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电力载波通信的发展及特点


摘要 本文介绍了电力线载波通信的发展及特点,文中主要就高压电力线载波通信、中压 配电网电力线载波数据通信和低压用户配电网电力线载波通信, 以及与其相关的关键技术问 题进行了讨论。 关键词 电力线 载波 通信 发展 应用 0 引 言 电力线载波(Power Line Carrier - PLC)通信是利用高压电力线(在电力载波领域通常 指 35kV 及以上电压等级) 、中压电力线(

指 10kV 电压等级)或低压配电线(380/220V 用 户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。近年来,高压电力线载 波技术突破了仅限于单片机应用的限制,已经进入了数字化时代。并且,随着电力线载波技 术的不断发展和社会的需要,中/低压电力载波通信的技术开发及应用亦出现了方兴未艾的 局面, 电力线载波通信这座被国外传媒喻为“未被挖掘的金山”正逐渐成为一门电力通信领域 乃至关系到千家万户的热门专业。 在这种形势下, 本文旨在通过对电力线载波通信技术的发 展及所涉及的一些技术问题的讨论,阐明电力线载波通信的发展历程、特点及技术关键。 1 电力线载波通信的发展及现状 1.1 我国电力线载波通信的现状 电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而应运而生的, 它同电力系统的安全稳 定控制系统、调度自动化系统被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。目前,它更 是电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础;是确保电网安全、稳定、经济运 行的重要手段;是电力系统的重要基础设施。由于电力通信网对通信的可靠性、保护控制信 息传送的快速性和准确性具有及严格的要求,并且电力部门拥有发展通信的特殊资源优势, 因此,世界上大多数国家的电力公司都以自建为主的方式建立了电力系统专用通信网 [1]。 长期以来, 电力线载波通信网一直是电力通信网的基础网络, 目前在长达 670000km 的 35kV 以上电压等级的输电线路上多数已开通电力线载波通道[1],形成了庞大的电力线载波通信 网。该网络主要用于地、市级或以下供电部门构成面向终端变电站及大用户的调度通信、远 动及综合自动化通道使用。近年来,随着光纤通信的发展,电力线载波通信已从主导的电力 通信方式改变为辅助通信方式。但是,由于我国电力通信发展水平的不平衡,由于电力通信 规程要求主要变电站必须具有两条以上不同通信方式的互为备用的通信信道, 由于电力线载 波技术革新带来的新的载波功能以及由于昔日数量庞大的电力线载波机的更新换代, 都导致 了电力线载波机虽然作为电力通信的辅助通信方式,但是在全国仍然存在较大的市场需求, 全国共有约 20 家企业从事高压电力线载波机的开发和生产。 中低压电力线载波的应用目前主要在 10kV 电力线作为配电网自动化系统的数据传输通 道和在 380/220V 用户电网作为集中远方自动抄表系统的数据传输通道,还有正在开发并取 得阶段性成果的电力线上网高速 MODEM 的应用。在这些方面,10kV 上的应用已达到了实 用化, 成都一家公司开发的扩频载波数据传输装置(已通过质量检验[2])在四川罗江县供电局 已可靠运行达一年之久。 从事这类产品开发生产的企业全国约有几十家, 一旦市场全面形成, 竞争将较为激烈。 作为自动集抄系统通道的载波应用目前已能够形成组网通信, 完成数据抄 收功能, 但是由于用户电网的某些时变特性和突发噪声对数据传输的影响在技术上并未得到 根本解决,因此还存在着抄表“盲区”的问题,这一问题目前一直阻碍电力载波通信技术在自 动集抄系统应用的主要症结所在。 从事这类产品开发生产的企业全国至少有 200 家以上, 并 且大多数都存在技术开发和工程并行的状况, 真正取得良好经济效益的只是少数企业。 在市

场还未全面认同这种方式的可靠性的状况下, 其市场竞争已达到了白热化的程度, 这一现象 应当引起有关单位的重视。关于电力线上网的电力载波技术应用目前以中电飞华公司为代 表,已在北京开通了 5 个以上的实验小区,取得了大量的第一手工程资料,这是一个非常好 的开端, 至于何时能够进入商业化生产和运营还需综合考虑技术性能、 成本核算和符合国家 有关环境政策等方面的问题。 1.2 电力线载波通信发展历程 电力线载波通信技术的发展在历史上经历了从模拟到数字的发展过程。 电力线载波通信 技术出现于本世纪二十年代初期[3]。它以电力线路为传输通道,具有可靠性高、投资少、 见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点。在我国,四十年代时已有日本生产的载波机在 东北运行,做为长距离电力调度的通信手段。五、六十年代,我国开始研制自己的 ZDD-1 型电力线载波机,未能实现产品化。后经过不断改进,形成了具有中国特色的 ZDD-5 型电 力线载波机。该设备为四用户、两级调幅、具有 AGC(自动增益控制)控制电路和音频转 接接口,呼叫方式采用脉冲制式,经改进后的 ZDD-5A 型机也能够复用远动信号。在我国 六十年代到七十年代时期, 该机所代表的模拟制式电力线载波机得到了广泛应用。 七十年代 时期,我国模拟电力线载波机技术已趋成熟,当时以 ZDD-12、ZJ-5、ZBD-3 机型为代表, 在技术指标上得到了较大地提高, 并成为我国应用时间最长的主流机型。 我们可将在此之前 的载波机称为第一代载波机。 八十年代中期, 电力线载波技术开始了单片机和集成化的革命, 产生了小型化、多功能的载波机,如 S-2 载波机等。在这一阶段,主要的技术进步为单片机 自动盘代替了三极管或布线逻辑的自动盘;集成电路的调制器、压扩器、滤波器和 AGC 放 大器代替了笨重、 多故障的模拟电路; CMOS、 VMOS 高频大功率管在功放电路中的应用等。 这一阶段的载波机可称之为第二代载波机。到了九十年代中期,以 SNC-5 电力线载波机为 代表,在国内首次采用了 DSP(数字信号处理)技术,将载波机音频至中频部分的信号处 理使用 DSP 器件来完成,实现了软件调制、滤波、限幅和自动增益控制。这类载波机可称 之为数字化电力线载波机,划为第三代。由此开始,电力线载波业界进入了载波机的数字化 革命阶段, 许多企业纷纷投入力量着力于数字电力线载波机的技术研究工作。 到了九十年代 末期,采用新西兰生产的 M340 数据复接器(目前国内已有自主知识产权的同类产品) ,结 合电力线载波机的高频部分为一体的全数字多路复接的载波机问世。 这一成果提高了载波机 的通信容量,从根本上初步解决了载波机通信容量小的技术“瓶颈”问题,从而为电力线载波 市场带来了空前的机遇。 从市场上来看, 数字化和全数字载波机已占据了高压电力线载波机 产品的大部分市场, 模拟制式的电力线载波机销售量已开始萎缩, 除了特殊的应用场合外将 趋于淘汰。 电力线载波在 10kV 线路上的应用国外自 50 年代开始,主要应用在中压电网的负荷控 制领域,大多为单向数据传输、速率低(有时小于 10bit/s 甚至更低) ,并没有形成大规模的 电力线载波通信服务产业。 国内在八十年代后期多数是直接使用小型化的集成电路农电载波 机实现点对点通信,也有个别采用窄带调频载波机的,使用范围很受限制。随着 10kV 线路 通信需求的增长,到了九十年代末,出现了多种载波通信设备(这些设备可采用不同的线路 耦合方式如:电容耦合、变压器耦合、低压耦合、陶瓷电真空耦合及天线耦合等) ,调制方 式也在原来的 FSK 调制、PSK 调制、音频注入、工频调制、过零点检测等方式的基础上开 发了先进的扩频调制方式, (如 DSS 直接序列扩频,FH 跳频,TH 跳时、交叉混合扩频、 CHIRP 宽带线性调频,OFDM 正交频分多路复用等) 。目前在国内使用的 10kV 电力线数据 传输设备中,使用最多的还是窄带调制设备(主要是多信道 PSK 及 FSK 调制) ,采用扩频 方式的设备也已开始崭露头角, 随着市场的发展和技术的成熟, 扩频载波设备必将在电力线 载波中压应用方面占有越来越重要的地位。

电力线载波在 380/220V 用户配电网上的应用在九十年代后期之前只限于采用调幅或调 频制式的载波电话机, 实现近距离的拨号通话, 也有采用专用的芯片实现近距离数据传输的。 我国大规模地开展用户配电网载波应用技术的研究是在 2000 年左右,目前在自动集抄系统 中采用的载波通信方式有扩频、窄带调频或调相。在使用的设备中,以窄带调制类型的设备 为多数,其主要原因可能是其成本低廉。而电线上网的应用由于要求的速率至少需要达到 512kbit/s~10Mbit/s,所以无一例外地采用扩频通信方式。在各种扩频调制方式中,由于采 用正交频分多路复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)调制具有突发 模式的多信道传输、 较高的传输速率、 更有效的频谱利用率和较强的抗突发干扰噪声的能力, 再加上前向纠错、交叉纠错、自动重发和信道编码等技术来保证信息传输的稳定可靠,因而 成为电力线上网应用的主导通信方式。 2 电力线载波通信的特点 2.1 高压载波路由合理,通道建设投资相对较低 高压电力线路的路由走向沿着终端站到枢纽站, 再到调度所, 正是电力调度通信所要求 的合理路由, 并且载波通道建设只需结合加工设备的投入而无须考虑线路投资, 因此当之无 愧成为电力通信的基本通信方式, 尤其在边远地区更是这样。 电力线载波通道往往先于变电 站完成建设,对于新建电站的通信开通十分有利。为此,只要妥善解决电力线载波信道的容 量问题,载波通信的优势就会显现出来。在中压配电网载波和低压用户电网载波中,节省线 路建设费用,无须考虑破坏家庭已装修环境,也仍然是载波通信的优势。 2.2 传输频带受限,传输容量相对较小 在高压电网中,一般考虑到工频谐波及无线电发射干扰 电力线载波的通信频带限制于 40~500kHz 之内, 按照单方向占用 4kHz 带宽计算, 理想情况下一条线路可安排 115 条高频 载波通道。但由于电力线路各相之间及变电站之间的跨越衰减有限(13~43dB) ,不可能理 想地按照频谱紧邻的方式安排载波通道, 因此, 真正组成电力线载波通信网所实现的载波通 道是有限的, 在当今通信业务已大大开拓的情况下, 载波通道的信道容量已成为其进一步应 用的“瓶颈”问题。 尽管我们在载波频谱的分配上研究了随机插空法、 分小区法、 分组分段法、 频率阻塞法及地图色法和计算机频率分配软件, 并且规定不同电压等级的电力线路之间不得 搭建高频桥路,使载波频率尽量得以重复使用,但还是不能满足需要。近来随着光纤通信的 发展和全数字电力线载波机的出现,稍微缓解了载波频谱的紧张程度。 在 10kV 中压配电网和低压用户配电网中, 除了新上的载波信号之外, 不存在其它高频信号, 并且一般为多址传输,因此通道容量问题并不突出。 2.3 可靠性要求高 有两个原因要求电力线载波机具有较高的可靠性, 一是在电力系统中传输重要调度信息 的需要;另一是电压隔离的人身安全需要。为此,电力线载波机在出厂前必须进行高温老化 处理,最终检验必须包含安全性检验项目。为此,国家质检总局从八十年代开始即对电力线 载波机(类)产品实行了强制性生产许可证管理[4]。随着时代的进步,目前管理的范围已 包括各种电压等级的载波机、继电保护收发信机、载波数据传输装置(如配网自动化和抄表 系统的载波部分) 和电线上网调制解调器。 目前大多数高压及中压电力线载波机生产企业已 按照生产许可证的要求建立了较为完善的质量体系。 2.4 线路噪声大

电力线路作为通信媒介带来的噪声干扰远比电信线路大得多(见图 1) ,在高压电力线 路上,游离放电电晕、绝缘子污闪放电、开关操作等产生的噪声比较大,尤其是突发噪声具 有较高的电平(见图 1) 。根据国外资料描述,电力线的噪声特性可分为四种类型: 1、 具有平滑功率谱的背景噪声, 这种类型噪声的功率谱密度是频率的减函数, 如电晕噪声。 这种噪声特性可以用带干扰的时变线性滤波模型来描述。 2、 脉冲噪声,由开关操作引起,这种噪声与电站操作活动的关系较大。 3、 电网频率同步的噪声,主要由整流设备产生。 4、 与电网频率无关的窄带干扰,主要由其它电力设备的电磁辐射引起。 一般电晕噪声电平大致为:220kV -25dB;110kV -35dB(带宽为 5kHz) ,在工业区、沿 海地区、高海拔地区、新线路、升压线路和绝缘设备存在微小放电的线路上噪声电平还将增 高 15dB 左右。因此,在这样恶劣的噪声环境下,电力线载波机一般都采用较大的输出功率 电平(37~49dBm)来获得必要的信噪比。 低压电力载波通道的噪声有背景噪声、 脉冲噪声、 同步和非同步噪声及无线电广播的干扰等 构成[6]。 2.5 线路阻抗变化大 高压电力线阻抗一般为 300~400Ω,在线路上呈波动状态,现场实测表明,在波动幅度 达到 1/2 左右时,对载波通道衰减将产生严重的影响[7]。在通道加工不合理、不完善、存在 容性负载以及 T 接分支线时,会加剧载波通道的阻抗变化并甚至中断通信。低压用户配电 网载波通道的阻抗变化更大(见图 2) ,在负荷很重时,线路阻抗可能低于 1Ω,这使得载波 装置不能采用固定的阻抗输出。 2.6 线路衰减大且具有时变性 高压电力线载波通道衰减与频率的平方根成正比(见图 3) ,且具有时变性。工频运行 方式的改变、线路换位、其它载波机带外乱真发射、载波通道间的串扰、线路分支线的长短 以及绝缘子污秽、刮强风、下小雨、线路冰凌及阻波器调谐线圈性能等多种因素会对载波通 道的衰减产生影响。 为此, 电力线载波机必须设置至少大于 30dB 范围的自动增益调整电路。 一般来说,从 500kV 到 220V(电压等级从高到低) ,电压越低线路衰减越大,时变性越强, 建立通道越困难。 有时在中压或低压配电网载波通道的衰减大到难以实现通信的状况时, 设 计人员不得不采用特殊的通信方式或设计多通道电路来自动进行选择。 2.7 对外界的干扰 由于高压电力线载波频段限制在 40~500kHz,只要控制载波机的谐波和交调乱真发射 功率足够小,即可避免对外界的干扰。目前值得研究的是在 220V 线路上的扩频电线上网装 置的干扰问题,这类装置为了实现高速数据通信,往往占用频带达 30MHz 甚至更多,据国 外媒体报道,当电力线数据通信使用 2~30MHz 的频带传输数据时,将会对该频段的短波 无线电广播、业余爱好者无线电台等产生影响。目前我国还没有建立这方面的标准,应当将 这种干扰限制在何种程度还需要进一步研究[8]。 2.8 网络应用要求更高 现代通信对电力线载波的要求也更侧重于网络方面, 需要将原先仅限于通道的概念扩展 为网络概念。 以往的电力线载波机主要靠自动盘和音转接口实现小范围的联网, 而将载波机 与调度机协同考虑, 实现载波机协同变电站调度机的组网应用以及适当设置能够与通信网监 测系统接口的数据采集变送器应当是我们近几年考虑的问题。 与高压电力载波不同, 电力线

载波在中、低压线路上的应用在开始阶段就是建立在网络应用的基础之上的。 3 目前需要考虑的一些技术问题 3.1 高压电力线载波 3.1.1 信 道 容 量 长 期 以 来 一 直 是 电 力 线 载 波 通 信 存 在 的 关键问题,如何进一步实现更高速、多路的电力线载波通信是进一步发展的主要课题。目前 我们已通过成功地采用数字复接技术扩展了频域 4kHz 带宽的信道容量(达到 28.8kbits/s) , 今后还可在线路频率的回波抵消上进行一番深入研究。 国内以前曾有过对模拟正交调制实现 通道容量倍增的研究,随着技术的发展,高精度的 DDS(直接频率合成)技术已经商业化, 这一研究还可继续进行下去。同时,在电力线载波频率资源趋于宽松的情况下,在载波线路 频谱上采用比当前 4kHz 载波基本频带更宽的频带已成为可能,本文认为相关的载波标准应 针对当前的实际情况考虑适当修改,并以此来规范现场的实际应用。 3.1.2 数字多路复接类型的电力线载波机在进行远动数据传输时, 有时会产生瞬时中断现象, 这种现象对于语音传输无大影响, 但是对于数据传输, 尤其是一些重要的控制信号的传输将 带来不良的后果。据分析,这一现象可能是由线路上的突发脉冲干扰引起的,因此,解决这 一问题可以考虑两个方面, 一是在载波机设计中有针对性地重点考虑如何解决 (据说已有产 品,还需现场验证) ;二是在现场应用中也要注意不能一概而论地上数字复接载波机,应针 对实际应用的场合来选择合适的载波机类型。 如果线路突发噪声比较高, 频繁出现这样的瞬 时中断时,在目前情况下应考虑采用 DSP 制式的数字化电力线载波机。 3.1.3 载波机的接口类型目前有音转、二线 E&M、四线 E&M、小号、延长线、远动等,还 需更趋于完善,尤其是与数字设备和通信网管理系统以及调度自动化系统的接口更需规范、 适用。 载波机与程控调度交换机的结合方式应更便于组网应用, 使调度机的功能覆盖到全网。 3.1.4 载波机的电路设计在性能指标冗余度和器件极限指标的余量上还需进行精细地设计 (要有量化的指标) ,以保证设备的整机指标和长期运行的可靠性。整机的出厂不能仅以调 试通过来判断设备的质量,而应按照企业内控标准,在经过适当的老化运行之后,以最终检 验的结果来判断设备的出厂质量水平。 3.1.5 目前载波机的设计主要针对高压和农电两个方向来进行,虽然我们研究了许多不同的 制式, 如呼叫信号有脉冲、 单频移频、 双频移频和带内编码型; 导频制式有单导频、 无导频、 间歇导频; 调制方式有一次、二次和三次调制, 但在下面一些方面还需努力, 如:组合功放、 线路回音抵消、 高频数字调制、 抗突发噪声的数字复接器、 自适应线路阻抗匹配、 工艺水平、 过程质量管理等。 对于远动的防卫度问题, 应当尽可能地设计为自适应地保持恒定的防卫度 水平,而不是随着话音和远动电平的浮动而改变,这样将更有利于远动信号的传输可靠性。 3.1.6 载波机的电磁兼容性能,如电磁辐射抗扰度、静电放电、快速瞬变、浪涌等性能应当 在整机设计阶段就加以考虑,并通过型式试验的检验,在当前嵌入式 CPU 成为载波机的中 心控制单元的情况下更是这样。 以前我们在这方面所做的工作不够, 现在已具备所有的试验 条件,可以按照国标的要求来进行。 3.2 中压电力线载波 3.2.1 10kV 配电网的传输特性由于十分复杂, 只能通过测试来得到该时段的传输特性。 因此, 应当努力进行配电网载波传输特性的研究和测试, 摸清其能够为工程应用提供实际参考价值

的内在特性及规律。 3.2.2 目前的载波数据传输设备需要考虑在传输距离不能达到时的中继问题,不同的调制方 法可能采取的中继方式有所不同,并需要现场验证。 3.2.3 研究对付突发噪声干扰的有效方法,而不是简单地进行重发校验。目前的载波装置在 传输数据可靠性方面的处理应当加强。 3.2.4 对于真正的大型、多用户的配电网自动化系统的载波数据传输,目前还缺少实际的第 一手运行资料。整个系统的响应速度也需要由此来实地考核。 中压电力线载波目前尚处于发展阶段, 有些设备采用的技术不够先进和完善, 需要在设计方 案总体上认真考虑。 3.3 低压电力线载波 3.3.1 在电力线载波集中抄表系统中较普遍地存在“盲区”问题,有些用户的电表读书无法正 确读出(如果存在的现象为时变的,则问题更严重) ,需要在技术上克服。目前一些窄带调 制的设备多采用自动切换频道和选择中继的方式在一定程度上来解决这个问题。 3.3.2 需要进一步研究窄带噪声抗干扰技术,以获得足够的数据传输可靠性。目前常用的调 制方法分为窄带调制和宽带调制两种。窄带调制成本低,不能有效地抵抗窄带噪声;宽带调 制一般采用扩频技术(如 DSS 直接序列扩频、FH 跳频、TH 跳时、CHIRP 宽带线性调频、 交叉混合扩频及 OFDM 正交频分多路复用) ,能够在一定程度上克服窄带噪声的干扰,但是 有限的扩频增益对于较大功率的窄带干扰仍然无能为力[9]。 3.3.3 进一步研究增强型的模拟前端技术,包括自适应滤波和自适应均衡,以适应时变的、 大范围的线路衰减和线路阻抗的变化,在电力载波的低压应用中,这一点极为重要,也是目 前的技术难点所在。 3.3.4 低压载波通信在变压器跨相和穿越变压器方面的实用技术需要研究,在多路供电的现 场也需解决电源切换时的通信中断问题。 这一点关系到通信制式、 耦合方式等多方面的设计 考虑。 3.3.5 研究和考虑电磁兼容性能,制定对外干扰的标准。 3.3.6 解决目前存在的电线上网设备对安装地点的敏感性问题, 保持合适的速率并解决“马赛 克”图象问题。 3.3.7 对于这类载波设备的质量检验,一定要考虑在加入线路噪声的环境下(即在一定的信 噪比下) 进行传输误码性能的测试。 一些企业提出的关于传输距离能力的指标不能作为工程 设计的依据。 3.3.8 低压载波通信最终实现高性能、低价格的关键在于专用芯片的设计和制造,而这正是 我国微电子行业的弱点所在, 加大这一方面的研究和投资力度对于低压载波通信的实用化至 关重要。

4 结 束 语 电力线载波通信在我国是一门即古老又年轻的学科, 其近几年来的技术发展对于电力线载波 通信在高压到低压各个领域里的应用所带来的震撼的确是十分鼓舞人心的。 尽管目前在电力 线载波通信技术及设备上还不尽完善, 但她所激发的巨大市场潜力已促使我国众多的企业毅 然投入到这一领域的研发之中。据了解,这种投入之大、企业之多和热情的高涨程度在电力 线载波业界都是前所未有的。可以相信,电力线载波通信的明天是辉煌的。


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