许继PLCxiangzhuang1.doc

电力线载波通信的现状及发展方向的几点看法王奎甫孙巍许新国余涛摘要： 着重阐述了电力线载波通信发展的历史以及数字通信技术在电力线载波通信上的应用。关键词： QPSK调制；64QAM调制；话音压缩；128TCM调制中图分类号：TN913.6文献标识码：A文章编号：1003-4897(2000)01-0051-03Some viewpoints on the current state and development direction of PLC communicationWANG Kui-pu, SUN Wei, XU Xin-guo, YU Tao(XJ Changhan Communication Equipment Co.Ltd,Xuchang 461000,China)Abstract：The developing history of PLC communication and the application of digital communication technique on the PLC communication are described.Keywords：QPSK modulation;64 QAM modulation;voice compression;128TCM modulation1电力线载波通信的作用及我们的发展历史电力线载波通信是利用高压输电线进行载波通信，是电力系统中特有的一种通信方式，它不需要单独开设通道，而且高压输电线结构坚固，因此电力线载波通信既经济又安全可靠。在电力系统中，电力线载波通道主要传输以下信息。(1)传送电话信息，为电力调度服务。(2)传送远动、数据，对变电站、发电厂实现遥测、遥信、遥控。(3)传送远方保护信息，保证电力系统的稳定运行。同其它通信设备一样，电力线载波通信设备也经历了电子管、晶体管、集成电路几代产品的发展历程，如我们的SF 21X型收发信机是晶体管型的，80年代中期，我们引进了西门子公司的ESB 500电力线载波机，使我们的电力线载波机进入了集成电路的时代。吸收ESB 500载波机的基础上研制出了ESB 500G、ESB 550电力线载波机，SF 500、SF 501、SF 600、SF 601集成电路型收发信机、YTF(S) 500远方跳闸信号传输装置。2电力线载波通信的现状2.1在电力系统目前运行的电力线载波通信设备中，是以晶体管、集成电路型设备为主，所有这些产品都依据IEC495和GB7255标准进行设计的，所有技术指标均满足IEC495和GB7255标准的要求，目前这些设备都是模拟体制的，这些设备都采用单边带抑制载频调制方式，单边带调制比其它的幅度调制有显著的优点，主要表现在：(1)发信功率的有效利用率高，传输距离长。(2)占用的频带窄，信道间的干扰小，具有较高的信噪比，能更好地利用规定的载波频率范围。(3)由于载频被抑制，保密性好。在单边带系统中，一般有三种实现方法，即传统的滤波法、哈脱莱法(移相法)、韦瓦法(移相滤波法)。这三种方法都是使用平衡调制器产生抑制载波的双边带信号，如果用一个高Q值的带通器抑制掉一个边带来产生单边带信号就是滤波法。如果用一对正交的全通滤波器对音频信号进行正交相移，然后再和一对正交的载波信号进行平衡调制，最后用相加或相减的办法抑制掉一个边带从而产生单边带信号，就是移相法。如果选用一对正交副载波和音频信号进行平衡调制，用一对LPF提取下边带，再和一对正交载波信号进行平衡调制，然后用相加或相减的方法抑制掉无用边带，这就是移相滤波法。ESB 500、SF 500、SF 501、SF 600、SF 601、YTF(S) 500用的是滤波法，ESB 580用的是移相法，ESB 2000、SF 800用的是移相滤波法。2.2许继集团生产的电力线载波通信设备如下：(1)ESB 500、ESB 500G用于220kV以上的输电线路传送话音、远动、远方保护信号。(2)ESB 550用于110kV输电线路，传送话音、远动信号。(3)ESB 580用于35kV输电线路，传送话音、远动信号。(4)与保护配套产品有SF 500、SF 501、SF 600、SF 601、SF 800收发信机，YTF(S) 500远方跳闸信号传输装置。这些产品都充分运用了中、大规模集成电路、厚膜电路、有源滤波器、开关电容滤波器、数字锁相环频率合成技术，实现整机高度集成化，功能组件模块化，使设备实现系列组合和规格变换非常便利，各项技术指标符合IEC495标准和GB7255标准，主要性能优于IEC495和GB7255建议值。在现场可以不更换任何元器件，很方便地改变工作频率。3电力线载波通信的发展方向3.1在过去的几十年里，电力线载波通信在电力系统中得到了广泛的应用。随着现代通信技术的迅猛发展，各种先进的通信手段如光纤、微波通信等已迅速崛起，呈现出取而代之的强劲势态，电力线载波通信所占的比重正在下降，各网、各省局在加速地发展光纤通信，电力线载波通信是否还有发展的必要?我们认为电力线载波通信虽然所占比重正在下降，但还有发展的必要，电力线载波通信有以下优点：(1)电力线载波通信距离长，不受地形、地貌的影响，投资少，施工期短、设备简单，而光纤、微波在长距离传输时必须设置中继站，成本高。(2)电力线载波通信可靠性高，高压输电线结构坚固，高压输电线安全设计系数比光纤的安全设计系数高。(3)具有等时性，只要高压输电线一架通，载波通道就开通了。输电线架设到那里，载波通信线路就可以延伸到那里。目前我国110kV输电线路上和35kV的农网上还有大量的电力线载波机在运行，庞大的电力线载波通信网担负着电网内调度电话、远动、远方保护信息的传输，对电力系统的安全、稳定、经济运行起着重要的作用。因此对这种廉价的、电力系统独有的信道资源不应轻易放弃，应加以合理的发展，使之与高速、宽带技术长期并存，互为补充。3.2数字通信是现代通信技术发展的方向，并且在电力系统中的应用越来越广，采用数字技术来研制开发数字电力线载波机在电力系统中是很有必要的。数字载波机由于采用语音压缩技术、正交幅度调制、自适应均衡、纠错编码以及回波抵消技术，除了有模拟载波机的优点外，还有以下的几个优点：(1)通话质量得到一定程度的改善。(2)在不增加频带宽度的情况下，话音和数据的传输容量得以提高。(3)易于和标准的64kb/s接口连接，这样可用一条标准的64kb/s通路传输多路话音、远动信息，使电力通信网的组网更方便，现代通信网络系统选型时，传输容量、接口的可用性是最重要的考虑因素，数字载波机完全满足各种实用范围内对传输容量、接口和高速数据传输的要求。将扩频通信技术应用于电力线载波通信中的研究也越来越受到人们的关注，扩频通信是将信息所占用的频带展宽进行传输，它是以牺牲带宽为代价来提高信息传输的抗干扰能力、提高设备的可靠性、减少设备的发信功率，在通道特性恶劣以及低电压等级的配电网系统中采用扩频技术是一种行之有效的办法，但目前应用于频谱资源本来就很拥挤的高压输电线载波通信中还有一定困难。在通信业务日益增长，载波频段日益拥挤的今天，频谱利用率是一个主要的矛盾，必须要采用频带利用率高的数字调制技术来有效地解决这个问题。如挪威ACE32数字载波机采用64QAM调制，收发同用一个8kHz的频带，可以传输32kb/s的数据速率，可以传输3路话音，是模拟载波机的3倍。德国西门子公司ESB 2000i数字载波机采用多载波调制技术，在8kHz内传输的数据速率大于32kb/s，可达到64kb/s，可以传输9路话音。美国RFL公司的RFL9506D数字载波机，采用128TCM调制技术，在16kHz的带宽内传输的数据速度率可达81kb/s。可以看出，在数字调制技术中，如QPSK、QAM、TCM调制技术是有很高的频谱利用率，下面简单介绍一下这些调制原理。QPSK图1QPSK调制原理图四相相位键控(见图1)，它是用载波相位来传送数字信息，将输入的数据分成I、Q两个信道，因此I、Q信道的数据速率为输入数据的一半，经过调制后，所占用的频带为fb/2，这样就实现了带宽压缩，提高了频谱利用率。QAM正交幅度键控(QAM)是一种数字信息包含在传送载波的振幅和相位上的数字调制，是目前通信中大力发展的一种先进技术，具有很高的频谱利用率，以64QAM为例(见图2)，其原理如下：输入的数据信息被分为同相与正交两路为3位二进制码，经信号映射、滚降滤波成形、正交调制，然后相加得到64QAM调制，由于输入数据被分成6个信道，那么经过QAM调制后信号所占用的最小带宽为fb/6。图264QAM原理框图为了满足电力系统通信业务日益增长，许继集团正在研制全数字载波机，其性能如下： 采用128TCM调制(见图3)，在4kHz内传输数据的速率为14.4kb/s或19.2kb/s，在16kHz带宽内可传输的数据速率为81kb/s，可与标准的64kb/s数字通道相连接。TCM调制将纠错编码与QAM合为一体，使信号间的最小有效距离增加，在相同的速率、相同的带宽、相同的误码率的情况下，所要求的S/N比QAM低36dB。图3128TCM原理方框图 采用话音压缩技术，将话音压缩到4.8kb/s，在传输速率为14.4kb/s时，可传输两路话音、两路1.2kb/s的远动信息，在传输速率为19.2kb/s时，可传输三路话音、两路2.4kb/s的远动信息。 具有交替复用功能，平时传送话音、远动信息。故障时中断话音、远动信息的传输，用全功率来传输保护信号。 具有网管功能新一代的载波机具有完善的微机管理系统和人机对话界面，整机的测试、话音和远动信息通路数的调整、远动信息传输速率的设定，基本上用微机来实现。 具有丰富的用户接口，易与程控交换机、光纤、微波等设备连接，易于组网和扩容。 采用SMT生产工艺，使设备小型化，提高产品的可靠性。总之，数字通信的发展，给电力线载波通信开辟了极为广阔的前景，数字载波机极大地提高了传输容量，大大地减少了电力线载波通信所需通道的数量，有效地节约了运行频率资源。采用数字通信技术对电力线载波通信网络进行扩展和改进，无论在经济上还是在技术上都是最佳选择方案。电力线通信技术的发展发表时间:2007/8/7点击数:936投稿邮箱：657228951 张文强周志杰（南京市通信工程学院南京210016）1电力线通信概述电力线载波通信（PLC）利用输电线路作为信号的传输媒介，人们利用电力线可以传输电话、电报、远动、数据和远方保护信号等。由于电力线机械强度高，可靠性好，不需要线路的基础建设投资和日常的维护费用，因此PLC具有较高的经济性和可靠性，在电力系统的调度通信、生产指挥、行政业务通信以及各种信息传输方面发挥了重要作用。随着电力部门逐步实现调度自动化和管理现代化，PLC日益受到重视。而且随着家庭自动化和智能大楼概念的出现，PLC能方便地为各种设备（如警报系统的传感器）提供通信链路。近年来低压PLC作为最后一公里的一种解决方案也已经取得成功，特别是在小区内采用低压网作为局域网的接入方案已经投入使用。因此PLC由于其经济、可靠性而逐渐受到人们的重视。本文介绍了PLC的发展过程、发展现状，并对其发展前景进行了展望。2PLC的发展过程PLC作为电力系统传输信息的一种基本手段，在电力系统通信和远动控制中得到广泛应用，经历了从分立到集成，从功能单一到微机自动控制，从模拟到数字的发展历程，PLC中的核心电力线载波机历经了模拟电力线载波机、准数字电力线载波机、全数字电力线载波机三个阶段。 大约20世纪20年代初期国外就开始了PLC的研究，国内开展较晚。第一代模拟电力线载波机普遍采用频分复用技术和模块化结构，调制方式选用单边带调制技术，载供系统采用稳定度高的锁相环频率合成技术，可以很容易地得到收发信所需的各种载频，无需更换器件即可切换高频收发滤波器及线路滤波器，切换频段也很简单，具有多功能、通用、系列化的特点。只提供单工传输，载波工作频率为40500kHz，外加专用的调制解调器实现数据通信。典型的产品有德国西门子公司的ESB500型电力线载波机，瑞士ABB公司的ETL型电力线载波机，法国STMicroelectronics的ST7536。早期的模拟电力线载波机解决了利用电力线进行通信的问题，但是它具有模拟通信固有的通信质量差、通信容量小、传输速率低等缺点。第二代电力线载波机仍然采用模拟体制实现通信，和第一代模拟电力线载波机相比，关键技术的实现方式不同。准数字电力线载波机采用了数字信号处理技术，模拟调制、滤波、自动增益控制（AGC）等采用DSP实现。由于数字技术和中央处理机的应用，准数字电力载波机提高了整机的性能，同时增加了许多控制功能，如：技术人员可以使用微机通过串口对DSP和中央处理机进行编程，对系统参数进行设置和更改。典型的产品有德国西门子公司的ESB2000型电力线载波机，美国NationalSemiconductor公司的LM1893，通信速率可以达到48kbs。全数字电力线载波机完全采用数字体制，在信源编码、复接、基带调制等各个环节采用数字技术对信号进行处理，可以获得更好的整机性能。可以采用多电平调制技术提高频带利用率；采用回波抵消技ACE32数字电力线载波机，美国Intellon公司的SSCP300。3PLC特殊的技术问题电力网通常可以分为高压网（100kV）、中压网（1100kV）和低压网（1kV）。电力线是按照输电的要求设计的，因而实现通信必然有许多限制；而且由于电力网所处的环境不同，要在这三种电力网上实现通信要克服的困难也不同。在高压网上实现通信最容易，而在低压网上实现通信要克服的困难最多。不管是哪种电力网，要在电力线上实现通信要遇到两个问题：一个是噪声干扰强。噪声干扰主要是电晕噪声和脉冲噪声。电晕噪声又称随机噪声，是由于电力线在高压强电场作用下，对周围空气产生游离放电的电晕，以及绝缘子表面及其内部局部放电所引起的，主要存在中、高压网中。电晕噪声具有连续而均匀的频谱，类似于白噪声，它的大小与电力线路的电压、电力线的粗细以及电力线周围的环境有关。电压越高，电力线越细，电晕噪声越大；电力线周围的环境湿度增大，将会引起电力线电晕及绝缘子放电加剧，造成电晕噪声增大。脉冲噪声主要是由输电线路上的高压设备（如隔离开关、断路器等）操作、避雷器放电、线路短路以及雷电等原因引起的瞬时性干扰，在三种电力网中都存在。此外，电力线路或电气设备存在一些缺陷，如避雷线和铁塔以及开关等接触不良等，也将产生脉冲噪声。一般脉冲噪声的持续时间都很短，对话音通信的影响有限，但是对高速远动信号和远方保护信号的影响很大。信号在电力线上传输过程中会有衰减是PLC遇到的另一个问题。一般来说，信号的衰减随着传输距离的增加而增加；在高压网中，信号沿电力线路传输时还会受到天气条件的影响。实践证明，如果电力线路的绝缘良好，雨、雾、温度和湿度的变化对电力线路的衰减没有显著的影响；但是天气寒冷的地区，电力线表面上覆盖的霜雪将使电力线对传输信号的衰耗显著的增加，而且这种衰耗随着信号频率的升高而增加。而在低压网中，由于电力线直接面向用户，负荷情况复杂，各节点阻抗不匹配，所以信号会产生反射、谐振等现象，使得信号的衰减变得更为复杂。一般来说，低压网中信号的衰减与频率、工频电源的相位有关。频率增加，信号的衰减也将增加，而反射、谐振以及电力线效应等的影响也使衰减突然剧增。由于低压电力线直接面向用户，因此在低压配电网进行通信要克服更多的问题。首先低压电力线上的干扰具有周期性、随机性和时变性。周期性干扰的周期、宽度、强度和发生时间等都不固定，很难准确预测，而且这些参数的变化范围也很大，因此在低压网络上采取针对性的措施抑制这种干扰很困难，而且这种干扰的宽频谱也对接收端滤波器的防卫度提出了很高的要求。高压开关操作等引起的随机性干扰持续时间很短，一般几十微秒到几秒，出现时间具有不可预测性。这类干扰可以通过前向纠错码、码分多址技术、自动重发机制等加以克服。其次用户负荷的随机接入和切除，网络结构的变化以及其他自然因素使得人们很难采用一个准确的数学模型对低压网进行建模，目前的研究多以定性分析和实验数据测试为主，即使有学者提出了一些模型，也往往是附件了很多限制条件，不符合实际情况。由于缺乏准确的数学模型，设计PLC设备时要求它具有很好的自适应能力，以便在实际低压配电网上有很好的通信质量。最后瞬间的短路会造成严重的安全问题，因此必须为电力线通信提供安全保护。一般要求用户设备不能直接随意接入电力线，只有得到授权的用户设备才能接入电力线。4PLC的研究现状目前PLC已经发展到第三代全数字PLC。在全数字PLC中可以采用当前先进的数字信号处理技术，因此大大提高了PLC的容量和质量，使得PLC作为最后一公里解决方案成为可能。在最后一公里的解决方案中，比较成熟的有ISDN、XDSL等。但是PLC能够充分利用现有的低压配电网络，无需任何布线，是一种“No NewWires”技术，和其他接入方式相比有很多优势。下面是各种接入方案的比较表。 PLC的诸多优点吸引了国际上众多的学者、团体、公司先后投入这个领域，推动了PLC的发展。为了克服低压网上传输数据的困难，人们正试图将先进的数字信号处理技术引入到PLC中。在全数字PLC中，可以采用当前流行的语音压缩编码技术，如码本激励线性预测编码（CELP）技术、矢量和激励线性预测编码（VSELP）技术、多带激励（MBE）等，对语音信号经过压缩编码，降低输入信号的冗余，提高了频带利用率；然后与数据信号进行数字复接。可以采用自适应回波抵消技术实现双向通信；可以采用自适应信道均衡技术减小信道对通信造成的影响，提高可靠性。美国ATT公司贝尔实验室推出的VLSI单片声码器Q4401采用QCELP技术，编码速率在800bs600bs的范围内可调，速率在9600bs时的话音质量甚至优于速率为32kbs的ADPCM编码的话音质量，大大提高了通信的有效性。国内宏图高科研制的新一代全数字电力线载波机采用AMBE技术，通话质量也很好。PLC的理论研究已经从早期的模拟调制转移到数字调制方法，目前采用传统的频带传输（幅移键控ASK，频移键控FSK，相移键控PSK）的PLC日趋成熟，研究的热点是三种具有高抗干扰性的数字调制技术：多维网格编码技术、扩频通信技术（SC）和正交频分复用（OFDM）等。在传统的数字通信系统中，纠错编码和调制是独立进行设计的。纠错编码增加了冗余度，编码增益是通过降低信息传输速率获得，因此传统的纠错编码方法很难进一步提高通信系统的性能。解决可靠性和有效性更有效的方法是将编码和调制技术有机结合，将冗余度映射至与频谱展宽不直接联系的调制信号的参数扩展中，例如信号空间矢量点或信号星座数的扩展中，这就是网格编码调制（TCM）思想的基本出发点。最佳的编码调制系统应按编码序列的欧氏距离为调制设计的量度，这就要求必须将编码器和调制器当作一个整体进行综合设计，使得编码器和调制器级联后产生的编码信息具有最大的欧氏距离。1982年Ungerboeck提出了基于“集分割”原理的编码和调制相结合的网格编码TCM技术，通过扩展信号星座的大小，在不扩展带宽，不降低信息传输速率的条件下，可以获得36dB的增益。1984年，LEEFANGWei提出了克服相位模糊的相位旋转不变网格码，并被国际电信联盟ITUT采纳为PSTN上高速调制解调器的建议。多维网格编码不但采用了子集分割的思想，还通过维数的扩展减小需要存储的星座点的数量，获得更好的映射增益和编码增益，具有很好抗干扰性能，因此特别适合电力线这样干扰大的信号。目前很多国内厂家采用的就是用于PSTN上的高速调制解调器方案移植到PLC中，它的核心就是多维网格编码调制技术，目前研究的还是四维的情况。扩频通信是用伪随机编码（扩频序列：SC）将待传送的信息数据进行调制，实现频谱扩展后再进行传输；在接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理。扩频通信技术以牺牲频带为代价，降低了信噪32比，可以在极低信噪比的情况下实现可靠的通信服务。扩频通信的良好抗干扰性能使得它特别适合在低压电力线这样恶劣的信道环境下提供可靠的数据服务。而且扩频通信可以实现码分多址技术，实现不同低压配电网上不同用户的同时通信。扩频通信技术主要有直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及上述各种基本方式的组合。目前扩频通信在低压配电网上的研究已经取得初步成功，2000年Intellon公司推出了用于低压配电网的扩频芯片，而我国清华大学也研制成功基于扩频技术的低压配电网实验平台，可以通过220V低压电力线实现两台计算机之间的文件或数据的传输，传输速率可以达到10kbs。正交频分复用（OFDM）技术在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波间保持正交，频谱相互重叠，这样减小了子信道间的相互干扰，提高了频谱利用率。同时在每个子信道上信号带宽远小于信道带宽，因此每个子信道是相对平坦的，大大减小了符号间的干扰，这也使得信道均衡可以得到简化。OFDM具有抗多径干扰能力强、频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注，目前在有线和无线领域的研究都很多，在ADSL中采用的离散多音调制DMT实际上就是OFDM技术。目前OFDM在全数字电力载波通信中的研究也方兴未艾，2000年4月，Intellon公司基于OFDM的PLC研究取得突破性进展，它的组网试验的数据传输速率可达14Mbps（频带：43MHz209MHz，84路载波）。研究OFDM的重点主要是如何分配子信道的数目和如何保持子载波间的正交性。保持子载波间的正交性对OFDM性能至关重要，因此在接收机中同步问题尤为重要。5PLC的发展展望传统的PLC主要利用高压输电线路作为高频信号的传输通道，仅仅局限于传输话音、远动控制信号等，应用范围窄，传输速率较低，不能满足宽带化发展的要求。目前PLC正在向大容量、高速率方向发展，同时转向采用低压配电网进行载波通信，实现家庭用户利用电力线打电话、上网等多种业务。国外如美国、日本、以色列等国家正在开展低压配电网通信的研究和试验。由美国3COM，Intel，Cisco，日本松下等13家公司联合组建使用电力线作为传送媒介的家庭网络推进团体“Homeplug PowerlineAlliance”，已经提出家庭插座（Home Plug）计划，旨在推动以电力线为传输媒介的数字化家庭（DigitalHome）。我国也正在进行利用电力线上网的试验研究。可以预见，在将来人们可以使用电力线实现计算机联网及Internet接入、小区安全监控、智能自动抄表、家庭智能网络管理等业务，以低压电力线为传输媒介的载波通信技术必将得到更为广泛的关注和研究。未来的PLC应该能实现通信业务的综合化、传输能力的宽带化和网络管理的智能化，并能实现与远程网的无缝连接。目前，还存在以下两个方面的问题有待进一步研究：（1）硬件平台：主要包括通信方式的合理选择、通信网络结构的优化选择等。扩频方式、OFDM技术和多维网格编码方式各有优点，哪一种适合低压网还有待研究，或者也可以采用软件无线电的思想为这三种方式提供一个统一的平台。电力网结构非常复杂，网络拓扑千变万化，如何优化通信网结构也是值得研究的问题。（2）软件平台：主要包括进一步研究PLC通信理论，改进信号处理技术和编码技术以适应PLC特殊的环境。除了研究适合电力线通信的调制技术、编码技术外，还需要研究自适应信道均衡、回波抵消技术、自适应增益调整等，这些技术在低压PLC对保障通信尤为重要。（3）网络管理问题：除了上网、打电话外，低压电力线还可以完成远程自