电力线载波通信技术发展现状及其应用前景

马晓奇

● （辽宁省电力有限公司，沈阳 110005）

电力线载波通信技术发展现状及其应用前景

马晓奇

● （辽宁省电力有限公司，沈阳 110005）

在分析电力线载波通信技术特点的基础上，总结了电力线载波通信技术的发展现状以及应用，并对其在集中抄表系统以及智能家庭网络的应用进行了可行性分析，最后还对该技术的发展趋势进行了展望。

电力线载波通信；集中抄表系统；智能家庭网络

0 引言

随着信号技术的发展，低压电力线载波通信技术的优势和巨大应用前景逐渐显现,它现已在远程自动抄表系统（AMR）中得到越来越多的实际应用，同时其在智能家庭网络领域的发展也是突飞猛进。自动抄表系统推广使用的过程中，电力线通信信道技术的优势不断显现，现在电力线载波通信技术在电表智能化上也得到了成功的应用。电力线载波在智能家庭网络系统研究及应用，目的是通过电力线载波网络实现家庭内用电设备的智能管理、能耗统计并采用数字家庭服务的模式实现家电的远程控制，为其赋予更多的业务应用。

1 电力线载波通信技术

电力线通信是通过电力线载波来进行网络信息传送的技术。该项技术发展之初主要是应用在11kV以上高压线路的远距离传输，其在150kHz以下频率段工作，如今该频段已被欧洲电技术标准化委员会确定为电力线通信的正式频段。发展到20世纪中期，高压电力线通信已被广泛用于远程监控、设备保护以及语音传输等领域。20世纪50年代以后的30多年中，电力线通信得到了极大的发展，逐渐扩展到中压和低压电力网络。美、德及英等发达国家已在低压电力线载波通信研究方面取得了突破性进展。英国曼彻斯特的 NORWEB供电公司最早提出了低压电力线载波通信的概念，并首次在配电网上完成了25个终端用户的电话与数据通信Mbit/s的系统。

国内部分科研单位和生产厂商在20世纪80年代末至90年代中期，开展了大量的自动抄表系统组网方式及电力线载波通信技术的理论和试验研究工作。这期间集中抄表系统远程通信方式以PSTN拨号为主，该方式基本能够满足当时的应用需求。本地通信方式主要是485总线、电力线载波等，在载波通信调制方式上，经历了FSK、PSK等调制方式，而在通信频带上，试验了窄带和扩频通信。

自2003年开始，基于电力线载波的抄表应用得到了快速的发展。与其他通信方式相比，电力线载波通信具有方便快捷、无须人工与信道交互及维护成本低等优势，其应用前景巨大。随着电力线载波通信技术物理层调制/解调与纠错的不断发展以及半导体集成电路规模的不断扩大，内嵌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的抗干扰能力也得到了极大提高。通过信道频带自适应技术，已经可以实现通信网络相邻节点间信号的可靠传输。

国内几家大的电表供应商也于2005年开始研发以网络神经元芯片为技术核心的第三代载波通信产品。第三代芯片在物理层、网络层及链路层等方面的技术上都有了突破性的提高，但能用于电力线通信的窄带载波通信芯片国内仅有几家（2～4）厂家能够提供。当前迫切需要解决的关键问题在于：任意相邻节点物理层通信保障能力与具有帧中继控制的网络传输协议。部分企业开始借助先进的数字信号处理与信道编码技术、自适应对通信频带选择性地做窄带调制/解调及在芯片内部嵌入微处理器进行网络传输与信息安全控制等方式进一步提高电力线载波通信芯片质量，获得了良好效果。

2 电力线载波通信的主要技术

当前主要从调制方式、传输速率及宽带等三个方面对现有的低压载波通信芯片技术进行归类。

就使用带宽角度而言，可将电力线载波通信方式分为宽带电力线载波通信和窄带电力线载波通信。宽带电力线通信技术是利用电力线传输高速数据和进行话音通信的一种通信技术，其是目前“四网融合（宽带数据网、电话线、有线电视、和低压配网）”研究的关键技术之一，主要用途是为居民用户提供宽带上网和话音业务服务，而技术大多采用正交频分复用OFDM技术等。所谓宽带电力线载波通信技术就是指频宽限定在3—500kHZ、而通信速率低于1Mbit/s的电力线载波通信技术，其实现技术多采用 PSK技术、FSK技术、直接序列扩频技术和线性调频技术（Chirp）等。

而就发展历史来看，电力线载波通信又可分为传统频带传输技术和当前流行的扩频通信（SSC）技术两类。第一类电力载波通信技术是指借助载波调制方法将有用数字信号的频谱叠加到较高的载波频率上，常见的调制方式有幅值键控（ASK）、频移键控（FSK）和相位键控(PSK)以及后续派生的相关调制技术。传统频带载波通信技术的最大不足就是降噪能力有限。

扩频/展谱通信是这样一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于传输信息所必需的最小带宽，其中通过编码及调制来实现频带展宽，从而频带展宽与通信数据本身无关；最后接收端接收信息则使用相同的扩频码相关解调来解扩及恢复所传信息数据。

2.1 扩频通讯（SSC）技术

20世纪 50年代，美国麻省理工学院成功研制的NOMAC系统标志了扩频通信（Spread Spectrum Communication，SSC）技术全面研究的真正开始。20世纪70年代，Dixon出版了第一部扩频通信的概述性专著《Spread Spectrum System》；而到20世纪80年代初，由Holmes撰写的扩频通信理论性专著《Coherent Spectrum System》面世。

SSC技术的基本原理是通过伪随机编码对待传送数据进行调制，从而将信息进行频谱扩展后再传输，最后在接收端再采用编码时相同的编码进行信息的解调及相关处理。

其中：C为通信信道的容量，W则为通信频带宽度，而S / N则为信号噪声比值。

从上述香农公式可以看出通信频宽（W）和信噪比（S / N）是可以互换的，即如果通信频带宽度增加，则可以在较低信噪比情况下以任意小差错概率实现相同信息率信息传输。上述特点是扩频通信技术的优势，也是SSC方法的核心。

2.2 OFDM技术

正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是多载波调制技术的一种，其原理是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上实现传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

目前通常通过数字信号处理（DSP）技术进行调制和解调，DSP具有抗噪声、抗干扰及抗衰落等优点。但就目前看来，如果要将其普遍应用与自动抄表系统，还需要研发价格低廉的DSP芯片。

2.3 幅值键控（ASK）技术

“幅值键控”又称为“振幅键控”，缩写为（Amplitude Shift Keying，ASK）。ASK技术是载波的振幅随着数字基带信号而变化的数字调制方式，相当于模拟信号中的调幅方式，但在ASK技术中与载频信号相乘的是二进制数码。ASK实质就是保持频率和相位为常量，而视振幅为变量，其信息比特通过载波幅度进行传递。

当ASK的数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控（2ASK），此时调制信号只有0和1两个电平，相乘的结果相当于载频要么关断、要么接通，即当调制的数字信号为“1”时，传输载波则导通；而当调制的数字信号为“0”时，传输载波则截止。

2.4 频移键控（FSK）技术

频移键控（Frequency-shift keying，FSK）技术是信息传输中应用较早的一种调制方式。通过基带信号对高频载波的瞬时频率进行调制的方式叫做调频，其在数字调制系统中则称为FSK技术。

当今数字化时代，电脑通信就是通过FSK技术在数据线路（电话线、网络电缆、光纤及无线媒介）上进行传输的，即把二进制数据转换成FSK信号后传输，然后再将接收到的FSK信号解调成二进制数据，并用高、低电平来表示这些二进制语言，以便计算机能够识别。

FSK是通过载波频率来传送数字消息的，即用所传送的数字消息对载波频率进行控制。数字调频原理上也可通过模拟调频法实现，即利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，它是频移键控通信方式早期的实现方法。

FSK技术实现起来比较容易，抗干扰和抗衰落的性能也较强。其缺点是占用频带较宽，频带利用率不够高，因此，其主要应用于低、中速数据的传输，以及衰落信道与频带较宽的信道。

2.5 相位键控（PSK）技术

对信号传输系统进行调制，最简单的方法是通过0和1实现调制。载波相位表示信号占和空或者二进制1和0。对于有线线路上较高的数据传输速率，可能发生4个或8个不同的相移，系统要求在接收机上有精确和稳定的参考相位来分辨所使用的各种相位。利用不同的连续相移键控，这个参考相位被按照相位改变而进行的编码数据所取代，并且通过将相位与前面的位进行比较来检测。

相移键控（phase-shift keying，PSK）技术是用载波相位表示输入信号信息的调制技术，分为绝对相移键控和相对相移键控（又称差分相移键控）技术。PSK信号是同频率、相位不连续的恒定包络信号，不能根据包络检波进行解调，而只能基于相干解调。相干解调利用乘法器，输入一路与载频相干（同频同相）的参考信号与载频相乘，但PSK信号没有载波频率线谱，而通常是从接收到的PSK信号通过倍频或分频得到相干载波。PSK所用分频电路为双稳态触发电路，电路初始状态往往是随机的，因而所恢复的相干载波初相也是不确定的，即会出现“相位模糊”现象而差分相移键控（DPSK）技术则可以很好地解决上述“相位模糊”问题。

ASK、FSK和PSK三种数字信号通信调制技术中：FSK与PSK信号功率相当，但就频带利用率来看PSK效果更优而就相同的接收方式而言，PSK、FSK、ASK的误码率依次递增。这样在带宽紧张、相对速度要求高及外界噪声干扰严重情况下，选用PSK技术较优。

3 电力线载波通信技术的应用

3.1 基于电力线载波通信技术自动抄表系统的可行性分析

基于电力线数字通讯技术的自动抄表系统可以通过微电脑集成技术实现低压配电网中用户终端数据采集、监控存储、传输和处理的自动化、一体化。相关产品功能完善传输精度高、可靠性高、容量大、开放性好及性价比高，现已逐渐成为电力市场计量收费系统以及低压电力网提供增值服务的理想配套产品。集中抄表系统网络结构如图 1所示。

3.1.1 电力线载波通信技术在自动抄表系统中应用的优点

自动抄表系统应用中，电力线载波通信技术以坚固可靠的电力线为信号传输线路，这样便可节省大量的信道铺设投资花费。此外，选用电力线载波通信技术还将带来稳定可靠、路由合理及安全保密等诸多好处。

随着城市化进程的不断加快，居民户数和独立电表的数目急速增长，同时多电价消费制度开始推行，抄表计量工作日趋复杂，以往劳动密集的人工抄表方式已难以适应新时期需要，而如果采用基于电力线载波通信技术的自动抄表系统则可以实现：

1）自动将用电情况快速准确地传送到远程供电局计算机中心；

2）联系供电局和银行，用户无需再费时地到供电部门交电费；

3）准确记录各类不同用户的用电负荷情况以便与后续分析；

4）自动计算各环节电量以便及时发现不明的电量损失及盗窃用电；

3.1.2 电力线载波通信技术实现自动抄表系统的条件

1）自动抄表系统实用性与先进性

系统的选用均存在性价比的问题，自动抄表系统的选用也不例外。产品结构越复杂、技术越先进，则产品投资就越高，相应的产品成本也就越高。电力线载波自动抄表系统是否能进行实时通讯是衡量其先进与否的关键。需要根据自动抄表系统的性价比选择合适的产品。

2）自动抄表系统传输准确性与通信信道

当前通讯技术高速发展，抗干扰技术日趋成熟，数据经过编码加校验后通过信道传输。电力线和专线通信信道均可以保证数据的正确传输，但二者的通信成功率是有差异的。

3）波自动抄表系统通讯距离

目前低压电力线载波自动抄表系统以台区为单元，台区内采用电力线，数据采集集中后再通过其它信道上传，故通信距离主要指一台变压器供电范围内数据在没有集中前的传送距离。它是衡量系统优劣的重要指标，其关系到系统的使用性。

4）电力线载波自动抄表系统的价格定位

系统的建设资金是影响和决定居民电表自动抄表系统全面推广使用的决定性因素之一，直接体现即是产品的价格。因此想要全面推广自动抄表系统，就需要抄表系统产品模块具有高性能、低成本。

5）电力线载波自动抄表系统已经基本具备实用化应用条件

电力线载波自动抄表系统在我国已有四、五年的发展历史，产品技术水平不断提高。新技术新材料的应用和企业大量推广使用等都将促使该类系统应用成本的降低，得到市场的认可。

3.2 基于电力线载波通信技术智能家庭网络的可行性分析

低压电力线无疑是家庭中分布最广泛的有线网络介质，几乎所有的家用电子产品都是连在220V的电力线上。采用电力线作为家庭网络控制流的通讯介质，不存在重新布线的问题，无疑是最方便的。智能家庭系统网络结构如图2所示。

图2 智能家庭系统网络结构

3.2.1 电力线载波通信技术实现智能家庭网络的优势

随着电力线载波通信技术的深入发展，电力线接入Internet的问题已经得到解决。与现有的以太网、非对称数字用户线路（ADSL）及光纤电缆同轴混合网络（HFC）等宽带接入技术不同，基于电力线载波通信的智能家庭网络具有如下优势：

1）无需假设新线。据估算全国电力通信网已建成：数字微波通信电路64000 km、电力线载波电路650000 km、光纤通信电路6000 km，卫星通信地球站36座以及大量的城市电缆系统。发展基于电力线载波的智能家庭网络，只需将这些已有的电信基础和电力网连接起来。

2）广泛分布、接入方便。当前我国的电话用户大概在3亿户左右，可见还有很多地方是民用通信网所无法覆盖的。但就电网而言，只要有电线的地方电力系统专用通信网就能覆盖，其覆盖范围更广。

3.2.2 电力线载波通信技术实现智能家庭网络的前景

智能家庭网络系统的出现和推广研究给电力线载波通信技术带来了新的机遇。系统以PC或家庭网关为核心实现家电的智能控制。因为控制数据仅在家庭范围传输，束缚电力线载波通信技术应用的困扰将不复存在，而对家电的远程控制也可以采用将电力线载波通信技术通过专用设备（如PLC Modem）联入家庭网关后再实现其远程控制。电力线载波控制信号传输网络连接数字家庭服务终端，进而连接智能家庭网络服务平台，实现家庭三表（电、水、气表）数据的上传和对家庭用电的远程管理控制。

智能家庭系统网络是数字家庭服务网络的子网络，其子网网关即为电力Modem。三表和家电经过家电智能管理面板接入家庭电力网络，进而通过家庭服务终端连接至家庭服务网络。家电智能管理面板主要功能为实现基于电力载波信号的开关控制和电耗数据传输。因此用户可以使用家电智能管理面板统计家电的实际损耗，并可以通过数字家庭服务平台提供的服务实现对家庭内部电器的远程开关机，进而达到节约能源和安全使用的目的。

3.3 电力线载波通信技术的应用前景

随着科学技术的发展进步以及我国城市化进程的不断推进，电力线载波通信技术将会在我国现代化进程中发挥越来越大的作用。

基于电力线载波的自动抄表系统能够把底层电表的用电信息准确快速地传送给计算机中心，这为用电管理部门进行业务分析提供了海量数据，提高了用电部门的计算机自动化管理水平，将为抄表管理带来一次“革命”。

XDSL和光纤接入服务引起了 Internet的第二次“革命”，这些技术使 Internet的传输速率是传统拨号接入速率的数十倍到上百倍。通过前面的分析可见，电力线载波技术的应用也将再次给网络的接入方式带来第3次“革命”。

电力线载波技术将与Internet网络连接，将更快的实现家庭网络的智能化。基于电力线载波的智能家庭网络系统主要解决智能家庭以下几个关键问题：

1）设计家电智能管理面板，实现局域耗电计量，计算家电际耗能与损耗；

2）实现基于家电管理面板的家庭内部家电控制，实现部分家电的智能化改造；

3）连接基于电力线载波的数据传输网络和数字家庭服务网络，实现家电设备的远程控制管理，减少家庭能源损耗。

未来10年，电力线载波通信技术必然向两个方向发展一是面向Internet接入服务的高速电力线通信；二是面向负荷控制集中抄表的中低传输速率的窄带远距离电力线通信。

4 结论

本文首先对电力线载波通信技术的特点进行了分析，然后概述了电力线载波通信技术的发展现状应用。不仅从理论层面上对电力线载波技术作了系统性分析，同时从应用角度上对电力线载波通信技术的应用潜力进行了预测。电力线载波通信技术表现出诸多优势，其将会在我国电网及网络现代化进程中发挥更大的作用。

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The Development Status and Application Prospect of Power Line Carrier Communication Technology

MA Xiao-qi
(Liaoning Electric Power Company Limited, Liaoning Shenyang 110005, China)

Basing on the analysis of power line carrier communication technology characteristics, the development status and present application of power line carrier communication technology are reviewed. The feasibility analysis of its application on the automatic meter reading system and intelligent home network is made.The development prospect of the power line carrier communication technology is given in the end of this paper.

the power line carrier communication; automatic meter reading system; intelligent home network

TN913.6

A

马晓奇(1961-)，男，高级工程师。从事电能计量及用电信息采集工作。