一、電力載波技術(shù)簡(jiǎn)介及特點(diǎn)
電力載波技術(shù),簡(jiǎn)稱PLC技術(shù),是英文Power line Communication的簡(jiǎn)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(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)，最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)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(hào)。在發(fā)送時(shí),利用GMSK或OFDM調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制、線路耦合,然后在電力線上進(jìn)行傳輸.在接收端,先經(jīng)過(guò)耦合、濾波,將調(diào)制信號(hào)從電力線路上濾出,再經(jīng)過(guò)解調(diào),還原成原信號(hào)。目前可達(dá)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(shí)，來(lái)自終端地址或用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后，通過(guò)系統(tǒng)的配電線路傳輸?shù)骄侄嗽O(shè)備，局端將信號(hào)解調(diào)出來(lái)，再轉(zhuǎn)到控制主機(jī)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(diǎn)，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(gè)多徑反射以及頻率選擇性衰落信道。我們可以通過(guò)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(guò)搭建模型，并基于大量的測(cè)試，可以研究和設(shè)計(jì)出PLC網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)可以對(duì)不同的調(diào)制技術(shù)和編碼技術(shù)進(jìn)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(hào)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(guò)大量理論研究和實(shí)際測(cè)試表明，電力線信道中的噪聲分布和其它常見(jiàn)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(duì)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(guò)幅度調(diào)制的正弦信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)在很寬的頻率范圍內(nèi)存在高電平的噪聲；
?。?）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；
?。?）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(shí)間很短（幾微秒）；（5）異步脈沖噪聲：它是由電網(wǎng)中瞬時(shí)的電氣開斷引起的，這類噪聲的功率譜密度有時(shí)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(hào)（2 MHz～30MHz），但高速PLC的使用不能給其他通信系統(tǒng)帶來(lái)電磁干擾。為此國(guó)外對(duì)電力線的高頻輻射機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的研究并作了大量的測(cè)試，大家認(rèn)為電力線的對(duì)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(gè)地方的測(cè)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(duì)于2 MHz～30MHz頻率范圍電磁輻射的測(cè)量方法也存在較大的爭(zhēng)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(méi)有一個(gè)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(cè)試方法仍然是各個(gè)相關(guān)組織正在研究的項(xiàng)目。
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電力線是一個(gè)極其不穩(wěn)定的高噪聲、強(qiáng)衰減的傳輸通道，要實(shí)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(duì)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(guó)內(nèi)外對(duì)各種調(diào)制技術(shù)在PLC中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究和測(cè)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(duì)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(guò)多年的發(fā)展，國(guó)外相關(guān)研究組織或個(gè)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(jìn)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(wú)法預(yù)計(jì)各種強(qiáng)干擾噪聲頻譜分布的前提下是無(wú)法避開或抑制突發(fā)噪聲和脈沖噪聲干擾的，因此也無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)高速PLC來(lái)說(shuō)，要實(shí)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(shí)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?yàn)橛幸韵氯秉c(diǎn)，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(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)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(hào)損失（10 dB -30dB）。通訊距離很近時(shí)，不同相間可能會(huì)收到信號(hào)。一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸；
3、不同信號(hào)藕合方式對(duì)電力載波信號(hào)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(hào)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(huì)帶來(lái)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(shí)間約2ms，因定干擾必須加以處理。有一種利用波形過(guò)0點(diǎn)的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，但由于過(guò)0點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)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(zhǎng)，所以難以應(yīng)用；
5、電力線對(duì)載波信號(hào)造成高削減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，線路阻抗可達(dá)1歐姆以下，造成對(duì)載波信號(hào)的高削減。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)載波信號(hào)可傳輸?shù)綆坠铩５?dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，只能傳輸幾十米。
雖然技術(shù)問(wèn)題隨著時(shí)間的發(fā)展，最終都能被解決被克服，但是從目前國(guó)內(nèi)寬帶網(wǎng)建設(shè)的情況來(lái)看，留給PLC的時(shí)間和空間并不寬裕。2000年以來(lái)各大運(yùn)營(yíng)商大規(guī)模推出ADSL、光纖、無(wú)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(gè)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(lái)實(shí)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(shí)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(dòng)，將為您帶來(lái)高品質(zhì)的生活體驗(yàn)和生活享受：隨時(shí)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(chǎng)景燈等；隨時(shí)掌握家庭安防情況，如防盜、火警、探測(cè)燃?xì)庑孤┑?；通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或電話對(duì)家中電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等。
2、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)（AMR）
遠(yuǎn)程自動(dòng)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(shí)降低管理成本；并讓用戶有機(jī)會(huì)充分利用各種用電計(jì)劃（如分時(shí)電價(jià)）來(lái)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(guò)采集終端設(shè)備將數(shù)據(jù)調(diào)制后,通過(guò)電力線傳送,在接收端解調(diào)還原成數(shù)據(jù)信號(hào),在同一臺(tái)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(hào)是可以通過(guò)變壓器的,電力載波的重要優(yōu)點(diǎn)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(duì)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(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)、信號(hào)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(hào),不是通信專用網(wǎng).由電力線的特性所決定,它不可能實(shí)現(xiàn)高速和寬帶信號(hào)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(jì)最有效的技術(shù)應(yīng)用
系統(tǒng)功能特點(diǎn)：遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表；遠(yuǎn)程控制電表拉合閘；實(shí)時(shí)查詢用戶用電量；電表用量組抄或個(gè)別選擇抄讀；可與收費(fèi)系統(tǒng)聯(lián)為一體；根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載的峰谷時(shí)段分段電價(jià)；分時(shí)段抄表及計(jì)費(fèi)；控制非法竊電行為；減少人力成本及管理成本；自動(dòng)保存抄讀的歷史數(shù)據(jù)；統(tǒng)計(jì)電表數(shù)據(jù)，分析用電規(guī)律；估計(jì)線損和由電表計(jì)量誤差引起的自損；配電系統(tǒng)評(píng)估、供電服務(wù)質(zhì)量檢測(cè)和負(fù)荷管理
3、遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng)
遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng)利用電力載波技術(shù)通過(guò)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(shí)節(jié)省電能，并能延長(zhǎng)燈具壽命以及降低運(yùn)行維護(hù)成本。目前的路燈遠(yuǎn)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(jí)部分構(gòu)成。
系統(tǒng)功能特點(diǎn)：全天候24小時(shí)自動(dòng)監(jiān)控；監(jiān)控范圍可達(dá)數(shù)公里；拓展功能：加入自動(dòng)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(kuò)展其它功能；單燈狀態(tài)檢測(cè)：電壓、電流、開關(guān)、溫度等；單燈故障狀態(tài)自動(dòng)上報(bào)；照明系統(tǒng)節(jié)能自動(dòng)控制，現(xiàn)場(chǎng)按季節(jié)變化自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈開關(guān)時(shí)間；各類故障或異常情況報(bào)警；多種報(bào)警方式供用戶選擇；遠(yuǎn)程報(bào)警信息送至控制中心或值勤人員手機(jī)；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(chǎng)是一座現(xiàn)代化、智能化的體育場(chǎng)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(guó)內(nèi)乃至國(guó)外最先進(jìn)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(guó)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(jī)構(gòu)成，由系統(tǒng)電源線進(jìn)行照明供電，并通過(guò)UTP5監(jiān)控通訊數(shù)據(jù)線進(jìn)行路由地址匯集和數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。而奧體公園體育場(chǎng)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制。
濰坊市奧體公園體育場(chǎng)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(guó)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(tái)技術(shù)。HOCEN-EMCS系統(tǒng)由主控服務(wù)器通過(guò)LonBus-PL控制總線透過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由器將各個(gè)分散的應(yīng)急燈具單元連接起來(lái)，每個(gè)應(yīng)急燈都有一個(gè)神經(jīng)元芯片并具有獨(dú)立的地址，通過(guò)電腦編程的各個(gè)疏散應(yīng)急燈既可獨(dú)立完成燈具內(nèi)的各項(xiàng)檢測(cè)工作，又可根據(jù)要求向主控電腦發(fā)送檢測(cè)結(jié)果和接受各項(xiàng)指令完成任務(wù)。HOCEN-EMCS系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)又可通過(guò)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(shí)現(xiàn)各個(gè)監(jiān)控主機(jī)之間的遠(yuǎn)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(guò)電力線載波智能收發(fā)器完成數(shù)據(jù)通信，針對(duì)傳統(tǒng)電力載波技術(shù)脈沖噪聲干擾、信號(hào)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(qiáng)接收器的雙頻BPSK，具有以下特點(diǎn)：
?窄帶技術(shù)，數(shù)字信號(hào)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(hào)處理內(nèi)核中。這些性能使得收發(fā)器可以糾正電力信號(hào)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(dú)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(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到第二載波頻率，兩個(gè)載波頻率選擇時(shí)，考慮了避免由于諧波而導(dǎo)致兩個(gè)頻率同時(shí)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(cuò)：許多噪聲源主要是通過(guò)損壞數(shù)據(jù)包的辦法來(lái)干擾電力線信號(hào)，神經(jīng)元智能收發(fā)器在循環(huán)亢余校驗(yàn)碼的基礎(chǔ)上，采用高效低消耗的前向糾錯(cuò)碼（FEC）算法來(lái)克服錯(cuò)誤包。
?強(qiáng)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(hào)。
?寬廣的動(dòng)態(tài)范圍：動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍達(dá)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(dá)104的信號(hào)。
濰坊市奧體公園體育場(chǎng)的集中智能疏散控制系統(tǒng)通過(guò)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(duì)分布在各個(gè)疏散通道的應(yīng)急疏散照明燈具運(yùn)行狀況連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)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(jī)，可以完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、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(guó)家規(guī)程的相關(guān)要求下正常運(yùn)行。系統(tǒng)并具有動(dòng)態(tài)導(dǎo)光功能，智能動(dòng)態(tài)導(dǎo)光技術(shù)根據(jù)火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出的聯(lián)動(dòng)信號(hào)確定火災(zāi)區(qū)域并結(jié)合相關(guān)預(yù)案信息，由計(jì)算機(jī)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(shí)結(jié)合語(yǔ)音提示引導(dǎo)，保證人員有效疏散。
四、結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)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(diǎn)，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(gè)領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，電力載波相關(guān)技術(shù)問(wèn)題和缺陷會(huì)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