国内低压电力线载波通信应用现状分析

吕英杰，邹和平，赵 兵

（中国电力科学研究院，北京 100192）

国内低压电力线载波通信应用现状分析

吕英杰，邹和平，赵 兵

（中国电力科学研究院，北京 100192）

LV Ying-jie1,ZOU He-ping2,ZHAO Bing3

（China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China）

0 引言

电力线载波通信（PLC）是电力系统特有的、基本的通信方式。早在20世纪20年代，电力载波通信就开始应用到10kV配电网络线路通信中，并形成了相关的国际标准和国家标准。对于低压配电网来说，利用电力线来传输用户用电数据，实现及时有效收集和统计，是国内外公认的最佳方案。但在早期的实际应用中，由于我国电网环境恶劣，电力线信道高衰减、强干扰和波动范围大等特点[1-7]，导致数据采集的成功率和实时性不能完全满足实际通信的需求。近年来，随着许多新兴的数字技术，例如扩频通信、数字信号处理和网络中继拓扑等技术的大力发展，提高和改善低压配电网电力载波通信的可用性和可靠性成为可能，电力载波通信技术的应用前景变得更为广阔。

1 国外低压电力线载波通信现状介绍

国外低压电力线载波通信开展较早，美国联邦通信委员会FCC规定了电力线频带宽度为100～450kHz；欧洲电气标准委员会的EN 50065-1规定电力载波频带为3.0～148.5kHz。这些标准的建立为电力载波技术的发展做出了显著的贡献。

20 世纪90年代，一些欧洲公司进行涉及电力线数据传输的试验，实验结果好坏参半，但随着通信技术的不断进步与互联网业务的蓬勃发展，电力线载波通信技术也得到了显著增长。在美国，弗吉尼亚州马纳萨斯市首次开始大范围部署PLC的服务，提供抄表、上网等业务，速率达到了10Mbit/s。

2 国内低压电力线载波通信发展历程

国内的低压电力线载波通信经历了以下4个阶段的发展。

第一阶段：20世纪80年代末至90年代中，国内部分科研单位和生产厂商进行了大量的集中抄表系统组网方式、电力线载波通信技术的研究和试验工作。这一阶段电力线载波通信质量较差,抄表成功率较低，能连贯传输数据的系统很少。并且因为电能表以机械电能表为主,采样方式主要采用脉冲采样和机械采样,存在一定误差,系统所采集的电能数据准确度较低，应用效果不够理想。

第二阶段：从20世纪90年代中到2001年，市场和技术创新相互推动了电子式电能表的快速发展。电子式电能表的出现为集中抄表系统抄表数据的准确性提供了可靠的保证，但电力线载波传输的可靠性问题仍是本阶段的技术难点。

第三阶段：自2003年开始，电力线载波抄表的应用进入到快速增长的阶段。随着电力线载波通信物理层调制/解调与纠错技术的不断发展以及半导体集成规模的不断扩大，采用复杂数字信号处理技术的超大规模电力线载波通信集成电路所能达到的抗干扰能力与前几代产品相比，有了极大提高。通过信道频带自适应技术，维持相邻通信节点间的可靠传输在技术上已经可以达到。但由于通信还是基于物理层的技术改进，针对复杂多变的电力线网络，还是存在一定缺陷。

第四阶段：从2005年开始，国内几家大的供应商开始了以网络神经元芯片[8]为核心技术的第三代载波通信产品的研发。第三代芯片从物理层、网络层、链路层等各个方面都有了较为突破性的提高，本阶段应主要解决的关键问题是，任意相邻节点的物理层通信保障能力与具有帧中继控制的网络传输协议。部分企业开始采用先进的数字信号处理与信道编码技术，对通信频带做自适应选择的窄带调制/解调方式，芯片内部嵌入微处理器来进行网络传输与信息安全控制等方式提高电力线载波通信芯片的质量，应用效果有待现场验证。

3 国内现有载波通讯技术路线分类

现有的低压载波通信的技术路线主要从调制方式、传输速率、带宽等几个方面来分类。

从使用的带宽角度来说，电力线载波通信分为宽带电力线载波通信和窄带电力线载波通信。所谓电力线宽带通信技术，是利用电力线传输高速数据和话音信号的一种通信技术，主要用于为居民用户提供宽带上网和话音业务[9],它多采用正交频分复用OFDM技术等。所谓窄带电力线载波通信技术，就是指带宽限定在3～500kHz，通信速率小于1Mbit/s的电力线载波通信技术，它多采用普通的FSK技术、PSK技术、直接序列扩频技术[10]和线性调频Chirp技术[11]等。

从技术发展的角度来说，电力线载波通信分为传统的频带传输技术和目前流行的扩频通信（SSC）技术。频带传输就是用载波调制的方法，将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上，其基本的调制方式分为幅值键控 （ASK）、频率键控（FSK）和相位键控（PSK）以及相关派生的调制技术。扩频通信是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息所必需的最小带宽，频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关。

目前电力线载波通信常用的扩频技术主要有：直接序列扩频、线性调频Chirp和正交频分复用OFDM等。此外，跳频FH、跳时TH以及上述各种方式的组合扩频技术也较为常用。

4 国内低压载波通信芯片现状

4.1 国内外主流载波通信芯片厂家及相关参数

目前国内外主流的芯片按带宽分大致有8家，分别为窄带通信的法国ST7538和美国ECHELON（埃斯朗）的PL3120/3150；扩频通信的北京福星晓程、青岛东软、青岛鼎信、深圳瑞斯康和北京国电龙源。各个厂家的相关产品及主要技术参数见表1。

4.2 各类芯片产品的应用情况

目前在国网公司系统实现低压采集的530万户中，有73%约400万户采用载波抄表。黑龙江、河北、山西、吉林、湖南、江西等省公司到目前都分别安装运行载波表几十万户以上，积累了许多实际运行经验。在以上用户使用的载波产品中，又以北京福星晓程公司和青岛东软公司的产品居多，大约占90%以上的市场份额。这2家公司都是较早进入国内载波市场领域的产品研究和开发，在该领域具有丰富的应用经验，产品运行情况相对良好。其余后进入市场的厂家也有不少技术先进的产品，但还需要大量、长期的现场运行案例来验证其产品的可靠性和通信成功率等指标。

表1 国内各类载波芯片厂家技术参数

从各厂家目前的应用情况来看,无论是FSK、BPSK还是扩频,其调制技术在理论上的优劣差异都很小,性能的差异只体现在发送和接收的处理机制上,也就是说没有不好的调制理论,只有不好的算法实现设计，因此使用新的调制技术来提高物理层的通信能力是行不通的；同样，提高发送功率和灵敏度也是行不通的。因此只有利用网络通信技术的原理，采用中继和路由的方法来提高通信的可靠性和实时性[12]。

目前自动路由技术的最大难度在于系统的网络拓扑分析。这里不仅需要设计一个可靠的网络拓扑分析算法，这个分析算法还必须适应完全随机、自由动态变化的电网拓扑结构，因为新户报装、定期校验、坏表更换、元器件老化、甚至电网负载波动、气候变化、用户人为破坏，都有可能改变或破坏已经计算好的电网拓扑结构。

从网络层通信的理念分析，低压载波通信的中继通信与网络的路由概念，具有相似的地方。它们具有相同的转发与路径的概念。但它们在通信稳定性与路径的动态性方面，又有截然不同的内涵。相比之下，由于信道影响的复杂性与拓扑结构的多样性、时变性，低压载波通信系统中的中继通信，就复杂多了。

4.3 各类芯片应用技术存在的主要问题

随着电力载波通信物理层调制/解调与纠错技术的不断发展以及半导体集成规模的不断扩大，采用复杂数字信号处理技术的超大规模电力载波通信集成电路所能达到的抗干扰能力与前几代产品相比，有了极大提高。通过信道频带自适应技术，维持相邻通信节点间的可靠传输已经完全可以达到。有了上述基础，通过载波通信集成电路内嵌的网络传输/控制协议，实现以配电变压器为单位的网络内无障碍数据传输(抄表)已经进入到实用化阶段。

由于低压电网连接着众多的用电设备，每种用电设备都对电网有不同程度的噪声污染（谐波、脉冲等），特别是一些开关电源设备、非线性用电设备和大功率变频设备等。另外，由配电变压器铁芯饱和，磁化曲线的非线性引起的谐波干扰相对稳定。用电设备的接入和断开是随机性的，通常，其峰谷特性有时限特点。电力线路上的噪声干扰源包括脉冲噪声和等幅振荡波。脉冲噪声具有瞬间、高能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信号传输的影响相当大，不仅会造成信号误码率高，使得接受装置无法正确接受；另外，它还有可能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系统的工作。

近年来，低压电力线载波扩频通信在载波抄表领域大量应用，具有抗干扰性较强的特点，但其应用没有结合电力线固有的对通信有利的特性。目前，芯片应用技术存在以下2个主要问题。

1）各个载波芯片厂家采用的技术体制存在较大差异，芯片种类繁多；

2）点对点通信传输距离有限，中继算法没有充分利用电网的树型结构。

5 结语

低压电力线是应用最为广泛的一种通讯媒介网络，采用合适的技术充分用好这一现成的媒介，所产生的经济效益和生产效率是显而易见的。

目前，国内应用载波抄表方案需要解决2个关键问题：任意相邻节点的物理层通信保障能力和具有帧中继控制的网络传输协议，采用高度集成的SoC可以同时解决上述2个问题。因此，真正能够在国内电力线载波通信应用解决方案中脱颖而出的，将是那些采用先进的数字信号处理与信道编码技术，并能够对通信频带做自适应选择的窄带调制/解调方式的专用电力线载波通信芯片；此外，内部具有嵌入式微处理器来进行网络传输与信息安全控制，也是此类专用芯片必须具备的特征。

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Analysis on Application of Low-Voltage Power Line Carrier Communication in China

This paper presents a detailed analysis of the application background and development of the power line carrier communication （PLC） technology at home and abroad, and generalizes the existingPLCtechnologyroadmaps. It alsointroduces some products manufactured by the leading PLS chip makers in China. About the inadequacies of the existingtechnology, this paper predicts the development direction of the chip technology in the future,and lists the problems to be solved.

power line carrier communication （PLC）；centralizedmeter-readingsystem；networktopology

详细分析了国内外电力线载波通信应用背景和发展历程，对现有载波通信技术路线进行了归纳，对国内主流载波芯片厂家的产品做了介绍，并针对现有技术的不足，提出了未来芯片技术的发展方向和需要解决的问题。

电力线载波通信(PLC)；集中抄表系统；网络拓扑

国家发改委基金项目新时期电力负荷管理系统应用功能及实施保障体系建设研究（2006-7）。

1674-3814（2010）04-0033-04

TN915.853

A

2008-12-22。

吕英杰（1977—），女，硕士，高级工程师，主要从事用电新技术及计量安全防护方面的研究工作；

邹和平（1976—），男，本科，工程师，主要从事配用电管理硬件产品设计及计量检测技术方面的研究工作；

赵 兵（1971—），男，硕士，高级工程师，主要从事用电新技术及计量安全防护方面的研究工作。

（编辑 冯 露）