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电力线通信(PLC)技术的应用及未来


电力线高速数据通信技术,简称 PLC 或 PLT,是一种利用中、 低压配电网作为通信介质,实现数据、话音、图像等综合业务传输的 通信技术,不仅可以作为解决宽带末端接入瓶颈的有效手段,而且可 以为电力负荷监控、远程抄表、配用电自动化、需求侧管理、企业内 部网络、智能家庭以及数字化社区提供高速数据传输平台。 PLC 按应用的配电网电压等级划分为低压 PLC 和中压 PLC。低 压 PLC 利用低压(220V/380V)电力线作为传输媒介,为用户提供 Internet 接入、家庭局域网、远程抄表、智能家居等应用。中压 PLC 利用中压(10KV)电力线作为通信链路,为接入骨干网、配电网自 动化、用户需求侧管理及农村电话等应用提供传输通道。 近 10 年, 特别是 2000 年以来, 由于人们对带宽需求的不断增长, 包括 ADSL、PLC 技术在内的宽带接入技术得到了快速发展。特别是 PLC 技术,由于充分利用最为普及的电力网络资源,建设速度快、投 资少、户内不用布线,能够通过遍布各个房间的电源插座进行高速上 网,实现“有线移动”,具备了其它接入方式不可比拟的优势,受到国 内外的广泛关注。 二、PLC 技术的发展现状 (一) 国外发展现状 目前国际上专用 PLC 调制解调芯片主要有:以色列 Yitran 公司 传输速率为 2.5Mbps 的芯片、美国 Intellon 公司 14Mbps 芯片、西班 牙 DS2 公司 45Mbps 和 200Mbps 芯片, 其中美国 Intellon 公司 14Mbps 芯片应用最为普遍,大部分 PLC 系统都是基于该芯片开发的。近期,

美国 Intellon 公司推出了芯片速率为 85Mbps 的样片,法国 Spidcom 公司也开发了 224Mbps 芯片,正在测试之中。 欧盟为促进 PLC 技术的发展,从 2004 年 1 月 1 日开始启动了一 个称之为 OPERA(Open PLC European Research Alliance)的计划, 旨在联合欧洲的主要 PLC 研究开发力量致力于制定欧洲的 PLC 统一 技术标准、 推动大规模商业化应用, 并将 PLC 作为实现“eEurope” (信 息化欧洲)的重要技术手段。美国联邦通信委员会(FCC)一直在鼓 励启用新的基于现有设施的宽带平台,促进美国的宽带业务。2004 年 2 月 12 日,FCC 批准对某些技术规则的修改意见,目的是通过促 进电力线宽带接入技术的推广应用, 把美国电力网的巨大潜力利用起 来。美国、欧洲等国许多大的电力企业也积极进行中压及低压 PLC 的试验,美国的 Cinergy 等 17 家电力企业、德国、奥地利、西班牙 等 15 个欧洲国家的 32 个电力企业建立了 PLC 试验网络,有的还进 行了 PLC 商业化运营,如德国的 MVV 等。亚洲开展 PLC 研究和试 验的国家和地区除中国大陆外, 还有日本、 韩国、 新加坡、 中国香港、 中国台湾等地,日本对 PLC 的态度,经历了从初期怀疑否定、到开 放试验、直至今日的积极推动的三个阶段。目前日本的东京电力、新 加坡电力、香港中华电力等建立了一定规模的试验网络。据不完全统 计,截止 2004 年年底,PLC 的试验网络遍及欧洲、亚洲、北美洲、 南美洲、非洲以及大洋洲的 40 多个国家和地区。 (二) 国内 PLC 技术的研发及应用 国外在电力线通信技术方面的进展,引起了国家电力公司的高

度重视和科研单位的密切关注。 国家电力 (电网) 公司先后八次立项, 由中国电力科学研究院、 国电通信中心等单位承担电力线高速数据通 信技术相关课题的研究工作。由于我国低压配电网的网络结构、负荷 特性、供电方式和国外有很大的不同,国外已有的理论研究成果和开 发的系统不能完全适应我国的实际。 我国科技工作者在中国低压配电 网高频信号传播特性、电力线高速数据通信机理、应用产品开发等方 面进行了大量的研究工作。中国电力科学研究院从 1999 年开始承担 国家电力公司第一个电力线高速数据通信技术项目的研究工作, 对电 力线信道特性、 电力线数据通信机理进行了系统的理论研究和大量测 试,2000 年研制出国内第一套传输速率为 2Mbps 的 PLC 产品,2001 年在沈阳建立了国内第一个 PLC 宽带接入试验小区,实现了宽带上 网、视频点播、数字化小区管理等功能。2001 年和 2003 年分别研制 出传输速率为 14Mbps 和 45Mbps 的产品,2003 年和沈阳供电公司合 作在沈阳开通了国内第一个 45Mbps 全电力线接入的宽带小区。福建 电力试验研究院 2001 年研制出传输速率为 14Mbps 的产品,并在多 个城市进行试验,深圳国电科技公司 2004 年利用西班牙 DS2 公司的 芯片研制出 200Mbps 的 PLC 产品。中国电力科学研究院和福建电力 试验研究院在 PLC 的组网技术、信道优化技术以及应用技术等方面 进行了许多研究工作,形成了二十多项具有知识产权的专利技术,其 中中国电力科学研究院申请了 8 项发明专利、8 项实用新型专利,福 建电力试验研究院申请了 7 项发明专利和 5 项实用新型专利。 随着低压 PLC 技术的突破以及应用的深入,中压 PLC 也得到了

相应的发展,2004 年国电通信中心控股的意科公司研制出传输速率 为 45Mbps 的中压宽带 PLC 系统,无中继传输距离达到 1Km,传输 速率达到 37Mbps,并可通过加装中继实现远距离的传输。国电通信 中心还组织意科公司实施了利用中压 PLC 技术构筑配电网自动化系 统通信平台的示范工程,将于今年 10 月底竣工验收。 在 PLC 技术的应用方面,我国已经走在了世界的前列。2001 年 国电通信中心在原国家电力公司的组织下, 开始实施低压配电网电力 线宽带接入技术的实验及推广应用,国电通信中心成立了 PLC 领导 小组,下设 PLC 技术推进办公室,确立了推动电力线通信技术研究、 试验及推广应用的策略、战略、思路和总体安排,引进了国内外多家 企业的产品在北京进行实验。国电通信中心 PLC 领导小组以及推进 办公室的成立标志着我国 PLC 大规模有序试验和推进工作的开始。 短短的三年多时间内,在国家电力(电网)公司的统一安排下,国电 通信中心组织研究开发单位、 产品试验单位以及网络运营单位进行了 大量的实验、电磁兼容特性测试、网络性能测试和工程探索,提出并 实践了具有中国特色的电力线通信技术应用模式, 建立了世界上最大 规模的电力线宽带接入试验运行网络。截止到 2005 年 5 月底,由国 电通信中心组织、 中电飞华公司实施的北京电力线宽带接入试验网覆 盖了 500 多个居民小区,接入楼宇近 4000 栋,开通用户 40000 余户, 目前正以每月开通 3000 多户的速度推进。 有的用户已经试用三年多, 广大用户对上网速率和稳定性均表示认可。 因此,PLC 技术是一项利 国利民的新技术,对加快、促进国家偏远地区信息化建设起着很好的

推广作用。

三、PLC 网络性能测试、电磁兼容(EMC)测试及标准化 在 PLC 宽带接入试验网络成功运行的基础上,为了加强电信监 管,探索 PLC 商业化运营模式,信息产业部电信管理局、科技司、 通信科技委等部门的领导和专家多次到 PLC 试验小区和用户现场进 行调研,充分肯定了电力系统近几年来在 PLC 宽带接入方面的工作, 提出按照相关标准加强网络性能和电磁兼容性能的测试, 通过测试评 估 PLC 网络提供公众电信服务的技术可行性以及 PLC 系统对环境以 及其他系统的影响。 按照信息产业部科技司的要求,国电通信中心、中国电力科学研究院 配合信息产业部电信传输技术研究所、 国家无线电监测中心等检测机 构对 PLC 系统的传输性能、系统功能、网管功能、电磁兼容、电器 设备安全等方面做了大量的测试。 网络性能测试是信息产业部电信传输技术研究所依据 《提供公共 电信业务的用户驻地网技术要求和测试方法》 ,分别在实际应用现场 和实验室进行的。测试内容包括网络吞吐量、网络时延、长时间传输 性能等多项网络性能指标。测试结果表明 PLC 网络的主要性能满足 用户驻地网技术标准的要求, 完全可以作为一种有效的宽带接入方式 为用户提供商业化 INTERNET 服务。 EMC 测试分别采用国际电信联盟 ITU-T K.60 标准和 GB9254 信 《 息技术设备无线电骚扰限值和测量方法》(等同于 CISPR22)进行。测

试单位包括国家无线电监测中心、 信息产业部通信电磁兼容质量监督 检验中心、上海电器研究所、中国泰尔实验室、武汉高压研究所等多 家机构,测试地点为检测机构的实验室以及实际运行环境。参测产品 为 14Mbps 和 45Mbps 两种传输速率的产品, 检验内容为 30MHz 以内 的辐射骚扰和传导骚扰。测试的辐射骚扰和传导骚扰均能满足 ITU-T K.60 和 GB9254 的骚扰限值要求。 电气安全方面的测试标准为 DL/T698-1999《低压电力用户集中 抄表系统技术条件》 、GB/T 17626.2-1998 等,测试单位为电力工业电 力设备及仪表质量检验检测中心和武汉高压研究所。 测试内容包括结 构、信号传输特性、电气性能、气候环境影响、机械性能、安全性能、 电磁兼容性、 PLC 对电表及抄表系统的精度影响等方面, 测试结果均 符合检验标准要求。 通过近 2 年的全面测试,获得了 PLC 网络性能、电磁辐射、电 气性能的大量运行数据。测试结果以及检测机构出具的检测报告表 明, PLC 设备及系统的使用不会干扰其它无线业务的正常工作, 不会 影响运行于电网中电气设备的正常使用, 不会影响电表和抄表系统的 精度和传输可靠性。PLC 系统的网络性能、电磁骚扰性能、抗电磁干 扰性能、以及电气安全性能符合用户商业化宽带接入的技术要求。 欧洲从 2002 年起开始研究 PLC 系统的技术框架和技术标准,目 前已经取得了积极进展。 欧洲电信标准化组织 ETSI 从 2002 年开始陆 续公开了两个 PLC 技术规范和 5 个技术报告。另外还有六个项目正 在进行中。 PLC 产品 EMC 标准方面涉及的国际标准化组织包括 IEC、

CENELEC 等,其中最主要的是 IEC 下属机构国际无线电干扰特别委 员会-——CISPR。 目前定义了 1~30MHz 范围内电信网络辐射限值的 技术标准有四个: 德国的 NB30、 英国的 MPTl570、 美国的 FCC Part15 以及国际电信联盟于 2003 年 7 月推出的 ITU-T K.60。 PLC 技 术 在 美 国 的 主 要 应 用 是 家 庭 联 网 , 其 家 庭 插 座 联 盟 (HomePlug)——在 2001 年推出了 HomePlug Speciation 1.0(速率 14Mbps)技术规范,并即将推出速率为 200Mbps 的 HomePlug AV 技 术规范,以上这两个规范只适用于家庭联网。随着 PLC 作为接入应 用的增多,近期 HomePlug 已经开始着手制定涵盖家庭联网和宽带接 入的 BPL 标准。 随着 PLC 技术的日渐成熟以及大规模应用,中国 PLC 技术标 准化方面的研究工作逐渐深入,取得了初步的成果。2003 年 9 月, 国电通信中心与中国电力企业联合会标准化中心签订了标准项目合 同《作为用户接入的低压电力线通信技术规范》 ,旨在从电力行业的 角度,对 PLC 产品和网络等各方面进行管理。2004 年 12 月,中国电 力科学研究院、国电通信中心、华北电力大学等共同承担了国家电网 公司科技项目《PLC 安全问题的研究》 。通过该项目的研究将形成实 用化 PLC 产品及系统的技术条件,提出 PLC 系统的国家电网公司企 业标准。我国制定 PLC 标准具有良好的基础,特别是通过大量的现 场和实验室测试,对 PLC 的网络性能、电气性能以及电磁兼容性能 有了深入了解,检测部门、研究单位以及运行单位对相关测试方法、 测试仪器、参考的标准以及依据有了基本的共识,制定了 PLC 标准

大纲。相信经过相关单位的共同努力,国家电网公司 PLC 企业标准 有望在 2005 年第四季度出台。 四、PLC 和其它宽带接入技术的比较 宽带接入技术除正在发展中的电力线接入系统以外, 还有 XDSL 接入(以 ADSL 为主)、光纤+五类缆接入、802.11 无线局域网接入、 HFC 接入、无源光纤接入、无线 LMDS 宽带接入、卫星接入、Home PNA 等。ADSL、光纤+五类缆、802.11 无线局域网接入、HFC 接入、 以及 PLC 是目前的主要接入方式。ADSL 是目前应用的主要宽带接 入方式,其优势是借用已有的电话线,不干扰普通电话使用,频带专 用,接入速度快。由于其基于电话交换网络建设,因此网络建设成本 较低, 建设速度快。 其不足是 ADSL 信号在从服务商所在地发送到用 户家庭的途中会迅速衰减,并且到大约 5km 后就会微弱到无法保证 可靠的连接。另外由于线间串扰的影响,ADSL 的出线率也会受到影 响。ADSL 上网费用较高,局端设备较贵,不适应建设独立的数字化 小区的需要,房屋内接入点少,用户使用不方便,PLC 技术和 ADSL 相比主要优势表现在 PLC 依靠室内电源插座作为宽带接入,并可组 建家庭局域网,实现多台计算机同时上网,大大方便了用户的使用。 采用光纤加五类缆接入时,以太网的建设费用比较高,以太网的建设 不像 HFC、xDSL 可以借用现成庞大的广电网或电话网,它必须单独 架线,包括局域网、城域网和广域网的各种基础设施建设,以及接入 网络的高速光纤线路架设等,建设工作量大;特别是在我国城市的许 多小区中,架设千兆以太网必须进行大规模的旧有设施改造(各种线

路的走向和连接设施)。HFC 接入系统借助有线电视系统进行宽带接 入,优势是充分利用已有的基础资源,接入速率快。不足是网络运行 商必须拥有现成的有线电视网络,并改造为双向传输,改造费用大; 在新区域开办服务和铺设线路造价高,用户增多时,接入性能下降。 802.11 无线局域网接入的特点是建设速度快,无需布线,移动性强, 建设成本较低。 不足之处是易受建筑物阻挡, 对天气、 气候状况敏感, 信号不稳定,上网费用高。和上述几种宽带接入技术相比,PLC 技术 具有得天独厚的优势: ①低压电力线是现有的电力基础设施,是世界上覆盖面最大的网络, 无需新建线缆,无需穿墙打洞,避免了对建筑物和公共设施的破坏。 ②利用室内电源插座安装简单、设置灵活,为用户实现宽带互联和户 内移动带来很多方便。 ③能方便实现智能家庭自动化和家庭联网。 ④带宽较宽,可满足当前一段时间宽带接入业务的需要。 ⑤PLC 的网络建设灵活, 可根据用户需要按小区、 甚至可以按照若干 用户进行组网安装,可实现滚动式投资,收回投资时间短。 ⑥由于建设规模和投资规模小而灵活,运行费用低,用户花费的上网 费用也较低。 ⑦能够为电力公司的自动抄表、配用电自动化、负荷控制、需求侧管 理等提供传输通道,实现电力线的增值服务,进而实现数据、话音、 视频、电力的“四线合一”。 应当承认 PLC 技术也有其不足之处,由于受电网的影响,PLC 的传

播距离有限,在低压配电网上无中继的传输距离一般在 250m 以下, 要实现自配电变压器至用户插座的全电力接入需要借助中继技术, 这 势必要增加系统的造价。电力负荷的波动对 PLC 接入网络的吞吐量 也有一定影响,由于多个用户共享信道带宽,当用户增加到一定程度 时,网络性能和用户可用带宽有所下降,但通过合理的组网可加以解 决。 目前在保证用户接入带宽和接入稳定性前提下,最经济的 PLC 接入系统采用光纤+五类缆+电力线的方式。 其中光缆作为骨干网接到 小区,在小区内通过五类缆布线到各个居民楼的单元。在单元安装一 台 PLC 局端设备供该单元的用户共享使用,局端设备的高频信号线 通过串接的方式耦合到各个用户的电表处, 并将信号传送到用户的家 庭电力网络中, 这样用户就可以通过家庭电力线以及位于家庭外部的 配套网络实现宽带接入和其它数据通信。这是目前普遍采用的 PLC 接入方式,不仅可以实现用户的电力线接入,提高了系统稳定性和传 输带宽,大大降低了负荷波动对吞吐量的影响,同时也大大降低了系 统造价。 五、需要进一步研究和推进的工作 (一)芯片技术 国内在 PLC 技术的多个方面进行了大量研究工作,生产出具有 国际水准的 PLC 产品,取得了可喜的成绩。但我们应当看到,由于 各种条件限制,国内生产的 PLC 设备均是采用国外的专用芯片,在 大规模商业化应用时必然产生许多制约。我们需要抓紧 PLC 的芯片

技术研究工作,集中力量研发具有中国自主知识产权的高速率芯片。 只有掌握 PLC 产品的核心技术,才能够根据我国电网的自身特点以 及特定需求,研发出符合我国国情、具有自主知识产权的 PLC 产品, 真正解决 PLC 的国产化问题。目前意科公司同清华大学合作,已经 着手开发具有完全自主知识产权的 PLC 芯片。 (二)有序引导 PLC 技术的发展受到了规范、标准以及政策上的一些限制。在国 家标准和相关政策没有出台前,过多的投入无疑会增加设备厂商、运 营商以及用户的风险。这就需要国家科技主管部门、电信监管部门对 PLC 先期运营商、 产品制造商给予政策上的扶持, 这样既为新技术的 推广应用创造了良好的市场环境,又可避免无序竞争、重复试验对国 家造成的科技经费、人力、物力等资源的浪费。 (三)电力线增值服务 电力线是电力系统的基础设施,但目前的 PLC 技术应用还仅停 留在低压电力线接入应用上,解决的主要是宽带接入问题。作为拥有 丰富电力线资源的电力系统,如果在利用低压 PLC 提供宽带上网服 务的同时,能够利用 PLC 技术为远程抄表、配用网自动化等提供信 息传输通道,推动 PLC 技术向着多元化的方向发展,将会带来巨大 的经济效益和社会效益, 六、PLC 前景展望 21 世纪是国际互联网规模和速度发展最快的年代,其用户规模 每年都在以指数形式增长, 从最初的高科技数据网络发展成为人们工

作、学习、生活中必不可少的桌面工具。据有关市场研究公司预测, 在 2007 年之前中国的宽带用户数量将达到 5450 万户, 面对如此巨大 的宽带用户市场,PLC 的发展拉动了网络向千家万户的覆盖。PLC 技术施工方便、使用灵活,能够利用已有的电力网这一广泛的基础设 施把宽带网络接入到每个家庭,省去在接入方式上的重复建设,对于 推进中国数字化进程必将产生积极的作用。 同时,PLC 技术在远程抄 表、配网自动化、营销自动化、负荷管理等方面的广泛应用,将为实 现中国的电网配售侧自动化、建设电力信息化平台,提供一个良好的 网络基础和解决方案。 然而,由于 PLC 技术的传输速度和传输距离有一定限制,它的主要 用途不是核心主干网络,而是通信网的外围和末端。发展 PLC 技术 的目的, 不是取代光纤通信接入以及 ADSL 等其它宽带接入技术, 而 是与以上技术共同发展,在特定应用场合发挥各自的长处,为国家信 息化建设节省投资,给广大网民带来利益。PLC 在末端用户接入(最 后 100m 接入) ,即从楼内总配电室到每个家庭及入户后采用任意电 源插座即能实现连接等功能,具有明显的优势。为此,末端接入的优 势必将给已经有宽带网络的基础电信运营商和宽带接入服务商提供 增加用户接入率的商机。 此外,中压宽带 PLC 技术也日益得到国内外科研机构的重视, 国家电网公司已经立项,研究利用中压电缆作为高速数据传输链路, 既可以解决电力系统配网自动化通道问题, 又为广大农村用户及西部 地区提供一个节省投资的通信传输方式。相信随着 PLC 技术标准的

制定,PLC 产业链的形成,中国的 PLC 事业必将走向健康有序的发 展道路。


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