電力線載波通信技術發展現狀及其應用前景

馬曉奇

● （遼寧省電力有限公司，沈陽 110005）

電力線載波通信技術發展現狀及其應用前景

馬曉奇

● （遼寧省電力有限公司，沈陽 110005）

在分析電力線載波通信技術特點的基礎上，總結了電力線載波通信技術的發展現狀以及應用，并對其在集中抄表系統以及智能家庭網絡的應用進行了可行性分析，最后還對該技術的發展趨勢進行了展望。

電力線載波通信；集中抄表系統；智能家庭網絡

0 引言

隨著信號技術的發展，低壓電力線載波通信技術的優勢和巨大應用前景逐漸顯現,它現已在遠程自動抄表系統（AMR）中得到越來越多的實際應用，同時其在智能家庭網絡領域的發展也是突飛猛進。自動抄表系統推廣使用的過程中，電力線通信信道技術的優勢不斷顯現，現在電力線載波通信技術在電表智能化上也得到了成功的應用。電力線載波在智能家庭網絡系統研究及應用，目的是通過電力線載波網絡實現家庭內用電設備的智能管理、能耗統計并采用數字家庭服務的模式實現家電的遠程控制，為其賦予更多的業務應用。

1 電力線載波通信技術

電力線通信是通過電力線載波來進行網絡信息傳送的技術。該項技術發展之初主要是應用在11kV以上高壓線路的遠距離傳輸，其在150kHz以下頻率段工作，如今該頻段已被歐洲電技術標準化委員會確定為電力線通信的正式頻段。發展到20世紀中期，高壓電力線通信已被廣泛用于遠程監控、設備保護以及語音傳輸等領域。20世紀50年代以后的30多年中，電力線通信得到了極大的發展，逐漸擴展到中壓和低壓電力網絡。美、德及英等發達國家已在低壓電力線載波通信研究方面取得了突破性進展。英國曼徹斯特的 NORWEB供電公司最早提出了低壓電力線載波通信的概念，并首次在配電網上完成了25個終端用戶的電話與數據通信Mbit/s的系統。

國內部分科研單位和生產廠商在20世紀80年代末至90年代中期，開展了大量的自動抄表系統組網方式及電力線載波通信技術的理論和試驗研究工作。這期間集中抄表系統遠程通信方式以PSTN撥號為主，該方式基本能夠滿足當時的應用需求。本地通信方式主要是485總線、電力線載波等，在載波通信調制方式上，經歷了FSK、PSK等調制方式，而在通信頻帶上，試驗了窄帶和擴頻通信。

自2003年開始，基于電力線載波的抄表應用得到了快速的發展。與其他通信方式相比，電力線載波通信具有方便快捷、無須人工與信道交互及維護成本低等優勢，其應用前景巨大。隨著電力線載波通信技術物理層調制/解調與糾錯的不斷發展以及半導體集成電路規模的不斷擴大，內嵌復雜數字信號處理技術的超大規模電力線載波通信集成電路的抗干擾能力也得到了極大提高。通過信道頻帶自適應技術，已經可以實現通信網絡相鄰節點間信號的可靠傳輸。

國內幾家大的電表供應商也于2005年開始研發以網絡神經元芯片為技術核心的第三代載波通信產品。第三代芯片在物理層、網絡層及鏈路層等方面的技術上都有了突破性的提高，但能用于電力線通信的窄帶載波通信芯片國內僅有幾家（2～4）廠家能夠提供。當前迫切需要解決的關鍵問題在于：任意相鄰節點物理層通信保障能力與具有幀中繼控制的網絡傳輸協議。部分企業開始借助先進的數字信號處理與信道編碼技術、自適應對通信頻帶選擇性地做窄帶調制/解調及在芯片內部嵌入微處理器進行網絡傳輸與信息安全控制等方式進一步提高電力線載波通信芯片質量，獲得了良好效果。

2 電力線載波通信的主要技術

當前主要從調制方式、傳輸速率及寬帶等三個方面對現有的低壓載波通信芯片技術進行歸類。

就使用帶寬角度而言，可將電力線載波通信方式分為寬帶電力線載波通信和窄帶電力線載波通信。寬帶電力線通信技術是利用電力線傳輸高速數據和進行話音通信的一種通信技術，其是目前“四網融合（寬帶數據網、電話線、有線電視、和低壓配網）”研究的關鍵技術之一，主要用途是為居民用戶提供寬帶上網和話音業務服務，而技術大多采用正交頻分復用OFDM技術等。所謂寬帶電力線載波通信技術就是指頻寬限定在3—500kHZ、而通信速率低于1Mbit/s的電力線載波通信技術，其實現技術多采用 PSK技術、FSK技術、直接序列擴頻技術和線性調頻技術（Chirp）等。

而就發展歷史來看，電力線載波通信又可分為傳統頻帶傳輸技術和當前流行的擴頻通信（SSC）技術兩類。第一類電力載波通信技術是指借助載波調制方法將有用數字信號的頻譜疊加到較高的載波頻率上，常見的調制方式有幅值鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相位鍵控(PSK)以及后續派生的相關調制技術。傳統頻帶載波通信技術的最大不足就是降噪能力有限。

擴頻/展譜通信是這樣一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于傳輸信息所必需的最小帶寬，其中通過編碼及調制來實現頻帶展寬，從而頻帶展寬與通信數據本身無關；最后接收端接收信息則使用相同的擴頻碼相關解調來解擴及恢復所傳信息數據。

2.1 擴頻通訊（SSC）技術

20世紀 50年代，美國麻省理工學院成功研制的NOMAC系統標志了擴頻通信（Spread Spectrum Communication，SSC）技術全面研究的真正開始。20世紀70年代，Dixon出版了第一部擴頻通信的概述性專著《Spread Spectrum System》；而到20世紀80年代初，由Holmes撰寫的擴頻通信理論性專著《Coherent Spectrum System》面世。

SSC技術的基本原理是通過偽隨機編碼對待傳送數據進行調制，從而將信息進行頻譜擴展后再傳輸，最后在接收端再采用編碼時相同的編碼進行信息的解調及相關處理。

其中：C為通信信道的容量，W則為通信頻帶寬度，而S / N則為信號噪聲比值。

從上述香農公式可以看出通信頻寬（W）和信噪比（S / N）是可以互換的，即如果通信頻帶寬度增加，則可以在較低信噪比情況下以任意小差錯概率實現相同信息率信息傳輸。上述特點是擴頻通信技術的優勢，也是SSC方法的核心。

2.2 OFDM技術

正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是多載波調制技術的一種，其原理是將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上實現傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

目前通常通過數字信號處理（DSP）技術進行調制和解調，DSP具有抗噪聲、抗干擾及抗衰落等優點。但就目前看來，如果要將其普遍應用與自動抄表系統，還需要研發價格低廉的DSP芯片。

2.3 幅值鍵控（ASK）技術

“幅值鍵控”又稱為“振幅鍵控”，縮寫為（Amplitude Shift Keying，ASK）。ASK技術是載波的振幅隨著數字基帶信號而變化的數字調制方式，相當于模擬信號中的調幅方式，但在ASK技術中與載頻信號相乘的是二進制數碼。ASK實質就是保持頻率和相位為常量，而視振幅為變量，其信息比特通過載波幅度進行傳遞。

當ASK的數字基帶信號為二進制時，則為二進制振幅鍵控（2ASK），此時調制信號只有0和1兩個電平，相乘的結果相當于載頻要么關斷、要么接通，即當調制的數字信號為“1”時，傳輸載波則導通；而當調制的數字信號為“0”時，傳輸載波則截止。

2.4 頻移鍵控（FSK）技術

頻移鍵控（Frequency-shift keying，FSK）技術是信息傳輸中應用較早的一種調制方式。通過基帶信號對高頻載波的瞬時頻率進行調制的方式叫做調頻，其在數字調制系統中則稱為FSK技術。

當今數字化時代，電腦通信就是通過FSK技術在數據線路（電話線、網絡電纜、光纖及無線媒介）上進行傳輸的，即把二進制數據轉換成FSK信號后傳輸，然后再將接收到的FSK信號解調成二進制數據，并用高、低電平來表示這些二進制語言，以便計算機能夠識別。

FSK是通過載波頻率來傳送數字消息的，即用所傳送的數字消息對載波頻率進行控制。數字調頻原理上也可通過模擬調頻法實現，即利用一個矩形脈沖序列對一個載波進行調頻，它是頻移鍵控通信方式早期的實現方法。

FSK技術實現起來比較容易，抗干擾和抗衰落的性能也較強。其缺點是占用頻帶較寬，頻帶利用率不夠高，因此，其主要應用于低、中速數據的傳輸，以及衰落信道與頻帶較寬的信道。

2.5 相位鍵控（PSK）技術

對信號傳輸系統進行調制，最簡單的方法是通過0和1實現調制。載波相位表示信號占和空或者二進制1和0。對于有線線路上較高的數據傳輸速率，可能發生4個或8個不同的相移，系統要求在接收機上有精確和穩定的參考相位來分辨所使用的各種相位。利用不同的連續相移鍵控，這個參考相位被按照相位改變而進行的編碼數據所取代，并且通過將相位與前面的位進行比較來檢測。

相移鍵控（phase-shift keying，PSK）技術是用載波相位表示輸入信號信息的調制技術，分為絕對相移鍵控和相對相移鍵控（又稱差分相移鍵控）技術。PSK信號是同頻率、相位不連續的恒定包絡信號，不能根據包絡檢波進行解調，而只能基于相干解調。相干解調利用乘法器，輸入一路與載頻相干（同頻同相）的參考信號與載頻相乘，但PSK信號沒有載波頻率線譜，而通常是從接收到的PSK信號通過倍頻或分頻得到相干載波。PSK所用分頻電路為雙穩態觸發電路，電路初始狀態往往是隨機的，因而所恢復的相干載波初相也是不確定的，即會出現“相位模糊”現象而差分相移鍵控（DPSK）技術則可以很好地解決上述“相位模糊”問題。

ASK、FSK和PSK三種數字信號通信調制技術中：FSK與PSK信號功率相當，但就頻帶利用率來看PSK效果更優而就相同的接收方式而言，PSK、FSK、ASK的誤碼率依次遞增。這樣在帶寬緊張、相對速度要求高及外界噪聲干擾嚴重情況下，選用PSK技術較優。

3 電力線載波通信技術的應用

3.1 基于電力線載波通信技術自動抄表系統的可行性分析

基于電力線數字通訊技術的自動抄表系統可以通過微電腦集成技術實現低壓配電網中用戶終端數據采集、監控存儲、傳輸和處理的自動化、一體化。相關產品功能完善傳輸精度高、可靠性高、容量大、開放性好及性價比高，現已逐漸成為電力市場計量收費系統以及低壓電力網提供增值服務的理想配套產品。集中抄表系統網絡結構如圖 1所示。

3.1.1 電力線載波通信技術在自動抄表系統中應用的優點

自動抄表系統應用中，電力線載波通信技術以堅固可靠的電力線為信號傳輸線路，這樣便可節省大量的信道鋪設投資花費。此外，選用電力線載波通信技術還將帶來穩定可靠、路由合理及安全保密等諸多好處。

隨著城市化進程的不斷加快，居民戶數和獨立電表的數目急速增長，同時多電價消費制度開始推行，抄表計量工作日趨復雜，以往勞動密集的人工抄表方式已難以適應新時期需要，而如果采用基于電力線載波通信技術的自動抄表系統則可以實現：

1）自動將用電情況快速準確地傳送到遠程供電局計算機中心；

2）聯系供電局和銀行，用戶無需再費時地到供電部門交電費；

3）準確記錄各類不同用戶的用電負荷情況以便與后續分析；

4）自動計算各環節電量以便及時發現不明的電量損失及盜竊用電；

3.1.2 電力線載波通信技術實現自動抄表系統的條件

1）自動抄表系統實用性與先進性

系統的選用均存在性價比的問題，自動抄表系統的選用也不例外。產品結構越復雜、技術越先進，則產品投資就越高，相應的產品成本也就越高。電力線載波自動抄表系統是否能進行實時通訊是衡量其先進與否的關鍵。需要根據自動抄表系統的性價比選擇合適的產品。

2）自動抄表系統傳輸準確性與通信信道

當前通訊技術高速發展，抗干擾技術日趨成熟，數據經過編碼加校驗后通過信道傳輸。電力線和專線通信信道均可以保證數據的正確傳輸，但二者的通信成功率是有差異的。

3）波自動抄表系統通訊距離

目前低壓電力線載波自動抄表系統以臺區為單元，臺區內采用電力線，數據采集集中后再通過其它信道上傳，故通信距離主要指一臺變壓器供電范圍內數據在沒有集中前的傳送距離。它是衡量系統優劣的重要指標，其關系到系統的使用性。

4）電力線載波自動抄表系統的價格定位

系統的建設資金是影響和決定居民電表自動抄表系統全面推廣使用的決定性因素之一，直接體現即是產品的價格。因此想要全面推廣自動抄表系統，就需要抄表系統產品模塊具有高性能、低成本。

5）電力線載波自動抄表系統已經基本具備實用化應用條件

電力線載波自動抄表系統在我國已有四、五年的發展歷史，產品技術水平不斷提高。新技術新材料的應用和企業大量推廣使用等都將促使該類系統應用成本的降低，得到市場的認可。

3.2 基于電力線載波通信技術智能家庭網絡的可行性分析

低壓電力線無疑是家庭中分布最廣泛的有線網絡介質，幾乎所有的家用電子產品都是連在220V的電力線上。采用電力線作為家庭網絡控制流的通訊介質，不存在重新布線的問題，無疑是最方便的。智能家庭系統網絡結構如圖2所示。

圖2 智能家庭系統網絡結構

3.2.1 電力線載波通信技術實現智能家庭網絡的優勢

隨著電力線載波通信技術的深入發展，電力線接入Internet的問題已經得到解決。與現有的以太網、非對稱數字用戶線路（ADSL）及光纖電纜同軸混合網絡（HFC）等寬帶接入技術不同，基于電力線載波通信的智能家庭網絡具有如下優勢：

1）無需假設新線。據估算全國電力通信網已建成：數字微波通信電路64000 km、電力線載波電路650000 km、光纖通信電路6000 km，衛星通信地球站36座以及大量的城市電纜系統。發展基于電力線載波的智能家庭網絡，只需將這些已有的電信基礎和電力網連接起來。

2）廣泛分布、接入方便。當前我國的電話用戶大概在3億戶左右，可見還有很多地方是民用通信網所無法覆蓋的。但就電網而言，只要有電線的地方電力系統專用通信網就能覆蓋，其覆蓋范圍更廣。

3.2.2 電力線載波通信技術實現智能家庭網絡的前景

智能家庭網絡系統的出現和推廣研究給電力線載波通信技術帶來了新的機遇。系統以PC或家庭網關為核心實現家電的智能控制。因為控制數據僅在家庭范圍傳輸，束縛電力線載波通信技術應用的困擾將不復存在，而對家電的遠程控制也可以采用將電力線載波通信技術通過專用設備（如PLC Modem）聯入家庭網關后再實現其遠程控制。電力線載波控制信號傳輸網絡連接數字家庭服務終端，進而連接智能家庭網絡服務平臺，實現家庭三表（電、水、氣表）數據的上傳和對家庭用電的遠程管理控制。

智能家庭系統網絡是數字家庭服務網絡的子網絡，其子網網關即為電力Modem。三表和家電經過家電智能管理面板接入家庭電力網絡，進而通過家庭服務終端連接至家庭服務網絡。家電智能管理面板主要功能為實現基于電力載波信號的開關控制和電耗數據傳輸。因此用戶可以使用家電智能管理面板統計家電的實際損耗，并可以通過數字家庭服務平臺提供的服務實現對家庭內部電器的遠程開關機，進而達到節約能源和安全使用的目的。

3.3 電力線載波通信技術的應用前景

隨著科學技術的發展進步以及我國城市化進程的不斷推進，電力線載波通信技術將會在我國現代化進程中發揮越來越大的作用。

基于電力線載波的自動抄表系統能夠把底層電表的用電信息準確快速地傳送給計算機中心，這為用電管理部門進行業務分析提供了海量數據，提高了用電部門的計算機自動化管理水平，將為抄表管理帶來一次“革命”。

XDSL和光纖接入服務引起了 Internet的第二次“革命”，這些技術使 Internet的傳輸速率是傳統撥號接入速率的數十倍到上百倍。通過前面的分析可見，電力線載波技術的應用也將再次給網絡的接入方式帶來第3次“革命”。

電力線載波技術將與Internet網絡連接，將更快的實現家庭網絡的智能化。基于電力線載波的智能家庭網絡系統主要解決智能家庭以下幾個關鍵問題：

1）設計家電智能管理面板，實現局域耗電計量，計算家電際耗能與損耗；

2）實現基于家電管理面板的家庭內部家電控制，實現部分家電的智能化改造；

3）連接基于電力線載波的數據傳輸網絡和數字家庭服務網絡，實現家電設備的遠程控制管理，減少家庭能源損耗。

未來10年，電力線載波通信技術必然向兩個方向發展一是面向Internet接入服務的高速電力線通信；二是面向負荷控制集中抄表的中低傳輸速率的窄帶遠距離電力線通信。

4 結論

本文首先對電力線載波通信技術的特點進行了分析，然后概述了電力線載波通信技術的發展現狀應用。不僅從理論層面上對電力線載波技術作了系統性分析，同時從應用角度上對電力線載波通信技術的應用潛力進行了預測。電力線載波通信技術表現出諸多優勢，其將會在我國電網及網絡現代化進程中發揮更大的作用。

[1]陳鳳,鄭文剛,申長軍,等.低壓電力線載波通信技術及應用[J]. 電力系統保護與控制, 2009, 37(22)188-195.

[2]戚佳金,陳雪萍,劉曉勝.低壓電力線載波通信技術研究進展[J]. 電網技術, 2010, 34(5): 161-172.

[3]Smitch A. A.. Power line noise survey[J]. IEEE Trans on Electromagnetic Compatibility, 1972, EMC-14(1): 31-32.

[4]Garrity T. F.. Getting smart[J]. IEEE Power & Energy Magazine, 2008, 6(2): 38-45.

[5]陳琪.配電網自動化系統體系結構和通信方式的選擇[J]. 貴州電力, 2010, 13(6): 46-48.

[6]湯效軍.電力線載波通信技術的發展及特點[J]. 電力系統通信, 2003, 24(1): 47-51.

[7]楊清翔.基于電力線載波擴頻技術的智能家庭網絡的研究[D]. 遼寧工程技術大學碩士學位論文, 2006.

The Development Status and Application Prospect of Power Line Carrier Communication Technology

MA Xiao-qi
(Liaoning Electric Power Company Limited, Liaoning Shenyang 110005, China)

Basing on the analysis of power line carrier communication technology characteristics, the development status and present application of power line carrier communication technology are reviewed. The feasibility analysis of its application on the automatic meter reading system and intelligent home network is made.The development prospect of the power line carrier communication technology is given in the end of this paper.

the power line carrier communication; automatic meter reading system; intelligent home network

TN913.6

A

馬曉奇(1961-)，男，高級工程師。從事電能計量及用電信息采集工作。