论文:电力线通信技术的发展

电力线通信技术的发展


张文强　周志杰


（南京市通信工程学院　南京　210016）



1　电力线通信概述
　　电力线载波通信（PLC）利用输电线路作为信号的传输媒介，人们利用电力线可以传输电话、电报、远动、数据和远方保护信号等。由于电力线机械强度高，可靠性好，不需要线路的基础建设投资和日常的维护费用，因此PLC具有较高的经济性和可靠性，在电力系统的调度通信、生产指挥、行政业务通信以及各种信息传输方面发挥了重要作用。随着电力部门逐步实现调度自动化和管理现代化，PLC日益受到重视。而且随着家庭自动化和智能大楼概念的出现，PLC能方便地为各种设备（如警报系统的传感器）提供通信链路。近年来低压PLC作为最后一公里的一种解决方案也已经取得成功，特别是在小区内采用低压网作为局域网的接入方案已经投入使用。因此PLC由于其经济、可靠性而逐渐受到人们的重视。本文介绍了PLC的发展过程、发展现状，并对其发展前景进行了展望。
2　PLC的发展过程
　　PLC作为电力系统传输信息的一种基本手段，在电力系统通信和远动控制中得到广泛应用，经历了从分立到集成，从功能单一到微机自动控制，从模拟到数字的发展历程，PLC中的核心——电力线载波机历经了模拟电力线载波机、准数字电力线载波机、全数字电力线载波机三个阶段。
大约20世纪20年代初期国外就开始了PLC　　的研究，国内开展较晚。第一代模拟电力线载波机普遍采用频分复用技术和模块化结构，调制方式选用单边带调制技术，载供系统采用稳定度高的锁相环频率合成技术，可以很容易地得到收发信所需的各种载频，无需更换器件即可切换高频收发滤波器及线路滤波器，切换频段也很简单，具有多功能、通用、系列化的特点。只提供单工传输，载波工作频率为40～500kHz，外加专用的调制解调器实现数据通信。典型的产品有德国西门子公司的ESB－500型电力线载波机，瑞士ABB公司的ETL型电力线载波机，法国STMicroelectronics的ST7536。早期的模拟电力线载波机解决了利用电力线进行通信的问题，但是它具有模拟通信固有的通信质量差、通信容量小、传输速率低等缺点。
　　第二代电力线载波机仍然采用模拟体制实现通信，和第一代模拟电力线载波机相比，关键技术的实现方式不同。准数字电力线载波机采用了数字信号处理技术，模拟调制、滤波、自动增益控制（AGC）等采用DSP实现。由于数字技术和中央处理机的应用，准数字电力载波机提高了整机的性能，同时增加了许多控制功能，如：技术人员可以使用微机通过串口对DSP和中央处理机进行编程，对系统参数进行设置和更改。典型的产品有德国西门子公司的ESB－2000型电力线载波机，美国NationalSemiconductor公司的LM1893，通信速率可以达到4．8kb／s。
　　全数字电力线载波机完全采用数字体制，在信源编码、复接、基带调制等各个环节采用数字技术对信号进行处理，可以获得更好的整机性能。可以采用多电平调制技术提高频带利用率；采用回波抵消技A．C．E．32数字电力线载波机，美国Intellon公司的SSCP300。
3　PLC特殊的技术问题
　　电力网通常可以分为高压网（＞100kV）、中压网（1－100kV）和低压网（＜1kV）。电力线是按照输电的要求设计的，因而实现通信必然有许多限制；而且由于电力网所处的环境不同，要在这三种电力网上实现通信要克服的困难也不同。在高压网上实现通信最容易，而在低压网上实现通信要克服的困难最多。
　　不管是哪种电力网，要在电力线上实现通信要遇到两个问题：一个是噪声干扰强。噪声干扰主要是电晕噪声和脉冲噪声。电晕噪声又称随机噪声，是由于电力线在高压强电场作用下，对周围空气产生游离放电的电晕，以及绝缘子表面及其内部局部放电所引起的，主要存在中、高压网中。电晕噪声具有连续而均匀的频谱，类似于白噪声，它的大小与电力线路的电压、电力线的粗细以及电力线周围的环境有关。电压越高，电力线越细，电晕噪声越大；电力线周围的环境湿度增大，将会引起电力线电晕及绝缘子放电加剧，造成电晕噪声增大。脉冲噪声主要是由输电线路上的高压设备（如隔离开关、断路器等）操作、避雷器放电、线路短路以及雷电等原因引起的瞬时性干扰，在三种电力网中都存在。此外，电力线路或电气设备存在一些缺陷，如避雷线和铁塔以及开关等接触不良等，也将产生脉冲噪声。一般脉冲噪声的持续时间都很短，对话音通信的影响有限，但是对高速远动信号和远方保护信号的影响很大。
　　信号在电力线上传输过程中会有衰减是PLC遇到的另一个问题。一般来说，信号的衰减随着传输距离的增加而增加；在高压网中，信号沿电力线路传输时还会受到天气条件的影响。实践证明，如果电力线路的绝缘良好，雨、雾、温度和湿度的变化对电力线路的衰减没有显著的影响；但是天气寒冷的地区，电力线表面上覆盖的霜雪将使电力线对传输信号的衰耗显著的增加，而且这种衰耗随着信号频率的升高而增加。而在低压网中，由于电力线直接面向用户，负荷情况复杂，各节点阻抗不匹配，所以信号会产生反射、谐振等现象，使得信号的衰减变得更为复杂。一般来说，低压网中信号的衰减与频率、工频电源的相位有关。频率增加，信号的衰减也将增加，而反射、谐振以及电力线效应等的影响也使衰减突然剧增。
　　由于低压电力线直接面向用户，因此在低压配电网进行通信要克服更多的问题。首先低压电力线上的干扰具有周期性、随机性和时变性。周期性干扰的周期、宽度、强度和发生时间等都不固定，很难准确预测，而且这些参数的变化范围也很大，因此在低压网络上采取针对性的措施抑制这种干扰很困难，而且这种干扰的宽频谱也对接收端滤波器的防卫度提出了很高的要求。高压开关操作等引起的随机性干扰持续时间很短，一般几十微秒到几秒，出现时间具有不可预测性。这类干扰可以通过前向纠错码、码分多址技术、自动重发机制等加以克服。其次用户负荷的随机接入和切除，网络结构的变化以及其他自然因素使得人们很难采用一个准确的数学模型对低压网进行建模，目前的研究多以定性分析和实验数据测试为主，即使有学者提出了一些模型，也往往是附件了很多限制条件，不符合实际情况。由于缺乏准确的数学模型，设计PLC设备时要求它具有很好的自适应能力，以便在实际低压配电网上有很好的通信质量。最后瞬间的短路会造成严重的安全问题，因此必须为电力线通信提供安全保护。一般要求用户设备不能直接随意接入电力线，只有得到授权的用户设备才能接入电力线。