一、電力載波技術(shù)簡(jiǎn)介及特點(diǎn)
電力載波技術(shù),簡(jiǎn)稱(chēng)PLC技術(shù),是英文Power line Communication的簡(jiǎn)稱(chēng)。電力載波是電力系統特有的通信方式，電力載波通訊是指利用現有電力線(xiàn)，通過(guò)載波方式將模擬或數字信號進(jìn)行高速傳輸的技術(shù)，最大特點(diǎn)是不需要重新架設網(wǎng)絡(luò )，只要有電線(xiàn)，就能進(jìn)行數據傳遞，是利用1.6～30MHz頻帶范圍在電力線(xiàn)路上傳輸信號。在發(fā)送時(shí),利用GMSK或OFDM調制技術(shù)將用戶(hù)數據進(jìn)行調制、線(xiàn)路耦合,然后在電力線(xiàn)上進(jìn)行傳輸.在接收端,先經(jīng)過(guò)耦合、濾波,將調制信號從電力線(xiàn)路上濾出,再經(jīng)過(guò)解調,還原成原信號。目前可達到的通信速率依具體設備不同在4.5～45MB/s之間。PLC設備分局端和調制解調器,局端負責與內部PLC調制解調器的通信和與外部網(wǎng)絡(luò )的連接。在通信時(shí)，來(lái)自終端地址或用戶(hù)的數據進(jìn)入調制解調器調制后，通過(guò)系統的配電線(xiàn)路傳輸到局端設備，局端將信號解調出來(lái)，再轉到控制主機或外部的Internet。
電力載波技術(shù)相關(guān)特性
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電力載波通信不同于常規的點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)阻抗恒定傳輸媒介。由于大多電力線(xiàn)具有分支多、不同分支電纜物理特性不一致及負載阻抗不恒定等特點(diǎn)，其中，中壓電力線(xiàn)的阻抗變化稍小，中壓電纜線(xiàn)路分支一般不多。因而電力線(xiàn)信道是一個(gè)多徑反射以及頻率選擇性衰落信道。我們可以通過(guò)模擬技術(shù)研究不同拓撲結構網(wǎng)絡(luò )上通信性能的可能性。通過(guò)搭建模型，并基于大量的測試，可以研究和設計出PLC網(wǎng)絡(luò )。同時(shí)可以對不同的調制技術(shù)和編碼技術(shù)進(jìn)行比較研究。
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除了因線(xiàn)路衰減和多路傳輸所造成的信號失真外，噪聲是影響電力線(xiàn)數據可靠通信的關(guān)鍵因素。通過(guò)大量理論研究和實(shí)際測試表明，電力線(xiàn)信道中的噪聲分布和其它常見(jiàn)信道有很大的不同，其噪聲并不呈現白高斯噪聲（AWGN）特性，在頻率從幾百kHz到數十 MHz之間，主要為窄帶干擾和脈沖噪聲。為了克服這些影響，必須考慮采用復雜的信道編碼技術(shù)。中低壓配電網(wǎng)中的噪聲可以分為以下五類(lèi)。
?。?）有色背景噪聲：具有相對較低的功率譜密度(psd), 而且功率譜密度隨頻率的變化而變化；
?。?）窄帶噪聲：主要是一些經(jīng)過(guò)幅度調制的正弦信號，嚴重時(shí)在很寬的頻率范圍內存在高電平的噪聲；
?。?）非電網(wǎng)諧波的周期性脈沖噪聲：這類(lèi)噪聲大多是由開(kāi)關(guān)電源引起的，在低壓電力線(xiàn)中出現的幾率較大；
?。?）與工頻同步的周期性脈沖噪聲：這些脈沖的重復頻率為50Hz或 100Hz，與工頻同步，它們持續時(shí)間很短（幾微秒）；（5）異步脈沖噪聲：它是由電網(wǎng)中瞬時(shí)的電氣開(kāi)斷引起的，這類(lèi)噪聲的功率譜密度有時(shí)比背景噪聲高 50dB。
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由于高速電力載波需要在電力線(xiàn)上注入高頻信號（2 MHz～30MHz），但高速PLC的使用不能給其他通信系統帶來(lái)電磁干擾。為此國外對電力線(xiàn)的高頻輻射機理進(jìn)行了詳細的研究并作了大量的測試，大家認為電力線(xiàn)的對地不平衡是其輻射的主要原因。由于電力線(xiàn)的電磁輻射特性跟電力線(xiàn)結構、耦合方式密切相關(guān)，一個(gè)地方的測量結果很難反映不同應用環(huán)境的電磁輻射水平，而且對于2 MHz～30MHz頻率范圍電磁輻射的測量方法也存在較大的爭議，所以盡管有組織定義了高速電力載波的電磁輻射水平，但目前還沒(méi)有一個(gè)世界范圍內大家一致認同的標準。如何設定高速PLC設備及系統的電磁輻射水平及定義測試方法仍然是各個(gè)相關(guān)組織正在研究的項目。
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電力線(xiàn)是一個(gè)極其不穩定的高噪聲、強衰減的傳輸通道，要實(shí)現可靠的電力線(xiàn)高速數據通信，必須解決各種因素對數據傳輸的影響。高效可靠的調制編碼技術(shù)是高速PLC的關(guān)鍵，國內外對各種調制技術(shù)在PLC中的應用進(jìn)行了大量的研究和測試?！?/p>
二、電力載波技術(shù)的發(fā)展研究現狀及應用前景
對電力載波技術(shù)的研究是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及制定相關(guān)標準的基礎。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國外相關(guān)研究組織或個(gè)人在中低壓電力線(xiàn)的信道特性研究方面取得了一定成果，但還有很多研究工作需要進(jìn)一步深入。
常規單載波調制不但頻帶利用率不高，而且在無(wú)法預計各種強干擾噪聲頻譜分布的前提下是無(wú)法避開(kāi)或抑制突發(fā)噪聲和脈沖噪聲干擾的，因此也無(wú)法實(shí)現可靠的高速數據傳輸。對高速PLC來(lái)說(shuō)，要實(shí)現很高的通信速率，在有限的頻帶內采用CDMA方案較難實(shí)現較高的處理增益，所以CDMA技術(shù)難以在高速PLC中使用。
另外，電力線(xiàn)載波通訊因為有以下缺點(diǎn)，導致電力載波技術(shù)主要應用－－網(wǎng)絡(luò )通訊（電力上網(wǎng)）未能大規模應用：
1、配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個(gè)配電變壓器區域范圍內傳送；
2、三相電力線(xiàn)間有很大信號損失（10 dB -30dB）。通訊距離很近時(shí)，不同相間可能會(huì )收到信號。一般電力載波信號只能在單相電力線(xiàn)上傳輸；
3、不同信號藕合方式對電力載波信號損失不同，藕合方式有線(xiàn)-地藕合和線(xiàn)-中線(xiàn)藕合。線(xiàn)-地藕合方式與線(xiàn)-中線(xiàn)藕合方式相比，電力載波信號少損失十幾dB，但線(xiàn)-地藕合方式不是所有地區電力系統都適用；
4、電力線(xiàn)存在本身因有的脈沖干擾。目前使用的交流電有50HZ和60HZ，則周期為20ms和16.7ms，在每一交流周期中，出現兩次峰值，兩次峰值會(huì )帶來(lái)兩次脈沖干擾，即電力線(xiàn)上有固定的100HZ或120HZ脈沖干擾，干擾時(shí)間約2ms，因定干擾必須加以處理。有一種利用波形過(guò)0點(diǎn)的短時(shí)間內進(jìn)行數據傳輸的方法，但由于過(guò)0點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)際應用與交流波形同步不好控制，現代通訊數據幀又比較長(cháng)，所以難以應用；
5、電力線(xiàn)對載波信號造成高削減。當電力線(xiàn)上負荷很重時(shí)，線(xiàn)路阻抗可達1歐姆以下，造成對載波信號的高削減。實(shí)際應用中，當電力線(xiàn)空載時(shí)，點(diǎn)對點(diǎn)載波信號可傳輸到幾公里。但當電力線(xiàn)上負荷很重時(shí)，只能傳輸幾十米。
雖然技術(shù)問(wèn)題隨著(zhù)時(shí)間的發(fā)展，最終都能被解決被克服，但是從目前國內寬帶網(wǎng)建設的情況來(lái)看，留給PLC的時(shí)間和空間并不寬裕。2000年以來(lái)各大運營(yíng)商大規模推出ADSL、光纖、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等多種寬帶接入業(yè)務(wù)，留給電力線(xiàn)上網(wǎng)的生存空間，已經(jīng)不斷被其他接入方式壓縮。目前，電力載波技術(shù)在以下幾個(gè)領(lǐng)域仍有較大發(fā)展空間。
1、智能家居
智能家居控制網(wǎng)可用電力線(xiàn)載波技術(shù)來(lái)實(shí)現，其原理是將電力載波技術(shù)集成后嵌入到各電器中去，并利用家庭現有的電力線(xiàn)作為載波通信媒介，實(shí)現智能設備之間的通信與控制。智能家居控制網(wǎng)中智能電器的互聯(lián)互動(dòng)，將為您帶來(lái)高品質(zhì)的生活體驗和生活享受：隨時(shí)查詢(xún)所有電器狀態(tài)；任一開(kāi)關(guān)集中控制家中所有智能電器設備；組開(kāi)組關(guān)指定電器，如場(chǎng)景燈等；隨時(shí)掌握家庭安防情況，如防盜、火警、探測燃氣泄漏等；通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或電話(huà)對家中電器進(jìn)行遠程控制等。
2、遠程抄表系統（AMR）
遠程自動(dòng)抄表（AMR）系統是智能控制網(wǎng)的重要應用之一。它可以使電力供應商在提高服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)降低管理成本；并讓用戶(hù)有機會(huì )充分利用各種用電計劃（如分時(shí)電價(jià)）來(lái)節省開(kāi)支和享受多種便利。把電表（水表、氣表）的數據通過(guò)采集終端設備將數據調制后,通過(guò)電力線(xiàn)傳送,在接收端解調還原成數據信號,在同一臺配電變壓供電范圍內用戶(hù)統一編址,并由采集器巡回讀寫(xiě).若采用微波技術(shù)電力載波信號是可以通過(guò)變壓器的,電力載波的重要優(yōu)點(diǎn)是利用電力線(xiàn)傳輸,不需要鋪設專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)路,節省資源,便于改造,提高電網(wǎng)的利用率.對于通信而言,電力線(xiàn)作為有線(xiàn)傳輸介質(zhì),其原理如同電話(huà)、有線(xiàn)電視、光纖通信一樣,所不同的是電話(huà)、光纖、有線(xiàn)電視是傳輸語(yǔ)音、圖像、數據、信號的專(zhuān)用,而電力線(xiàn)是在輸送電能前提下輔助傳輸數據或話(huà)音信號,不是通信專(zhuān)用網(wǎng).由電力線(xiàn)的特性所決定,它不可能實(shí)現高速和寬帶信號傳輸,但作為行業(yè)管理和智能化家居(入戶(hù)終端)是最經(jīng)濟最有效的技術(shù)應用
系統功能特點(diǎn)：遠程自動(dòng)抄表；遠程控制電表拉合閘；實(shí)時(shí)查詢(xún)用戶(hù)用電量；電表用量組抄或個(gè)別選擇抄讀；可與收費系統聯(lián)為一體；根據電網(wǎng)負載的峰谷時(shí)段分段電價(jià)；分時(shí)段抄表及計費；控制非法竊電行為；減少人力成本及管理成本；自動(dòng)保存抄讀的歷史數據；統計電表數據，分析用電規律；估計線(xiàn)損和由電表計量誤差引起的自損；配電系統評估、供電服務(wù)質(zhì)量檢測和負荷管理
3、遠程路燈監控系統
遠程路燈監控系統利用電力載波技術(shù)通過(guò)已有電力線(xiàn)將路燈照明系統連成智能照明系統。此系統能在保證道路安全的同時(shí)節省電能，并能延長(cháng)燈具壽命以及降低運行維護成本。目前的路燈遠程智能監控系統一般有單燈控制器、集中控制器和監控中心三級部分構成。
系統功能特點(diǎn)：全天候24小時(shí)自動(dòng)監控；監控范圍可達數公里；拓展功能：加入自動(dòng)路由功能后，監控范圍成倍增加，系統可自由增減監控設備的數量，監控設備可以擴展其它功能；單燈狀態(tài)檢測：電壓、電流、開(kāi)關(guān)、溫度等；單燈故障狀態(tài)自動(dòng)上報；照明系統節能自動(dòng)控制，現場(chǎng)按季節變化自動(dòng)調節路燈開(kāi)關(guān)時(shí)間；各類(lèi)故障或異常情況報警；多種報警方式供用戶(hù)選擇；遠程報警信息送至控制中心或值勤人員手機；可與110等緊急呼救系統聯(lián)網(wǎng)。
三、應用案例
濰坊市奧體公園體育場(chǎng)是一座現代化、智能化的體育場(chǎng)館，其智能建筑監控系統（BAS）、智能照明控制系統、集中智能控制疏散燈系統等均采用國內乃至國外最先進(jìn)的控制技術(shù)，其中智能控制疏散燈系統及路燈控制系統應用了國內外正高速發(fā)展的電力載波技術(shù)。以疏散燈智能控制系統為例，傳統的疏散指示智能集中控制系統由地址編碼疏散指示燈、區域路由配電箱（匯集器）、智能集中控制主機構成，由系統電源線(xiàn)進(jìn)行照明供電，并通過(guò)UTP5監控通訊數據線(xiàn)進(jìn)行路由地址匯集和數據傳輸，從而實(shí)現控制功能。而奧體公園體育場(chǎng)采用的電力載波通訊技術(shù)則不需要重新敷設數據通訊線(xiàn)路，而是應用系統自身供電線(xiàn)路直接進(jìn)行數據傳輸和控制。
濰坊市奧體公園體育場(chǎng)智能疏散集中控制系統采用的恒生照明HOCEN-EMCS系統，是基于美國Echelon公司的LonWorks電力載波控制網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)開(kāi)發(fā)的消防應急疏散照明監控系統網(wǎng)絡(luò )控制管理平臺技術(shù)。HOCEN-EMCS系統由主控服務(wù)器通過(guò)LonBus-PL控制總線(xiàn)透過(guò)網(wǎng)絡(luò )路由器將各個(gè)分散的應急燈具單元連接起來(lái)，每個(gè)應急燈都有一個(gè)神經(jīng)元芯片并具有獨立的地址，通過(guò)電腦編程的各個(gè)疏散應急燈既可獨立完成燈具內的各項檢測工作，又可根據要求向主控電腦發(fā)送檢測結果和接受各項指令完成任務(wù)。HOCEN-EMCS系統控制網(wǎng)絡(luò )又可通過(guò)各種連接設備介入IP數據網(wǎng)絡(luò )和互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現各個(gè)監控主機之間的遠程監控。HOCEN-EMCS系統的LonBus-PL控制總線(xiàn)是以L(fǎng)onWorks電力 線(xiàn)載波技術(shù)為基礎透過(guò)電力線(xiàn)載波智能收發(fā)器完成數據通信，針對傳統電力載波技術(shù)脈沖噪聲干擾、信號損失、傳輸距離短及單載頻調制等缺陷，LonBus-PL載波智能收發(fā)通訊方式是采用帶有DSP增強接收器的雙頻BPSK，具有以下特點(diǎn)：
?窄帶技術(shù)，數字信號處理技術(shù)：Echelon把噪聲抑制和畸變糾正的專(zhuān)利算法技術(shù)應用到數字信號處理內核中。這些性能使得收發(fā)器可以糾正電力信號中多種多樣的干擾，包括脈沖噪聲，連續聲頻噪聲、相位畸變等。
?獨特的雙載頻工作方式：當第一載波頻率由于噪聲而阻塞時(shí)，會(huì )自動(dòng)切換到第二載波頻率，兩個(gè)載波頻率選擇時(shí)，考慮了避免由于諧波而導致兩個(gè)頻率同時(shí)被阻塞，這些確保了即使在有噪聲的情況下，數據包仍能可靠的接受。
?前向糾錯：許多噪聲源主要是通過(guò)損壞數據包的辦法來(lái)干擾電力線(xiàn)信號，神經(jīng)元智能收發(fā)器在循環(huán)亢余校驗碼的基礎上，采用高效低消耗的前向糾錯碼（FEC）算法來(lái)克服錯誤包。
?強大的輸出放大器：外接高輸出放大器的智能收發(fā)器可以發(fā)出滿(mǎn)足世界發(fā)射要求的7V峰峰值信號。
?寬廣的動(dòng)態(tài)范圍：動(dòng)態(tài)范圍和收發(fā)器的靈敏度有關(guān)。神經(jīng)元智能收發(fā)器的動(dòng)態(tài)范圍達到＞80DB。在一條低噪安靜的傳輸線(xiàn)上智能收發(fā)器可以接收衰減達104的信號。
濰坊市奧體公園體育場(chǎng)的集中智能疏散控制系統通過(guò)HOCEN-EMCS消防應急智能監控系統控制網(wǎng)絡(luò )，采用系統自身電力線(xiàn)作為通訊介質(zhì)，應用LonBus-PL控制總線(xiàn)對分布在各個(gè)疏散通道的應急疏散照明燈具運行狀況連續自動(dòng)檢測和監控。系統采用了HCN-BZ-X系列疏散燈具、HS3800F-ELR型區域路由配電箱及HS3800-EMCS/2000L型智能集中控制主機，可以完成數據采集、存儲、控制、通信、顯示、記錄、故障診斷等多種功能，使應急疏散照明燈具在符合國家規程的相關(guān)要求下正常運行。系統并具有動(dòng)態(tài)導光功能，智能動(dòng)態(tài)導光技術(shù)根據火災探測器報警系統發(fā)出的聯(lián)動(dòng)信號確定火災區域并結合相關(guān)預案信息，由計算機分析選擇最佳逃生線(xiàn)路，并發(fā)出指令控制疏散標志燈導向箭頭的光流方向，同時(shí)結合語(yǔ)音提示引導，保證人員有效疏散。
四、結語(yǔ)
經(jīng)過(guò)多年的研究，電力載波技術(shù)已有了飛速的發(fā)展和突破，特別是因其安裝成本低、電力線(xiàn)覆蓋范圍廣、高速率、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應用到工業(yè)智能化、家居智能化、公共設施智能化及建筑消防智能化等多個(gè)領(lǐng)域。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，電力載波相關(guān)技術(shù)問(wèn)題和缺陷會(huì )被逐步克服，電力載波技術(shù)將有更大的發(fā)展和應用前景?！ ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????文/孫連東 李振譚