關于電力線載波通信技術的分析

摘 要：使用電力線載波技術，在現有的供電網絡上實現數據信號的傳輸，不需要另外布線，各種用電設備之間可以在花費最少的情況下，組成智能網絡，如果能解決各種技術難題，實現普及，其優勢是非常明顯的。借此，文章對電力線載波通信技術做出初步的分析和介紹。

關鍵詞：電力線；載波通信；自動路由

1 載波技術概述

電力線載波通信分為35kV以上的高壓載波通信、10kV配電網的載波通信和民用（400V以下）電力線載波通信。高壓電力線載波通訊技術在電力系統內已經有成熟應用，在低壓電力線上實現載波通信仍然有許多技術難點：如網絡不規范、節點多、隔離多、隨機干擾等，給實用化帶來很大難度，這是阻礙低壓電力線載波通信發展，成為通信領域上的一大挑戰課題。

由于國外電力線載波modem芯片是針對本地區電網特性、電網結構，且一般是針對家庭內部自動化而設計，因此在國內使用都難盡人意。要實現電力線載波通訊技術在國內的大面積推廣，仍然需要國內芯片廠家、方案供應商、電力企業等多方合作，努力尋找各種干擾情況下的應對方案。

1.1 低壓電力線載波存在的問題。電力線上存在的復雜干擾可分為自然干擾和人為干擾。自然干擾如雷電引起的干擾，這種干擾將影響瞬間的電力線數據通訊。但可通過數據自動重發機制和糾錯機制有效地避免此類干擾對數據通訊的影響。人為干擾則是由連接在電力線上的用電設備產生的，對PLC數據通訊有嚴重的影響，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備內部產生自干擾，嚴重影響整個系統的工作。綜上所述，低壓電力線對傳輸信號的不利影響主要與低壓電力網的結構、接入的負載、線上的各種噪聲干擾和載波頻率有關。低壓電力線路上阻抗特性、信號衰減特性和干擾特性非常復雜。而且隨機性、時變性大。如何克服這些問題是低壓電力線載波通信技術的關鍵所在。

1.2 低壓電力線載波不同調制方式比較

目前，我省主要采用的窄帶調制解調技術主要有：（1）PSK相移鍵控。該方式通過調制載波的相位來傳輸數據，也是一種線性調制技術，同樣存在邊瓣再生的問題，特別在發生相位突變時，包絡不恒定而導致在通過帶限信道后頻譜發生擴散。（2）FSK頻移鍵控。通過2個不同的載波代表二進制數據中的2種狀態，來完成數據的調制，它屬于非線性調制。同時，不管調制信號如何改變，載波的幅度是恒定的，所以它也是一種恒包絡調制。它可以使用功率效率高的C類放大器，而不會使發送信號占用的頻譜增大；帶外輻射低；接收機設計簡單。不過其占用帶寬比線性調制大。在大多數情況下，數字調制是利用數字信號的離散值去鍵控載波。對載波的幅度、頻率或相位進行鍵控，便可獲得ASK、FSK、PSK等。這三種數字調制方式在抗干擾噪聲能力和信號頻譜利用率等方面，以相干PSK的性能最好，目前已在中、高速傳輸數據時得到廣泛應用。

以上調制方式都屬于窄帶通信技術，同時窄帶通信技術還包括QAM調制、無載波調幅調相（CAP）、DMT調制及擴展頻譜技術等。窄帶通信方式易于實現，但抗干擾能力弱，配電網各頻帶的衰減隨著負荷的動態投切而隨機變化，會出現衰減很大的頻帶，這使得想要選出一段完美的電力線通信頻帶很難，通常依靠選擇載波頻率在衰減小的頻帶里或者均衡技術來克服信道的變化。但這使得均衡技術非常復雜，以至于成本難以接受。同時盡管接收機具有較窄的通帶，使僅有一部分噪聲進入接收機，由于接收裝置中的濾波器具有高品質因數，瞬間的脈沖噪聲會使其發生自干擾，而低品質的濾波器又會使通帶帶寬加大，令更多噪聲進入接收器。所以窄帶通信的抗脈沖噪聲性較差。

2 波芯片在集抄中的應用

如圖1所示是典型的具有載波通訊功能的單相表設計原理框圖，載波電路的核心是載波發送和載波接收電路的設計及載波芯片外圍調制電路的設計。如圖2所示是采用載波通訊方式的集抄方案拓撲圖。

臺區集中抄表系統是以計算機應用技術、現代數字通信技術、低壓電力線載波數據傳輸技術為基礎的大型信息采集處理系統。由系統主站、臺區集中器、客戶側直接載波電能表，以及主站與集中器、集中器與載波電能表之間的數據傳輸信道組成。下面對集抄應用中的幾個載波相關功能進行說明和介紹。由于各個載波芯片廠家的方案略有不同，所以只是做原理性介紹。

2.1 耦合電路（Coupling電路）。耦合電路如圖3所示，其是載波信號的輸出和輸入通路，并起隔離220V/50Hz的工頻的作用。該電路在設計時需考慮220V線路側的阻抗特性。信號耦合變壓器，220V線路側阻抗一般取3～30n。然后確定線圈初次級的匝數比或阻抗比。最后設計功率放大器的輸出匹配電阻。

2.2 濾波電路（Filter電路）。如圖4所示濾波電路，該濾波器為帶通濾波器。其不僅要將帶外雜波濾除，還要保證前后級之間的阻抗匹配，以達到順利傳遞信號的目的。由于主晶振的工作頻率不同，載頻也不同；調制周波數和數據傳輸速率不同，帶寬也不同。因此，濾波器的參數在主晶振頻率不同時也將有所變化的。本電路的帶通頻率范圍是400kHz～600kHz。

2.3 信號放大電路（PAMP電路）。如圖5所示為信號放大電路，其放大的目的是將濾波后的信號不失真的放大75倍以上，以達到30dB以上增益的要求。特別注意的是小信號的不失真。因為主要是完成小信號的放大。并注意電路本身的噪聲干擾不能過大。經該放大電路放大后可接入運算放大器繼續將信號放大。

2.4 自動路由功能。集中器與載波表之間的傳輸距離受線路特性的影響，而一次成功的通信，首先要滿足本地接收信號的解調信噪比。根據我國電網的實際經驗，500m以內的范圍是單級載波可靠傳輸的理想距離。要做到任何情況下抄通率的100%，肯定需要中繼。在集抄系統中，自動路由算法包含在集中器內，通過載波協議，每一電表終端模塊都可作為其他電表的中繼。當需要中繼時，集中器能根據線路的情況，實時、智能、快速地調整路由，完成集中器到目的電表的通信，無需人工干預。而固定中繼是不可取的，既難以維護，實效性也差。綜合各地需求，集中器的自動路由最多要求達到7級，保證系統2km的最遠距離。

3 結束語

綜上所述，在環境條件良好的情況下以載波為通訊方式的集抄系統不失為一種好辦法，且此方式已在全國范圍內展開。目前在我省用電信息采集系統建設中已經采用此方式做為集抄改造工程的首選方式，且效果良好。從目前而言，電力網有可能成為繼寬帶網絡、電話、無線通信、衛星通信、有線電視等通訊技術之后又一個可以普及的通信技術。

參考文獻

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