单元七 PLC电力线通信技术

1、计算机应用电工技术，主编：王公儒，第7单元PLC电力线宽带通信技术，工作任务通过本单元的学习，了解电力线宽带通信技术，学习一般实际应用，了解电力线系统的一般布线方法。工作目标了解电力线通信系统的基本概念和特点。熟悉PLC通信系统标准、访问网络的体系结构、访问方案。认识和掌握电力线系统的一般布线方法。了解电力线通信技术的典型实际应用设计。7.1电力线宽带通信技术，7.1.1电力线宽带通信技术介绍电力线宽带通信是利用电力线本身及其产生的电网或配电网作为传输介质实现高速数据传输的通信技术。利用电力线宽带通信技术，可以用已经拥有的电网进行通信，现在开始普及。通信接入网络可以实现最终用户和广域网之间的互

2、连，用户可以通过接入网络利用各种通信服务。但是，实施、安装和维护访问网络的成本非常昂贵，通常占网络总投资的50%以上。因此，网络供应商总是希望以尽可能少的成本实施接入网络部署，以提高自身的竞争力，作为确保通信进行适当的前提。在大多数情况下，访问网络仍然属于现有网络供应商。因此，新的网络供应商正在寻求实施自己的访问网络的技术方案。电力线宽带通信技术为接入网络的实现提供了非常有希望的解决方案。低压配电网络(通常称为PLC访问网络)的宽带PLC技术。世界各地正在进行多种PLC现场实验和应用，已经投入了商业应用，PLC用户也在不断增加，PLC接入网络特别适用于物联网和智能家庭系统的通信，具有广阔的发展

3、前景。、7.1电力线宽带通信技术、7.1.2 PLC通信系统标准欧洲标准CENELEC EN50065中定义的供电网络中使用电力线通信的频率范围为9到140khz(请参阅表7-1)。CENELEC标准与美国和日本的相关标准明显不同。美国和日本对标准定义的PLC复盖频率范围可达500kHz。CENELEC规格可以提供高达数千位每秒的数据传输速率，还可以支持电网中的负载管理和远程抄表等部分测量功能、极低的数据传输速率以及多个语音通道。但是，要支持最新通信网上的各种应用程序，PLC系统必须能够提供大于2Mb/s的数据传输速率。必须满足此基本要求，PLC网络才能与其他技术竞争。PLC传输系统必须在最高

4、频率为30MHz的范围内运行，才能提供更高的数据传输速率。、表7-1 CENELEC中规定的电力线通信的频带范围、7.1电力线宽带通信技术、7.1.3 PLC接入网络低压配电网络通常包括连接变压器单元和最终用户的电源线的几个通仪表(m)低压配电网络通过变压器单元连接到中高压网络，如图7-1所示，PLC接入网络通常通过位于变压器单元内的主/主工作站(BS)连接到广域网。许多电力供应商都有自己的专用通信网，连接实际上可以充当主干的各个变压器单元。否则，变压器单元可以连接到一般通信网。、图7- 1 PLC接入网络结构、7.1电力线宽带通信技术、7.1.3 PLC接入网络1。室内PLC网络通常，室内P

5、LC的网络结构类似于应用低压配电网络的PLC接入系统的网络结构，但是还需要控制室内PLC网络的基站，可能需要通过基站在室外连接，如图7-2所示。基站可以位于米附近，也可以位于室内PLC网络的任何位置。室内PLC网络中的所有设备均通过PLC调制解调器连接。这类似于用户在PLC访问网络中的连接方式。PLC调制解调器直接连接到家里墙上的电源插座，在家里或公寓里，电源插座几乎无处不在。因此，可以通过墙上插座轻松地将各种通信设备连接到室内PLC网络。、图7-2室内PLC网络结构、7.1电力线宽带通信技术、7.1.3 PLC接入网络2。PLC网络单元(1)某些基本网络单元需要使用电源网络进行通信服务。每个

6、PLC访问网络都有两种类型的设备：PLC调制解调器(PLC调制解调器)和PLC主/基站(PLC Modem/base station)。PLC调制解调器将用户使用的标准通信设备连接到电力线传输介质。客户端的接口可以为不同的通信设备提供各种标准接口。这些设备包括用于数据传输的以太网和USB，以及用于电话服务的接口。在另一端，PLC调制解调器以组合方式连接到供电网络，以便通信信号可以传送到电力线介质并可靠地接收。将PLC基站(或称为主工作站)、PLC访问网络连接到主干网络。如图7-4所示，实现主干网和电力线传输介质之间的连接。但是，基站提供各种网络的通信接口，而不直接连接到用户终端设备。这包括xD

7、SL、用于高速网络连接的同步数字系列(SDH)，以及用于无线互连的无线本地局域网(WLL)。、图7-3 PLC调制解调器的功能图7-4 PLC基站功能、7.1电力线宽带通信技术、7.1.3 PLC接入网络2。PLC网络单元(2)中继器在某些情况下应在低压电源网络上的PLC用户之间以及用户和基站之间的距离超过常规PLC接入系统的有效连接距离的情况下使用中继器。中继器将整个PLC访问网络分为PLC访问系统有效距离内的多个网段。每个网段通过频带分割或时间分割方法相互隔离。一个时间段用于第一网段内的信号传输，另一个时间段用于第二网段内的信号传输。(3)PLC网关PLC用户可以通过墙上的电源插座连接到P

8、LC访问网络，方法有两种：直接连接和通过单个网关间接连接。、图7-5 PLC用户的直接访问方法图7-6网关的用户间接连接、7.1电力线宽带通信技术、7.1.3 PLC访问网络3。PLC网络特性PLC网络使用低压配电网络作为传输介质。低压网络的特性由该网络的拓扑和用作通信传输介质的特性决定。另一方面，PLC接入网络像天线一样发出电磁辐射，干扰在2-30 MHz频率范围内工作的其他通信工作。因此，PLC系统可以传输的信号功率有限，对干扰非常敏感。PLC系统受到低压配电网络周围环境和低压配电网络本身的干扰。PLC接入网络的拓扑特性由传输介质低压配电网络的拓扑特性确定。但是，PLC访问网络可以将基站旋

9、转到网络上的其他位置，也可以通过不同的网络分隔方式进行不同的操作。低压网络拓扑结构复杂，网络之间存在很大差异。这些差异源自网络的参数值，例如用户密度、用户行为和连接的电气装置。一般可以得出低压配电网(包括室内部分)在物理上是树型拓扑的结论。但是，逻辑上，PLC访问网络可以用作使用共享传输介质的总线网络。PLC网络共享传输介质，因此需要特定的介质访问控制(MAC)策略。基站控制对所有或部分PLC网络介质的访问。基站也是连接WAN的接入点。还可以访问其他PLC设备，例如中继器或网关。、7.1电力线宽带通信技术，7.1.4 PLC系统的体系结构1。PLC访问网络的结构PLC访问网络包括基站和一定数量

10、的用户，这些用户是PLC调制解调器用户。通常，调制解调器提供连接不同通信设备的各种用户界面，如图7-7所示。另一方面，PLC调制解调器连接到电力线传输介质，以提供特定的PLC网络接口。PLC传输介质和用户界面之间的通信在第3层进行。物理层接收的信息在电力线网络中接收，并通过根据特定标准或协议(如IP协议)配置的MAC层和LLC层发送到网络层，从而确保PLC与以太网(或其他网络)数据接口之间的通信。通信设备的数据接口上接收的信息向上传递到应用层。、图7-7 PLC网络分层结构、7.1电力线宽带通信技术和7.1.4 PLC系统的体系结构2。配置PLC的MAC层(1)MAC层的基本任务是配置对使用连

11、接到一个通信网络的同一“共享传输介质”的多个用户的访问控制，以及来自其他用户申请的各种通信服务的信息流。通常，各种通信网络的媒体访问控制层的功能可以分为多种连接、资源共享和流量控制三类。(2)在共享MAC层的特征传输介质的每个通信系统中，MAC层是通用协议系统的一部分。针对每个通信系统的特定传输特性、操作环境、用途，开发了可用于特定通信系统的各种MAC层和协议实现方法。PLC存取网路的性质包括特定传输媒体(低电压配电网路)，在噪音干扰资料传输的情况下，提供有限速度的资料传输。另一方面，为了确保与其他访问技术的竞争，PLC必须提供广泛的通信服务并确保满意的QoS。如图7-8所示，有四个直接影响P

12、LC MAC层及其协议的因素：网络拓扑、干扰、通信服务和采用的传输系统。、图7- 8 PLC中的MAC层环境、7.1电力线宽带通信技术和7.1.4 PLC系统的体系结构3。多连接方案多连接方案设置如何将传输资源拆分为可访问的部分。该方法可以应用于传输介质(例如，有线或无线信道)，该传输介质用于多个用户使用多种通信服务，以及在特定频谱内传送信息。当多个用户共享传输介质时，从每个用户发送的通信信号必须独立地传输多访问方案提供的可访问片段，以避免发生错误。为此，从不同用户发送的信号在从共享媒体发送时必须相互垂直。实际上，如果不同的用户共享相同的媒体，则无法完全正交信号。但是，如果不同信号之间的影响足

13、够小，则可能被通信系统接受。一般来说，三种多连接方法在通信系统中广泛使用：分时多连接(TDMA)、频分多连接(FDMA)和码分多连接(CDMA)。这三种基本的多连接方法也可以结合使用。、7.1电力线宽带通信技术，7.1.4 PLC系统的体系结构4。资源共享策略资源共享策略的任务是管理多连接方案提供的网络资源可访问段，以控制使用相同共享网络资源的多个用户的访问。双工模式是MAC层控制上行链路和下行传输方向之间流量的功能之一。下行传输管理更容易，因为基站可以向一个或多个网络终端发送数据，或向所有终端广播数据，从而对其进行完全控制，如图7-9所示。传输介质的向下方向只有基站的数据包，不同网络终端之间

14、不需要同步。、图7-9 PLC访问网络中的传输方向、上行方向上的多个网络终端必须竞争以进行媒体访问。不同的网络终端相互独立工作，每个终端可以随时传输数据。因此，为了确保所有网络终端的公平网络许可，并防止不同终端之间的包冲突，管理上行链路需要MAC协议。7.1电力线宽带通信技术，7.1.4 PLC系统的体系结构5。如上所述，多连接方案应用于宽带PLC网络，为网络用户提供多种通信服务的网络资源的可访问片段。另一方面，优化的多连接方法为高效网络操作奠定了基础，为确保系统服务质量(QoS)提供了条件，并实现了有效的错误处理机制。另一方面，资源共享策略或MAC协议控制多访问方案提供的网络资源的可访问片段

15、。MAC协议要求尽可能提高网络利用率，确保快速介质访问以满足高QoS要求，满足对时间要求服务的QoS要求，并改进PLC网络的抗干扰能力。因此，在宽带PLC系统设计中选择多连接方法和MAC协议非常重要。但是，除了上述步骤优化外，流量控制机制还可以大大提高网络运行的效率和提供的QoS水平。流控制机制分为以下三个组：1)作为MAC层一部分的双工提高了网络利用率。2)流量调度，网络QoS作为MAC层添加机制；改进，3)连接在MAC层之上运行的assistance control mechanism(CAC)，以保持网络的QoS级别。如果电力线路通信网能广泛使用，将极大地推动物联网及应用的发展。电力线允

16、许传输数据、语音、视频和电源，实现“4比1”。、7.1电力线宽带通信技术、7.1.5电力线适配器的工作原理数据传输的本质是通过数据线传输一系列二进制字符。从电工的角度来看，传输实际上是电压波形，高水平在二进制中表示“1”，低水平在二进制中表示“0”。如图7-10所示。访问家用配电系统插座的电压为220V，50Hz交流电，而数据传输频率通常为MHz，高电平为5V，如图7-11所示。220V交流配电线路可以从适配器a输入数据信号电压，在适配器b接收叠加波形，通过内部线路断开220V交流，可以获得a提供的信号波形。实际信号电压不是直接嵌套的，适配器a从网络电缆接收信号，调制并放大，然后输入到分配线上，适配器b解调并还原接收到的信号，然后通过网络电缆将其发送到接收设备。、图7-11传输电压和数据信号电压波形；从图7-10数据线传输的信号和波形；如果图7-12电力线适配器连接到供电电路，则7.2电力线通信系统工程布线；7 . 2 . 1电缆家用电力线系统中常用的电缆包括RV电缆(铜芯PVC绝缘线)、RVV电缆(铜芯PVC绝缘PVC护套线)、bv电缆(单核铜芯PVC绝缘硬线