余謙

摘 要：在詳細介紹國內外低壓電力載波通信技術發(fā)展歷程和現(xiàn)狀的基礎上，系統(tǒng)的闡述了低壓電力載波通信的基本原理、電力線信道特性及其數(shù)學模型，總結了國內外學者在信號衰減特性、噪聲特性、輸入阻抗特性及信道模型方面的最新研究成果，最后，結合當前低壓電力線載波通信技術現(xiàn)狀和發(fā)展要求，對低壓電力線通信技術未來的研究方向和發(fā)展前景進行了展望和探討。

關鍵詞：低壓配電網；電力線載波通信；智能電網；噪聲特性；信道模型；遠程抄表技術

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）05-00-03

0 引 言

隨著全球資源、環(huán)境、人口壓力不斷增大，電力體制改革的不斷深入，以及用戶對供電系統(tǒng)可靠性和電能質量要求的不斷提高，安全、可靠、高效、交互式電網是未來電力行業(yè)進一步發(fā)展的方向。在2009年中國北京召開的“2009特高壓輸電技術國際會議”上，中國國家電網公司正式提出“中國堅強智能電網”，并計劃于2020年基本建設完成。

電力網作為全球覆蓋規(guī)模最大的網絡，具有其他網絡所不具備的顯著優(yōu)勢，電力線載波通信正是利用電力網絡覆蓋全球這一特點，在配電網中實現(xiàn)電力、數(shù)據、語音和視頻等業(yè)務的傳輸。在經過十多年的研究和發(fā)展之后，PLC技術在選頻、中繼、擴頻和自適應調制等方面基本克服了電力線信道中衰減大、干擾多以及通信速率低等問題，歐美等西方發(fā)達國家的實踐也表明電力線載波通信完全可以勝任未來智能電網的發(fā)展需要，PLC技術的應用對建設國家智能電網具有重大的戰(zhàn)略意義。

1 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展情況

西方發(fā)達國家使用電力線載波通信技術進行信息傳輸最早可以追溯到19世紀初期，1838年，David Edwards提出借助電力線通信來監(jiān)測地區(qū)電表的電壓情況。20世紀末，德國在低壓配電網中成功實現(xiàn)了互聯(lián)網信息的傳輸，用戶可以利用PLC以高于當時ISDN約30倍的速度在互聯(lián)網上瀏覽信息。

近幾年來，國外各公司在PLC方面的研究工作主要集中在電力線信道特性分析、載波通信協(xié)議研究、載波芯片研制以及相關標準的建立等。目前在載波通信領域有較大影響力的公司有美國的Intellon、Atmel、TI，德國的Polytrax公司等。這些研究機構在載波通信領域取得了豐碩的成果，并極大地推動了PLC技術的發(fā)展和進步。

1.2 國內發(fā)展情況

相對國外而言，我國的PLC技術起步較晚但發(fā)展較快。最早在1997年中國電力科學研究院開始對我國的低壓配電網信道傳輸特性進行參數(shù)測試和相關分析；20世紀末，國內PLC設備和產品逐漸增多并開始接近實用；2001年初，國家電力公司設立PLC推廣辦公室，大力推動PLC技術在低壓配電網通信中的應用；中國沈陽電力科學研究院于2002年完成了通過電力線載波訪問Internet的實驗；2006年，中電飛華公司在北京完成5個電力線上網小區(qū)的建設，電力線上網正式進入商用時代。

2 電力線信道特征模型及關鍵技術

2.1 信道特性

由于配電網電力線設計的最初目的是為用戶輸送電能，而不是作為通信線路，而且配電網內部拓撲結構復雜多變，目前情況下還無法建立一個通用的數(shù)學模型精確描述電力線的信道特性。通常研究人員會選擇一個實際用電系統(tǒng)進行測量，并基于測量結果進行研究與分析，致使其通用性不強。一般來講，低壓電力線信道具有如下特點：

（1）信號衰減大：電力線上的信號衰減主要是指耦合衰減和線路衰減，一般來講信號的傳輸距離越遠衰減越嚴重，由于配電網阻抗不匹配，信號在傳輸過程中的反射、駐波、諧振等現(xiàn)象十分嚴重，不利于信息傳輸。研究表明，電力線中信號隨距離增加而衰減，衰減幅度約10～100 dB/km，當通信頻率大于100kHz時，頻率每增加1 kHz衰減增加0.25 dB。

（2）噪聲干擾強：電力線上的噪聲主要來源于用電設備，噪聲干擾是低壓配電網實現(xiàn)信息可靠傳輸?shù)闹饕系K之一。由文獻可知，電力線信道中的噪聲主要有背景噪聲、窄帶噪聲、周期性噪聲、脈沖噪聲等。電力線信道噪聲類型如圖1所示。

圖1 電力線信道噪聲類型

（3）輸入阻抗特性復雜：配電網中的輸入阻抗主要包括用電設備阻抗、導線特征阻抗及變壓器阻抗3部分。由于輸入阻抗大小會直接影響到載波信號耦合的效率，因此它是決定載波通信能否可靠傳輸?shù)囊粋€重要因素。實測表明，配電網的輸入阻抗在100 kHz下時較小，一般情況下輸入阻抗在10～100 Hz內為2 Ω左右。

（4）時變性和頻率選擇性：電力線信道等價于一根非均勻分布的傳輸線，各種用電設備在電網中隨機接入或者斷開，致使信道呈現(xiàn)出很強的時變性。

由此可知，電力線復雜的信道特性決定它并不是最理想的通信線路，然而隨著電力線信道建模研究的深入以及PLC技術不斷發(fā)展成熟，載波通信在配電網中的應用已經非常廣泛。

2.2 數(shù)學模型

要在電力線上實現(xiàn)高質量通信，需要全面了解電力線信道特性并建立相應的數(shù)學模型，迄今為止國外許多研究機構都進行了大量的實地測量，并通過自底向上或者自頂向下的建模方法來進行模擬；電力線信道中各類噪聲常用的數(shù)學模型如圖2所示。

圖2 背景噪聲建模

（1）背景噪聲：由于背景噪聲是典型的離散高斯型噪聲，根據Wold定理，可以將其簡化為一個自回歸 （Auto Regressive， AR） 模型，將方差為σ2的白噪聲經過特定的整形、濾波之后即可獲得背景噪聲，背景噪聲建模如圖2所示。噪聲整形、濾波在z平面上的傳遞函數(shù)Hmod（z）為：

（1）

式（1）中B（z）表示移動平均部分，A（z）表示自回歸部分，參數(shù)ai，bi的數(shù)值可由頻譜分析儀測量噪聲信號獲得。

（2）窄帶噪聲：窄帶噪聲在產生后具有持續(xù)時間長，能量大的特點，如果使用單一頻率載波且載頻恰好位于噪聲頻率附近，則系統(tǒng)的通信質量會大大降低。電力線中的窄帶噪聲可以使用N個相互獨立的正弦函數(shù)疊加來生成，如式（2）：

（2）

其中，Ai（t）、fi和Φi表示各個正弦函數(shù)的幅值、頻率和相位，幅值既可以是一個常數(shù)，也可以是AM信號的幅值；相位區(qū)間在[0，2π]上隨機選擇。

（3）脈沖噪聲：Middleton A類噪聲模型是用于表示電力線脈沖噪聲特性的常用數(shù)學模型之一，它由許多服從泊松分布的脈沖噪聲組成。Middleton A類噪聲模型的噪聲幅度的概率密度函數(shù)為：

（3）

式（3）中，σ2k=σ2（k/A+Γ）/（1+Γ），A表示脈沖指數(shù)，Γ=σ2G/σ2I，σ2 =σ2G+σ2I，其中σ2G為高斯噪聲的方差，σ2I為脈沖噪聲的方差。

（4）多徑傳輸模型：為了表示電力線信道中的信號衰減特性以及頻率選擇特性，Zimmermann提出了多徑電力線信道傳輸模型，其數(shù)學表達式為：

（4）

式（4）中，為加權因子，為延遲部分，為衰落部分，i表示路徑數(shù)量，N表示信號可以到達的接收機路徑總數(shù)，gi是路徑i的加權因子，τi是路徑i的延時，k是衰減因子指數(shù)，a0、a1是衰減參數(shù)，di是路徑i的長度。

了解低壓配電網信道中的信道特性、建立一個有效的信道模型，并根據該模型確定合適的編碼、調制和傳輸策略，對于電力載波通信技術的推廣和應用具有重大理論意義和應用價值。

3 電力線通信應用領域

低壓電力線載波通信系統(tǒng)如圖3所示，由設備終端部分、低壓電力線部分、控制管理部分組成。

圖3 電力線載波通信系統(tǒng)

載波通信系統(tǒng)以配電網中的電力線作為傳輸媒介，在終端和主控計算機間實現(xiàn)單向或雙向通信；由于配電網中的變壓器對信號衰減較大，通常情況下控制部分和設備終端部分位于同一臺區(qū)內。目前低壓電力線載波通信技術的應用領域主要集中在以下幾個方面：

（1）自動抄表：利用PLC技術的AMR抄表方式是當前配電網中應用最為廣泛的一種。AMR系統(tǒng)可分為4層，如圖4所示。第1層由用戶的各種電表（例如水表、電表、氣表等）組成，負責記錄終端設備的基本信息；第2層是由與電表相連的采集器構成，采集器按照集中器下發(fā)的指令對用戶端的表采集數(shù)據信息，并負責上傳到集中器；第3層是集中器，它主要負責定時或實時向采集器下發(fā)采集指令，并將獲取的數(shù)據存儲起來，便于控制中心查詢和訪問；第4層為控制中心，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制和管理。

（2）網絡接入：常用的互聯(lián)網接入方式有ADSL、Cable Modem、無線及光纖接入等，利用電力線上網就是在無需布線的基礎上利用現(xiàn)有電力線作為通信線路實現(xiàn)與Internet數(shù)據的傳輸與交換；利用PLC接入Internet需要使用專用的調制解調器（俗稱電力貓），它將需要傳輸?shù)男盘栒{制到220 V電線上或者從220 V電線上解調出需要的信息；此外，在遠端還需要一個局端設備用來實現(xiàn)Internet的接入；電力線上網具有即插即用、成本低廉、連接方便等優(yōu)點，而且技術也已經非常成熟，PLC技術的應用為將來物聯(lián)網的實現(xiàn)提供了一個可選方案。

圖4 AMR系統(tǒng)

（3）智能家居：隨著經濟的不斷發(fā)展和生活水平的日益提高，人們對居住環(huán)境也有了更高的要求；由于無需布線而且成本低廉，因此電力線載波組網方式成為研究者構建家庭智能化網絡的首選方式。除此以外，載波通信還在智能交通、能源監(jiān)控系統(tǒng)以及路燈控制系統(tǒng)都有較多的應用。

4 發(fā)展前景及展望

在過去的幾十年中，載波通信在我國從無到有并發(fā)展迅速?？v觀低壓載波通信技術的發(fā)展，未來幾年內可以從如下幾個方面進行深入研究和探索：

（1）加大載波芯片的投入和研發(fā)，進一步提高載波設備的傳輸能力和抗干擾能力；

（2）深入研究載波信號的耦合方式，克服跨變壓器或變壓器跨相后信號衰落的難題；

（3）擴展載波系統(tǒng)轉發(fā)中繼能力，提高載波通信的傳輸距離；

（4）提高電力線通信的安全性，防止各種非惡意或惡意干擾；

（5）大力推進高速載波技術的標準化，為下一代載波通信的應用做好準備；

（6）加速物聯(lián)網技術與PLC技術的融合，推動電力線載波技術的進一步發(fā)展。

5 結 語

隨著載波通信技術的日趨成熟，國內越來越多的公司和研究機構正不斷參與到載波通信的研發(fā)中，并相繼推出了自主研發(fā)的電力載波芯片，極大地推動了國家智能電網建設，為實現(xiàn)國家到2020年基本建成中國的“堅強智能電網”目標打下了堅實的基礎。

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