【文章內(nèi)容簡介】 ................................. 22 硬件設(shè)計 ............................................................. 24 6 輸電線 載波技術(shù)存在的問題及發(fā)展展望 ................................... 39 結(jié) 論 .............................................................. 40 結(jié)束語 .............................................................. 41 致 謝 .............................................................. 42 參考文獻 ............................................................. 43 1 引言 輸電線 載波通信技術(shù) (Power Line CommunICation Technology)簡稱 PLC，是指利用遍布城鄉(xiāng)的各級高、中、低壓，輸電線作為信息傳輸媒介，在其上構(gòu)筑高速數(shù)據(jù)通道，為用戶提供進行高速互聯(lián)網(wǎng)訪問、視頻點播、 IP電話、遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù)，從而形成集數(shù)據(jù)、語音、視頻及電力在內(nèi)于一體的“四網(wǎng)合一”的一種通信方式。 輸電線 載波通信并不是新技術(shù)，但以前該技術(shù)只被電力行業(yè)作為長距離調(diào)度的通信手段。目前全世界范圍內(nèi)幾年來對電力網(wǎng)的研究有了 很大的進展，很多機構(gòu)和公司都推出了各自先進的 輸電線 載波通信技術(shù)。 輸電線 通信技術(shù)，已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，在中高壓電力網(wǎng) (35 kV以上 )上通過 輸電線 載波機利用較低的頻率 (9～ 490 kHz)以較低速率傳送遠動數(shù)據(jù)或話音，就是 輸電線 通信技術(shù)應(yīng)用的主要形式之一。在低壓 (220 V)領(lǐng)域， PLC技術(shù)首先用于負荷控制、遠程抄表、配網(wǎng)自動化系統(tǒng)和家居自動化，其傳輸速率一般為 1200 bps或更低，稱為低速 PLC。近幾年國內(nèi)外開展的利用低壓輸電線傳輸速率在 l Mbps以上的 輸電線 通信技術(shù)稱之為高速 PLC。 隨著 Intemet技術(shù)的飛速發(fā)展，利用 220V低壓 輸電線 傳輸高速數(shù)據(jù)的價值越來越為人們所重視。它所創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟和社會效益正日益引起人們的關(guān)注。利用該技術(shù)，不僅可以組成小區(qū)配電變壓器供電范圍內(nèi)的寬帶接入網(wǎng)，而且可以利用遍布家庭各個房間的電源插座組成家庭局域網(wǎng)，作為其他寬帶接入方式的延伸和補充。目前， 輸電線 載波通信技術(shù)突破了僅限于單片機應(yīng)用的限制，已經(jīng)進入了數(shù)字化時代。并且，隨著 輸電線 載波技術(shù)的不斷發(fā)展和社會的需要，中低壓 電力 載波通信的技術(shù)正逐漸成為一門電力通信領(lǐng)域乃至關(guān)系到千家萬戶的熱門專業(yè)。 盡管隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛 速發(fā)展，上網(wǎng)的人數(shù)越來越多。由于網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)速是由帶寬最窄的一段網(wǎng)絡(luò)決定最終的速度。因此，采用何種通信方式使客戶終端連接到寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，成為長期困擾人們的難點之一，也是普及的瓶頸之一， 被業(yè)內(nèi)人士稱為寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的“最后一公里”問題。利用四通八達、遍布城鄉(xiāng)、直達用戶的 220V低壓輸電線傳輸高速數(shù)據(jù)的 PLC技術(shù)以其不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便的顯著特點，被業(yè)內(nèi)人士認為是解決方案最具競爭力的技術(shù)之一。同時，由于輸電線載波通信環(huán)境惡劣，許多技術(shù)問題一直困撓人們。其中，最主要的問題在于噪音和信號衰減。輸電線載波通信的 噪音主要來自于低 2 壓電網(wǎng)相連的負載，以及無線電廣播的干擾；而信號的衰減是與通信信道的物理長度和低壓電網(wǎng)的阻抗匹配相關(guān)的。由于負載的開關(guān)會引起輸電線上供電電流的波動，從而導致在輸電線的周圍產(chǎn)生電磁輻射，所以，沿輸電線傳送數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)許多意想不到的問題。在這種形勢下，本文描述了輸電線載波通信技術(shù)的發(fā)展歷程、國內(nèi)外現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、特點、優(yōu)點、實現(xiàn)的技術(shù)難點及其關(guān)鍵技術(shù)和規(guī)范，對 PLC技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)接入、電力配網(wǎng)自動化及遠程自動抄表中的實際應(yīng)用進行了一定的探索，并將 PLC接入方式與其它的一些互聯(lián)網(wǎng)接方式進行了比較，為 實施配網(wǎng)自動化及用戶遠程抄表作相關(guān)準備。 3 2 國內(nèi) 外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 輸電線載波通信發(fā)展的歷程 PLC作為電力系統(tǒng)傳輸信息的一種基本手段，在電力系統(tǒng)通信和遠動控制中得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了從分立到集成，從功能單一到微機自動控制，從模擬到數(shù)字的發(fā)展歷程， PLC中的核心 —— 輸電線載波機歷經(jīng)了模擬輸電線載波機、準數(shù)字輸電線載波機、全數(shù)字輸電線載波機三個階段。 大約 20世紀 20年代初期國外就開始了 PLC的研究，國內(nèi)開展較晚。第一代模擬輸電線載波機普遍采用頻分復用技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)，調(diào)制 方式選用單邊帶調(diào)制技術(shù)，載供系統(tǒng)采用穩(wěn)定度高的鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，可以很容易地得到收發(fā)信所需的各種載頻，無需更換器件即可切換高頻收發(fā)濾波器及線路濾波器，切換頻段也很簡單，具有多功能、通用、系列化的特點。只提供單工傳輸，載波工作頻率為 40～ 500kHz，外加專用的調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。早期的模擬輸電線載波機解決了利用輸電線進行通信的問題，但是它具有模擬通信固有的通信質(zhì)量差、通信容量小、傳輸速率低等缺點。 第二代輸電線載波機仍然采用模擬體制實現(xiàn)通信，和第一代模擬輸電線載波機相比，關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)方式不同 。準數(shù)字輸電線載波機采用了數(shù)字信號處理技術(shù)，模擬調(diào)制、濾波、自動增益控制 (AGC)等采用 DSP實現(xiàn)。由于數(shù)字技術(shù)和中央處理機的應(yīng)用，準數(shù)字電力載波機提高了整機的性能，同時增加了許多控制功能，如：技術(shù)人員可以使用微機通過串口對 DSP和中央處理機進行編程，對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置和更改。 目前 PLC已經(jīng)發(fā)展到第三代全數(shù)字 PLC。在全數(shù)字 PLC中可以采用當前先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，完全采用數(shù)字體制，在信源編碼、復接、基帶調(diào)制等各個環(huán)節(jié)采用數(shù)字技術(shù)對信號進行處理，可以獲得更好的整機性能?？梢圆捎枚嚯娖秸{(diào)制技術(shù)提高 頻帶利用率；因此大大提高了 PLC的容量和質(zhì)量。這就使得 PLC作為最后一公里解決方案成為可能。 下表是模擬、數(shù)字化 (數(shù)字式 )和全數(shù)字輸電線載波機的性能對比： 4 表 ，數(shù)字化 (數(shù)字式 )和全數(shù)字輸電線載波機的性能對比 輸電線載波通信發(fā)展的背景 為適應(yīng)電力系統(tǒng)內(nèi)部管理的需要，電力系統(tǒng)內(nèi)部已經(jīng)建成以 IP技術(shù)及 ATM技術(shù)相結(jié)合的管理管理信息網(wǎng)絡(luò)。但隨著電信和電力市場的逐漸開放，電力公司尋找支持其在市場上競爭優(yōu)勢的新方法。高速 PLC提供一種無需額外布線、低價高效、從配變抵達每個家庭的解決方案，這對電力公司是一個極具誘惑的網(wǎng)絡(luò)接入解決方案。 利用已經(jīng)存在的電力網(wǎng)和電力通信網(wǎng)設(shè)施，電力公司僅需投入較低的 PLC設(shè)備費用，就可以迅速進入通信和網(wǎng)絡(luò) 市場，為其創(chuàng)造新的利潤。 此外，利用高速 PLC提供的電力增值服務(wù)為電力公司節(jié)省了大筆的費用，這些服務(wù)包括遠方自動抄表、需求側(cè)管理、負荷控制、實時計費及實現(xiàn)配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的接入等。 電力公司提供電信服務(wù)，具有十分明顯的優(yōu)越性。首先，其擁有比電信和有線電視的用戶多，詳盡的客戶信息和費單系統(tǒng)；其次，很多電力公司已經(jīng)建立了深入各中高壓變電信號類別 模擬載波機 數(shù)字化輸電線載波機 全數(shù)字輸電線載波機 性能指標 系統(tǒng)容量 1話 1數(shù)（最多 1話 3數(shù)） 6路 (數(shù)據(jù)話路靈活配置） 6路 (數(shù)據(jù)話路靈活配置 ) 頻譜利用率 低 高 高 數(shù)據(jù)數(shù)率 ≤ 1200bps ～ 設(shè)置 ～ 網(wǎng)管 不具備簡單功能 具備簡單功能 完善 中繼方式 音轉(zhuǎn)，存在噪聲累積 部分再生中繼備 D/I 功能 再生中繼，具備 D/I功能 對信道的要求 對信道的要求較低，等同于模擬通信系統(tǒng) 對信道的要求非常嚴格， 最大的帶寬高 S/N平坦的振幅傳輸特性線性相位特性 由于信道采用全數(shù)字調(diào)制，數(shù)字解調(diào)對傳輸信號有再生功能，可以對信號損傷有所修復，并對線路采用了自動數(shù)字均衡技術(shù)，對信道要求等同于模擬系統(tǒng) 線路適慮能力 好 較差 好 數(shù)據(jù)傳輸可靠性 不易中斷 線路情況變差時易中斷 不易中斷 通話質(zhì)量 差 較好 較好良好 數(shù)據(jù)傳輸 誤碼率高 誤碼率較高 誤碼率較低 5 站的高速光纖網(wǎng)絡(luò)，用于電網(wǎng)監(jiān)控和用電量信息的內(nèi)部傳輸，有的電力公司甚至己將光纖架設(shè)到低壓配電變壓器。利用這些基礎(chǔ)設(shè)施，加上高速 PLC解決家庭網(wǎng)絡(luò)方案，電力公司投入的 費用是很少的，但產(chǎn)生的利潤卻是極為可觀的。 在最后一公里的解決方案中， PLC能夠充分利用現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)絡(luò)，無需任何布線，是一種“ No NowWircs”技術(shù)，和其他接入方式相比有很多優(yōu)勢。以下是各種通信方式的對比，其各自的技術(shù)性能可見下表： 表 PLC同其他接入技術(shù)的比較 和其它各類接入技術(shù)相比，高速 PLC具有如下優(yōu)越性： 1)安裝簡便，可以充分利用現(xiàn)有的低壓 配電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，無需任何布線，是一種“ No New Wires”技術(shù)，節(jié)約資源。 2)可利用區(qū)間變壓器在可供電范圍內(nèi)進行局域性的雙向數(shù)據(jù)傳輸，尤其適合在受控點經(jīng)常變化、難以架設(shè)線路的邊遠地區(qū)。 3)利用輸電線載波進行遠距離控制以及雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢在于資源省、成本低、靈敏度高、抗干擾性強、輸出功率大、載波頻率寬，具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。 4)輸電線入戶率高，覆蓋范圍大，是目前世界上最大的有線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，具有取代目前所有局域通信、光纖網(wǎng)的巨大潛力。 5)可以為用戶提供價格低廉的高 速因特網(wǎng)訪問服務(wù)、話音服務(wù)，從而使用戶上網(wǎng)和打電話增加了新的選擇，有利于同其他電信服務(wù)商的競爭。 通信方式 速率 (bps) 可否同線傳輸話音 物理介質(zhì) 評價 模擬調(diào)制解調(diào)器 56k 否 雙絞線 應(yīng)用廣泛、廉價但速度慢 ISDN 128k 是 雙絞線 應(yīng)用不廣，費用較普通電話線稍貴 XDSL 8M反向 2M 是 雙 絞線 不干擾普通電話使用，頻帶專用不共享，頻寬受距離限制，目前僅在少數(shù)地區(qū)使用，不能組網(wǎng) CATV 10M取決于本地用戶數(shù) 否 同軸電纜 必須擁有現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)接入，并改造為雙向傳輸；在新區(qū)域開辦服務(wù)和鋪設(shè)線路造價高昂：共享帶寬，可組網(wǎng) PLC IM— 10M 是 輸電線 無需新線，分布廣泛，接入方便，未完全達到實用化階段 無線(LMDS) 8M 是 空氣 需室外天線，易受建筑物阻擋，對天氣狀況敏感 6 6)對家庭聯(lián)網(wǎng)提供支持，使人們可以盡情享受由 PLC技術(shù)帶來的家庭音、視頻網(wǎng)絡(luò)，多人對抗游戲等娛樂。 7)利用 PLC的永久在線連接構(gòu)建防火、防盜、防有毒氣體泄漏等的保安監(jiān)控系統(tǒng)，讓上班族高枕無憂；構(gòu)建醫(yī)療急救系統(tǒng)，讓家有老人、孩子和病人的家庭倍感方便。 8)遠程自動讀出水、電、氣表數(shù)據(jù)，為公用事業(yè)公司節(jié)省大量的抄表費用，也方便了用戶。 9)為電力公司提供負荷控制、需求管理的新手段， 提高電力公司管理水平。 10)使電力公司以極低的投資就可以進入 ISP、 ICP和話音等電信服務(wù)市場，成為新的利潤增長點。電力公司能夠以低廉的價格為用戶提供電信服務(wù)，在電信市場上更具競爭力。 11)實現(xiàn)數(shù)據(jù)、話音、視頻、電力“四網(wǎng)合一”，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟和社會效益。 輸電線載波通信技術(shù)的發(fā)展方向 從總體來說，輸電線載波通信技術(shù)在向五個方面發(fā)展： 1)從個別用戶到低壓段區(qū)段使用 (PLC)，其后段部分采用電話線、光纜、無線等構(gòu)筑網(wǎng)絡(luò)； 2)僅用于低壓部分 (ACll0/220V)： 3)室內(nèi)系統(tǒng)正在出籠； 4)室外系統(tǒng)成為研究課題； 5)向家居自動化發(fā)展 (需要 1Mbps以上速率 )。 按速率和載波頻率分為： 1)低速率通信 (1KB/S以下 )，主要應(yīng)用于長距離 (1公里以上 )利用 25K高壓電線對配電設(shè)施進行控制。 2)中速率通信 (150KB/S)，主要應(yīng)用于固定小區(qū)間、樓宇間的數(shù)字通信。包括自動照明控制、消防報警、自動抄表以及數(shù)據(jù)監(jiān)控等系統(tǒng)。 3)高速率通信， (100KBPS以上 )主要用于小區(qū)域中的高流量數(shù)據(jù)通信。如電腦 網(wǎng)絡(luò)中的打印、文件共享等，采用高載波頻率 — 30MHZ。 7 3 輸電線載波通信可行性分析 低壓輸電線載波信道分析 要在干擾嚴重的低壓輸電線上實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信并非易事，因此在整個系統(tǒng)設(shè)計之前有必要分析輸電線載波的可行性，認識輸電線載波方式區(qū)別于其他通信方式的特殊性，了解低壓輸電線信道特性。這樣才能選擇用何種調(diào)制解調(diào)方式及采用何種通信協(xié)議。為整個系統(tǒng)最終設(shè)計的成功打下良好的基礎(chǔ)。 對于所有的通信信道，阻抗、信號衰減、相移和干擾是決定其性能的基本參數(shù)，而且是在分析信道性能時所無法避免且 要面對的問題。在我們使用輸電線作為信號傳輸媒介之前，需要輸電線的這些信道特性進行分析。 由于 10KV以上中高壓輸電線信道環(huán)境較好，利用 10 k