一、電力載波技術(shù)簡介及特點
電力載波技術(shù),簡稱PLC技術(shù),是英文Power line Communication的簡稱。電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通訊是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g(shù)，最大特點是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進行數(shù)據(jù)傳遞，是利用1.6～30MHz頻帶范圍在電力線路上傳輸信號。在發(fā)送時,利用GMSK或OFDM調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進行調(diào)制、線路耦合,然后在電力線上進行傳輸.在接收端,先經(jīng)過耦合、濾波,將調(diào)制信號從電力線路上濾出,再經(jīng)過解調(diào),還原成原信號。目前可達到的通信速率依具體設(shè)備不同在4.5～45MB/s之間。PLC設(shè)備分局端和調(diào)制解調(diào)器,局端負(fù)責(zé)與內(nèi)部PLC調(diào)制解調(diào)器的通信和與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。在通信時，來自終端地址或用戶的數(shù)據(jù)進入調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后，通過系統(tǒng)的配電線路傳輸?shù)骄侄嗽O(shè)備，局端將信號解調(diào)出來，再轉(zhuǎn)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(guī)的點對點或點對多點阻抗恒定傳輸媒介。由于大多電力線具有分支多、不同分支電纜物理特性不一致及負(fù)載阻抗不恒定等特點，其中，中壓電力線的阻抗變化稍小，中壓電纜線路分支一般不多。因而電力線信道是一個多徑反射以及頻率選擇性衰落信道。我們可以通過模擬技術(shù)研究不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上通信性能的可能性。通過搭建模型，并基于大量的測試，可以研究和設(shè)計出PLC網(wǎng)絡(luò)。同時可以對不同的調(diào)制技術(shù)和編碼技術(shù)進行比較研究。
（二）信道噪聲特性
除了因線路衰減和多路傳輸所造成的信號失真外，噪聲是影響電力線數(shù)據(jù)可靠通信的關(guān)鍵因素。通過大量理論研究和實際測試表明，電力線信道中的噪聲分布和其它常見信道有很大的不同，其噪聲并不呈現(xiàn)白高斯噪聲（AWGN）特性，在頻率從幾百kHz到數(shù)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(fù)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。
（1）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)過幅度調(diào)制的正弦信號，嚴(yán)重時在很寬的頻率范圍內(nèi)存在高電平的噪聲；
（3）非電網(wǎng)諧波的周期性脈沖噪聲：這類噪聲大多是由開關(guān)電源引起的，在低壓電力線中出現(xiàn)的幾率較大；
（4）與工頻同步的周期性脈沖噪聲：這些脈沖的重復(fù)頻率為50Hz或 100Hz，與工頻同步，它們持續(xù)時間很短（幾微秒）；（5）異步脈沖噪聲：它是由電網(wǎng)中瞬時的電氣開斷引起的，這類噪聲的功率譜密度有時比背景噪聲高 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(tǒng)帶來電磁干擾。為此國外對電力線的高頻輻射機理進行了詳細的研究并作了大量的測試，大家認(rèn)為電力線的對地不平衡是其輻射的主要原因。由于電力線的電磁輻射特性跟電力線結(jié)構(gòu)、耦合方式密切相關(guān)，一個地方的測量結(jié)果很難反映不同應(yīng)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，但目前還沒有一個世界范圍內(nèi)大家一致認(rèn)同的標(biāo)準(zhǔn)。如何設(shè)定高速PLC設(shè)備及系統(tǒng)的電磁輻射水平及定義測試方法仍然是各個相關(guān)組織正在研究的項目。
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電力線是一個極其不穩(wěn)定的高噪聲、強衰減的傳輸通道，要實現(xiàn)可靠的電力線高速數(shù)據(jù)通信，必須解決各種因素對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽８咝Э煽康恼{(diào)制編碼技術(shù)是高速PLC的關(guān)鍵，國內(nèi)外對各種調(diào)制技術(shù)在PLC中的應(yīng)用進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(xiàn)狀及應(yīng)用前景
對電力載波技術(shù)的研究是產(chǎn)品開發(fā)及制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的發(fā)展，國外相關(guān)研究組織或個人在中低壓電力線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一步深入。
常規(guī)單載波調(diào)制不但頻帶利用率不高，而且在無法預(yù)計各種強干擾噪聲頻譜分布的前提下是無法避開或抑制突發(fā)噪聲和脈沖噪聲干擾的，因此也無法實現(xiàn)可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸。對高速PLC來說，要實現(xiàn)很高的通信速率，在有限的頻帶內(nèi)采用CDMA方案較難實現(xiàn)較高的處理增益，所以CDMA技術(shù)難以在高速PLC中使用。
另外，電力線載波通訊因為有以下缺點，導(dǎo)致電力載波技術(shù)主要應(yīng)用－－網(wǎng)絡(luò)通訊（電力上網(wǎng)）未能大規(guī)模應(yīng)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配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送；
2、三相電力線間有很大信號損失（10 dB -30dB）。通訊距離很近時，不同相間可能會收到信號。一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸；
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-地藕合和線-中線藕合。線-地藕合方式與線-中線藕合方式相比，電力載波信號少損失十幾dB，但線-地藕合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用；
4、電力線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(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，即電力線上有固定的100HZ或120HZ脈沖干擾，干擾時間約2ms，因定干擾必須加以處理。有一種利用波形過0點的短時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，但由于過0點時間短，實際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)代通訊數(shù)據(jù)幀又比較長，所以難以應(yīng)用；
5、電力線對載波信號造成高削減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時，線路阻抗可達1歐姆以下，造成對載波信號的高削減。實際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時，點對點載波信號可傳輸?shù)綆坠?。但?dāng)電力線上負(fù)荷很重時，只能傳輸幾十米。
雖然技術(shù)問題隨著時間的發(fā)展，最終都能被解決被克服，但是從目前國內(nèi)寬帶網(wǎng)建設(shè)的情況來看，留給PLC的時間和空間并不寬裕。2000年以來各大運營商大規(guī)模推出ADSL、光纖、無線網(wǎng)絡(luò)等多種寬帶接入業(yè)務(wù)，留給電力線上網(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)可用電力線載波技術(shù)來實現(xiàn)，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(xiàn)有的電力線作為載波通信媒介，實現(xiàn)智能設(shè)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，將為您帶來高品質(zhì)的生活體驗和生活享受：隨時查詢所有電器狀態(tài)；任一開關(guān)集中控制家中所有智能電器設(shè)備；組開組關(guān)指定電器，如場景燈等；隨時掌握家庭安防情況，如防盜、火警、探測燃氣泄漏等；通過互聯(lián)網(wǎng)或電話對家中電器進行遠程控制等。
2、遠程抄表系統(tǒng)（AMR）
遠程自動抄表（AMR）系統(tǒng)是智能控制網(wǎng)的重要應(yīng)用之一。它可以使電力供應(yīng)商在提高服務(wù)質(zhì)量的同時降低管理成本；并讓用戶有機會充分利用各種用電計劃（如分時電價）來節(jié)省開支和享受多種便利。把電表（水表、氣表）的數(shù)據(jù)通過采集終端設(shè)備將數(shù)據(jù)調(diào)制后,通過電力線傳送,在接收端解調(diào)還原成數(shù)據(jù)信號,在同一臺配電變壓供電范圍內(nèi)用戶統(tǒng)一編址,并由采集器巡回讀寫.若采用微波技術(shù)電力載波信號是可以通過變壓器的,電力載波的重要優(yōu)點是利用電力線傳輸,不需要鋪設(shè)專門的線路,節(jié)省資源,便于改造,提高電網(wǎng)的利用率.對于通信而言,電力線作為有線傳輸介質(zhì),其原理如同電話、有線電視、光纖通信一樣,所不同的是電話、光纖、有線電視是傳輸語音、圖像、數(shù)據(jù)、信號的專用,而電力線是在輸送電能前提下輔助傳輸數(shù)據(jù)或話音信號,不是通信專用網(wǎng).由電力線的特性所決定,它不可能實現(xiàn)高速和寬帶信號傳輸,但作為行業(yè)管理和智能化家居(入戶終端)是最經(jīng)濟最有效的技術(shù)應(yīng)用
系統(tǒng)功能特點：遠程自動抄表；遠程控制電表拉合閘；實時查詢用戶用電量；電表用量組抄或個別選擇抄讀；可與收費系統(tǒng)聯(lián)為一體；根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載的峰谷時段分段電價；分時段抄表及計費；控制非法竊電行為；減少人力成本及管理成本；自動保存抄讀的歷史數(shù)據(jù)；統(tǒng)計電表數(shù)據(jù)，分析用電規(guī)律；估計線損和由電表計量誤差引起的自損；配電系統(tǒng)評估、供電服務(wù)質(zhì)量檢測和負(fù)荷管理
3、遠程路燈監(jiān)控系統(tǒng)
遠程路燈監(jiān)控系統(tǒng)利用電力載波技術(shù)通過已有電力線將路燈照明系統(tǒng)連成智能照明系統(tǒng)。此系統(tǒng)能在保證道路安全的同時節(jié)省電能，并能延長燈具壽命以及降低運行維護成本。目前的路燈遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)一般有單燈控制器、集中控制器和監(jiān)控中心三級部分構(gòu)成。
系統(tǒng)功能特點：全天候24小時自動監(jiān)控；監(jiān)控范圍可達數(shù)公里；拓展功能：加入自動路由功能后，監(jiān)控范圍成倍增加，系統(tǒng)可自由增減監(jiān)控設(shè)備的數(shù)量，監(jiān)控設(shè)備可以擴展其它功能；單燈狀態(tài)檢測：電壓、電流、開關(guān)、溫度等；單燈故障狀態(tài)自動上報；照明系統(tǒng)節(jié)能自動控制，現(xiàn)場按季節(jié)變化自動調(diào)節(jié)路燈開關(guān)時間；各類故障或異常情況報警；多種報警方式供用戶選擇；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(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。
三、應(yīng)用案例
濰坊市奧體公園體育場是一座現(xiàn)代化、智能化的體育場館，其智能建筑監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、智能照明控制系統(tǒng)、集中智能控制疏散燈系統(tǒng)等均采用國內(nèi)乃至國外最先進的控制技術(shù)，其中智能控制疏散燈系統(tǒng)及路燈控制系統(tǒng)應(yīng)用了國內(nèi)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(tǒng)為例，傳統(tǒng)的疏散指示智能集中控制系統(tǒng)由地址編碼疏散指示燈、區(qū)域路由配電箱（匯集器）、智能集中控制主機構(gòu)成，由系統(tǒng)電源線進行照明供電，并通過UTP5監(jiān)控通訊數(shù)據(jù)線進行路由地址匯集和數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)控制功能。而奧體公園體育場采用的電力載波通訊技術(shù)則不需要重新敷設(shè)數(shù)據(jù)通訊線路，而是應(yīng)用系統(tǒng)自身供電線路直接進行數(shù)據(jù)傳輸和控制。
濰坊市奧體公園體育場智能疏散集中控制系統(tǒng)采用的恒生照明HOCEN-EMCS系統(tǒng)，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)開發(fā)的消防應(yīng)急疏散照明監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制管理平臺技術(shù)。HOCEN-EMCS系統(tǒng)由主控服務(wù)器通過LonBus-PL控制總線透過網(wǎng)絡(luò)路由器將各個分散的應(yīng)急燈具單元連接起來，每個應(yīng)急燈都有一個神經(jīng)元芯片并具有獨立的地址，通過電腦編程的各個疏散應(yīng)急燈既可獨立完成燈具內(nèi)的各項檢測工作，又可根據(jù)要求向主控電腦發(fā)送檢測結(jié)果和接受各項指令完成任務(wù)。HOCEN-EMCS系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)又可通過各種連接設(shè)備介入IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)各個監(jiān)控主機之間的遠程監(jiān)控。HOCEN-EMCS系統(tǒng)的LonBus-PL控制總線是以LonWorks電力 線載波技術(shù)為基礎(chǔ)透過電力線載波智能收發(fā)器完成數(shù)據(jù)通信，針對傳統(tǒng)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(diào)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：
?窄帶技術(shù)，數(shù)字信號處理技術(shù)：Echelon把噪聲抑制和畸變糾正的專利算法技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字信號處理內(nèi)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(xù)聲頻噪聲、相位畸變等。
?獨特的雙載頻工作方式：當(dāng)?shù)谝惠d波頻率由于噪聲而阻塞時，會自動切換到第二載波頻率，兩個載波頻率選擇時，考慮了避免由于諧波而導(dǎo)致兩個頻率同時被阻塞，這些確保了即使在有噪聲的情況下，數(shù)據(jù)包仍能可靠的接受。
?前向糾錯：許多噪聲源主要是通過損壞數(shù)據(jù)包的辦法來干擾電力線信號，神經(jīng)元智能收發(fā)器在循環(huán)亢余校驗碼的基礎(chǔ)上，采用高效低消耗的前向糾錯碼（FEC）算法來克服錯誤包。
?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)出滿足世界發(fā)射要求的7V峰峰值信號。
?寬廣的動態(tài)范圍：動態(tài)范圍和收發(fā)器的靈敏度有關(guān)。神經(jīng)元智能收發(fā)器的動態(tài)范圍達到＞80DB。在一條低噪安靜的傳輸線上智能收發(fā)器可以接收衰減達104的信號。
濰坊市奧體公園體育場的集中智能疏散控制系統(tǒng)通過HOCEN-EMCS消防應(yīng)急智能監(jiān)控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，采用系統(tǒng)自身電力線作為通訊介質(zhì)，應(yīng)用LonBus-PL控制總線對分布在各個疏散通道的應(yīng)急疏散照明燈具運行狀況連續(xù)自動檢測和監(jiān)控。系統(tǒng)采用了HCN-BZ-X系列疏散燈具、HS3800F-ELR型區(qū)域路由配電箱及HS3800-EMCS/2000L型智能集中控制主機，可以完成數(shù)據(jù)采集、存儲、控制、通信、顯示、記錄、故障診斷等多種功能，使應(yīng)急疏散照明燈具在符合國家規(guī)程的相關(guān)要求下正常運行。系統(tǒng)并具有動態(tài)導(dǎo)光功能，智能動態(tài)導(dǎo)光技術(shù)根據(jù)火災(zāi)探測器報警系統(tǒng)發(fā)出的聯(lián)動信號確定火災(zāi)區(qū)域并結(jié)合相關(guān)預(yù)案信息，由計算機分析選擇最佳逃生線路，并發(fā)出指令控制疏散標(biāo)志燈導(dǎo)向箭頭的光流方向，同時結(jié)合語音提示引導(dǎo)，保證人員有效疏散。
四、結(jié)語
經(jīng)過多年的研究，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、電力線覆蓋范圍廣、高速率、使用便捷等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用到工業(yè)智能化、家居智能化、公共設(shè)施智能化及建筑消防智能化等多個領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步，電力載波相關(guān)技術(shù)問題和缺陷會被逐步克服，電力載波技術(shù)將有更大的發(fā)展和應(yīng)用前景?！ ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????文/孫連東 李振譚