中壓電力線通信技術原理及應用

概述：本文總結了近年來國內外中壓電力線通信相關領域的研究成果，對中壓電力線信道的信道特性進行了分析，并介紹了中壓電力線通信所涉及的物理層、MAC層關鍵技術以及相關通信系統的發(fā)展情況。  

　　中壓電力線通信(MV - PLC)技術是指利用電力傳輸網絡中的中壓電力線(通常指10KV電壓等級)作為信號傳輸媒介，進行語音、數據信息的傳輸。該技術首先被應用于中壓配電網的自動化數據傳輸平臺中；近年來，中壓電力線寬帶網絡接入以其基礎設施完備、分布廣泛、成本低廉的特點，正越來越受到關注，尤其是在偏遠農村或者人口稀少的地區(qū)，具有極強的實用價值。

中壓PLC應用領域

　　中壓輸電網覆蓋面積廣大，應用領域繁多，中壓配電自動化對于國民經濟的發(fā)展具有重要的意義，相關應用包括用電負荷控制、電網運行監(jiān)測、集中抄表等。配電網自動化往往有數量巨大且分布分散的節(jié)點需進行控制和數據采集，故對數據通道的經濟性有較高要求。中壓PLC技術將傳統中壓電力網轉變成為數據通信網，在建設成本、運行和維護費用等方面具有天然的優(yōu)勢，目前在韓國、美國、西班牙等國家已得到良好的應用，國內也開展了大量的研究和實踐。

　　隨著互聯網的飛速發(fā)展，Internet在生產生活中發(fā)揮著日益重要的作用，而PLC技術也在寬帶網絡接入手段中占據了重要的地位。從戶外中壓PLC到戶內低壓PLC的接入方案，被認為是解決寬帶接入的“最后一公里”問題的理想方案，該類研究興起于北美，近年來發(fā)展迅速。

　　對于中壓電力線網絡，由于其業(yè)已存在的廣泛分布，成為了在偏遠地區(qū)實現高速網絡接入的理想媒介，以縮短和消除城市地區(qū)與農村地區(qū)，發(fā)達地區(qū)與不發(fā)達地區(qū)之間的“數字鴻溝”。在偏遠或者人口密度較低的地區(qū)，短期內通過PLC以外的其它技術手段實現較大帶寬的數字通信服務，會面臨較多的困難；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到這些地區(qū)；衛(wèi)星通信在一些地區(qū)可以實現，但是低通信速率以及信道租用和終端所帶來的高成本，使其大規(guī)模應用受到很大限制；以GSM、IS-95、WCDMA等為代表的蜂窩通信技術本身是針對高用戶密度的應用場景所設計，如果在用戶密度較低的地區(qū)使用，將帶來通信能力的嚴重浪費和高昂的運營成本，從而難以得到推廣和普及，在發(fā)展中國家，這一矛盾尤其突出。就國內的情況而言，我國幅員遼闊，有相當數量的農村地區(qū)處于偏遠、人煙稀少的地帶，這些區(qū)域的通信發(fā)展相對滯后。據統計，我國行政村固定電話覆蓋率為94%~97%，數據通信的覆蓋率則更低。由于自然和經濟條件的制約，若采用現有的通信方式，改善這些地區(qū)的信息服務將面臨越來越多的困難。而行政村的通電率已接近100%，且電網覆蓋是區(qū)域發(fā)展的基本條件，因此，利用電力傳輸網絡實現寬帶網絡接入，是適合國情、可行并且經濟的方案，圖1為農村中壓PLC接入網系統的結構示意圖。

圖1 農村中的PLC接入網系統

中壓電力線信道研究

　　電力線設計的初衷是傳遞頻率為50~60Hz的電力信號，將其功能擴展到語音或者數據信號傳輸時將面臨復雜的電磁環(huán)境。因此，對于PLC技術而言，針對電力線信道特性的研究是非?；A和關鍵的。在我國，由于中壓線路分布和負載情況更為復雜，變電站間線路相對較短以及干擾相對較強，中壓電力線組網通信所面臨的物理層環(huán)境比較復雜和惡劣。近年來，相關科研機構對中壓電力線信道特性進行了卓有成效的研究，筆者也對我國北方典型農村地區(qū)的中壓電力線信道特性進行了多次實地測量和分析，這些研究成果為實際的工程應用提供了參考。

　　一般來說，電力線信道對于數字通信的負面影響主要來源于三個方面：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現信道與發(fā)射機、接收機之間的阻抗匹配，當阻抗失配時，將造成信號能量的浪費，甚至出現啞信號點。由于中壓配電網的分支多，負載情況復雜，線路阻抗會隨距離、頻率、時間而變化，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。故在實現寬帶網絡接入時，阻抗匹配比較困難；目前，通常采用在耦合技術中通過犧牲匹配性能來適合線路側寬范圍內阻抗的方法，也有系統在發(fā)射機端采用阻抗自適應的功率放大設備等，以達到較好的阻抗匹配效果。

　　信道衰減特性對于數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重，有實驗表明，平均每100m幅值衰減可達到8dB~11dB。同時，中壓線路的衰減也表現出明顯的頻率選擇性，在一些頻率點或者頻段，會出現深度的傳輸衰減。由大量分支點造成的多徑效應被認為是一個主要原因。實驗證明，在這些深度衰減的頻段上，很難實現成功的通信連接，必須在實際通信系統中予以回避。

　　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量級；主要由通信帶寬內的廣播電臺等其它無線通信信號造成的窄帶噪聲，平均占用2k~4kHz的帶寬，功率較高，較背景噪聲高出約30~50dBm/Hz，該類干擾一般長時穩(wěn)定存在；對通信效果影響最大的是沖激噪聲，該類噪聲隨機產生，持續(xù)時間很短，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，當沖激噪聲發(fā)生時，噪聲頻段內的數據傳輸將可能出現嚴重的突發(fā)性誤碼。圖3為我國農村中壓電力線在40k~560kHz頻段內的典型噪聲頻譜。

中壓PLC關鍵技術與應用系統

　　中壓電力線信道是一個很不穩(wěn)定的高噪聲、強衰減的傳輸通道，高效可靠的調制編碼技術對于電力線通信非常重要。目前，國內外針對不同通信場景對速率、可靠性的要求，對各種調制技術在中壓PLC中的應用進行了大量的研究和測試。

　　根據對中壓信道特性的研究，噪聲功率一般隨頻率升高而降低，但同時多徑效應所引起的深衰落也在高頻端更為嚴重，因此，在選擇PLC載波頻率時，需要根據實際線路情況在二者之間進行折衷。國內外的大量實踐證明，5k~50kHz的載波頻率對于多數中壓配電自動化系統是比較合適的。在配電自動化的應用中，多為單向數據傳輸，且主要要求有較高的可靠性，對實時性的要求不是很高，因此，一般都選取較低的傳輸速率，一般在10bps~1000bps之間。在調制技術方面，目前使用最多的是窄帶調制方法，如ASK，FSK或者CPSK都得到了比較廣泛的應用。近年來為在強噪聲干擾的環(huán)境下實現數據傳輸，跳頻、直接序列擴頻、Chirp跳頻等擴頻通信技術也被引入到中壓PLC系統中。

　　在利用中壓PLC實現數據網絡接入的場景中，由于通信速率較高，對所采用的調制編碼技術的信道利用率，對突發(fā)噪聲和脈沖噪聲的規(guī)避或者對抗能力都提出了較高的要求。目前，在中、低速率的接入網研究中，BPSK、QPSK等調制方法得到了應用，為了對抗頻率選擇性衰落的信道特性，一般都會同時應用高階的差錯控制編碼，這同該調制方法本身不高的頻帶利用率相結合，使得系統的通信速率會受到較大限制。CDMA技術可以有效的對抗傳輸信道中的窄帶噪聲等干擾，但是在CDMA系統中所要求的較高處理增益，在存在嚴重的頻率選擇性衰落的電力線信道上很難達到，所以CDMA系統的優(yōu)勢在PLC中并不能得到完全的發(fā)揮，一般認為，速率超過1 Mbps，它就不再適用。對于更高傳輸速率的接入網絡，多載波正交頻分復用(OFDM)技術被認為是最為合適的技術方案。OFDM以多個相互正交的載波對數據進行調制，將串行數據流變換為并行處理。其擁有接近香農限的高信道利用率；并且可以有效的對抗多徑效應，解決碼間串擾問題，也具備較強的抗突發(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)避通信帶寬內深度衰落的頻帶；OFDM技術在高速PLC中應用廣泛。

　　在MAC層協議中，目前的研究表明，帶有沖突避免的有競爭CSMA/CA協議，基于TDMA的無競爭預約協議，以及將兩者相結合的混合型協議，比較適合于中壓寬帶接入網絡，并且已在實際系統中得到應用。

　　總體而言，PLC應用系統經過了模擬——單片機集成電路——現代數字信號處理技術的發(fā)展過程。中壓PLC系統起點較高，目前已廣泛采用DSP器件和專用芯片的解決方案。上世紀90年代中期以后，高速PLC芯片產業(yè)發(fā)展迅速，國外多家公司都研究開發(fā)了相應產品。

　　在市場的推動下，北美的中壓PLC寬帶接入應用系統發(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據傳輸技術，以及MV - PLC與LV - PLC為一端、光纖和無線網絡為另一端的接口技術，從而提供了從中壓傳輸到低壓傳輸，從戶外接入到戶內組網的端到端PLC解決方案。目前，該系統的主要技術已經通過實驗室試驗，Amperion公司及合作伙伴正極力推動該類接入網絡的商業(yè)進程。

　　近年來受到廣泛關注的MV - PLC接入在農村地區(qū)的應用，目前主要還停留在實驗系統的階段。文獻[1]中所介紹的接入系統物理層采用BPSK調制方法，利用BCH編碼、交織等技術對抗信道衰減和突發(fā)噪聲，MAC層使用CSMA/CD和TDMA的混合協議，在南非的郊區(qū)和低人口密度地區(qū)的中壓電力線網絡傳輸實驗中實現了Internet接入，傳輸距離達到了4 km，但未能達到VoIP所要求的QoS保證。文獻[2]中，在北美農村13.8 kV電網上采用基于QPSK調制的全雙工數字寬帶通信方案，在17 MHz和83 MHz頻段上在實現了2 Mbps的TCP/IP連接。

結語

　　中壓電力線通信技術在中壓配電自動化、城市和農村地區(qū)寬帶網絡接入等方面具有獨特的優(yōu)勢和很大的發(fā)展?jié)摿?，如果得到廣泛應用，將對國民經濟的發(fā)展產生積極的促進作用。近年來，國內外相關的研究和應用都得到了迅速的發(fā)展，有理由相信，隨著相關技術的進步和成熟，中壓電力線通信會在信息社會中扮演日益重要的角色。

參考文獻：
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