一、电力载波技术简介及特点

　　电力载波技术,简称PLC技术,是英文Power line Communication的简称。电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术，最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递，是利用1.6～30MHz频带范围在电力线路上传输信号。在发送时,利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制、线路耦合,然后在电力线上进行传输.在接收端,先经过耦合、滤波,将调制信号从电力线路上滤出,再经过解调,还原成原信号。目前可达到的通信速率依具体设备不同在4.5～45MB/s之间。PLC设备分局端和调制解调器,局端负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络的连接。在通信时，来自终端地址或用户的数据进入调制解调器调制后，通过系统的配电线路传输到局端设备，局端将信号解调出来，再转到控制主机或外部的Internet。

　　电力载波技术相关特性

　　（一）信道传输特性

　　电力载波通信不同于常规的点对点或点对多点阻抗恒定传输媒介。由于大多电力线具有分支多、不同分支电缆物理特性不一致及负载阻抗不恒定等特点，其中，中压电力线的阻抗变化稍小，中压电缆线路分支一般不多。因而电力线信道是一个多径反射以及频率选择性衰落信道。我们可以通过模拟技术研究不同拓扑结构网络上通信性能的可能性。通过搭建模型，并基于大量的测试，可以研究和设计出PLC网络。同时可以对不同的调制技术和编码技术进行比较研究。

　　（二）信道噪声特性

　　除了因线路衰减和多路传输所造成的信号失真外，噪声是影响电力线数据可靠通信的关键因素。通过大量理论研究和实际测试表明，电力线信道中的噪声分布和其它常见信道有很大的不同，其噪声并不呈现白高斯噪声（AWGN）特性，在频率从几百kHz到数十 MHz之间，主要为窄带干扰和脉冲噪声。为了克服这些影响，必须考虑采用复杂的信道编码技术。中低压配电网中的噪声可以分为以下五类。

　　（1）有色背景噪声：具有相对较低的功率谱密度(psd), 而且功率谱密度随频率的变化而变化；

　　（2）窄带噪声：主要是一些经过幅度调制的正弦信号，严重时在很宽的频率范围内存在高电平的噪声；

　　（3）非电网谐波的周期性脉冲噪声：这类噪声大多是由开关电源引起的，在低压电力线中出现的几率较大；

　　（4）与工频同步的周期性脉冲噪声：这些脉冲的重复频率为50Hz或 100Hz，与工频同步，它们持续时间很短（几微秒）；（5）异步脉冲噪声：它是由电网中瞬时的电气开断引起的，这类噪声的功率谱密度有时比背景噪声高 50dB。

　　（三）信道电磁兼容特性

　　由于高速电力载波需要在电力线上注入高频信号（2 MHz～30MHz），但高速PLC的使用不能给其他通信系统带来电磁干扰。为此国外对电力线的高频辐射机理进行了详细的研究并作了大量的测试，大家认为电力线的对地不平衡是其辐射的主要原因。由于电力线的电磁辐射特性跟电力线结构、耦合方式密切相关，一个地方的测量结果很难反映不同应用环境的电磁辐射水平，而且对于2 MHz～30MHz频率范围电磁辐射的测量方法也存在较大的争议，所以尽管有组织定义了高速电力载波的电磁辐射水平，但目前还没有一个世界范围内大家一致认同的标准。如何设定高速PLC设备及系统的电磁辐射水平及定义测试方法仍然是各个相关组织正在研究的项目。

　　（四）信道调制编码

　　电力线是一个极其不稳定的高噪声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决各种因素对数据传输的影响。高效可靠的调制编码技术是高速PLC的关键，国内外对各种调制技术在PLC中的应用进行了大量的研究和测试。　

　　二、电力载波技术的发展研究现状及应用前景

　　对电力载波技术的研究是产品开发及制定相关标准的基础。经过多年的发展，国外相关研究组织或个人在中低压电力线的信道特性研究方面取得了一定成果，但还有很多研究工作需要进一步深入。

　　常规单载波调制不但频带利用率不高，而且在无法预计各种强干扰噪声频谱分布的前提下是无法避开或抑制突发噪声和脉冲噪声干扰的，因此也无法实现可靠的高速数据传输。对高速PLC来说，要实现很高的通信速率，在有限的频带内采用CDMA方案较难实现较高的处理增益，所以CDMA技术难以在高速PLC中使用。

　　另外，电力线载波通讯因为有以下缺点，导致电力载波技术主要应用－－网络通讯（电力上网）未能大规模应用：

　　1、配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送；

　　2、三相电力线间有很大信号损失（10 dB -30dB）。通讯距离很近时，不同相间可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输；

　　3、不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同，藕合方式有线-地藕合和线-中线藕合。线-地藕合方式与线-中线藕合方式相比，电力载波信号少损失十几dB，但线-地藕合方式不是所有地区电力系统都适用；

　　4、电力线存在本身因有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50HZ和60HZ，则周期为20ms和16.7ms，在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100HZ或120HZ脉冲干扰，干扰时间约2ms，因定干扰必须加以处理。有一种利用波形过0点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过0点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又比较长，所以难以应用；

　　5、电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达1欧姆以下，造成对载波信号的高削减。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。

　　虽然技术问题随着时间的发展，最终都能被解决被克服，但是从目前国内宽带网建设的情况来看，留给PLC的时间和空间并不宽裕。2000年以来各大运营商大规模推出ADSL、光纤、无线网络等多种宽带接入业务，留给电力线上网的生存空间，已经不断被其他接入方式压缩。目前，电力载波技术在以下几个领域仍有较大发展空间。

　　1、智能家居

　　智能家居控制网可用电力线载波技术来实现，其原理是将电力载波技术集成后嵌入到各电器中去，并利用家庭现有的电力线作为载波通信媒介，实现智能设备之间的通信与控制。智能家居控制网中智能电器的互联互动，将为您带来高品质的生活体验和生活享受：随时查询所有电器状态；任一开关集中控制家中所有智能电器设备；组开组关指定电器，如场景灯等；随时掌握家庭安防情况，如防盗、火警、探测燃气泄漏等；通过互联网或电话对家中电器进行远程控制等。

　　2、远程抄表系统（AMR）

　　远程自动抄表（AMR）系统是智能控制网的重要应用之一。它可以使电力供应商在提高服务质量的同时降低管理成本；并让用户有机会充分利用各种用电计划（如分时电价）来节省开支和享受多种便利。把电表（水表、气表）的数据通过采集终端设备将数据调制后,通过电力线传送,在接收端解调还原成数据信号,在同一台配电变压供电范围内用户统一编址,并由采集器巡回读写.若采用微波技术电力载波信号是可以通过变压器的,电力载波的重要优点是利用电力线传输,不需要铺设专门的线路,节省资源,便于改造,提高电网的利用率.对于通信而言,电力线作为有线传输介质,其原理如同电话、有线电视、光纤通信一样,所不同的是电话、光纤、有线电视是传输语音、图像、数据、信号的专用,而电力线是在输送电能前提下辅助传输数据或话音信号,不是通信专用网.由电力线的特性所决定,它不可能实现高速和宽带信号传输,但作为行业管理和智能化家居(入户终端)是最经济最有效的技术应用

　　系统功能特点：远程自动抄表；远程控制电表拉合闸；实时查询用户用电量；电表用量组抄或个别选择抄读；可与收费系统联为一体；根据电网负载的峰谷时段分段电价；分时段抄表及计费；控制非法窃电行为；减少人力成本及管理成本；自动保存抄读的历史数据；统计电表数据，分析用电规律；估计线损和由电表计量误差引起的自损；配电系统评估、供电服务质量检测和负荷管理

　　3、远程路灯监控系统

　　远程路灯监控系统利用电力载波技术通过已有电力线将路灯照明系统连成智能照明系统。此系统能在保证道路安全的同时节省电能，并能延长灯具寿命以及降低运行维护成本。目前的路灯远程智能监控系统一般有单灯控制器、集中控制器和监控中心三级部分构成。

系统功能特点：全天候24小时自动监控；监控范围可达数公里；拓展功能：加入自动路由功能后，监控范围成倍增加，系统可自由增减监控设备的数量，监控设备可以扩展其它功能；单灯状态检测：电压、电流、开关、温度等；单灯故障状态自动上报；照明系统节能自动控制，现场按季节变化自动调节路灯开关时间；各类故障或异常情况报警；多种报警方式供用户选择；远程报警信息送至控制中心或值勤人员手机；可与110等紧急呼救系统联网。

　　三、应用案例

　　潍坊市奥体公园体育场是一座现代化、智能化的体育场馆，其智能建筑监控系统（BAS）、智能照明控制系统、集中智能控制疏散灯系统等均采用国内乃至国外最先进的控制技术，其中智能控制疏散灯系统及路灯控制系统应用了国内外正高速发展的电力载波技术。以疏散灯智能控制系统为例，传统的疏散指示智能集中控制系统由地址编码疏散指示灯、区域路由配电箱（汇集器）、智能集中控制主机构成，由系统电源线进行照明供电，并通过UTP5监控通讯数据线进行路由地址汇集和数据传输，从而实现控制功能。而奥体公园体育场采用的电力载波通讯技术则不需要重新敷设数据通讯线路，而是应用系统自身供电线路直接进行数据传输和控制。

　　潍坊市奥体公园体育场智能疏散集中控制系统采用的恒生照明HOCEN-EMCS系统，是基于美国Echelon公司的LonWorks电力载波控制网络通信技术开发的消防应急疏散照明监控系统网络控制管理平台技术。HOCEN-EMCS系统由主控服务器通过LonBus-PL控制总线透过网络路由器将各个分散的应急灯具单元连接起来，每个应急灯都有一个神经元芯片并具有独立的地址，通过电脑编程的各个疏散应急灯既可独立完成灯具内的各项检测工作，又可根据要求向主控电脑发送检测结果和接受各项指令完成任务。HOCEN-EMCS系统控制网络又可通过各种连接设备介入IP数据网络和互联网，实现各个监控主机之间的远程监控。HOCEN-EMCS系统的LonBus-PL控制总线是以LonWorks电力 线载波技术为基础透过电力线载波智能收发器完成数据通信，针对传统电力载波技术脉冲噪声干扰、信号损失、传输距离短及单载频调制等缺陷，LonBus-PL载波智能收发通讯方式是采用带有DSP增强接收器的双频BPSK，具有以下特点：

　　•窄带技术，数字信号处理技术：Echelon把噪声抑制和畸变纠正的专利算法技术应用到数字信号处理内核中。这些性能使得收发器可以纠正电力信号中多种多样的干扰，包括脉冲噪声，连续声频噪声、相位畸变等。

　　•独特的双载频工作方式：当第一载波频率由于噪声而阻塞时，会自动切换到第二载波频率，两个载波频率选择时，考虑了避免由于谐波而导致两个频率同时被阻塞，这些确保了即使在有噪声的情况下，数据包仍能可靠的接受。

　　•前向纠错：许多噪声源主要是通过损坏数据包的办法来干扰电力线信号，神经元智能收发器在循环亢余校验码的基础上，采用高效低消耗的前向纠错码（FEC）算法来克服错误包。

　　•强大的输出放大器：外接高输出放大器的智能收发器可以发出满足世界发射要求的7V峰峰值信号。

　　•宽广的动态范围：动态范围和收发器的灵敏度有关。神经元智能收发器的动态范围达到＞80DB。在一条低噪安静的传输线上智能收发器可以接收衰减达104的信号。

　　潍坊市奥体公园体育场的集中智能疏散控制系统通过HOCEN-EMCS消防应急智能监控系统控制网络，采用系统自身电力线作为通讯介质，应用LonBus-PL控制总线对分布在各个疏散通道的应急疏散照明灯具运行状况连续自动检测和监控。系统采用了HCN-BZ-X系列疏散灯具、HS3800F-ELR型区域路由配电箱及HS3800-EMCS/2000L型智能集中控制主机，可以完成数据采集、存储、控制、通信、显示、记录、故障诊断等多种功能，使应急疏散照明灯具在符合国家规程的相关要求下正常运行。系统并具有动态导光功能，智能动态导光技术根据火灾探测器报警系统发出的联动信号确定火灾区域并结合相关预案信息，由计算机分析选择最佳逃生线路，并发出指令控制疏散标志灯导向箭头的光流方向，同时结合语音提示引导，保证人员有效疏散。

　　四、结语

　　经过多年的研究，电力载波技术已有了飞速的发展和突破，特别是因其安装成本低、电力线覆盖范围广、高速率、使用便捷等优点，已被广泛应用到工业智能化、家居智能化、公共设施智能化及建筑消防智能化等多个领域。随着科学技术的发展和进步，电力载波相关技术问题和缺陷会被逐步克服，电力载波技术将有更大的发展和应用前景。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　                                                                                                                文/孙连东　李振谭