中壓電力線通信技術(shù)原理及應(yīng)用

中壓電力線通信技術(shù)原理及應(yīng)用

概述：本文總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外中壓電力線通信相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，對(duì)中壓電力線信道的信道特性進(jìn)行了分析，并介紹了中壓電力線通信所涉及的物理層、MAC層關(guān)鍵技術(shù)以及相關(guān)通信系統(tǒng)的發(fā)展情況。??

　　中壓電力線通信(MV - PLC)技術(shù)是指利用電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中的中壓電力線(通常指10KV電壓等級(jí))作為信號(hào)傳輸媒介，進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)信息的傳輸。該技術(shù)首先被應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)中；近年來(lái)，中壓電力線寬帶網(wǎng)絡(luò)接入以其基礎(chǔ)設(shè)施完備、分布廣泛、成本低廉的特點(diǎn)，正越來(lái)越受到關(guān)注，尤其是在偏遠(yuǎn)農(nóng)村或者人口稀少的地區(qū)，具有極強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

中壓PLC應(yīng)用領(lǐng)域

　　中壓輸電網(wǎng)覆蓋面積廣大，應(yīng)用領(lǐng)域繁多，中壓配電自動(dòng)化對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義，相關(guān)應(yīng)用包括用電負(fù)荷控制、電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)、集中抄表等。配電網(wǎng)自動(dòng)化往往有數(shù)量巨大且分布分散的節(jié)點(diǎn)需進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集，故對(duì)數(shù)據(jù)通道的經(jīng)濟(jì)性有較高要求。中壓PLC技術(shù)將傳統(tǒng)中壓電力網(wǎng)轉(zhuǎn)變成為數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，在建設(shè)成本、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用等方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，目前在韓國(guó)、美國(guó)、西班牙等國(guó)家已得到良好的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了大量的研究和實(shí)踐。

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，Internet在生產(chǎn)生活中發(fā)揮著日益重要的作用，而PLC技術(shù)也在寬帶網(wǎng)絡(luò)接入手段中占據(jù)了重要的地位。從戶外中壓PLC到戶內(nèi)低壓PLC的接入方案，被認(rèn)為是解決寬帶接入的“最后一公里”問(wèn)題的理想方案，該類研究興起于北美，近年來(lái)發(fā)展迅速。

　　對(duì)于中壓電力線網(wǎng)絡(luò)，由于其業(yè)已存在的廣泛分布，成為了在偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)接入的理想媒介，以縮短和消除城市地區(qū)與農(nóng)村地區(qū)，發(fā)達(dá)地區(qū)與不發(fā)達(dá)地區(qū)之間的“數(shù)字鴻溝”。在偏遠(yuǎn)或者人口密度較低的地區(qū)，短期內(nèi)通過(guò)PLC以外的其它技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)較大帶寬的數(shù)字通信服務(wù)，會(huì)面臨較多的困難；在城市地區(qū)廣泛使用的xDSL或者通信光纜一般均難以鋪設(shè)到這些地區(qū)；衛(wèi)星通信在一些地區(qū)可以實(shí)現(xiàn)，但是低通信速率以及信道租用和終端所帶來(lái)的高成本，使其大規(guī)模應(yīng)用受到很大限制；以GSM、IS-95、WCDMA等為代表的蜂窩通信技術(shù)本身是針對(duì)高用戶密度的應(yīng)用場(chǎng)景所設(shè)計(jì)，如果在用戶密度較低的地區(qū)使用，將帶來(lái)通信能力的嚴(yán)重浪費(fèi)和高昂的運(yùn)營(yíng)成本，從而難以得到推廣和普及，在發(fā)展中國(guó)家，這一矛盾尤其突出。就國(guó)內(nèi)的情況而言，我國(guó)幅員遼闊，有相當(dāng)數(shù)量的農(nóng)村地區(qū)處于偏遠(yuǎn)、人煙稀少的地帶，這些區(qū)域的通信發(fā)展相對(duì)滯后。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)行政村固定電話覆蓋率為94%~97%，數(shù)據(jù)通信的覆蓋率則更低。由于自然和經(jīng)濟(jì)條件的制約，若采用現(xiàn)有的通信方式，改善這些地區(qū)的信息服務(wù)將面臨越來(lái)越多的困難。而行政村的通電率已接近100%，且電網(wǎng)覆蓋是區(qū)域發(fā)展的基本條件，因此，利用電力傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，是適合國(guó)情、可行并且經(jīng)濟(jì)的方案，圖1為農(nóng)村中壓PLC接入網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 農(nóng)村中的PLC接入網(wǎng)系統(tǒng)

中壓電力線信道研究

　　電力線設(shè)計(jì)的初衷是傳遞頻率為50~60Hz的電力信號(hào)，將其功能擴(kuò)展到語(yǔ)音或者數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸時(shí)將面臨復(fù)雜的電磁環(huán)境。因此，對(duì)于PLC技術(shù)而言，針對(duì)電力線信道特性的研究是非?；A(chǔ)和關(guān)鍵的。在我國(guó)，由于中壓線路分布和負(fù)載情況更為復(fù)雜，變電站間線路相對(duì)較短以及干擾相對(duì)較強(qiáng)，中壓電力線組網(wǎng)通信所面臨的物理層環(huán)境比較復(fù)雜和惡劣。近年來(lái)，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對(duì)中壓電力線信道特性進(jìn)行了卓有成效的研究，筆者也對(duì)我國(guó)北方典型農(nóng)村地區(qū)的中壓電力線信道特性進(jìn)行了多次實(shí)地測(cè)量和分析，這些研究成果為實(shí)際的工程應(yīng)用提供了參考。

　　一般來(lái)說(shuō)，電力線信道對(duì)于數(shù)字通信的負(fù)面影響主要來(lái)源于三個(gè)方面：變化的阻抗特性；頻率選擇性的信道衰減特性；有色背景噪聲和多種沖激噪聲。

　　研究信道阻抗特性的目的主要是為了實(shí)現(xiàn)信道與發(fā)射機(jī)、接收機(jī)之間的阻抗匹配，當(dāng)阻抗失配時(shí)，將造成信號(hào)能量的浪費(fèi)，甚至出現(xiàn)啞信號(hào)點(diǎn)。由于中壓配電網(wǎng)的分支多，負(fù)載情況復(fù)雜，線路阻抗會(huì)隨距離、頻率、時(shí)間而變化，且變化范圍大，一般在幾十歐~幾百歐之間，圖2即為中壓電力線阻抗特性隨頻率變化曲線。故在實(shí)現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)，阻抗匹配比較困難；目前，通常采用在耦合技術(shù)中通過(guò)犧牲匹配性能來(lái)適合線路側(cè)寬范圍內(nèi)阻抗的方法，也有系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)端采用阻抗自適應(yīng)的功率放大設(shè)備等，以達(dá)到較好的阻抗匹配效果。

圖2 中壓線路阻抗特性曲線

　　信道衰減特性對(duì)于數(shù)字通信的效果有著重要影響。中壓線路的衰減比低壓線路的衰減嚴(yán)重，有實(shí)驗(yàn)表明，平均每100m幅值衰減可達(dá)到8dB~11dB。同時(shí)，中壓線路的衰減也表現(xiàn)出明顯的頻率選擇性，在一些頻率點(diǎn)或者頻段，會(huì)出現(xiàn)深度的傳輸衰減。由大量分支點(diǎn)造成的多徑效應(yīng)被認(rèn)為是一個(gè)主要原因。實(shí)驗(yàn)證明，在這些深度衰減的頻段上，很難實(shí)現(xiàn)成功的通信連接，必須在實(shí)際通信系統(tǒng)中予以回避。

　　中壓電力線平均噪聲功率在-60~-70dBm/Hz左右。其中，由多種低功率噪聲的疊加而成的有色背景噪聲功率一般在-60~-70dBm/Hz之間，在一些頻段可低于-80dBm/Hz，其整體隨頻率增高而減弱，且功率譜變化較慢，一般為分鐘甚至小時(shí)量級(jí)；主要由通信帶寬內(nèi)的廣播電臺(tái)等其它無(wú)線通信信號(hào)造成的窄帶噪聲，平均占用2k~4kHz的帶寬，功率較高，較背景噪聲高出約30~50dBm/Hz，該類干擾一般長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定存在；對(duì)通信效果影響最大的是沖激噪聲，該類噪聲隨機(jī)產(chǎn)生，持續(xù)時(shí)間很短，一般為幾十或者幾百毫秒，絕大部分功率高于背景噪聲10~30dBm/Hz，當(dāng)沖激噪聲發(fā)生時(shí)，噪聲頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸將可能出現(xiàn)嚴(yán)重的突發(fā)性誤碼。圖3為我國(guó)農(nóng)村中壓電力線在40k~560kHz頻段內(nèi)的典型噪聲頻譜。

圖3 國(guó)內(nèi)農(nóng)村中壓線路噪聲特性曲線（40k-560kHz）

中壓PLC關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)

　　中壓電力線信道是一個(gè)很不穩(wěn)定的高噪聲、強(qiáng)衰減的傳輸通道，高效可靠的調(diào)制編碼技術(shù)對(duì)于電力線通信非常重要。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同通信場(chǎng)景對(duì)速率、可靠性的要求，對(duì)各種調(diào)制技術(shù)在中壓PLC中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究和測(cè)試。

　　根據(jù)對(duì)中壓信道特性的研究，噪聲功率一般隨頻率升高而降低，但同時(shí)多徑效應(yīng)所引起的深衰落也在高頻端更為嚴(yán)重，因此，在選擇PLC載波頻率時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際線路情況在二者之間進(jìn)行折衷。國(guó)內(nèi)外的大量實(shí)踐證明，5k~50kHz的載波頻率對(duì)于多數(shù)中壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)是比較合適的。在配電自動(dòng)化的應(yīng)用中，多為單向數(shù)據(jù)傳輸，且主要要求有較高的可靠性，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不是很高，因此，一般都選取較低的傳輸速率，一般在10bps~1000bps之間。在調(diào)制技術(shù)方面，目前使用最多的是窄帶調(diào)制方法，如ASK，F(xiàn)SK或者CPSK都得到了比較廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)為在強(qiáng)噪聲干擾的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，跳頻、直接序列擴(kuò)頻、Chirp跳頻等擴(kuò)頻通信技術(shù)也被引入到中壓PLC系統(tǒng)中。

　　在利用中壓PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入的場(chǎng)景中，由于通信速率較高，對(duì)所采用的調(diào)制編碼技術(shù)的信道利用率，對(duì)突發(fā)噪聲和脈沖噪聲的規(guī)避或者對(duì)抗能力都提出了較高的要求。目前，在中、低速率的接入網(wǎng)研究中，BPSK、QPSK等調(diào)制方法得到了應(yīng)用，為了對(duì)抗頻率選擇性衰落的信道特性，一般都會(huì)同時(shí)應(yīng)用高階的差錯(cuò)控制編碼，這同該調(diào)制方法本身不高的頻帶利用率相結(jié)合，使得系統(tǒng)的通信速率會(huì)受到較大限制。CDMA技術(shù)可以有效的對(duì)抗傳輸信道中的窄帶噪聲等干擾，但是在CDMA系統(tǒng)中所要求的較高處理增益，在存在嚴(yán)重的頻率選擇性衰落的電力線信道上很難達(dá)到，所以CDMA系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在PLC中并不能得到完全的發(fā)揮，一般認(rèn)為，速率超過(guò)1 Mbps，它就不再適用。對(duì)于更高傳輸速率的接入網(wǎng)絡(luò)，多載波正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)被認(rèn)為是最為合適的技術(shù)方案。OFDM以多個(gè)相互正交的載波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，將串行數(shù)據(jù)流變換為并行處理。其擁有接近香農(nóng)限的高信道利用率；并且可以有效的對(duì)抗多徑效應(yīng)，解決碼間串?dāng)_問(wèn)題，也具備較強(qiáng)的抗突發(fā)干擾的能力；另外，在信道分配上，OFDM也提供了靈活操作的可能性，得以規(guī)避通信帶寬內(nèi)深度衰落的頻帶；OFDM技術(shù)在高速PLC中應(yīng)用廣泛。

　　在MAC層協(xié)議中，目前的研究表明，帶有沖突避免的有競(jìng)爭(zhēng)CSMA/CA協(xié)議，基于TDMA的無(wú)競(jìng)爭(zhēng)預(yù)約協(xié)議，以及將兩者相結(jié)合的混合型協(xié)議，比較適合于中壓寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，并且已在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

　　總體而言，PLC應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了模擬——單片機(jī)集成電路——現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展過(guò)程。中壓PLC系統(tǒng)起點(diǎn)較高，目前已廣泛采用DSP器件和專用芯片的解決方案。上世紀(jì)90年代中期以后，高速PLC芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國(guó)外多家公司都研究開(kāi)發(fā)了相應(yīng)產(chǎn)品。

　　在市場(chǎng)的推動(dòng)下，北美的中壓PLC寬帶接入應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展迅速。Amperion公司研究了發(fā)變電站至變壓器之間的中壓電力線上的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，以及MV - PLC與LV - PLC為一端、光纖和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為另一端的接口技術(shù)，從而提供了從中壓傳輸?shù)降蛪簜鬏?，從戶外接入到戶?nèi)組網(wǎng)的端到端PLC解決方案。目前，該系統(tǒng)的主要技術(shù)已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，Amperion公司及合作伙伴正極力推動(dòng)該類接入網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)進(jìn)程。

　　近年來(lái)受到廣泛關(guān)注的MV - PLC接入在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用，目前主要還停留在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的階段。文獻(xiàn)[1]中所介紹的接入系統(tǒng)物理層采用BPSK調(diào)制方法，利用BCH編碼、交織等技術(shù)對(duì)抗信道衰減和突發(fā)噪聲，MAC層使用CSMA/CD和TDMA的混合協(xié)議，在南非的郊區(qū)和低人口密度地區(qū)的中壓電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了Internet接入，傳輸距離達(dá)到了4 km，但未能達(dá)到VoIP所要求的QoS保證。文獻(xiàn)[2]中，在北美農(nóng)村13.8 kV電網(wǎng)上采用基于QPSK調(diào)制的全雙工數(shù)字寬帶通信方案，在17 MHz和83 MHz頻段上在實(shí)現(xiàn)了2 Mbps的TCP/IP連接。

結(jié)語(yǔ)

　　中壓電力線通信技術(shù)在中壓配電自動(dòng)化、城市和農(nóng)村地區(qū)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和很大的發(fā)展?jié)摿?，如果得到廣泛應(yīng)用，將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究和應(yīng)用都得到了迅速的發(fā)展，有理由相信，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和成熟，中壓電力線通信會(huì)在信息社會(huì)中扮演日益重要的角色。

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