低压电力线通信的应用

1、第19卷第1期2004年3月安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报文章编号:1672-2477(2004)01-0052-06低压电力线通信的应用石 硕(华南师范大学南海学院,广东南海 528225)摘要:综述了低压电力线通信(PowerLineCommunication,PLC)的技术特点、有关技术标准以及其产品和市场应用的情况,以使读者全面了解其发展现状;介绍了其作为接入网的应用框架,给出了小区(包括底层住宅、高层住宅和商用写字楼)低压PLC接入网的典型解决方案,以供有相关组网需求的读者参考.通过对比其他接入网方式,表明低压PLC具有覆盖面广、成本低廉、带宽较宽和安装容易的优点.结论是,低

2、压PLC的应用必将越来越广泛.关 键 词:低压PLC;特点;现状;接入网;方案中图分类号:TN915.857 文献标识码:A引 言电力线通信(PowerLineCommunication,PLC)是指利用电力线输电线路作为信号的传输媒介,使用载波方式进行的语音和数字通信.利用电力线可以传输电话、电报、远动、远程保护信号和数字信号.由于电力线机械强度高,可靠性好,不需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,高压电网PLC在电力系统的调度通信、行政业务通信以及各种信息传输方面都发挥了重要作用.近年来采用低压电网PLC作为接入网解决方案也已经取得成功,在小区内采用低压

3、网作为局域网的接入方案已经投入使用.本文综述了有关情况,着重介绍了低压PLC的技术特点、发展现状,最后给出了一个接入网应用解决方案.1 PLC及低压PLC的技术特点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,用来实现通信必然有许多限制;而且由于这三种电力网所处的环境不同,在其上实现通信各自需要克服的困难也不同.比较而言,在高压网上实现通信较为容易,而在低压网上则要困难得多.1.1 共同的问题不管是哪种电力网,要在电力线上实现通信都会遇到两个问题:一是噪声干扰,二是信号衰减.收稿日期:2003-11-26作者简介:石

4、硕(1962 ),男,重庆人,副教授.第1期石 硕:低压电力线通信的应用!53!1.2 低压电网的特殊问题在低压电网中,由于电力线直接面向用户,负荷情况复杂,因此低压PLC的噪声干扰和信号衰减情况更为复杂.噪声干扰方面,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;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等的变化则表现为干扰的随机性和时变性.因此在低压网络上采取针对性的措施抑制干扰很困难,而且这种干扰的宽频谱也对接收端滤波器的性能提出了很高的要求.信号衰减方面,低压电网中信号的衰减与信号频率及工频电源的相位有关.且

5、由于各节点阻抗不匹配,信号会产生反射和谐振,而反射和谐振的产生则会使衰减突然增加.因此,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较好的通信质量.低压PLC的技术特点在于它解决噪声干扰和保证通信可靠性的方式,目前主流技术使用的是正交频分复用OFDM技术.OFDM技术利用多个正交载波在发送端对数据进行调制,在接收端进行解调,较好地解决了干扰问题.2 低压PLC的发展及现状早先低压PLC数据传输率一直停留在kb/s量级,主要用于实现远程抄表.最近两三年的技术发展及相关标准的推出,使得利用低压电力线传输高速数据成为可能.国际国内一些厂商都推出了一些相应的产品,作为接入网使用

6、.2.1 有关国际组织或标准低压PLC目前主要有以下国际组织或标准:(1)CEBus标准.美国电子工业协会(ElectronicIndustriesAssociation,EIA)于1992年正式发布了针对家庭的电器联网标准 消费电子总线CEBus,现在已获得美国国家标准学会(AmericanNationalStandardsInstitute,ANSI)的承认,该标准主要面向低速数据传输.该标准的出现意味着基于电力线的家庭网络技术可以在开放的互通的基础上发展,可谓是该领域的一个里程碑.(3)PLCForum.电力线通信论坛PLCForum与HPA的目标各有侧重,两者之间的工作也有许多重叠.H

7、PA偏重于室内联网,而PLCForum则侧重于接入部分,它们使用不同的频段.还有一个区别在于,PLCForum主要与电力公司打交道,而HPA主要针对用户进行工作.(4)CEA.消费者电子协会CEA也建立了包括Sony、ThomsonConsumerElectronics等公司在内的企业联合集团,开发类似标准.另外有一些公司,如3Com、松下以及Enikia、AdaptiveNetworks和iTran都同时是HPA与CEA的成员.2.2 技术、产品与市场OFDM技术使得通过电力线传输数据成为可能.OFDM基本技术是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且

8、各子载波联合编码,并行传输,从而具有很强的.,!54!安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报2004年低压ACL产品主要使用Intellon公司的芯片,该公司的技术处于领先地位.对于数据跨越变压器传输的问题,美国的AmbientCorp公司提供了PLC的跨变压器解决方案及中压数据传输解决方案,解决了美国低压配电变压器所供电范围只限于7户人家导致成本高及共享特性差的问题.2001年7月,AmbientCorp和技术伙伴,西班牙的DS2公司在美国中西部进行ALC产品的测试.第一次测试:传输距离1028英尺,吞吐数据率18.8Mb/s.第二次测试:传输距离(地下中压线)1000英尺,数据吞吐率15M

9、b/s.低压PLC产品以瑞士ASCOM的最为成熟,在世界上很多国家作过测试,德国RWE公司采用其产品提供电力线数据服务,于2000年5月在德国Essen试验成功,同年7月1日开始商用,数据率2Mb/s.RWE还与巴西的第五大电力生产公司Copel达成协议使用电力线数据产品传输话音,这是低压电力线通信应用的另一个重要方面.在电话不发达国家,采用该方式以低于PSTN的网络建设费用,提供语音及数据一体化解决方案.日立制作所于2001年2月14日在该公司的电力开发研究所用电力线传输用调制解调器(POLY TRAX公司产品)在有日光灯和吸尘器等动作产生的噪音的环境下成功地进行了超过1.5Mb/s的高速数

10、据传输.奥州供电公司(采用POLYTRAX产品)在2001年3月开始在奥地利的4个城市进行利用PLC实地操作实验.其数据传输速度达到10Mb/s.PLC作为接入网应用方面,2001年8月中国电力科学研究院和沈阳供电公司在沈阳建立了我国第一个电力线宽带接入小区.国电通信中心于2001年9月在国家电力公司宿舍区建立了PLC实验室,组织国内外PLC厂商的产品,分别进行测试试验.于2001年底2002年初首先采用韩国Xeline公司研制开发的32Mb/s芯片的PLC组网设备,在北京电力小区进行Internet的接入试验,在高层建筑(1623层)的14户居民家中安装了PLC调制解调器,每户居民均实现了通

11、过电力线上Internet网,试验网络运行稳定,家电的使用对上网基本没有影响,上网桌面速率达到2Mb/s.这是PLC产品首次在我国电网环境下进行的安装运行试验,获得了理想效果,证明了中国低压配电网完全可以实现高速电力线通信.目前,国内已有数个小区使用PLC作为接入网,北京电力小区还进行了PLC扩容.3 PLC接入网应用解决方案低压PLC利用1.630M频带传输信号,目前可达到的通信速率依具体设备的不同在4.545M之间.PLC设备分局端和用户端设备,局端设备(如PLC网桥)负责与用户端设备(如PLCModem)的通信和与外部网络的连接.在通信时,来自用户端的数据进入调制解调器调制后,通过用户的

12、配电线路传输到局端设备,局端设备将信号解调出来,再转到外部的Internet.典型的PLC网络如图1所示.,第1期石 硕:低压电力线通信的应用!55!尚无法统一.但根据配电网线路、楼宇结构和用户的特点,基本可分为低层住宅楼、高层住宅楼和商业写字楼三种情况考虑对应的方案.下面分别加以介绍.3.1 低层住宅低层住宅通常每栋有5到7层,分为多个单元,每个单元有独立的楼梯,每单元24户.一栋楼中通常有60100住户.其低压配电网结构通常是,一台配电变压器负责56栋楼,每单元有一条电力线从底层一直到达顶层,在每楼层有该层用户的电表,每一层有单元所有用户的总电表.组网方案:采用光纤到小区+PLC#或光纤到

13、配电变压器+PLC#的方案.以配电网物理网络划分为基础,一个单元放置一台PLC局端设备,用户共享电力线,如图2所示.用户较少时,可以扩大共享范围,几个单元甚至几栋楼实现共享.当用户增多时,再根据用户的分布,灵活划分共享范围.PLCModem一端通过USB或RJ45等接口与用户计算机相连,另一端则通过电源插座与电力线相连.PLCModem、计算机、PLC网桥和以太网交换机即组成局域网.作为接入网通过路由器即可访问Internet.图1 典型的PLC接入网拓扑图2 低层住宅的PLC接入网拓扑3.2 高层住宅高层住宅楼指高度为十几到几十层的楼宇,住户密度大且集中.其低压配电网结构通常为,楼内地下室通

14、常有独立的配电间,一台配电变压器将10KV电压转变为220V民用电压.楼内有多条电力线通向住户,每条电力线为一层或相邻几层的住户输电.电力线三相负载基本平衡,楼层的竖井有配电箱,箱内有楼层总电表和各户的分电表.组网方案:采用光纤到小区+PLC#或光纤到楼+PLC#.楼内采用PLC接入,以配电网物理网络为基础,将配电网分为不同的用户接入共享区域,如图3所示.PLC网桥放在地下室的配电间内,使用同一条电力线的一层或相邻几层用户作为一共享区域,共用一台PLC网桥.若用户较少,可将多个共享区域合并,连接到同一台设备.如将用户按三相线路划分,使用A相线路的用户共享A相电力线;甚至可以让全楼的用户共享同一

15、条电力线.这样可在保证用户上网带宽的同时,使设备保持较高的利用率.用户增多后,可方便的把共享区域分开,对原有用户的使用不会产生影响.3 PL接入网图4 PLC!56!安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报2004年3.3 商用写字楼商业写字楼内用户主要是中小型企业,其接入可以采用光纤到楼+以太网+PLC#的方案.安装一台交换机或集线器,作为楼宇的核心交换设备,在楼层做以太网的综合布线,在楼层配电间安装PLC网桥,根据企业用户需要的端口数划分共享区域.端口数较多的用户可独享一台PLC设备,端口数少的用户可共享PLC设备,信号通过电力线传输到办公房间,通过PLCModem到达用户的计算机,其拓扑结

16、构如图4所示.4 与其他接入方式的比较用于用户端的接入网技术目前主要有模拟调制解调器接入、ISDN接入、ADSL接入、HFC接入、光纤接入、802.11无线局域网接入等,现把它们连同PLC做一简单的比较,参见表1.表1 常用接入方式的比较接入方式ADSL速 率下行1M8M上行512k2MHFC系统下行小于30M上行2M同轴电缆接入速率与距离无关,决定于接入的用户数,多用户共享带宽,可组网,不平衡传输.介 质双绞线优 点频带专用,接入速度快,不平衡传输,适应网络访问规律.不受停电影响.缺 点频宽受距离限制,费用较高,目前仅在少数地区使用,点对点组网,局端设备较贵,不适应建设独立的数字化小区的需要

17、.必须改造现成的有线电视网络为双向传输,改造费用大;在新区域开办服务和铺设线路造价高昂;用户增多时,接入性能下降.受停电影响,需加备用电源.802.11无线局域网接入光纤宽带接入可达数10G以上光纤和五类双绞线12M,可达10M大气无需布线,移动性强,建设成本较低.采用扩频技术,抗干扰能力强,保密性好用户接入带宽高,可达10M或100M,可靠性高,性能稳定需室外天线,对天气、气候状况敏感,易受其它同频段的电台的干扰.需要建设完善的光纤网络,建设成本高.对于没有敷设双绞线的用户,需要布线.PLC电力线宽带接入1M45M,可以更高电力线利用现有电力线,接入方便,多用户共享带宽,接入成本低.两级结构

18、,电力线接入部分采用一点对多点结构,与局端连接采用点对点结构,可以独立建设数字化小区,并可提供许多附加增值服务.没有技术标准,受停电影响,需加备用电源,接入性能受电网特性影响.共享通信介质,限制着可以提供给每个用户的带宽大小.5 结束语低压PLC用作接入网,与国内目前主要采用的接入技术相比较,具有天然的优势.其一,低压配电网是现有的电力基础设施,覆盖面最大,无需新建线缆,投资最省;其二,室内电源插座和ALCModem安装简单、设置灵活,为用户实现宽带互联带来极大的方便.而且,PLC接入网带宽较宽,可满足一般的宽带接入业务的需要.因此,PLC应该是国内最适合采用的宽带接入技术之一,具有极大的商用

19、价值与发展前景.第1期石 硕:低压电力线通信的应用!57!参考文献:1 齐淑清.美国联合电力线通信协会(UPLC)2003年年会综述J.电力系统通信,2003,(4):14-16.2 张保会,陈长德,刘海涛,低压电力线通信传输环境研究J.电力自动化设备,2001,(9):15-17.3 戚银城,尚秋锋,孔英会,张素香.电力线载波技术的现状及发展J.华北电力大学学报,2001,(1):22-23.4 孙德栋.电力专用网向社会开放的探讨J.电力系统通信,2000,(3):17-18.5 HCFerreira,HMGrove,OHooijen,AJHanVinck.POWERLINECOMMUNIC

20、ATIONS:ANOVERVIEWJ.IEEE,1996.1781-1784.Theapplicationoflow-voltagePLCSHIShuo(NanhaiCollegeofSouthChinaNormalUniversity.Nanhai,528225,China)Abstract:Firstly,thetechniquecharacteristics,thetechniquestandardandproductspresentconditioninmarketofLow-voltagePLC(PowerLineCommunication)havebeendescribed,sothatthereaderscanlearnaboutitsdevelopmentclearly.Secondly,ithasbeenintroducedthattheLow-voltagePLCcanbeusedastheaccessnetworkinresidentialarea,includingthetyp