基于低壓電力線的通信技術與應用

王顯亮

【摘 要】低壓電力線載波通信指的是對已有的低壓配電網(wǎng)進行利用使之成為傳輸媒介，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞以及信息交換的一種通信技術。它最大的優(yōu)點是可以對已有的低壓配電網(wǎng)加以利用，從而能夠減少對于新的通信網(wǎng)絡的投資以及建設。本文主要對低壓電力線載波通信的特點進行了詳細分析，并對其發(fā)展慨況及現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)的闡述。

【關鍵詞】電力載波通信；特點；技術；應用

低壓電力線載波通信是以低壓配電線作為信息傳輸媒介進行數(shù)據(jù)或語音等傳輸?shù)囊环N特殊通信方式，電力線網(wǎng)絡覆蓋范圍的廣泛決定了其具有相當大的潛在利用價值。國外對此研究已有近百年的歷史，在理論和技術上有著絕對的優(yōu)勢。我國外對其進行的研究起步很早，到目前為止也取得了相當大的成績，而我國電力網(wǎng)絡比較獨特，同時對這項技術的研究也直到近些年才開始，這些都決定了我們積極進行這項技術研究的迫切性。

1低壓電力線載波通信的特點

1.1存在大量噪聲干擾

有實驗結果顯示，大量存在的噪音是影響低壓電力線上數(shù)據(jù)優(yōu)質傳輸?shù)闹饕蛑弧Ｍǔ﹄娏νㄐ刨|量產生影響的噪聲主要有3種：（1）背景噪聲，其分布于整個通信頻帶；（2）周期性噪聲，其中包括了周期性脈沖干擾以及周期性的連續(xù)干擾；（3）突發(fā)性噪聲，其產生原因是由于用電設備的斷開或者是隨機接入。有研究表明，對低壓電力線載波通信的質量產生最大影響的是脈沖干擾。

1.2信號的衰減

低壓載波通信的另一個難點是在傳輸過程中信號的衰減。同時，因為低壓配電網(wǎng)時直接的面向用戶，導致其負荷情況較復雜以及各節(jié)點阻抗不匹配，這會造成信號產生反射以及諧振等現(xiàn)象的發(fā)生，這樣就使信號的衰減變得十分的復雜。總的來說，隨著傳輸距離的加大信號的衰減也會增加。

1.3干擾的隨機性以及時變性

由于低壓配電網(wǎng)時直接面向用戶的，所以其干擾又有隨機性以時變性的特點。用戶負荷會隨機的接入以及切除，并且網(wǎng)絡結構也會出現(xiàn)由于不可抗拒因素而引起的變化例如雷電等，這些原因都使得干擾具有很強的隨機性以及時變性，從而就導致很難能找到一個準確的數(shù)學模型來對其加以描述。

2國內外發(fā)展狀況

國外對于用電力線來傳輸信號的歷史已有一百多年。例如早在1838年，就有人提出利用遙控電表來對倫敦利物浦無人地點的電壓等級進行監(jiān)測。一直到上世紀20年代，國外才對低壓電力載波通信技術開始進行研究，其研究主要工作有電力載波通信原理、電力載波調制技術、電力載波芯片的研制、電力通信信道特性分析與建模以及電力載波通信技術的推廣與商業(yè)化等等。

與國外相比較，我國關于電力載波通信的研究開始時間比較晚，但是發(fā)展迅速。最早開始研究的時間為1997年，中國電力科學研究院對我國低壓配電網(wǎng)進行了傳輸特性以及參數(shù)的測試與分析。近十年來，各高校以及研究單位都對低壓電力載波通信技術進行了大量的研究，并獲取了一定的成果。近幾年，我國在針對配電網(wǎng)的信道特性進行了載波芯片的研制以及調制技術的研究，并取得了較大的突破。但能夠實現(xiàn)低壓電力載波通信的高速、大規(guī)模以及安全應用還是需要往后長時間的研究。

3低壓電力載波通信系統(tǒng)基本原理及主要技術的比較分析

3.1系統(tǒng)的基本原理

其系統(tǒng)的組成有三個部分：終端設備、管理中心以及低壓電力線。系統(tǒng)將低壓電力線作為信號傳輸?shù)拿浇椋菇K端設備與主控計算機之間的單向或是雙向的通信得到實現(xiàn)。終端設備的信號在進行了處理后經(jīng)調制形成適合在電力線上進行傳輸?shù)碾娏π盘枺⑼ㄟ^耦合電路在電力線上實現(xiàn)傳輸。由于信號的衰減性大，因此管理中心和終終端設備的距離不能相隔太遠，一般在同個變電站的范圍內。

3.2主要電力載波通信技術的比較分析

（1）直接序列擴頻技術。利用高速率的擴頻序列在發(fā)射端擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展開的擴頻信號還原成原來的信號。直接序列擴頻方式是直接用偽噪聲序列對載波進行調制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過信道編碼后，與偽噪聲序列進行磨合生成復合碼去調制載波。它的特點是抗干擾的能力強、能抵抗多徑干擾、不易被截獲、對其他的電臺干擾小、方便實現(xiàn)多址通信以及能夠同頻工作。同時，這是當前我國應用最廣泛的低壓電力載波技術。

（2）多載波正交頻分多址（OFDM）技術。其實現(xiàn)數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)脑硎窍葘⒁唤M高速傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)轉換成低速的并行數(shù)據(jù)，之后對這些數(shù)據(jù)進行調制，使它們在相互正交的子載波上。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮斩藭r，進行并行串轉化，這樣就能得到原先的串行數(shù)據(jù)流。這種技術的優(yōu)點是可以對電力線信道多徑效應以及頻率的選擇衰落進行有效的克服，減少線性的失真以及碼間的串擾。

（3）多載波碼分復用（MC-CDMA）技術。其原理是將OFDM技術在CDMA技術中應用，將每個信息符號先進行擴頻，之后把每個擴頻后的chip調制在一個子載波上，在通過信道來進行傳輸。在接受段需要對信號進行OFDM解調、解擴和并串變換，使原始的信號被檢測出。該技術的優(yōu)點是抗干擾的能力強以及對極高的頻帶有較高的利用率，同時能夠有效的延時擴展帶來的負作用被避免，其與OFDM相比，能夠使子載波受到深衰落的影響得到有效克服。

4低壓電力載波通信技術應用領域

4.1家居智能化

家居智能化即將住宅的各個電器如微控制器、家用電器以及PC機連接成一個家庭的網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)對各種設備進行智能化以及自動化的使用與管理，因為不需要布置信號線，所以在組網(wǎng)時就不會對住宅內的美觀進行破壞。因此電力線載波通訊技術在家居智能化應用方面有著廣泛的前景，特別是在中速率傳輸應用方面，因其具有可靠性高、造價低廉優(yōu)點，故可以與″藍牙″相媲美。

4.2自動抄表系統(tǒng)

伴隨著城市住宅建設日益發(fā)展，居民數(shù)和獨立電能表數(shù)迅速膨脹，傳統(tǒng)的人工抄表方式已難以適應新的變化。所謂自動抄表系統(tǒng)就是自動采集各種計量表的讀數(shù)（如：電表、水表、煤氣表、冷氣表等），現(xiàn)在采集數(shù)據(jù)方法有：電話線、無線電、電力線和紅外線等等。電力線載波抄表系統(tǒng)則是利用現(xiàn)有的電力線為媒介進行數(shù)據(jù)收集。不但有效降低系統(tǒng)的成本同時可以方便快捷地實現(xiàn)自動化抄收。利用計算機的強大功能抄收的數(shù)據(jù)可以立即處理形成報表，同時由于雙工通訊可以很容易做到監(jiān)控用戶用電參數(shù)、欠費斷電等其他系統(tǒng)沒有的功能。

4.3新型智能化小區(qū)

智能小區(qū)是指通過綜合配置住宅區(qū)內的各功能子系統(tǒng)，以綜合布線為基礎，以計算機網(wǎng)絡為區(qū)內各種設備管理自動化的新型住宅小區(qū)。通常智能化大廈是“三A”系統(tǒng)，即：1.安全自動化（SafeAutomationSystem）：包括室內防盜報警系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)、緊急求助系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、防盜對講系統(tǒng)、煤氣泄漏報警系統(tǒng)、室外閉路電視攝像監(jiān)控系統(tǒng)、室外的巡更簽到系統(tǒng)；2.通訊自動化（CommunicationAutomationSystem）：包括數(shù)字信息網(wǎng)絡、語言與傳真功能、有線電視、公用天線系統(tǒng)；3.管理自動化（ManagementAutomationSystem）：包括水、電、煤氣的遠程抄表系統(tǒng)、停車場管理系統(tǒng)、供水供電設備管理系統(tǒng)、公共信息顯示系統(tǒng)。低壓電力載波通信技術有無可比擬的優(yōu)越性，因而在智能大廈、智能小區(qū)底層通訊方式的選取上，各公司不約而同的把電力載波通訊作為首選。

（作者單位：煙臺東方威思頓電氣有限公司）