、楼宇自动化等方面。
4.4 多载波正交频分多址(OFDM)技术的应用
由于OFDM技术可较好地解决多径衰落或者多径反射所引起的信道选择性衰减，又可克服信道的窄带干扰，同时又具有频谱利用率高、信道均衡技术简单、信号调制解调易于实现、纠错能力强等优点，正受到国内外研究机构和生产厂商的广泛重视。
OFDM技术在电力线高速数字通信的应用刚刚开始，目前，采用OFDM技术的公司有美国Intellon公司、Wi-LAN公司、德国PolyTrax公司和Inari公司的第三代10Mb/s芯片组等。美国Intellon等61家公司组成家庭插座电力线联盟（The Home Plug Power Line Alliance），旨在推动以电力线为传输媒介的数字化家庭（digital home）。 近，该联盟研究中、低压配电网高速数据通信的关键技术—多载波正交频分复用技术(OFDM)取得了突破，于2000年1月4日进行了组网实验，研究实验表明，可以在配电线上实现14 Mb/s的数据传输。目前，基于OFDM技术的电力线高速数字通信产品的数据传输速率已经达到了14 Mb/s。
5 电力线载波通信技术的发展趋势
作为通讯技术的一个新兴应用领域，电力载波通讯技术以其诱人的前景及潜在的巨大市场为全世界所关注，成为世界各大公司及研究单位争相研究的热点。国外许多著名公司和研究单位都在对此进行研究，并开发出相对应的器件和产品，如：Intellon、Thomson、Atmel等等。而国内的许多的企业也紧随国际步伐在利用电力线传输信息，特别是在远程抄表系统方面已逐步形成应用研究的热点。
从总体来说，电力线载波通讯技术在向五个方面发展：
(1) 从个别用户到低压段区段使用（PLC），其后段部分采用电话线、光缆、无线等构筑网络
(2) 仅用于低压部分（AC110/220 V）；
(3) 室内系统正在出笼；
（4）室外系统成为研究课题；
（5）向家居自动化发展（需要1 Mb/s以上速率）。
6 结论
电力线主要功能是电力传输，对于高频通信来说，其环境是一种恶劣的信道环境，利用电力线进行载波通信有诸多困难和需要解决的理论问题。然而随着现代通信技术、网络技术及相关的数字信号处理技术的快速发展，利用低压电力进行数据传输已逐渐成为现实，并开始服务于人们的日常生活。
电力线通信技术有着令人振奋的应用前景。从速率来看，已有从数十比特到数兆比特的成功应用，因此不管控制网络还是信息网络都能使用电力线通信技术获得所得的应用要求；从可靠性来看，电力线通讯可提供误码率小于10-1且无需拨号的专线连接；从经济上来看，由于电力线随处部有，无需重新敷设通讯线路，既节省线材费用、又不构成对建筑物（特别是已装修完工的建筑物）的损坏；从方便性来看，改变通讯对象(或网络结点)极为方便，提供厂有线方式下无线通讯的位置灵活性。对于我国这样—个经济不发达、通讯条件落后的国家，开发利用电力线通讯技术是非常必要的。
参考文献
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9 Homeplug Power Alliance网站:http//www. homeplug.org
10 深圳Archnet网站:http//www. archnetco.com
11 深圳维方科技公司网站:http://www.way.founder.com
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