呂英杰，鄒和平，趙 兵

（中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

國內(nèi)低壓電力線載波通信應(yīng)用現(xiàn)狀分析

呂英杰，鄒和平，趙 兵

（中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

LV Ying-jie1,ZOU He-ping2,ZHAO Bing3

（China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China）

0 引言

電力線載波通信（PLC）是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式。早在20世紀(jì)20年代，電力載波通信就開始應(yīng)用到10kV配電網(wǎng)絡(luò)線路通信中，并形成了相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)。對于低壓配電網(wǎng)來說，利用電力線來傳輸用戶用電數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效收集和統(tǒng)計(jì)，是國內(nèi)外公認(rèn)的最佳方案。但在早期的實(shí)際應(yīng)用中，由于我國電網(wǎng)環(huán)境惡劣，電力線信道高衰減、強(qiáng)干擾和波動范圍大等特點(diǎn)[1-7]，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的成功率和實(shí)時(shí)性不能完全滿足實(shí)際通信的需求。近年來，隨著許多新興的數(shù)字技術(shù)，例如擴(kuò)頻通信、數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡(luò)中繼拓?fù)涞燃夹g(shù)的大力發(fā)展，提高和改善低壓配電網(wǎng)電力載波通信的可用性和可靠性成為可能，電力載波通信技術(shù)的應(yīng)用前景變得更為廣闊。

1 國外低壓電力線載波通信現(xiàn)狀介紹

國外低壓電力線載波通信開展較早，美國聯(lián)邦通信委員會FCC規(guī)定了電力線頻帶寬度為100～450kHz；歐洲電氣標(biāo)準(zhǔn)委員會的EN 50065-1規(guī)定電力載波頻帶為3.0～148.5kHz。這些標(biāo)準(zhǔn)的建立為電力載波技術(shù)的發(fā)展做出了顯著的貢獻(xiàn)。

20 世紀(jì)90年代，一些歐洲公司進(jìn)行涉及電力線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑囼?yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果好壞參半，但隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，電力線載波通信技術(shù)也得到了顯著增長。在美國，弗吉尼亞州馬納薩斯市首次開始大范圍部署PLC的服務(wù)，提供抄表、上網(wǎng)等業(yè)務(wù)，速率達(dá)到了10Mbit/s。

2 國內(nèi)低壓電力線載波通信發(fā)展歷程

國內(nèi)的低壓電力線載波通信經(jīng)歷了以下4個(gè)階段的發(fā)展。

第一階段：20世紀(jì)80年代末至90年代中，國內(nèi)部分科研單位和生產(chǎn)廠商進(jìn)行了大量的集中抄表系統(tǒng)組網(wǎng)方式、電力線載波通信技術(shù)的研究和試驗(yàn)工作。這一階段電力線載波通信質(zhì)量較差,抄表成功率較低，能連貫傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)很少。并且因?yàn)殡娔鼙硪詸C(jī)械電能表為主,采樣方式主要采用脈沖采樣和機(jī)械采樣,存在一定誤差,系統(tǒng)所采集的電能數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較低，應(yīng)用效果不夠理想。

第二階段：從20世紀(jì)90年代中到2001年，市場和技術(shù)創(chuàng)新相互推動了電子式電能表的快速發(fā)展。電子式電能表的出現(xiàn)為集中抄表系統(tǒng)抄表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了可靠的保證，但電力線載波傳輸?shù)目煽啃詥栴}仍是本階段的技術(shù)難點(diǎn)。

第三階段：自2003年開始，電力線載波抄表的應(yīng)用進(jìn)入到快速增長的階段。隨著電力線載波通信物理層調(diào)制/解調(diào)與糾錯(cuò)技術(shù)的不斷發(fā)展以及半導(dǎo)體集成規(guī)模的不斷擴(kuò)大，采用復(fù)雜數(shù)字信號處理技術(shù)的超大規(guī)模電力線載波通信集成電路所能達(dá)到的抗干擾能力與前幾代產(chǎn)品相比，有了極大提高。通過信道頻帶自適應(yīng)技術(shù)，維持相鄰?fù)ㄐ殴?jié)點(diǎn)間的可靠傳輸在技術(shù)上已經(jīng)可以達(dá)到。但由于通信還是基于物理層的技術(shù)改進(jìn)，針對復(fù)雜多變的電力線網(wǎng)絡(luò)，還是存在一定缺陷。

第四階段：從2005年開始，國內(nèi)幾家大的供應(yīng)商開始了以網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元芯片[8]為核心技術(shù)的第三代載波通信產(chǎn)品的研發(fā)。第三代芯片從物理層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層等各個(gè)方面都有了較為突破性的提高，本階段應(yīng)主要解決的關(guān)鍵問題是，任意相鄰節(jié)點(diǎn)的物理層通信保障能力與具有幀中繼控制的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。部分企業(yè)開始采用先進(jìn)的數(shù)字信號處理與信道編碼技術(shù)，對通信頻帶做自適應(yīng)選擇的窄帶調(diào)制/解調(diào)方式，芯片內(nèi)部嵌入微處理器來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸與信息安全控制等方式提高電力線載波通信芯片的質(zhì)量，應(yīng)用效果有待現(xiàn)場驗(yàn)證。

3 國內(nèi)現(xiàn)有載波通訊技術(shù)路線分類

現(xiàn)有的低壓載波通信的技術(shù)路線主要從調(diào)制方式、傳輸速率、帶寬等幾個(gè)方面來分類。

從使用的帶寬角度來說，電力線載波通信分為寬帶電力線載波通信和窄帶電力線載波通信。所謂電力線寬帶通信技術(shù)，是利用電力線傳輸高速數(shù)據(jù)和話音信號的一種通信技術(shù)，主要用于為居民用戶提供寬帶上網(wǎng)和話音業(yè)務(wù)[9],它多采用正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)等。所謂窄帶電力線載波通信技術(shù)，就是指帶寬限定在3～500kHz，通信速率小于1Mbit/s的電力線載波通信技術(shù)，它多采用普通的FSK技術(shù)、PSK技術(shù)、直接序列擴(kuò)頻技術(shù)[10]和線性調(diào)頻Chirp技術(shù)[11]等。

從技術(shù)發(fā)展的角度來說，電力線載波通信分為傳統(tǒng)的頻帶傳輸技術(shù)和目前流行的擴(kuò)頻通信（SSC）技術(shù)。頻帶傳輸就是用載波調(diào)制的方法，將攜帶信息的數(shù)字信號的頻譜搬移到較高的載波頻率上，其基本的調(diào)制方式分為幅值鍵控 （ASK）、頻率鍵控（FSK）和相位鍵控（PSK）以及相關(guān)派生的調(diào)制技術(shù)。擴(kuò)頻通信是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息所必需的最小帶寬，頻帶的展寬是通過編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)。

目前電力線載波通信常用的擴(kuò)頻技術(shù)主要有：直接序列擴(kuò)頻、線性調(diào)頻Chirp和正交頻分復(fù)用OFDM等。此外，跳頻FH、跳時(shí)TH以及上述各種方式的組合擴(kuò)頻技術(shù)也較為常用。

4 國內(nèi)低壓載波通信芯片現(xiàn)狀

4.1 國內(nèi)外主流載波通信芯片廠家及相關(guān)參數(shù)

目前國內(nèi)外主流的芯片按帶寬分大致有8家，分別為窄帶通信的法國ST7538和美國ECHELON（埃斯朗）的PL3120/3150；擴(kuò)頻通信的北京福星曉程、青島東軟、青島鼎信、深圳瑞斯康和北京國電龍?jiān)?。各個(gè)廠家的相關(guān)產(chǎn)品及主要技術(shù)參數(shù)見表1。

4.2 各類芯片產(chǎn)品的應(yīng)用情況

目前在國網(wǎng)公司系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低壓采集的530萬戶中，有73%約400萬戶采用載波抄表。黑龍江、河北、山西、吉林、湖南、江西等省公司到目前都分別安裝運(yùn)行載波表幾十萬戶以上，積累了許多實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。在以上用戶使用的載波產(chǎn)品中，又以北京福星曉程公司和青島東軟公司的產(chǎn)品居多，大約占90%以上的市場份額。這2家公司都是較早進(jìn)入國內(nèi)載波市場領(lǐng)域的產(chǎn)品研究和開發(fā)，在該領(lǐng)域具有豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品運(yùn)行情況相對良好。其余后進(jìn)入市場的廠家也有不少技術(shù)先進(jìn)的產(chǎn)品，但還需要大量、長期的現(xiàn)場運(yùn)行案例來驗(yàn)證其產(chǎn)品的可靠性和通信成功率等指標(biāo)。

表1 國內(nèi)各類載波芯片廠家技術(shù)參數(shù)

從各廠家目前的應(yīng)用情況來看,無論是FSK、BPSK還是擴(kuò)頻,其調(diào)制技術(shù)在理論上的優(yōu)劣差異都很小,性能的差異只體現(xiàn)在發(fā)送和接收的處理機(jī)制上,也就是說沒有不好的調(diào)制理論,只有不好的算法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，因此使用新的調(diào)制技術(shù)來提高物理層的通信能力是行不通的；同樣，提高發(fā)送功率和靈敏度也是行不通的。因此只有利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的原理，采用中繼和路由的方法來提高通信的可靠性和實(shí)時(shí)性[12]。

目前自動路由技術(shù)的最大難度在于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?。這里不僅需要設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鏊惴?，這個(gè)分析算法還必須適應(yīng)完全隨機(jī)、自由動態(tài)變化的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樾聭魣?bào)裝、定期校驗(yàn)、壞表更換、元器件老化、甚至電網(wǎng)負(fù)載波動、氣候變化、用戶人為破壞，都有可能改變或破壞已經(jīng)計(jì)算好的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

從網(wǎng)絡(luò)層通信的理念分析，低壓載波通信的中繼通信與網(wǎng)絡(luò)的路由概念，具有相似的地方。它們具有相同的轉(zhuǎn)發(fā)與路徑的概念。但它們在通信穩(wěn)定性與路徑的動態(tài)性方面，又有截然不同的內(nèi)涵。相比之下，由于信道影響的復(fù)雜性與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣性、時(shí)變性，低壓載波通信系統(tǒng)中的中繼通信，就復(fù)雜多了。

4.3 各類芯片應(yīng)用技術(shù)存在的主要問題

隨著電力載波通信物理層調(diào)制/解調(diào)與糾錯(cuò)技術(shù)的不斷發(fā)展以及半導(dǎo)體集成規(guī)模的不斷擴(kuò)大，采用復(fù)雜數(shù)字信號處理技術(shù)的超大規(guī)模電力載波通信集成電路所能達(dá)到的抗干擾能力與前幾代產(chǎn)品相比，有了極大提高。通過信道頻帶自適應(yīng)技術(shù)，維持相鄰?fù)ㄐ殴?jié)點(diǎn)間的可靠傳輸已經(jīng)完全可以達(dá)到。有了上述基礎(chǔ)，通過載波通信集成電路內(nèi)嵌的網(wǎng)絡(luò)傳輸/控制協(xié)議，實(shí)現(xiàn)以配電變壓器為單位的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無障礙數(shù)據(jù)傳輸(抄表)已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)用化階段。

由于低壓電網(wǎng)連接著眾多的用電設(shè)備，每種用電設(shè)備都對電網(wǎng)有不同程度的噪聲污染（諧波、脈沖等），特別是一些開關(guān)電源設(shè)備、非線性用電設(shè)備和大功率變頻設(shè)備等。另外，由配電變壓器鐵芯飽和，磁化曲線的非線性引起的諧波干擾相對穩(wěn)定。用電設(shè)備的接入和斷開是隨機(jī)性的，通常，其峰谷特性有時(shí)限特點(diǎn)。電力線路上的噪聲干擾源包括脈沖噪聲和等幅振蕩波。脈沖噪聲具有瞬間、高能和覆蓋頻率范圍廣的特點(diǎn)，因而對于載波信號傳輸?shù)挠绊懴喈?dāng)大，不僅會造成信號誤碼率高，使得接受裝置無法正確接受；另外，它還有可能使接收設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生自干擾，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。

近年來，低壓電力線載波擴(kuò)頻通信在載波抄表領(lǐng)域大量應(yīng)用，具有抗干擾性較強(qiáng)的特點(diǎn)，但其應(yīng)用沒有結(jié)合電力線固有的對通信有利的特性。目前，芯片應(yīng)用技術(shù)存在以下2個(gè)主要問題。

1）各個(gè)載波芯片廠家采用的技術(shù)體制存在較大差異，芯片種類繁多；

2）點(diǎn)對點(diǎn)通信傳輸距離有限，中繼算法沒有充分利用電網(wǎng)的樹型結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

低壓電力線是應(yīng)用最為廣泛的一種通訊媒介網(wǎng)絡(luò)，采用合適的技術(shù)充分用好這一現(xiàn)成的媒介，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率是顯而易見的。

目前，國內(nèi)應(yīng)用載波抄表方案需要解決2個(gè)關(guān)鍵問題：任意相鄰節(jié)點(diǎn)的物理層通信保障能力和具有幀中繼控制的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，采用高度集成的SoC可以同時(shí)解決上述2個(gè)問題。因此，真正能夠在國內(nèi)電力線載波通信應(yīng)用解決方案中脫穎而出的，將是那些采用先進(jìn)的數(shù)字信號處理與信道編碼技術(shù)，并能夠?qū)νㄐ蓬l帶做自適應(yīng)選擇的窄帶調(diào)制/解調(diào)方式的專用電力線載波通信芯片；此外，內(nèi)部具有嵌入式微處理器來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸與信息安全控制，也是此類專用芯片必須具備的特征。

[1]樊建學(xué)，盛新富.低壓電力線載波集中抄表系統(tǒng)研究[J].繼電器，2005，7：49-52.

[2]張廣洲,聶津,鄔雄,等.±800kV特高壓直流輸電線路電磁環(huán)境參數(shù)的計(jì)算研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008,24(4):18-22.

[3]陳瑜,盧毅,成樂祥.形態(tài)小波在輸電線路故障測距中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(2):18-21.

[4]劉萬超,陳平,孫佳佳,等.基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的輸電線路單端行波故障測距研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(4):25-29.

[5]劉海軍,韓民曉,文俊.特高壓雙回線路潛供電流補(bǔ)償方案仿真研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(12):47-53.

[6]路遙,鄔雄,張小武.交流特高壓輸電線路線下電場強(qiáng)度改善措施研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008,24(2):9-14.

[7]饒斌.輸電線路暫態(tài)信號檢測方法比較分析[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008,24(8):17-21.

[8]賈鴻雁.電力線載波通信中Lonworks應(yīng)用研究與實(shí)踐[J].應(yīng)用科技，2003，30(6)：20-21.

[9]黃益華，肖貴元，蔣承延.電力線載波數(shù)字通信技術(shù)上網(wǎng)研究[J].重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2008，13（1）：6-8.

[10]田秀華.低壓電力線擴(kuò)頻載波遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的研究[J].信息技術(shù),2003，27：49-51.

[11]吳勇峰，徐英花.直接序列擴(kuò)頻和線性調(diào)頻的混合通信系統(tǒng)[J].中國科技信息，2006，19：147-148.

[12]趙建軍，侯彥東.基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電力載波抄表系統(tǒng)[J].計(jì)算技術(shù)與自動化，2006，2：52-54.

Analysis on Application of Low-Voltage Power Line Carrier Communication in China

This paper presents a detailed analysis of the application background and development of the power line carrier communication （PLC） technology at home and abroad, and generalizes the existingPLCtechnologyroadmaps. It alsointroduces some products manufactured by the leading PLS chip makers in China. About the inadequacies of the existingtechnology, this paper predicts the development direction of the chip technology in the future,and lists the problems to be solved.

power line carrier communication （PLC）；centralizedmeter-readingsystem；networktopology

詳細(xì)分析了國內(nèi)外電力線載波通信應(yīng)用背景和發(fā)展歷程，對現(xiàn)有載波通信技術(shù)路線進(jìn)行了歸納，對國內(nèi)主流載波芯片廠家的產(chǎn)品做了介紹，并針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了未來芯片技術(shù)的發(fā)展方向和需要解決的問題。

電力線載波通信(PLC)；集中抄表系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

國家發(fā)改委基金項(xiàng)目新時(shí)期電力負(fù)荷管理系統(tǒng)應(yīng)用功能及實(shí)施保障體系建設(shè)研究（2006-7）。

1674-3814（2010）04-0033-04

TN915.853

A

2008-12-22。

呂英杰（1977—），女，碩士，高級工程師，主要從事用電新技術(shù)及計(jì)量安全防護(hù)方面的研究工作；

鄒和平（1976—），男，本科，工程師，主要從事配用電管理硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)及計(jì)量檢測技術(shù)方面的研究工作；

趙 兵（1971—），男，碩士，高級工程師，主要從事用電新技術(shù)及計(jì)量安全防護(hù)方面的研究工作。

（編輯 馮 露）