電力線通信技術(shù)原理及應(yīng)用

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(jí))作為信號(hào)傳輸媒介，進(jìn)行語(yǔ)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(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)中；近年來(lái)，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(diǎn)，正越來(lái)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(shí)用價(jià)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(dòng)化對(duì)于國(guó)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(cè)、集中抄表等。配電網(wǎng)自動(dòng)化往往有數(shù)量巨大且分布分散的節(jié)點(diǎn)需進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集，故對(duì)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(fèi)用等方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，目前在韓國(guó)、美國(guó)、西班牙等國(guó)家已得到良好的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也開展了大量的研究和實(shí)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(lái)發(fā)展迅速。

對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)較大帶寬的數(shù)字通信服務(wù)，會(huì)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(shí)現(xiàn)，但是低通信速率以及信道租用和終端所帶來(lái)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(duì)高用戶密度的應(yīng)用場(chǎng)景所設(shè)計(jì)，如果在用戶密度較低的地區(qū)使用，將帶來(lái)通信能力的嚴(yán)重浪費(fèi)和高昂的運(yùn)營(yíng)成本，從而難以得到推廣和普及。

在發(fā)展中國(guó)家，這一矛盾尤其突出。就國(guó)內(nèi)的情況而言，我國(guó)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(duì)滯后。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)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(lái)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(shí)現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，是適合國(guó)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)

中壓電力線信道研究

電力線設(shè)計(jì)的初衷是傳遞頻率為50~60Hz的電力信號(hào)，將其功能擴(kuò)展到語(yǔ)音或者數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸時(shí)將面臨復(fù)雜的電磁環(huán)境。因此，對(duì)于PLC技術(shù)而言，針對(duì)電力線信道特性的研究是非?；A(chǔ)和關(guān)鍵的。在我國(guó)，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(duì)較短以及干擾相對(duì)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(lái)，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對(duì)中壓電力線信道特性進(jìn)行了卓有成效的研究，筆者也對(duì)我國(guó)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(shí)地測(cè)量和分析，這些研究成果為實(shí)際的工程應(yīng)用提供了參考。

一般來(lái)說，電力線信道對(duì)于數(shù)字通信的負(fù)面影響主要來(lái)源于三個(gè)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(shí)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(shí)，將造成信號(hào)能量的浪費(fèi)，甚至出現(xiàn)啞信號(hào)點(diǎn)。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(huì)隨距離、頻率、時(shí)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(shí)現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)，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(lái)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