电力载波通信的发展及特点

1、摘要本文介绍了电力线载波通信的发展及特 点，文中主要就高压电力线载波通信、中压配电 网电力线载波数据通信和低压用户配电网电力 线载波通信，以及与其相关的关键技术问题进行 了讨论。关键词电力线载波通信发展应用liiJliiJliiJliiJliiJ0引言电力线载波（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）liiJliiJ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

2、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 发及应用亦出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。在这种形势下，本文旨在通过对liiJ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。1电力线载波通信的发展及现状liiJ1.1我国电力线载波通信的现状liiJliiJliiJ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

3、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liiJliiJliiJliiJliiJliiJl=Jw力线载波通信网。该网

4、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。liiJliiJ中低压电力线载波的应用目前主要在

5、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）在四川罗江县供电局已可靠运行liiJliiJliiJliiJ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目前巳能 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

6、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

7、的问题。1.2电力线载波通信发展历程liilliiJliiJliiJ=1=J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ZDD-1型电力线载波机， 未能实现产品化。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（自动增益控制） 控制电路和音频转接接口，呼叫方式采用脉冲

8、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-12、ZJ-5、ZBD-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AGC放大器代替了笨重、 多故障

9、的模拟电路；CMOS、VMOS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=1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

10、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I三数字化革命阶段，许多企业纷纷投入力量着力于部分市场，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。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 直接使用小型化的集成电路农电载波机实现点 对点通信，也有个

11、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，FH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调制），采 用扩频方式的设备也已开始崭露

12、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/s 10Mbit/s，所以无一例外地采用扩频通信方式。在各种扩频

13、调制方式中，由于采用正交频分多路 复用技术(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing, OFDM)调制具有突发模式的多信道传输、较高的传输速率、更有效的频谱利用率 和较强的抗突发干扰噪声的能力，再加上前向纠 错、交叉纠错、自动重发和信道编码等技术来保 证信息传输的稳定可靠，因而成为电力线上网应 用的主导通信方式。2电力线载波通信的特点iiij2.1高压载波路由合理，通道建设投资相对较低高压电力线路的路由走向沿着终端站到枢纽站，再到调度所，正是电力调度通信所要求的iiij合理路由，并且载波通道建设只需结合加工设备iiij的投入而无须考虑线路投资，因此当之

14、无愧成为 电力通信的基本通信方式，尤其在边远地区更是 这样。电力线载波通道往往先于变电站完成建 设，对于新建电站的通信开通十分有利。为此， 只要妥善解决电力线载波信道的容量问题，载波 通信的优势就会显现出来。在中压配电网载波和 低压用户电网载波中，节省线路建设费用，无须 考虑破坏家庭已装修环境，也仍然是载波通信的优势。2.2传输频带受限，传输容量相对较小|三在高压电网中，一般考虑到工频谐波及无线电发射干扰电力线载波的通信频带限制于40 500kHz之内，按照单方向占用4kHz带宽计算， 理想情况下一条线路可安排115条高频载波通 道。但由于电力线路各相之间及变电站之间的跨越衰减有限（1343d

15、B）,不可能理想地按照频 谱紧邻的方式安排载波通道，因此，真正组成电 力线载波通信网所实现的载波通道是有限的，在 当今通信业务已大大开拓的情况下，载波通道的 信道容量已成为其进一步应用的“瓶颈”问题。尽 管我们在载波频谱的分配上研究了随机插空法、 分小区法、分组分段法、频率阻塞法及地图色法 和计算机频率分配软件，并且规定不同电压等级 的电力线路之间不得搭建高频桥路，使载波频率 尽量得以重复使用，但还是不能满足需要。近来 随着光纤通信的发展和全数字电力线载波机的 出现，稍微缓解了载波频谱的紧张程度。在10kV中压配电网和低压用户配电网中，除了 新上的载波信号之外，不存在其它高频信号，并 且一般为

16、多址传输，因此通道容量问题并不突 出。l=JwliiJliiJliiJliiJliiJ1=12.3可靠性要求高有两个原因要求电力线载波机具有较高的 可靠性，一是在电力系统中传输重要调度信息的 需要；另一是电压隔离的人身安全需要。为此， 电力线载波机在出厂前必须进行高温老化处理，最终检验必须包含安全性检验项目。为此，国家 质检总局从八十年代开始即对电力线载波机l=j（类）产品实行了强制性生产许可证管理4。随 着时代的进步，目前管理的范围已包括各种电压 等级的载波机、继电保护收发信机、载波数据传 输装置（如配网自动化和抄表系统的载波部分） 和电线上网调制解调器。目前大多数高压及中压 电力线载波机生

17、产企业已按照生产许可证的要 求建立了较为完善的质量体系。2.4线路噪声大liiJ电力线路作为通信媒介带来的噪声干扰远 比电信线路大得多（见图1），在高压电力线路 上，游离放电电晕、绝缘子污闪放电、开关操作 等产生的噪声比较大，尤其是突发噪声具有较高 的电平（见图1）。根据国外资料描述，电力线 的噪声特性可分为四种类型：1、具有平滑功率谱的背景噪声，这种类型噪声 的功率谱密度是频率的减函数，如电晕噪声。这 种噪声特性可以用带干扰的时变线性滤波模型 来描述。2、脉冲噪声，由开关操作引起，这种噪声与电站操作活动的关系较大。3、电网频率同步的噪声，主要由整流设备产生。4、与电网频率无关的窄带干扰，主要

18、由其它电 力设备的电磁辐射引起。一般电晕噪声电平大致为：220kV-25dB； 110kV -35dB (带宽为5kHz)，在工业区、沿海 地区、高海拔地区、新线路、升压线路和绝缘设 备存在微小放电的线路上噪声电平还将增高 15dB左右。因此，在这样恶劣的噪声环境下， 电力线载波机一般都采用较大的输出功率电平 (3749dBm )来获得必要的信噪比。低压电力载波通道的噪声有背景噪声、脉冲噪 声、同步和非同步噪声及无线电广播的干扰等构 成6。2.5线路阻抗变化大liiJ高压电力线阻抗一般为300400Q在线路 上呈波动状态，现场实测表明，在波动幅度达到 1/2左右时，对载波通道衰减将产生严重的影

19、响 7。在通道加工不合理、不完善、存在容性负载 以及T接分支线时，会加剧载波通道的阻抗变化 并甚至中断通信。低压用户配电网载波通道的阻抗变化更大（见图2）,在负荷很重时，线路阻 抗可能低于1d这使得载波装置不能采用固定 的阻抗输出。2.6线路衰减大且具有时变性liiJ高压电力线载波通道衰减与频率的平方根 成正比（见图3），且具有时变性。工频运行方 式的改变、线路换位、其它载波机带外乱真发射、 载波通道间的串扰、线路分支线的长短以及绝缘 子污秽、刮强风、下小雨、线路冰凌及阻波器调 谐线圈性能等多种因素会对载波通道的衰减产 生影响。为此，电力线载波机必须设置至少大于 30dB范围的自动增益调整电路

20、。一般来说，从 500kV到220V （电压等级从高到低），电压越低 线路衰减越大，时变性越强，建立通道越困难。 有时在中压或低压配电网载波通道的衰减大到 难以实现通信的状况时，设计人员不得不采用特 殊的通信方式或设计多通道电路来自动进行选 择。2.7对外界的干扰由于高压电力线载波频段限制在40500kHz,只要控制载波机的谐波和交调乱真发 射功率足够小，即可避免对外界的干扰。目前值 得研究的是在220V线路上的扩频电线上网装置 的干扰问题，这类装置为了实现高速数据通信， 往往占用频带达30MHz甚至更多，据国外媒体 报道，当电力线数据通信使用230MHz的频带 传输数据时，将会对该频段的短波

21、无线电广播、 业余爱好者无线电台等产生影响。目前我国还没 有建立这方面的标准，应当将这种干扰限制在何 种程度还需要进一步研究8。2.8网络应用要求更高 网络方面，需要将原先仅限于通道的概念扩展为 网络概念。以往的电力线载波机主要靠自动盘和 音转接口实现小范围的联网，而将载波机与调度 机协同考虑，实现载波机协同变电站调度机的组 网应用以及适当设置能够与通信网监测系统接 口的数据采集变送器应当是我们近几年考虑的 问题。与高压电力载波不同，电力线载波在中、 低压线路上的应用在开始阶段就是建立在网络 应用的基础之上的。现代通信对电力线载波的要求也更侧重于liiJ3目前需要考虑的一些技术问题3.1高压电

22、力线载波3.1.1信道容量长期以来一直是电力线载波通信 存在的l=Jl=J=1关键问题，如何进一步实现更高速、多路的电力 线载波通信是进一步发展的主要课题。目前我们 已通过成功地采用数字复接技术扩展了频域 4kHz带宽的信道容量（达到28.8kbits/s），今后 还可在线路频率的回波抵消上进行一番深入研 究。国内以前曾有过对模拟正交调制实现通道容 量倍增的研究，随着技术的发展，高精度的DDS （直接频率合成）技术已经商业化，这一研究还 可继续进行下去。同时，在电力线载波频率资源 趋于宽松的情况下，在载波线路频谱上采用比当 前4kHz载波基本频带更宽的频带已成为可能， 本文认为相关的载波标准应

23、针对当前的实际情 况考虑适当修改，并以此来规范现场的实际应 用。3.1.2数字多路复接类型的电力线载波机在进行 远动数据传输时，有时会产生瞬时中断现象，这种现象对于语音传输无大影响，但是对于数据传 输，尤其是一些重要的控制信号的传输将带来不 良的后果。据分析，这一现象可能是由线路上的 突发脉冲干扰引起的，因此，解决这一问题可以 考虑两个方面，一是在载波机设计中有针对性地 重点考虑如何解决（据说已有产品，还需现场验 证）；二是在现场应用中也要注意不能一概而论 地上数字复接载波机，应针对实际应用的场合来 选择合适的载波机类型。如果线路突发噪声比较 高，频繁出现这样的瞬时中断时，在目前情况下 应考虑

24、采用DSP制式的数字化电力线载波机。3.1.3载波机的接口类型目前有音转、二线E&M、四线E&M、小号、延长线、远动等，还 需更趋于完善，尤其是与数字设备和通信网管理 系统以及调度自动化系统的接口更需规范、适 用。载波机与程控调度交换机的结合方式应更便 于组网应用，使调度机的功能覆盖到全网。3.1.4 载波机的电路设计在性能指标冗余度和器件极 限指标的余量上还需进行精细地设计（要有量化 的指标），以保证设备的整机指标和长期运行的 可靠性。整机的出厂不能仅以调试通过来判断设备的质量，而应按照企业内控标准，在经过适当 的老化运行之后，以最终检验的结果来判断设备 的出厂质量水平。l=J3.1.5目前

25、载波机的设计主要针对高压和农电两 个方向来进行，虽然我们研究了许多不同的制 式，如呼叫信号有脉冲、单频移频、双频移频和 带内编码型；导频制式有单导频、无导频、间歇 导频；调制方式有一次、二次和三次调制，但在 下面一些方面还需努力，如：组合功放、线路回 音抵消、高频数字调制、抗突发噪声的数字复接 器、自适应线路阻抗匹配、工艺水平、过程质量 管理等。对于远动的防卫度问题，应当尽可能地 设计为自适应地保持恒定的防卫度水平，而不是 随着话音和远动电平的浮动而改变，这样将更有 利于远动信号的传输可靠性。3.1.6载波机的电 磁兼容性能，如电磁辐射抗扰度、静电放电、快 速瞬变、浪涌等性能应当在整机设计阶段

26、就加以 考虑，并通过型式试验的检验，在当前嵌入式 CPU成为载波机的中心控制单元的情况下更是 这样。以前我们在这方面所做的工作不够，现在 已具备所有的试验条件，可以按照国标的要求来进行。3.2中压电力线载波 3.2.1 10kV配电网的传输特性由于十分复杂，只 能通过测试来得到该时段的传输特性。因此，应 当努力进行配电网载波传输特性的研究和测试， 摸清其能够为工程应用提供实际参考价值的内 在特性及规律。3.2.2目前的载波数据传输设备需要考虑在传输 距离不能达到时的中继问题，不同的调制方法可 能采取的中继方式有所不同，并需要现场验证。3.2.3研究对付突发噪声干扰的有效方法，而不 是简单地进行重发校验。目前的载波装置在传输 数据可靠性方面的处理应当加强。3.2.4对于真正的大型、多用户的配电网自动化 系统的载波数据传输，目前还缺少实际的第一手 运行资料。整个系统的响应速度也需要由此来实 地考核。中压电力线载波目前尚处于发展阶段，有些设备采用的技术不够先进和完善，需要在设计方案总 体上认真考虑。3.3低压电力线载波3.3.1在电力线载波集中抄表系统中较普遍地存 在“盲区”问题，有些用户的电表读书无法正确读 出（如果存在的现象为时变的，则问题更严重）， 需要在技术上克服。目前一些窄带调制的设备