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電力線通信技術(shù)原理及應(yīng)用

發(fā)布時間:2010-05-25

中心議題:
  • 中壓PLC應(yīng)用領(lǐng)域簡介
  • 中壓電力線信道研究狀況
  • PLC關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)
解決方案:
  • 應(yīng)用高階的差錯控制編碼
  • 采用多載波正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)

中壓電力線通信(MV-PLC)技術(shù)是指利用電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中的中壓電力線(通常指10KV電壓等級)作為信號傳輸媒介,進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)信息的傳輸。該技術(shù)首先被應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)的自動化數(shù)據(jù)傳輸平臺中;近年來,中壓電力線寬帶網(wǎng)絡(luò)接入以其基礎(chǔ)設(shè)施完備、分布廣泛、成本低廉的特點,正越來越受到關(guān)注,尤其是在偏遠(yuǎn)農(nóng)村或者人口稀少的地區(qū),具有極強(qiáng)的實用價值。

中壓PLC應(yīng)用領(lǐng)域


中壓輸電網(wǎng)覆蓋面積廣大,應(yīng)用領(lǐng)域繁多,中壓配電自動化對于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義,相關(guān)應(yīng)用包括用電負(fù)荷控制、電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測、集中抄表等。配電網(wǎng)自動化往往有數(shù)量巨大且分布分散的節(jié)點需進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集,故對數(shù)據(jù)通道的經(jīng)濟(jì)性有較高要求。中壓PLC技術(shù)將傳統(tǒng)中壓電力網(wǎng)轉(zhuǎn)變成為數(shù)據(jù)通信網(wǎng),在建設(shè)成本、運(yùn)行和維護(hù)費用等方面具有天然的優(yōu)勢,目前在韓國、美國、西班牙等國家已得到良好的應(yīng)用,國內(nèi)也開展了大量的研究和實踐。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展,Internet在生產(chǎn)生活中發(fā)揮著日益重要的作用,而PLC技術(shù)也在寬帶網(wǎng)絡(luò)接入手段中占據(jù)了重要的地位。從戶外中壓PLC到戶內(nèi)低壓PLC的接入方案,被認(rèn)為是解決寬帶接入的“最后一公里”問題的理想方案,該類研究興起于北美,近年來發(fā)展迅速。

對于中壓電力線網(wǎng)絡(luò),由于其業(yè)已存在的廣泛分布,成為了在偏遠(yuǎn)地區(qū)實現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)接入的理想媒介,以縮短和消除城市地區(qū)與農(nóng)村地區(qū),發(fā)達(dá)地區(qū)與不發(fā)達(dá)地區(qū)之間的“數(shù)字鴻溝”。在偏遠(yuǎn)或者人口密度較低的地區(qū),短期內(nèi)通過PLC以外的其它技術(shù)手段實現(xiàn)較大帶寬的數(shù)字通信服務(wù),會面臨較多的困難;在城市地區(qū)廣泛使用的xDSL或者通信光纜一般均難以鋪設(shè)到這些地區(qū);衛(wèi)星通信在一些地區(qū)可以實現(xiàn),但是低通信速率以及信道租用和終端所帶來的高成本,使其大規(guī)模應(yīng)用受到很大限制;以GSM、IS-95、WCDMA等為代表的蜂窩通信技術(shù)本身是針對高用戶密度的應(yīng)用場景所設(shè)計,如果在用戶密度較低的地區(qū)使用,將帶來通信能力的嚴(yán)重浪費和高昂的運(yùn)營成本,從而難以得到推廣和普及。

在發(fā)展中國家,這一矛盾尤其突出。就國內(nèi)的情況而言,我國幅員遼闊,有相當(dāng)數(shù)量的農(nóng)村地區(qū)處于偏遠(yuǎn)、人煙稀少的地帶,這些區(qū)域的通信發(fā)展相對滯后。據(jù)統(tǒng)計,我國行政村固定電話覆蓋率為94%~97%,數(shù)據(jù)通信的覆蓋率則更低。由于自然和經(jīng)濟(jì)條件的制約,若采用現(xiàn)有的通信方式,改善這些地區(qū)的信息服務(wù)將面臨越來越多的困難。而行政村的通電率已接近100%,且電網(wǎng)覆蓋是區(qū)域發(fā)展的基本條件,因此,利用電力傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入,是適合國情、可行并且經(jīng)濟(jì)的方案,圖1為農(nóng)村中壓PLC接入網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。


圖1農(nóng)村中的PLC接入網(wǎng)系統(tǒng)[page]

中壓電力線信道研究

電力線設(shè)計的初衷是傳遞頻率為50~60Hz的電力信號,將其功能擴(kuò)展到語音或者數(shù)據(jù)信號傳輸時將面臨復(fù)雜的電磁環(huán)境。因此,對于PLC技術(shù)而言,針對電力線信道特性的研究是非?;A(chǔ)和關(guān)鍵的。在我國,由于中壓線路分布和負(fù)載情況更為復(fù)雜,變電站間線路相對較短以及干擾相對較強(qiáng),中壓電力線組網(wǎng)通信所面臨的物理層環(huán)境比較復(fù)雜和惡劣。近年來,相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對中壓電力線信道特性進(jìn)行了卓有成效的研究,筆者也對我國北方典型農(nóng)村地區(qū)的中壓電力線信道特性進(jìn)行了多次實地測量和分析,這些研究成果為實際的工程應(yīng)用提供了參考。

一般來說,電力線信道對于數(shù)字通信的負(fù)面影響主要來源于三個方面:變化的阻抗特性;頻率選擇性的信道衰減特性;有色背景噪聲和多種沖激噪聲。

研究信道阻抗特性的目的主要是為了實現(xiàn)信道與發(fā)射機(jī)、接收機(jī)之間的阻抗匹配,當(dāng)阻抗失配時,將造成信號能量的浪費,甚至出現(xiàn)啞信號點。由于中壓配電網(wǎng)的分支多,負(fù)載情況復(fù)雜,線路阻抗會隨距離、頻率、時間而變化,且變化范圍大,一般在幾十歐~幾百歐之間,圖2即為中壓電力線阻抗特性隨頻率變化曲線。故在實現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入時,阻抗匹配比較困難;目前,通常采用在耦合技術(shù)中通過犧牲匹配性能來適合線路側(cè)寬范圍內(nèi)阻抗的方法,也有系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)端采用阻抗自適應(yīng)的功率放大設(shè)備等,以達(dá)到較好的阻抗匹配效果。


圖2中壓線路阻抗特性曲線
  
信道衰減特性對于數(shù)字通信的效果有著重要影響。中壓線路的衰減比低壓線路的衰減嚴(yán)重,有實驗表明,平均每100m幅值衰減可達(dá)到8dB~11dB。同時,中壓線路的衰減也表現(xiàn)出明顯的頻率選擇性,在一些頻率點或者頻段,會出現(xiàn)深度的傳輸衰減。由大量分支點造成的多徑效應(yīng)被認(rèn)為是一個主要原因。實驗證明,在這些深度衰減的頻段上,很難實現(xiàn)成功的通信連接,必須在實際通信系統(tǒng)中予以回避。

中壓電力線平均噪聲功率在-60~-70dBm/Hz左右。其中,由多種低功率噪聲的疊加而成的有色背景噪聲功率一般在-60~-70dBm/Hz之間,在一些頻段可低于-80dBm/Hz,其整體隨頻率增高而減弱,且功率譜變化較慢,一般為分鐘甚至小時量級;主要由通信帶寬內(nèi)的廣播電臺等其它無線通信信號造成的窄帶噪聲,平均占用2k~4kHz的帶寬,功率較高,較背景噪聲高出約30~50dBm/Hz,該類干擾一般長時穩(wěn)定存在;對通信效果影響最大的是沖激噪聲,該類噪聲隨機(jī)產(chǎn)生,持續(xù)時間很短,一般為幾十或者幾百毫秒,絕大部分功率高于背景噪聲10~30dBm/Hz,當(dāng)沖激噪聲發(fā)生時,噪聲頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸將可能出現(xiàn)嚴(yán)重的突發(fā)性誤碼。圖3為我國農(nóng)村中壓電力線在40k~560kHz頻段內(nèi)的典型噪聲頻譜。
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圖3國內(nèi)農(nóng)村中壓線路噪聲特性曲線(40k-560kHz)

中壓PLC關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)

中壓電力線信道是一個很不穩(wěn)定的高噪聲、強(qiáng)衰減的傳輸通道,高效可靠的調(diào)制編碼技術(shù)對于電力線通信非常重要。目前,國內(nèi)外針對不同通信場景對速率、可靠性的要求,對各種調(diào)制技術(shù)在中壓PLC中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究和測試。

根據(jù)對中壓信道特性的研究,噪聲功率一般隨頻率升高而降低,但同時多徑效應(yīng)所引起的深衰落也在高頻端更為嚴(yán)重,因此,在選擇PLC載波頻率時,需要根據(jù)實際線路情況在二者之間進(jìn)行折衷。國內(nèi)外的大量實踐證明,5k~50kHz的載波頻率對于多數(shù)中壓配電自動化系統(tǒng)是比較合適的。在配電自動化的應(yīng)用中,多為單向數(shù)據(jù)傳輸,且主要要求有較高的可靠性,對實時性的要求不是很高,因此,一般都選取較低的傳輸速率,一般在10bps~1000bps之間。在調(diào)制技術(shù)方面,目前使用最多的是窄帶調(diào)制方法,如ASK,F(xiàn)SK或者CPSK都得到了比較廣泛的應(yīng)用。近年來為在強(qiáng)噪聲干擾的環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,跳頻、直接序列擴(kuò)頻、Chirp跳頻等擴(kuò)頻通信技術(shù)也被引入到中壓PLC系統(tǒng)中。

在利用中壓PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入的場景中,由于通信速率較高,對所采用的調(diào)制編碼技術(shù)的信道利用率,對突發(fā)噪聲和脈沖噪聲的規(guī)避或者對抗能力都提出了較高的要求。目前,在中、低速率的接入網(wǎng)研究中,BPSK、QPSK等調(diào)制方法得到了應(yīng)用,為了對抗頻率選擇性衰落的信道特性,一般都會同時應(yīng)用高階的差錯控制編碼,這同該調(diào)制方法本身不高的頻帶利用率相結(jié)合,使得系統(tǒng)的通信速率會受到較大限制。

CDMA技術(shù)可以有效的對抗傳輸信道中的窄帶噪聲等干擾,但是在CDMA系統(tǒng)中所要求的較高處理增益,在存在嚴(yán)重的頻率選擇性衰落的電力線信道上很難達(dá)到,所以CDMA系統(tǒng)的優(yōu)勢在PLC中并不能得到完全的發(fā)揮,一般認(rèn)為,速率超過1Mbps,它就不再適用。對于更高傳輸速率的接入網(wǎng)絡(luò),多載波正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)被認(rèn)為是最為合適的技術(shù)方案。OFDM以多個相互正交的載波對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制,將串行數(shù)據(jù)流變換為并行處理。其擁有接近香農(nóng)限的高信道利用率;并且可以有效的對抗多徑效應(yīng),解決碼間串?dāng)_問題,也具備較強(qiáng)的抗突發(fā)干擾的能力;另外,在信道分配上,OFDM也提供了靈活操作的可能性,得以規(guī)避通信帶寬內(nèi)深度衰落的頻帶;OFDM技術(shù)在高速PLC中應(yīng)用廣泛。

在MAC層協(xié)議中,目前的研究表明,帶有沖突避免的有競爭CSMA/CA協(xié)議,基于TDMA的無競爭預(yù)約協(xié)議,以及將兩者相結(jié)合的混合型協(xié)議,比較適合于中壓寬帶接入網(wǎng)絡(luò),并且已在實際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

總體而言,PLC應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過了模擬——單片機(jī)集成電路——現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展過程。中壓PLC系統(tǒng)起點較高,目前已廣泛采用DSP器件和專用芯片的解決方案。上世紀(jì)90年代中期以后,高速PLC芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,國外多家公司都研究開發(fā)了相應(yīng)產(chǎn)品。

在市場的推動下,北美的中壓PLC寬帶接入應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展迅速。Amperion公司研究了發(fā)變電站至變壓器之間的中壓電力線上的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),以及MV-PLC與LV-PLC為一端、光纖和無線網(wǎng)絡(luò)為另一端的接口技術(shù),從而提供了從中壓傳輸?shù)降蛪簜鬏敚瑥膽敉饨尤氲綉魞?nèi)組網(wǎng)的端到端PLC解決方案。目前,該系統(tǒng)的主要技術(shù)已經(jīng)通過實驗室試驗,Amperion公司及合作伙伴正極力推動該類接入網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)進(jìn)程。

近年來受到廣泛關(guān)注的MV-PLC接入在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用,目前主要還停留在實驗系統(tǒng)的階段。文獻(xiàn)[1]中所介紹的接入系統(tǒng)物理層采用BPSK調(diào)制方法,利用BCH編碼、交織等技術(shù)對抗信道衰減和突發(fā)噪聲,MAC層使用CSMA/CD和TDMA的混合協(xié)議,在南非的郊區(qū)和低人口密度地區(qū)的中壓電力線網(wǎng)絡(luò)傳輸實驗中實現(xiàn)了Internet接入,傳輸距離達(dá)到了4km,但未能達(dá)到VoIP所要求的QoS保證。文獻(xiàn)[2]中,在北美農(nóng)村13.8kV電網(wǎng)上采用基于QPSK調(diào)制的全雙工數(shù)字寬帶通信方案,在17MHz和83MHz頻段上在實現(xiàn)了2Mbps的TCP/IP連接。

中壓電力線通信技術(shù)在中壓配電自動化、城市和農(nóng)村地區(qū)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入等方面具有獨特的優(yōu)勢和很大的發(fā)展?jié)摿?,如果得到廣泛應(yīng)用,將對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用。近年來,國內(nèi)外相關(guān)的研究和應(yīng)用都得到了迅速的發(fā)展,有理由相信,隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和成熟,中壓電力線通信會在信息社會中扮演日益重要的角色。
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