張玉山

（安徽科技學(xué)院，安徽 滁州 233100）

對(duì)低壓電力線載波通信技術(shù)的探討

張玉山

（安徽科技學(xué)院，安徽 滁州 233100）

低壓的電力線載波通信就是利用低壓配電線這種傳輸信息的媒介來(lái)傳輸語(yǔ)音或者數(shù)據(jù)的特殊的通信方式，由于電力線有廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，因而使得這種特殊的通信方式具有很大的市場(chǎng)潛力和利用價(jià)值.這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外的研究已經(jīng)非常悠久，有接近百年歷史，其無(wú)論在技術(shù)上還是在理論上都取得了非常大的成績(jī)，也相對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)有很大的優(yōu)勢(shì)，因而我國(guó)很早就開(kāi)始對(duì)國(guó)外的技術(shù)和理論進(jìn)行研究，同時(shí)到目前也取得了很大的成績(jī)，而由于我國(guó)擁有較為獨(dú)特的電力網(wǎng)，而研究這項(xiàng)技術(shù)的工作也是近年來(lái)才開(kāi)展起來(lái)，因而我們需要積極的對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究，本文介紹了低壓電力線載波通信技術(shù)的原理、信道的特征和建模、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)以及分析比較了各類載波芯片和關(guān)鍵技術(shù)、模塊等.

低壓電力；載波通信技術(shù)；相關(guān)探討

1 這種技術(shù)特性的分析

1.1 低壓電力線載波中的信號(hào)特性分析

由于從上世紀(jì)六、七十年代以來(lái),利用10kV以上中、高壓電力線作為信號(hào)傳輸通道的電力線載波電話已經(jīng)獲得廣泛使用,對(duì)高壓電力線進(jìn)行高頻信號(hào)傳輸?shù)难芯恳惨逊浅Ｉ钊牒统墒?但是,在220/380V低壓電力線上進(jìn)行信號(hào)傳輸,與高壓電力線載波通信有較大的區(qū)別,突出表現(xiàn)在工作環(huán)境惡劣、線路阻抗小、信號(hào)衰減強(qiáng)、干擾大且時(shí)變性大等特點(diǎn).

我們知道,低壓電力線上的信號(hào)衰減特性和干擾特性非常復(fù)雜,而且隨機(jī)性、時(shí)變性大,難以找到一個(gè)較為準(zhǔn)確的解析式或數(shù)學(xué)模型加以描述,這也是為什么長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)低壓電力線高頻信號(hào)傳輸特性的分析多以定性分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試分析為主的原因.即使有些學(xué)者提出了一些模型,但是這些模型也往往是附加了許多假設(shè)和限制,因而也是不精確的或適用面很窄.這種精確數(shù)學(xué)模型的缺乏,對(duì)低壓電力線載波通信設(shè)備的設(shè)計(jì)提出了很高的要求,即要求其有很好的自適應(yīng)能力.但同時(shí),出于實(shí)用角度的考慮,為了獲得合理的性價(jià)比,又要求其成本要限制在一定的范圍內(nèi).這些對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言是一項(xiàng)挑戰(zhàn).

1.2 擴(kuò)頻通信技術(shù)的應(yīng)用

目前常用的擴(kuò)頻技術(shù)包括直接序列調(diào)制、調(diào)頻擴(kuò)頻和利用掃描頻率進(jìn)行載波三種，雖然現(xiàn)在運(yùn)用載波通信技術(shù)還很困難，但是可以利用特殊的技術(shù)運(yùn)用低壓電力線來(lái)改善通信的信道,當(dāng)下，低壓的電力線載波通信正在向著擴(kuò)頻通信方向開(kāi)展，擴(kuò)頻通信技術(shù)的使用,不僅可以有效的降低電力線上的衰減效果，還可以克服強(qiáng)大的干擾，從而提升了通信系統(tǒng)的可靠性.

2 載波通信技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)介紹

由于低壓電力線的載波通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用通信的質(zhì)量受到很多因素的影響，這些因素中扮演重要角色的就是通訊信道的衰減性和阻抗性和噪聲的干擾，而阻抗性主要會(huì)對(duì)通訊信號(hào)的傳輸距離造成影響，噪聲的干擾卻會(huì)對(duì)通訊的質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響.因而這兩個(gè)重要的因素會(huì)對(duì)通訊的質(zhì)量造成直接的影響，只有有效的研究和分析了這兩個(gè)因素，才可以對(duì)低壓電力載波通信技術(shù)進(jìn)行相對(duì)周全或者完善的設(shè)計(jì)，因而設(shè)計(jì)方面需要注意下面幾個(gè)方面；

2.1 由于電力線在設(shè)計(jì)的過(guò)程中采用的材料和對(duì)抗阻的設(shè)計(jì)使得其阻抗通常較小，因而使得通信系統(tǒng)的發(fā)送和接收端必須要嚴(yán)格的進(jìn)行控制，避免因抗阻不匹配出現(xiàn)傳輸過(guò)程中能量的損失.

2.2 由于在室內(nèi)的電力線上傳輸高頻信號(hào)時(shí)會(huì)發(fā)生一定程度的衰減，而且當(dāng)信號(hào)在電力線上傳輸時(shí)會(huì)受到一定的干擾和噪聲影響，因而在設(shè)計(jì)室內(nèi)的電力線為通信信道時(shí)必須要提升其抗干擾的能力，方能達(dá)成較小信噪比的通信系統(tǒng)，在載波通信中經(jīng)常采用正交頻復(fù)用和擴(kuò)頻的技術(shù)，擴(kuò)頻的技術(shù)主要具有的優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)信噪比小的時(shí)候可以較高和較好的對(duì)信噪比進(jìn)行接收，而正交頻復(fù)用的技術(shù)不僅具有擴(kuò)頻技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)，還擁有多徑干擾以及抗頻率選擇性衰落的優(yōu)勢(shì).

2.3 在進(jìn)行通信的時(shí)候要合理的對(duì)寬帶和波頻率進(jìn)行選擇，并要做到具體情況具體分析信號(hào)在頻域上衰減的狀況和噪聲頻譜的密度.如果按此優(yōu)先考慮的話當(dāng)然選取較低的頻段，而如果優(yōu)先考慮的是噪聲的因素的話那么就會(huì)選取高的頻段，所以在實(shí)際的生活中需要綜合的考慮兩方面的因素，看哪個(gè)因素占到主導(dǎo)地位就優(yōu)先考慮那個(gè)因素，綜合比較分析之后再進(jìn)行頻段的選取.

2.4 通常情況下家庭的電網(wǎng)分支較多，而且由于存在駐波和反射、抗阻不相匹配等現(xiàn)象，信號(hào)在經(jīng)過(guò)不同的分支到達(dá)最終的接收端時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的多徑干擾，此時(shí)如果采用rake接收機(jī)的話不僅僅可以起到抑制多徑衰弱的效果，而且還能降低錯(cuò)誤碼的概率、有效的分集信號(hào)能量.

2.5 由于通信質(zhì)量的好壞很大程度上受到了噪聲的影響，因而噪聲源與通信之間距離的遠(yuǎn)近是影響強(qiáng)弱的關(guān)鍵，如果實(shí)在無(wú)法更改二者之間的距離，那么可以在通信接收的位置多安裝一個(gè)具有很好隔離作用的阻波器.

2.6 在降低誤碼率的方面可以采用適當(dāng)碼長(zhǎng)的卷積碼.

2.7 除了上面提到的噪聲和誤碼率等需要考慮之外，還有一個(gè)需要考慮的方面就是通訊信號(hào)在傳輸過(guò)程中的衰減，而在降低這種衰減的起到非常重要作用的就是時(shí)變性，所以需要在整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮刀自適應(yīng)的能力，必須使得其能夠依據(jù)信號(hào)衰減的具體情況來(lái)自動(dòng)的調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)的功率和接收機(jī)方面靈敏度，從而保障通信的質(zhì)量.

2.8 在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中要可能的降低較長(zhǎng)數(shù)據(jù)分組的出現(xiàn)，如果一定需要使用的話可以通過(guò)重新分組打包的方式來(lái)將其長(zhǎng)度縮短，而由于存在脈波的干擾，數(shù)據(jù)組的長(zhǎng)度的縮短有利于降低脈沖的干擾，從而可以有效的使得數(shù)據(jù)傳輸速度得到保證.

3 低壓電力線載波通信技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用探討

由于供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá)使得這種通信技術(shù)有了廣闊的發(fā)展平臺(tái)，這種技術(shù)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如：有效的節(jié)約布線、不會(huì)占用無(wú)線頻道的相關(guān)資源，降低工程的作業(yè)量、后期的維護(hù)也相對(duì)傳統(tǒng)的來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單很多.而隨著科技水平的不斷進(jìn)步和發(fā)展，以及我國(guó)電網(wǎng)的開(kāi)放，這種技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越大，具體的例子就是家具的智能化發(fā)展和變化，智能化小區(qū)的建立和自動(dòng)抄表等等.

3.1 家具在智能化的過(guò)程中對(duì)這種技術(shù)的應(yīng)用探討

所謂家具網(wǎng)絡(luò)的智能化就是將家庭中各類微型的控制器和PC連起來(lái)，從而形成一個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)，從而使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備得到智能化的管理，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)只要有插座就可以連入網(wǎng)絡(luò).而由于這種技術(shù)無(wú)需架設(shè)信號(hào)線，組網(wǎng)的工程可以在不破壞原先家具環(huán)境的情況下完成，而且工程的造價(jià)也相對(duì)容易控制，還能保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性.通常情況下，電力寬帶的上網(wǎng)系統(tǒng)主要是由PC機(jī)、PLC設(shè)備、電力的modem以及路由和交換機(jī)等組成，在利用低壓的電力線進(jìn)行組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，是先經(jīng)過(guò)電力modem，將PC機(jī)的信號(hào)處理為特別電力信號(hào)，然后這經(jīng)過(guò)特殊處理的電力信號(hào)通過(guò)電力線路傳輸至PLC設(shè)備，在這個(gè)設(shè)備中會(huì)將這個(gè)電力信號(hào)還原為原先的信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)交換機(jī)和路由等進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)電力線路進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)的目的.

3.2 自動(dòng)抄表的系統(tǒng)應(yīng)用該技術(shù)的探討

自動(dòng)抄表這個(gè)系統(tǒng)在我國(guó)盛行于1980年左右，只不過(guò)雖然很早興起但是發(fā)展卻緩慢.直到03年左右才逐漸推廣開(kāi)來(lái)，而真正迅猛發(fā)展的時(shí)期是06年左右，那幾年才是電力載波自動(dòng)化抄表的黃金發(fā)展期.當(dāng)下由于低壓電力線載波通信的相關(guān)技術(shù)正在不斷研究和完善，而由于應(yīng)用這種技術(shù)之后，抄表的工作將不會(huì)受限于空間和時(shí)間，居民也可以隨時(shí)的查詢到自家用電的多少，電力管理的政府部門也能夠準(zhǔn)確而及時(shí)的獲得電能相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，因而這種自動(dòng)化的抄表技術(shù)已然進(jìn)入應(yīng)用的階段.

3.3 電力線載波通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的相關(guān)探討

低壓的的配電線路有時(shí)變性和物理拓?fù)?，而信道的質(zhì)量很大程度上可以影響到邏輯拓?fù)渥兓?，這樣會(huì)影響整體系統(tǒng)的通信可靠性，經(jīng)過(guò)研究有的研究者認(rèn)為可以從網(wǎng)絡(luò)模型和高速電力線通信方式的角度進(jìn)行分析，從而發(fā)掘出更為恰當(dāng)?shù)乃惴▉?lái)優(yōu)化電力線通信的網(wǎng)絡(luò)，從而有效的提升整體電網(wǎng)的可靠性.已經(jīng)有研究對(duì)低壓配電網(wǎng)窄帶電力線通信數(shù)據(jù)邏輯鏈路的選擇、建立和自動(dòng)路由等做了研究和探討，并提出了一種基于非交疊分簇的動(dòng)態(tài)路由算法和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法，來(lái)保證通信網(wǎng)絡(luò)的有效性.有些學(xué)者提出在低壓配電網(wǎng)電力線載波通信中采用網(wǎng)絡(luò)自組與重構(gòu)技術(shù)，可以自動(dòng)偵測(cè)可通信邏輯節(jié)點(diǎn)和最佳中繼節(jié)點(diǎn)、動(dòng)態(tài)調(diào)整路由和配置中繼信息以及自動(dòng)識(shí)別節(jié)點(diǎn)的投入或切除，從而實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)中點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的可靠通信.

4 總結(jié)

低壓電力線的載波通信技術(shù)現(xiàn)在正在成為整個(gè)通信領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容，由于其具有很多的優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)潛力和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)在國(guó)外的很多國(guó)家得到實(shí)際的應(yīng)用，而我國(guó)由于低壓電力網(wǎng)存在一定的特殊性，使得在分析通信信道和建模方面存在很大的難度，不可以直接將國(guó)外成功的案例或者成熟的技術(shù)直接進(jìn)行搬用，同時(shí)相關(guān)的產(chǎn)品也無(wú)法使用.但是隨著我國(guó)近幾年來(lái)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域研究的高度重視，已然取得了不錯(cuò)的成果，使得我姑的低壓電力線載波通訊技術(shù)得到了一定的發(fā)展，其中電力載波芯片（自主研制開(kāi)發(fā)）的出現(xiàn)標(biāo)志著我國(guó)在這一領(lǐng)域的突破，但是同國(guó)外的成熟技術(shù)和專業(yè)的研究機(jī)構(gòu)來(lái)比較還存在不小的差距，因而我們應(yīng)該不斷的加強(qiáng)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的投入和應(yīng)用，他的應(yīng)用方向除了上面提到的那些之外，還有很多其他的地方，例如：農(nóng)業(yè)灌溉中的節(jié)水監(jiān)控等，正是由于其具有廣闊的應(yīng)用空間和前景，我們才要不斷的進(jìn)行相應(yīng)的研究和開(kāi)發(fā).

綜上所述，低壓PLC技術(shù)將會(huì)給企業(yè)、社會(huì)帶來(lái)巨大的效益,對(duì)于打破電信行業(yè)的壟斷,引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,發(fā)揮市場(chǎng)效應(yīng)都有著不可估量的作用.對(duì)于電力企業(yè)來(lái)說(shuō),如何利用該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),以期在未來(lái)的激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得一席之地,是值得我們進(jìn)一步研究的.

〔1〕王思彤,袁瑞銘,孫志杰.低壓電力載波技術(shù)及其在抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2008(3).

〔2〕劉曉勝，胡永軍，張勝友.低壓配電網(wǎng)電力線載波通信與新技術(shù)[J].電氣應(yīng)用，2006(2).

〔3〕劉曉勝，熊四軍，戚佳金.基于混沌跳頻的電力線交織編碼技術(shù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008(14).

〔4〕周亞,王學(xué)玲.低壓遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)的組成及其應(yīng)用前景[J].農(nóng)村電氣化，2008(5).

〔5〕高峰,董亞波.低壓電力線載波通信中信號(hào)傳輸特性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007.

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