中壓電力線通信技術(shù)

摘要：    本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外中壓電力線通信相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，對中壓電力線信道的信道特性進行了分析，并介紹了中壓電力線通信所涉及的物理層、MAC層關(guān)鍵技術(shù)以及相關(guān)通信系統(tǒng)的發(fā)展情況。
關(guān)鍵詞：    中壓；電力線通信；配電自動化；寬帶網(wǎng)絡(luò)接入

引言

中壓電力線通信(MV - PLC)技術(shù)是指利用電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中的中壓電力線(通常指10KV電壓等級)作為信號傳輸媒介，進行語音、數(shù)據(jù)信息的傳輸。該技術(shù)首先被應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)的自動化數(shù)據(jù)傳輸平臺中；近年來，中壓電力線寬帶網(wǎng)絡(luò)接入以其基礎(chǔ)設(shè)施完備、分布廣泛、成本低廉的特點，正越來越受到關(guān)注，尤其是在偏遠(yuǎn)農(nóng)村或者人口稀少的地區(qū)，具有極強的實用價值。

中壓PLC應(yīng)用領(lǐng)域

中壓輸電網(wǎng)覆蓋面積廣大，應(yīng)用領(lǐng)域繁多，中壓配電自動化對于國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的意義，相關(guān)應(yīng)用包括用電負(fù)荷控制、電網(wǎng)運行監(jiān)測、集中抄表等。配電網(wǎng)自動化往往有數(shù)量巨大且分布分散的節(jié)點需進行控制和數(shù)據(jù)采集，故對數(shù)據(jù)通道的經(jīng)濟性有較高要求。中壓PLC技術(shù)將傳統(tǒng)中壓電力網(wǎng)轉(zhuǎn)變成為數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，在建設(shè)成本、運行和維護費用等方面具有天然的優(yōu)勢，目前在韓國、美國、西班牙等國家已得到良好的應(yīng)用，國內(nèi)也開展了大量的研究和實踐。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，Internet在生產(chǎn)生活中發(fā)揮著日益重要的作用，而PLC技術(shù)也在寬帶網(wǎng)絡(luò)接入手段中占據(jù)了重要的地位。從戶外中壓PLC到戶內(nèi)低壓PLC的接入方案，被認(rèn)為是解決寬帶接入的“最后一公里”問題的理想方案，該類研究興起于北美，近年來發(fā)展迅速。

對于中壓電力線網(wǎng)絡(luò)，由于其業(yè)已存在的廣泛分布，成為了在偏遠(yuǎn)地區(qū)實現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)接入的理想媒介，以縮短和消除城市地區(qū)與農(nóng)村地區(qū)，發(fā)達(dá)地區(qū)與不發(fā)達(dá)地區(qū)之間的“數(shù)字鴻溝”。在偏遠(yuǎn)或者人口密度較低的地區(qū)，短期內(nèi)通過PLC以外的其它技術(shù)手段實現(xiàn)較大帶寬的數(shù)字通信服務(wù)，會面臨較多的困難；在城市地區(qū)廣泛使用的xDSL或者通信光纜一般均難以鋪設(shè)到這些地區(qū)；衛(wèi)星通信在一些地區(qū)可以實現(xiàn)，但是低通信速率以及信道租用和終端所帶來的高成本，使其大規(guī)模應(yīng)用受到很大限制；以GSM、IS-95、WCDMA等為代表的蜂窩通信技術(shù)本身是針對高用戶密度的應(yīng)用場景所設(shè)計，如果在用戶密度較低的地區(qū)使用，將帶來通信能力的嚴(yán)重浪費和高昂的運營成本，從而難以得到推廣和普及，在發(fā)展中國家，這一矛盾尤其突出。就國內(nèi)的情況而言，我國幅員遼闊，有相當(dāng)數(shù)量的農(nóng)村地區(qū)處于偏遠(yuǎn)、人煙稀少的地帶，這些區(qū)域的通信發(fā)展相對滯后。據(jù)統(tǒng)計，我國行政村固定電話覆蓋率為94%~97%，數(shù)據(jù)通信的覆蓋率則更低。由于自然和經(jīng)濟條件的制約，若采用現(xiàn)有的通信方式，改善這些地區(qū)的信息服務(wù)將面臨越來越多的困難。而行政村的通電率已接近100%，且電網(wǎng)覆蓋是區(qū)域發(fā)展的基本條件，因此，利用電力傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，是適合國情、可行并且經(jīng)濟的方案，圖1為農(nóng)村中壓PLC接入網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 農(nóng)村中的PLC接入網(wǎng)系統(tǒng)

中壓電力線信道研究

電力線設(shè)計的初衷是傳遞頻率為50~60Hz的電力信號，將其功能擴展到語音或者數(shù)據(jù)信號傳輸時將面臨復(fù)雜的電磁環(huán)境。因此，對于PLC技術(shù)而言，針對電力線信道特性的研究是非?；A(chǔ)和關(guān)鍵的。在我國，由于中壓線路分布和負(fù)載情況更為復(fù)雜，變電站間線路相對較短以及干擾相對較強，中壓電力線組網(wǎng)通信所面臨的物理層環(huán)境比較復(fù)雜和惡劣。近年來，相關(guān)科研機構(gòu)對中壓電力線信道特性進行了卓有成效的研究，筆者也對我國北方典型農(nóng)村地區(qū)的中壓電力線信道特性進行了多次實地測量和分析，這些研究成果為實際的工程應(yīng)用提供了參考。

一般來說，電力線信道對于數(shù)字通信的負(fù)面影響主要來源于三個方面：變化的阻抗特性；頻率選擇性的信道衰減特性；有色背景噪聲和多種沖激噪聲。

研究信道阻抗特性的目的主要是為了實現(xiàn)信道與發(fā)射機、接收機之間的阻抗匹配，當(dāng)阻抗失配時，將造成信號能量的浪費，甚至出現(xiàn)啞信號點。由于中壓配電網(wǎng)的分支多，負(fù)載情況復(fù)雜，線路阻抗會隨距離、頻率、時間而變化，且變化范圍大，一般在幾十歐~幾百歐之間，圖2即為中壓電力線阻抗特性隨頻率變化曲線。故在實現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入時，阻抗匹配比較困難；目前，通常采用在耦合技術(shù)中通過犧牲匹配性能來適合線路側(cè)寬范圍內(nèi)阻抗的方法，也有系統(tǒng)在發(fā)射機端采用阻抗自適應(yīng)的功率放大設(shè)備等，以達(dá)到較好的阻抗匹配效果。

圖2 中壓線路阻抗特性曲線

信道衰減特性對于數(shù)字通信的效果有著重要影響。中壓線路的衰減比低壓線路的衰減嚴(yán)重，有實驗表明，平均每100m幅值衰減可達(dá)到8dB~11dB。同時，中壓線路的衰減也表現(xiàn)出明顯的頻率選擇性，在一些頻率點或者頻段，會出現(xiàn)深度的傳輸衰減。由大量分支點造成的多徑效應(yīng)被認(rèn)為是一個主要原因。實驗證明，在這些深度衰減的頻段上，很難實現(xiàn)成功的通信連接，必須在實際通信系統(tǒng)中予以回避。

中壓電力線平均噪聲功率在-60~-70dBm/Hz左右。其中，由多種低功率噪聲的疊加而成的有色背景噪聲功率一般在-60~-70dBm/Hz之間，在一些頻段可低于-80dBm/Hz，其整體隨頻率增高而減弱，且功率譜變化較慢，一般為分鐘甚至小時量級；主要由通信帶寬內(nèi)的廣播電臺等其它無線通信信號造成的窄帶噪聲，平均占用2k~4kHz的帶寬，功率較高，較背景噪聲高出約30~50dBm/Hz，該類干擾一般長時穩(wěn)定存在；對通信效果影響最大的是沖激噪聲，該類噪聲隨機產(chǎn)生，持續(xù)時間很短，一般為幾十或者幾百毫秒，絕大部分功率高于背景噪聲10~30dBm/Hz，當(dāng)沖激噪聲發(fā)生時，噪聲頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸將可能出現(xiàn)嚴(yán)重的突發(fā)性誤碼。圖3為我國農(nóng)村中壓電力線在40k~560kHz頻段內(nèi)的典型噪聲頻譜。

圖3  國內(nèi)農(nóng)村中壓線路噪聲特性曲線（40k-560kHz）

中壓PLC關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)

中壓電力線信道是一個很不穩(wěn)定的高噪聲、強衰減的傳輸通道，高效可靠的調(diào)制編碼技術(shù)對于電力線通信非常重要。目前，國內(nèi)外針對不同通信場景對速率、可靠性的要求，對各種調(diào)制技術(shù)在中壓PLC中的應(yīng)用進行了大量的研究和測試。

根據(jù)對中壓信道特性的研究，噪聲功率一般隨頻率升高而降低，但同時多徑效應(yīng)所引起的深衰落也在高頻端更為嚴(yán)重，因此，在選擇PLC載波頻率時，需要根據(jù)實際線路情況在二者之間進行折衷。國內(nèi)外的大量實踐證明，5k~50kHz的載波頻率對于多數(shù)中壓配電自動化系統(tǒng)是比較合適的。在配電自動化的應(yīng)用中，多為單向數(shù)據(jù)傳輸，且主要要求有較高的可靠性，對實時性的要求不是很高，因此，一般都選取較低的傳輸速率，一般在10bps~1000bps之間。在調(diào)制技術(shù)方面，目前使用最多的是窄帶調(diào)制方法，如ASK，F(xiàn)SK或者CPSK都得到了比較廣泛的應(yīng)用。近年來為在強噪聲干擾的環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，跳頻、直接序列擴頻、Chirp跳頻等擴頻通信技術(shù)也被引入到中壓PLC系統(tǒng)中。

在利用中壓PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入的場景中，由于通信速率較高，對所采用的調(diào)制編碼技術(shù)的信道利用率，對突發(fā)噪聲和脈沖噪聲的規(guī)避或者對抗能力都提出了較高的要求。目前，在中、低速率的接入網(wǎng)研究中，BPSK、QPSK等調(diào)制方法得到了應(yīng)用，為了對抗頻率選擇性衰落的信道特性，一般都會同時應(yīng)用高階的差錯控制編碼，這同該調(diào)制方法本身不高的頻帶利用率相結(jié)合，使得系統(tǒng)的通信速率會受到較大限制。CDMA技術(shù)可以有效的對抗傳輸信道中的窄帶噪聲等干擾，但是在CDMA系統(tǒng)中所要求的較高處理增益，在存在嚴(yán)重的頻率選擇性衰落的電力線信道上很難達(dá)到，所以CDMA系統(tǒng)的優(yōu)勢在PLC中并不能得到完全的發(fā)揮，一般認(rèn)為，速率超過1 Mbps，它就不再適用。對于更高傳輸速率的接入網(wǎng)絡(luò)，多載波正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)被認(rèn)為是最為合適的技術(shù)方案。OFDM以多個相互正交的載波對數(shù)據(jù)進行調(diào)制，將串行數(shù)據(jù)流變換為并行處理。其擁有接近香農(nóng)限的高信道利用率；并且可以有效的對抗多徑效應(yīng)，解決碼間串?dāng)_問題，也具備較強的抗突發(fā)干擾的能力；另外，在信道分配上，OFDM也提供了靈活操作的可能性，得以規(guī)避通信帶寬內(nèi)深度衰落的頻帶；OFDM技術(shù)在高速PLC中應(yīng)用廣泛。

在MAC層協(xié)議中，目前的研究表明，帶有沖突避免的有競爭CSMA/CA協(xié)議，基于TDMA的無競爭預(yù)約協(xié)議，以及將兩者相結(jié)合的混合型協(xié)議，比較適合于中壓寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，并且已在實際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

總體而言，PLC應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過了模擬——單片機集成電路——現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展過程。中壓PLC系統(tǒng)起點較高，目前已廣泛采用DSP器件和專用芯片的解決方案。上世紀(jì)90年代中期以后，高速PLC芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國外多家公司都研究開發(fā)了相應(yīng)產(chǎn)品。

在市場的推動下，北美的中壓PLC寬帶接入應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展迅速。Amperion公司研究了發(fā)變電站至變壓器之間的中壓電力線上的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，以及MV - PLC與LV - PLC為一端、光纖和無線網(wǎng)絡(luò)為另一端的接口技術(shù)，從而提供了從中壓傳輸?shù)降蛪簜鬏?，從戶外接入到戶?nèi)組網(wǎng)的端到端PLC解決方案。目前，該系統(tǒng)的主要技術(shù)已經(jīng)通過實驗室試驗，Amperion公司及合作伙伴正極力推動該類接入網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)進程。

近年來受到廣泛關(guān)注的MV - PLC接入在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用，目前主要還停留在實驗系統(tǒng)的階段。文獻[1]中所介紹的接入系統(tǒng)物理層采用BPSK調(diào)制方法，利用BCH編碼、交織等技術(shù)對抗信道衰減和突發(fā)噪聲，MAC層使用CSMA/CD和TDMA的混合協(xié)議，在南非的郊區(qū)和低人口密度地區(qū)的中壓電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸實驗中實現(xiàn)了Internet接入，傳輸距離達(dá)到了4 km，但未能達(dá)到VoIP所要求的QoS保證。文獻[2]中，在北美農(nóng)村13.8 kV電網(wǎng)上采用基于QPSK調(diào)制的全雙工數(shù)字寬帶通信方案，在17 MHz和83 MHz頻段上在實現(xiàn)了2 Mbps的TCP/IP連接。

結(jié)語

中壓電力線通信技術(shù)在中壓配電自動化、城市和農(nóng)村地區(qū)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入等方面具有獨特的優(yōu)勢和很大的發(fā)展?jié)摿Γ绻玫綇V泛應(yīng)用，將對國民經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生積極的促進作用。近年來，國內(nèi)外相關(guān)的研究和應(yīng)用都得到了迅速的發(fā)展，有理由相信，隨著相關(guān)技術(shù)的進步和成熟，中壓電力線通信會在信息社會中扮演日益重要的角色。

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