低压配电网载波通信技术的研究与发展

余谦

摘 要：在详细介绍国内外低压电力载波通信技术发展历程和现状的基础上，系统的阐述了低压电力载波通信的基本原理、电力线信道特性及其数学模型，总结了国内外学者在信号衰减特性、噪声特性、输入阻抗特性及信道模型方面的最新研究成果，最后，结合当前低压电力线载波通信技术现状和发展要求，对低压电力线通信技术未来的研究方向和发展前景进行了展望和探讨。

关键词：低压配电网；电力线载波通信；智能电网；噪声特性；信道模型；远程抄表技术

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）05-00-03

0 引 言

随着全球资源、环境、人口压力不断增大，电力体制改革的不断深入，以及用户对供电系统可靠性和电能质量要求的不断提高，安全、可靠、高效、交互式电网是未来电力行业进一步发展的方向。在2009年中国北京召开的“2009特高压输电技术国际会议”上，中国国家电网公司正式提出“中国坚强智能电网”，并计划于2020年基本建设完成。

电力网作为全球覆盖规模最大的网络，具有其他网络所不具备的显著优势，电力线载波通信正是利用电力网络覆盖全球这一特点，在配电网中实现电力、数据、语音和视频等业务的传输。在经过十多年的研究和发展之后，PLC技术在选频、中继、扩频和自适应调制等方面基本克服了电力线信道中衰减大、干扰多以及通信速率低等问题，欧美等西方发达国家的实践也表明电力线载波通信完全可以胜任未来智能电网的发展需要，PLC技术的应用对建设国家智能电网具有重大的战略意义。

1 国内外发展现状

1.1 国外发展情况

西方发达国家使用电力线载波通信技术进行信息传输最早可以追溯到19世纪初期，1838年，David Edwards提出借助电力线通信来监测地区电表的电压情况。20世纪末，德国在低压配电网中成功实现了互联网信息的传输，用户可以利用PLC以高于当时ISDN约30倍的速度在互联网上浏览信息。

近几年来，国外各公司在PLC方面的研究工作主要集中在电力线信道特性分析、载波通信协议研究、载波芯片研制以及相关标准的建立等。目前在载波通信领域有较大影响力的公司有美国的Intellon、Atmel、TI，德国的Polytrax公司等。这些研究机构在载波通信领域取得了丰硕的成果，并极大地推动了PLC技术的发展和进步。

1.2 国内发展情况

相对国外而言，我国的PLC技术起步较晚但发展较快。最早在1997年中国电力科学研究院开始对我国的低压配电网信道传输特性进行参数测试和相关分析；20世纪末，国内PLC设备和产品逐渐增多并开始接近实用；2001年初，国家电力公司设立PLC推广办公室，大力推动PLC技术在低压配电网通信中的应用；中国沈阳电力科学研究院于2002年完成了通过电力线载波访问Internet的实验；2006年，中电飞华公司在北京完成5个电力线上网小区的建设，电力线上网正式进入商用时代。

2 电力线信道特征模型及关键技术

2.1 信道特性

由于配电网电力线设计的最初目的是为用户输送电能，而不是作为通信线路，而且配电网内部拓扑结构复杂多变，目前情况下还无法建立一个通用的数学模型精确描述电力线的信道特性。通常研究人员会选择一个实际用电系统进行测量，并基于测量结果进行研究与分析，致使其通用性不强。一般来讲，低压电力线信道具有如下特点：

（1）信号衰减大：电力线上的信号衰减主要是指耦合衰减和线路衰减，一般来讲信号的传输距离越远衰减越严重，由于配电网阻抗不匹配，信号在传输过程中的反射、驻波、谐振等现象十分严重，不利于信息传输。研究表明，电力线中信号随距离增加而衰减，衰减幅度约10～100 dB/km，当通信频率大于100kHz时，频率每增加1 kHz衰减增加0.25 dB。

（2）噪声干扰强：电力线上的噪声主要来源于用电设备，噪声干扰是低压配电网实现信息可靠传输的主要障碍之一。由文献可知，电力线信道中的噪声主要有背景噪声、窄带噪声、周期性噪声、脉冲噪声等。电力线信道噪声类型如图1所示。

图1 电力线信道噪声类型

（3）输入阻抗特性复杂：配电网中的输入阻抗主要包括用电设备阻抗、导线特征阻抗及变压器阻抗3部分。由于输入阻抗大小会直接影响到载波信号耦合的效率，因此它是决定载波通信能否可靠传输的一个重要因素。实测表明，配电网的输入阻抗在100 kHz下时较小，一般情况下输入阻抗在10～100 Hz内为2 Ω左右。

（4）时变性和频率选择性：电力线信道等价于一根非均匀分布的传输线，各种用电设备在电网中随机接入或者断开，致使信道呈现出很强的时变性。

由此可知，电力线复杂的信道特性决定它并不是最理想的通信线路，然而随着电力线信道建模研究的深入以及PLC技术不断发展成熟，载波通信在配电网中的应用已经非常广泛。

2.2 数学模型

要在电力线上实现高质量通信，需要全面了解电力线信道特性并建立相应的数学模型，迄今为止国外许多研究机构都进行了大量的实地测量，并通过自底向上或者自顶向下的建模方法来进行模拟；电力线信道中各类噪声常用的数学模型如图2所示。

图2 背景噪声建模

（1）背景噪声：由于背景噪声是典型的离散高斯型噪声，根据Wold定理，可以将其简化为一个自回归 （Auto Regressive， AR） 模型，将方差为σ2的白噪声经过特定的整形、滤波之后即可获得背景噪声，背景噪声建模如图2所示。噪声整形、滤波在z平面上的传递函数Hmod（z）为：

（1）

式（1）中B（z）表示移动平均部分，A（z）表示自回归部分，参数ai，bi的数值可由频谱分析仪测量噪声信号获得。

（2）窄带噪声：窄带噪声在产生后具有持续时间长，能量大的特点，如果使用单一频率载波且载频恰好位于噪声频率附近，则系统的通信质量会大大降低。电力线中的窄带噪声可以使用N个相互独立的正弦函数叠加来生成，如式（2）：

（2）

其中，Ai（t）、fi和Φi表示各个正弦函数的幅值、频率和相位，幅值既可以是一个常数，也可以是AM信号的幅值；相位区间在[0，2π]上随机选择。

（3）脉冲噪声：Middleton A类噪声模型是用于表示电力线脉冲噪声特性的常用数学模型之一，它由许多服从泊松分布的脉冲噪声组成。Middleton A类噪声模型的噪声幅度的概率密度函数为：

（3）

式（3）中，σ2k=σ2（k/A+Γ）/（1+Γ），A表示脉冲指数，Γ=σ2G/σ2I，σ2 =σ2G+σ2I，其中σ2G为高斯噪声的方差，σ2I为脉冲噪声的方差。

（4）多径传输模型：为了表示电力线信道中的信号衰减特性以及频率选择特性，Zimmermann提出了多径电力线信道传输模型，其数学表达式为：

（4）

式（4）中，为加权因子，为延迟部分，为衰落部分，i表示路径数量，N表示信号可以到达的接收机路径总数，gi是路径i的加权因子，τi是路径i的延时，k是衰减因子指数，a0、a1是衰减参数，di是路径i的长度。

了解低压配电网信道中的信道特性、建立一个有效的信道模型，并根据该模型确定合适的编码、调制和传输策略，对于电力载波通信技术的推广和应用具有重大理论意义和应用价值。

3 电力线通信应用领域

低压电力线载波通信系统如图3所示，由设备终端部分、低压电力线部分、控制管理部分组成。

图3 电力线载波通信系统

载波通信系统以配电网中的电力线作为传输媒介，在终端和主控计算机间实现单向或双向通信；由于配电网中的变压器对信号衰减较大，通常情况下控制部分和设备终端部分位于同一台区内。目前低压电力线载波通信技术的应用领域主要集中在以下几个方面：

（1）自动抄表：利用PLC技术的AMR抄表方式是当前配电网中应用最为广泛的一种。AMR系统可分为4层，如图4所示。第1层由用户的各种电表（例如水表、电表、气表等）组成，负责记录终端设备的基本信息；第2层是由与电表相连的采集器构成，采集器按照集中器下发的指令对用户端的表采集数据信息，并负责上传到集中器；第3层是集中器，它主要负责定时或实时向采集器下发采集指令，并将获取的数据存储起来，便于控制中心查询和访问；第4层为控制中心，实现对整个系统的控制和管理。

（2）网络接入：常用的互联网接入方式有ADSL、Cable Modem、无线及光纤接入等，利用电力线上网就是在无需布线的基础上利用现有电力线作为通信线路实现与Internet数据的传输与交换；利用PLC接入Internet需要使用专用的调制解调器（俗称电力猫），它将需要传输的信号调制到220 V电线上或者从220 V电线上解调出需要的信息；此外，在远端还需要一个局端设备用来实现Internet的接入；电力线上网具有即插即用、成本低廉、连接方便等优点，而且技术也已经非常成熟，PLC技术的应用为将来物联网的实现提供了一个可选方案。

图4 AMR系统

（3）智能家居：随着经济的不断发展和生活水平的日益提高，人们对居住环境也有了更高的要求；由于无需布线而且成本低廉，因此电力线载波组网方式成为研究者构建家庭智能化网络的首选方式。除此以外，载波通信还在智能交通、能源监控系统以及路灯控制系统都有较多的应用。

4 发展前景及展望

在过去的几十年中，载波通信在我国从无到有并发展迅速。纵观低压载波通信技术的发展，未来几年内可以从如下几个方面进行深入研究和探索：

（1）加大载波芯片的投入和研发，进一步提高载波设备的传输能力和抗干扰能力；

（2）深入研究载波信号的耦合方式，克服跨变压器或变压器跨相后信号衰落的难题；

（3）扩展载波系统转发中继能力，提高载波通信的传输距离；

（4）提高电力线通信的安全性，防止各种非恶意或恶意干扰；

（5）大力推进高速载波技术的标准化，为下一代载波通信的应用做好准备；

（6）加速物联网技术与PLC技术的融合，推动电力线载波技术的进一步发展。

5 结 语

随着载波通信技术的日趋成熟，国内越来越多的公司和研究机构正不断参与到载波通信的研发中，并相继推出了自主研发的电力载波芯片，极大地推动了国家智能电网建设，为实现国家到2020年基本建成中国的“坚强智能电网”目标打下了坚实的基础。

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