通信领域中电力线载波通信的应用及其原理

1、通信领域中电力线载波通信的应用及其原理Power Line Carrier电力线载波Power Line Carrier - PLC通信是利用高压电力线在电力载波领域通常指35kV及以上电压等级中压电力线指10kV电压等级或低压配电线380/220V用户线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。近年来高压电力线载波技术突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了数字化时代，并且随着电力线载波技术的不断发展和社会的需要中/低压电力载波通信的技术开发及应用亦岀现了方兴未艾的局面。电力线载波通信这座被国外传媒喻为未被挖掘的金山正逐渐成为一门电力通 信领域乃至关系到千家万户的热门专业。在这种

2、形势下，本文旨在通过对电力线载波通信技术的发展及所涉及的一些技术问题的讨论，阐明电力线载波通信的发展历程特点及技术关键。电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而应运而生的，它同电力系统的安全稳定控制系统，调度自动化系统，被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。目前，它更是电网调度自动化网络运营市场化和管理现代化的基础，是确保电网安全稳定经济运行的重要手段，是电力系统的重要基础设施。由于电力通信网对通信的可靠性保护控制信息传送的快速性和准确性具有及严格的要求，并且电力部门拥有发展通信的特殊资源优势，因此世界上大多数国家的电力公司都以自建为主的方式建立了电力系统专用通信网1。长期以来，电力

3、线载波通信网一直是电力通信网的基础网络。目前，在长达670000km 的35kV以上电压等级的输电线路上，多数已开通电力线载波通道 1。形成了庞大的电力线载波通信网，该网络主要用于地市级或以下供 电部门构成面向终端变电站及大用户的调度通信远动及综合自动化通道使用。近年来，随着光纤通信的发展，电力线载波通信已从主导的电力通信方式改变为辅助通信方式，但是由于我国电力通信发展水平的不平衡,由于电力通信规程要求主要变电站必须具有两条以上不同通信方式的互为备用的通信信道，由于电力线载波技术革新带来的新的载波功能，以及由于昔日数量庞大的电力线载波机的更新换代都导致了电力线载波机虽然作为电力通信的辅助 通信

4、方式但是在全国仍然存在较大的市场需求。全国共有约 20 家企业从事高压电力线载波机的 开发和生产。中低压电力线载波的应用， 目前主要在 10kV 电力线作为配电网自动化系统的数据传输通道 和在 380/220V 用户电网作为集中远方自动抄表系统的数据传输通道。 还有正在开发并取得阶段 性成果的电力线上网高速 MODEM 的应用，在这些方面 10kV 上的应用已达到了实用化。成都 一家公司开发的扩频载波数据传输装置 （已通过质量检验 2） ，在四川罗江县供电局已可靠运行达 一年之久。 从事这类产品开发生产的企业全国约有几十家， 一旦市场全面形成竞争， 将较为激烈。 作为自动集抄系统通道的载波应用

5、， 目前已能够形成组网通信完成数据抄收功能。 但是， 由于用 户电网的某些时变特性和突发噪声对数据传输的影响在技术上并未得到根本解决， 因此还存在着 抄表盲区的问题。 这一问题目前一直阻碍电力载波通信技术在自动集抄系统应用的主要症结所在。 从事这类产品开发生产的企业全国至少有 200 家以上，并且大多数都存在技术开发和工程并行 的状况， 真正取得良好经济效益的只是少数企业。 在市场还未全面认同这种方式的可靠性的状况 下其市场竞争已达到了白热化的程度， 这一现象应当引起有关单位的重视。 关于电力线上网的电 力载波技术应用，目前以中电飞华公司为代表已在北京开通了 5 个以上的实验小区，取得了大 量

6、的第一手工程资料。 这是一个非常好的开端， 至于何时能够进入商业化生产和运营还需综合考 虑技术性能成本核算和符合国家有关环境政策等方面的问题。电力线载波通信技术的发展在历史上经历了从模拟到数字的发展过程，电力线载波通信技 术出现于本世纪二十年代初期 3 ，它以电力线路为传输通道具有可靠性高，投资少，见效快， 与电网建设同步等得天独厚的优点。 在我国四十年代时已有日本生产的载波机在东北运行做为长ZDD-1 型电力线载波机，未能实现距离电力调度的通信手段，五六十年代我国开始研制自己的产品化，后经过不断改进形成了具有中国特色的ZDD-5 型电力线载波机。该设备为四用户两级调幅具有 AGC 自动增益控

7、制。控制电路和音频转接接口呼叫方式，采用脉冲制式。经改进后的 ZDD-5A 型机也能够复用远动信号。 在我国六十年代到七十年代时期该机所代表的模拟制式电力 线载波机，得到了广泛应用。七十年代时期我国模拟电力线载波机技术已趋成熟，当时以 ZDD- 12ZJ-5ZBD-3 机型为代表，在技术指标上得到了较大地提高，并成为我国应用时间最长的主流 机型。 我们可将在此之前的载波机称为第一代载波机， 八十年代中期电力线载波技术开始了单片 机和集成化的革命，产生了小型化多功能的载波机，如 S-2 载波机等在这一阶段主要的技术进 步，为单片机自动盘代替了三极管或布线逻辑的自动盘集成电路的调制器压扩器滤波器和

8、 AGC 放大器代替了笨重多故障的模拟电路， CMOSVMOS 高频大功率管在功放电路中的应用等。这 一阶段的载波机可称之为第二代载波机。到了九十年代中期，以 SNC-5 电力线载波机为代表在 国内首次采用了 DSP 数字信号处理技术，将载波机音频至中频部分的信号处理使用 DSP 器件 来完成，实现了软件调制滤波限幅和自动增益控制。这类载波机可称之为数字化电力线载波机， 划为第三代。 由此开始电力线载波业界进入了载波机的数字化革命阶段， 许多企业纷纷投入力量 着力于数字电力线载波机的技术研究工作。 到了九十年代末期采用新西兰生产的 M340 数据复接 器，目前国内已有自主知识产权的同类产品结合

9、电力线载波机的高频部分为一体的全数字多路复 接的载波机问世， 这一成果提高了载波机的通信容量， 从根本上初步解决了载波机通信容量小的 技术瓶颈问题， 从而为电力线载波市场带来了空前的机遇。 从市场上来看， 数字化和全数字载波 机已占据了高压电力线载波机产品的大部分市场，模拟制式的电力线载波机销售量已开始萎缩， 除了特殊的应用场合外将趋于淘汰。实现点对点通电力线载波在 10kV 线路上的应用国外自 50 年代开始， 主要应用在中压电网的负荷控制领 域，大多为单向数据传输速率低有时小于 10bit/s 甚至更低，并没有形成大规模的电力线载波通 信服务产业。 国内在八十年代后期多数是直接使用小型化的

10、集成电路农电载波机， 信也有个别采用窄带调频载波机的使用范围很受限制。随着 10kV 线路通信需求的增长， 到了九 十年代末出现了多种载波通信设备， 这些设备可采用不同的线路耦合方式如电容耦合变压器， 耦 合低压，耦合陶瓷，电真空耦合及天线耦合等调制方式也在原来的 FSK 调制， PSK 调制音频注 入，工频调制过零点检测等方式的基础上开发了先进的扩频调制方式，如 DSS 直接序列扩频 F H 跳频， TH 跳时交叉混合扩频， CHIRP 宽带线性调频， OFDM 正交频分多路复用等。目前在 国内使用的 10kV 电力线数据传输设备中使用最多的还是窄带调制设备，主要是多信道 PSK 及 FSK

11、 调制，采用扩频方式的设备也已开始崭露头角随着市场的发展和技术的成熟，扩频载波设 备必将在电力线载波中压应用方面占有越来越重要的地位。电力线载波在 380/220V 用户配电网上的应用，在九十年代后期之前只限于采用调幅或调 频制式的载波电话机实现近距离的拨号通话， 也有采用专用的芯片实现近距离数据传输的。 我国 大规模地开展用户配电网载波应用技术的研究是在 2000 年左右， 目前在自动集抄系统中采用的 载波通信方式有， 扩频窄带调频或调相， 在使用的设备中以窄带调制类型的设备为多数， 其主要 原因可能是其成本低廉，而电线上网的应用由于要求的速率至少需要达到 512kbit/s10Mbit/s 所 以无一例外地采用扩频通信方式，在各种扩频调