電力線載波通信實驗在本科教學中的探索

陳宏

摘 要 電力線載波通信是電力系統特有的通信手段，為了使學生掌握電力線載波通信技術，在實驗教學中采用LonWorks技術和窄帶電力線載波通信實現實時監控，將計算機通信理論知識和電力線載波通信實踐相結合，激發學生學習的興趣，主動建構電力線載波通信知識點，不僅提高了學生的分析能力，還提高了學生在電力線載波通信方面的設計技能，培養了學生的創新能力。

關鍵詞 電力線載波 頻移鍵控 正交頻分復用 實驗教學

Abstract The Power Line Carrier Communication is special communication in electrical system. In order to make the undergraduates master this technology， the real time monitoring experimental teaching is set up with LonWorks and Narrow Band Power Line Carrier Communication， which combines the computer communication theory and Power Line Carrier Communication theory to stimulate students enthusiasm and construct the knowledge actively. The Power Line Carrier Communication experimental teaching improves students analysis， enhances students design capability on Power Line Carrier Communication， and cultivates students creativity.

Keywords Power Line Carrier； frequency shift key； Orthogonal Frequency Division Multiplexing； experimental teaching

0引言

電力線載波（Power Line Carrier，PLC）通信作為電力系統特有通信方式，是一種經濟、可靠的通信手段。[1]電力線載波通信在現有的電力線上，利用載波方式將模擬或者數字信號傳送出去、接收進來，隨著智能城市、智能家居、智能生活的概念進入現代化城市發展的方向，電力線載波通信技術有了更加廣闊的應用前景。廣義的PLC 技術包含兩個大的分支，一個是面向配電網自動化的，簡稱DLC（配電線路載波）；另一個是面向進戶線路和戶內線路的，稱為PLC（線路通信）。[2]電力線載波通信技術利用現有的電源供電線路網絡傳送信息，利用電力線載波技術進行通信，和無線通信需要射頻發射和接收設備相比，減少了設備投資，具有便捷、直接接入、低成本、低功耗等的優點。電力網絡分布極其廣泛，電力線載波通信系統可復用現有的電力線網絡而不需額外的布網開銷。[3]作為電力網絡傳輸信息的一種方式，電力線載波通信的傳輸距離和信號質量一直是最關注的技術問題，在傳輸距離上要求越長越好，在信號質量方面要求誤碼率越低越好。研究電力線載波通信技術發現，其最大傳輸距離可達十幾千米，系統可靠性高，且專有通道可以保證數據安全。電力線載波通信中壓、低壓均可覆蓋，適用于用戶信息采集、負荷管理等業務，以及配電自動化、智能電動車充電站等擴展業務。[4]此外，電力線載波通信還適用于智能路燈控制系統、[5]視頻監視系統、[6]建筑能源管理[7]的數據互聯網通信。在實際應用中，電力線載波通信包括寬帶電力線載波通信和窄帶電力線載波通信。寬帶電力線載波通信的高頻段實現在2-30MHz高速傳輸數據，高段頻率受到電磁兼容的限制，而窄帶電力線載波通信是低速數據通信方式。[8]第一代窄帶電力線載波通信采用相移鍵控或者頻移鍵控的每秒十幾千赫茲的數據傳輸方式。[9]

實驗教學因其自身的特點和作用可以全方位地培養學生的創新意識和創造能力， 是實現創新教育的重要途徑。[10]為了使學生掌握計算機網絡通信的發展，熟悉信息在電力線網絡中傳輸的實現方式，了解電力線載波通信技術的實踐機理，培養智能城市、智能家居、智能生活建設的科研技術人才，在實驗教學中采用LonWorks技術和窄帶電力線載波通信實現實時監控，將計算機通信理論知識和電力線載波通信實踐相結合，激發學生學習的興趣，主動建構電力線載波通信知識點，對培養設計電力線載波通信的技能有很好的指導作用。

1電力線載波通信實驗準備和實施

1.1實驗準備

（1）實驗器材的準備。實驗器材包括計算機、實驗板、電力線網絡。需要完成LonWorks軟件的安裝，控制節點的設置和功能配置，然后完成實驗板與電源線的連接，完成實驗節點燈泡的安裝。

（2）實驗內容的預習。要求學生仔細學習計算機網絡通信中7層開放互聯層及其訪問關系，預習電力線載波通信時媒介訪問的控制處理，了解模擬調制和數字調制的工作原理和調制方式，明白實驗目的和實驗注意事項。

1.2實驗實施

（1）實驗目的。實驗準備工作完成之后，學生根據實驗需求完成通信網絡的建立和控制節點的選取，用LonWorks軟件的網絡變量控制電力線網絡中的節點工作狀態，觀察實驗現象，進一步理解理論知識，發現實踐操作和理論理解之間的差距，并校正對相關知識點的認識。激發、引導學生的積極探索的興趣，培養學生在電力線載波通信技能中的工作能力。

（2）實驗原理和內容。國際上的電力線載波通信采用的調制技術有三種：單載波類、擴展頻譜類和正交頻分復用調制技術。[11]分別滿足不同通信質量要求的電力線載波通信。endprint

采用單載波、并且用數字信號控制高頻率的載波頻率的調制手段使用2 個不同頻率的高頻載波傳送“0”、“1”信號，這樣通信不必過分依賴于電力線路的質量，能較好地適應頻繁變化的線路阻抗和噪聲干擾，同時其所需的頻帶較窄，既兼顧了設備的抗干擾性能，又不致使系統復雜、昂貴。另外，由于頻率調制技術相對成熟而可靠，又有著成本低廉的優勢，所以在當前得到了廣泛應用。[2]擴展頻譜技術有直擴通信，軟擴頻通信和并行組合擴頻通信幾種。[12]是近年來發展迅猛的一門學科，擴頻技術在傳輸信息時，傳輸帶寬遠大于信息本身的帶寬，信號功率譜密度很低，接收端通過相關接收，將其恢復到信息帶寬的一種技術，[2]擴頻技術的理論依據為香農公式，如式（1）所示：

C=Blog（1+S/N） （1）

其中C為信道容量，B為信道帶寬，S/N為信噪比。通過增加帶寬B，保持C不變，就可以在較低的信噪比的情況下，保持以原來較大的傳輸速率無差錯的傳輸信息。[13]

正交頻分復用是一種多載波調制技術，提高了數據的傳輸速率，有效抵抗脈沖干擾噪聲的影響。[2]在電力線載波通信實驗中，數據量小，實驗室通信干擾小，采用單載波的頻移鍵控就可以達到通信質量要求。學生在實驗室設計實現了對輸入開關信號的讀取和對輸出亮燈信號的寫入，采用在電力線上的窄帶電力線載波通信的工作方式。

窄帶電力線通信是指工作在3kHz～500kHz頻率范圍，通過使用已有的電力線設施作為傳輸介質實現通信的方法，可以代替無線通信或者其它有線通信標準，從而降低成本。 而可以使用的頻帶范圍由各個國家的頻帶管理機構來指定和劃分，如歐洲由CENELEC（歐洲電工技術標準化委員會）規定的頻帶為3kHz～148.5kHz，美國由FCC機構（美國聯邦通訊委員會）規定的頻帶范圍為9kHz～490kHz， 日本則由ARIB（日本無線工業及商貿聯合會）規定頻帶范圍為10kHz～450kHz，我國對于3kHz～500kHz這段頻率段如何使用并沒有規定， 但電科院更傾向于使用3kHz～90kHz頻段。[14]使用的主要有以下幾種技術規范： 基于FSK、PSK、S-FSK調制和單載波、雙載波技術的低速電力線窄帶規范（IEC61334-3-1、IEC 61334-5等）和基于OFDM（正交頻分復用） 的多載波調制技術的高速電力線窄帶規范——包括由PRIME聯盟提出的PRIME標準及由ERDF（法國配電網絡公司）和Maxim（美信公司）聯合公布的G3-PLC標準。[3-4][14]

實驗中，每個實驗裝置有4個輸入端口和4個輸出端口，每臺電腦可以控制2個實驗裝置上的共8個輸入端口和8個輸出端口。根據需要抽取其中的3個端口，通過LonMaker編程來控制輸入輸出信號，查看結果。

在實驗過程中，既沒有無線通信的收發裝置，也沒有網線、電話線、數據線等可連接的線路，直接在220V供電電源線上，實現了計算機對控制節點的信息傳輸，實現了智能管理電力線網絡中的電子設備的工作狀態，同學們覺得很新奇，積極性都很高，認真思考，體會到智能城市、智能家居、智能生活的技術理念，進一步要求學生探討在家庭環境中，為了用計算機本地或者遠程控制家電的工作狀態，必須在計算機和家電之間建立數據傳輸，無線傳輸的傳輸質量被每個單獨的房間影響，架設信號線網路增加成本、而且必須固定家用電器的位置，所以目前電力線載波通信是智能家居的有效方法之一。學生獲得了在實驗課上理論理解和實踐探索相結合的學習樂趣。如圖1所示。

（3）實驗結果分析。實驗結束后，教師和學生對實驗結果進行討論，探索在計算機和電力線網絡上電子設備在通信中的數據鏈接方法，激發學生的學習興趣，進一步閱讀文獻和資料，挖掘其中的通信協議，深入理解電力線載波通信的本質，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

2電力線載波通信實驗的效果

開展電力線載波實驗以來，結合當前智能城市建設的需求，使學生感受到課本知識和社會發展之間的密切關系，在實驗教學中獲得較好的教學效果。

2.1學生實驗積極性高

電力線載波實驗獲得了熱烈反響，學生們積極提問，深入思考，尤其是當前節能環保、綠色生活、智能生活的理念深入人心，電力線載波通信也是人們開展廣泛探索智能生活、工業智造的有效技術手段之一，電力線載波實驗把電力線載波通信的構架和實現手段展現在學生面前，受到學生的歡迎。

2.2實驗效率高

在實驗過程中，學生能夠在有限的空間和時間內充分了解電力線載波通信的原理和方法，學生深入研究和理解了電力線載波通信的技術手段、帶寬要求和通信協議，在實踐操作中體會實驗電力線載波通信技術的應用。在實驗室不需要額外增加信號線路，在計算機和實驗板之間通過電源線傳輸信號，信號直接接入，方便快捷。

學生感受直觀、生動，可以瀏覽計算機上的網絡節點、檢查實驗板上相應節點狀態變化、再分析計算機上功能編碼，代碼和實驗結果一目了然，快速發現問題、分析問題和解決問題。

2.3激發學生的創新興趣

學生在實驗課上深入開展功能設計，如單個輸入信號控制一路節點，每個輸入信號控制多路節點，多個實驗板之間相互控制對方的節點等等，測試并記錄實驗現象，學生在實驗報告中進一步分析和討論，通過理論聯系實踐，學生提出了智能控制的深度討論和創造性的假設，為激發學生的創新能力提供了實驗平臺。

3電力線載波通信實驗的總結

3.1 實驗結果

在實驗室通過電力線載波通信的方式監控輸入和輸出信號，實現了用戶靈活定制的監控和切換功能。

首先對于電力線上的燈的“亮”和“滅”可以通過電腦查看狀態。其次對于燈的狀態可以設置不同的網絡結構來控制，比如，1個開關分別控制1盞燈，或者1個開關同時控制2盞燈，或者1個開關同時控制1臺實驗裝置上的2盞燈，等等。第三可以按照需求更改控制端口的對應關系。endprint

3.2 存在的問題和改進

在實驗室實現電力線載波通信，需要配置實驗裝置和軟件、硬件，主要存在的問題有：

（1）實驗裝置采用的LonWorks電力線載波軟件，在電腦安裝軟件后，電腦升級換代都會影響軟件運行，需要重新安裝軟件和申請許可密鑰。目前只能先固定電腦，開展電力線載波通信實驗，具有局限性，這也是LonWorks軟件本身的局限。

（2）采用220V的低電壓電力線載波通信，電力線網絡的傳輸距離和傳輸節點阻抗匹配方面都有要求，實際工作電力線上的干擾和噪聲還是會影響信號傳輸質量，比如我國城市用電規定50Hz、220V的電力線有效傳輸半徑是250m，衰減在4%。[15]由于實驗室電力線環境簡單、電子設備少、網絡環境很好，輸入輸出信號都是比較簡單的“開通”和“關斷”信號，所以從開展實驗以來，測試結果一直都很好，實驗教學效果令人滿意。

4結語

布魯納認為“教學過程是一個學生探究和發現的過程”。[16]在電力線載波通信實驗教學中，通過理論聯系實踐，實驗設備緊密結合實驗教學內容，采用LonWorks技術和窄帶電力線載波通信實現實時監控，將計算機網絡通信理論和電力線載波通信技術在電力線載波通信實驗中有機融合，采用理論和實踐相結合的思路，建設實驗教學內容，為學生建立了探索研究電力線載波通信的平臺，讓學生把抽象的理論變成實踐中的應用，在實驗中利用軟件編程和網絡設計對電子設備開展智能管理、實時監控、遠程控制，不僅提高了學生在信號傳輸技術應用方面的視野，開拓了電力電子技術的研究思維，還提供了學生在電力線載波通信技術中的實踐技能，培養了學生的創新能力，收到了良好的教學效果。

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