电力载波通信的特征及应用意义

邓瑞麒

广东电网公司江门供电局 广东 江门 529000

引言

在现代工业生产与日常生活中，对于电力能源的需求相对增加，保障电力网络的安全运行，是满足此类需求的必要手段。近年来，随着电力企业扩大技术要素的配置比例，电力系统的运行效率获得了大幅度提升，与此同时，电力系统对于通信技术的依赖程度也日益提高。在这种情况下，为了提高电力供给侧的安全性、有效性、稳定性，要求增强对电力载波通信（Power Line Carrier Communications，PLC）的运用，一方面满足数字信号高速传输需要，另一方面保障电力系统特有的通信技术要求。下面先对该技术的原理做出说明[1]。

1 电力载波通信原理概述

电力载波通信是电力系统中的特殊通信方式，作为一种信息传输媒介，适用于低压、中压、高压电力线方面的语音与其他数据传输。实践经验表明，对于该技术的运用已经为智能电网的发展奠定了坚实基础，较好地推动了电能计量自动化。进入“十四五”建设时期后突出了高质量发展主题，扩大了中、低压电力线方面的载波通信技术应用需求。以低压电力线载波通信技术为例，主要是把低压电力线路当成载波传输媒介的通信方式。常用技术包括扩频载波与正交频分复用，一方面旨在借助伪随机编码调制传送信息，另一方面重点集中在信道相互重叠及正交频分复用技术的传输，属于多载波调制技术[2]。

从应用原理方面看，主要是借助对原始信号的调制，将信号频率控制在不同线路传输频带，借助耦合单元完成信号传输，较好地解决多频率范围内的噪声干扰。其中，对于原始信号的调制包括1次或多次，常用的调制方案中，包括基于信源、调制解调器、耦合单元、低压电力线的关联调制，以及基于信宿、调制解调器、耦合单元、低压电力线的关联调制。例如，在10kV线路中，将楼宇配电间PLC局端与配电柜相连后，一方面将10kV电压通过配电变压器转换为220V低压后，按照PLC局端→交换机→出口路由器→Internet进行连接。另一方面按照配电柜→用户电表→PLC Modem→PC机进行连接。此时建立小区内的完整低压电力线载波通信系统，并完成低压载波通信目标。

2 电力载波通信的特征分析

2.1 变化特征

电力系统应用时以供给侧与需求侧的均衡为首要目标，电力网络中的低压电力线路直接与需求侧的电力用户关联，无论是工业用电，还是生活用电，电力用户的需求始终处于变化状态，包括时变性与随机性。当用户使用时接入负载种类与大小不同时，电力载波通信也表现为时变性与随机性，由此也导致了预测电力用户需求时的困难。同时，低压配电网络十分复杂，会受到客观环境因素、主观电力使用因素的影响，在这种情况下会造成低压电力载波通信技术应用时的变化特征。

2.2 干扰特征

在低压电力线路中应用电力载波通信技术时，会受到噪声干扰的影响。根据现阶段的研究与实践经验总结情况看，此类噪声类型包括：稳定背景噪声、窄带干扰噪声、突发性噪声、周期脉冲噪声。当此类干扰噪声产生影响时，其中的周期脉冲噪声干扰最强。而且接入用电设备时的随机接入与断开方式会造成突发性噪声。与之相比，背景噪声则分布于整个电力载波通信频带之中。

2.3 阻抗特征

按照电力载波通信原理应用时的理论设想，在最理想的状态下，低压配电网络输入阻抗，按照频率的增大而变小。实际情况是，在低压配电网中低压线路输入阻抗不依照该规律发生变化[3]。此时的变化特征趋于复杂化。从原因看，主要是低压线路中连接了各种负载，在电力线路中产生了共振电路，而且在其数量较多的时，共振频率与接近频率段方面产生了低阻抗区域，加上负载接入与断开时的随机性，共同导致了输入阻抗大幅度变化现象，由此也形成了电力载波通信技术输入阻抗的复杂性特征。

2.4 衰减特征

低压电力线中信号传输时，受到电力载波通信技术的变化特征、干扰特征、阻抗特征，以及其他客观、主观因素影响，信号传输时会产生反射现象、谐振现象等，在此过程中会伴随信号衰减现象。例如，在低压电力线路上传输高频信号过程中，负载接入与断开时，具有明显的不可预测性，此时高频信号会发生衰减。目前的研究认为，在信号传输阶段发生的衰减与传输距离存在关联，而传输过程中的频率与其衰减幅度直接相关。当遇到反射与谐振时，衰减幅度相对较大，衰减特征也比较突出。

3 电力载波通信的应用意义

我国的电力载波通信技术研究与应用起步较晚，但在推广应用后进展速度十分迅速。从当前应用情况看，电力线数据传输、电力线高速上网、电力调制解调技术应用范围广泛，对于扩频载波通信技术、正交频分复用技术应用相对增多，加上电力线载波芯片方面的研发设计，共同推动了该技术在电力系统的运用。

例如，在高压电力线路中，载波通信技术的更新速度越来越快，偏远变电站中的载波技术升级也有所增强。随着该技术持续升级，在电力生产、电力营销、电能计量、电话保护等方面，都可以发挥重大作用[4]。再如，从现有电力通信规程方面的要求看，站点通信中设有两种物理路径的路由，即使单一光缆通信获得更新与升级，其中的载波通道也保留下来作为备用。尤其在智慧电力、智能电网、微型电网方面，主网通信阻碍因素越来越多，增加电力载波通信技术后，能够较好地解决其中的电力线通信阻碍问题。除此之外，智能家居方面的综合布线技术应用相对较多，各类智能家居设备的集成化程度越来越高，扩大了通信联网功能需求，此时，借助家用设备载波通信通道，能够将智能插座、自动控制电源、配电网负荷自动检查等关联起来，更好地调度电力使用，确保配电线路与配电调度主端的通信安全可靠性。所以，从电力载波通信技术的应用现状、应用方向、应用趋势看，该技术具有十分明确的现实意义。

4 电力载波通信的具体应用

电力载波通信应用时因其特征限制，存在诸多问题，为了降低此类影响，通常需要借助专门的电力载波Modem（调制或解调）芯片与外围电路组成模块，从而建立电力载波通信系统。以KQ-130电力载波通信系统（如图1）为例，首先在电力载波通信系统硬件设计方面，主要包括数据发送与数据接收两大部分，在前一个部分，主要通过基于单片机芯片的方式进行设计，在后一个部分则通过各个模块的转换与PC端接收实现。具体如下：

图1 KQ-130电力载波通信系统示意

①在发送部分将单片机STC89C52（STC公司生产）作为发送源，通过其中的CMOS8位微控制器进行数据计算，可以直接通过Flash存储器进行编程存储。考虑到功能集中在数据发送方面，无须配套设置外部电路，此时仅需要应用KQ-130载波模块，保障TTL电平转换使用即可[5]。从实践经验看，该模块工作频率在120～135kHz，实际波特率与接口波特率分别为100bps、9600bps，模块中除了用户定义其1帧连续发送长度（1～250字节）外，不会对多余数据进行发送。而且，在供电电源、绝缘电阻、带宽、带外抑制功能、热门收灵敏度方面，具有相对优势，可以将模块与GND直接连接，同时将单片机中的TXD、RXD与TX、RX引脚进行交叉连接，完成电源接口（接收与发送电源）设置后，直接把作为交流信号端的AC引脚与低压电力线进行连接，从而形成“单片机（TXD/RXD/GND）→（TXD/RXD/GND）电力载波模块（AC）→220V电力线”连接路径。②在接收部分则主要按照“PC端电脑→USB-TTL（TXD/RXD/GND）→（TXD/RXD/GND）电力载波模块（AC）→220V电力线”的连接路径进行连接。其中，USB-TTL（PL2303芯片）模块主要是将TTL电平信号转换为USB电平，然后将其输入到PC端的电脑之中。

其次，在软件设计方面，可以按照“开始→初始化变量→初始化串口寄存器→串口发送数据→等待发送完毕→1=1？→结束”的程序设置标准流程。其中存在两种情况[6]：①当1=1成立时，则返回到串口发送数据前端进行循环处理。②当1=1不成立时，则结束流程。在该软件设计系统下，应用串行接口（Serial Interface）后，能够借助3根线进行地线、发送、接收，较好地控制其应用系统应用成本。具体操作时主要是提按照单片机→串行通信接口→KQ-130电力载波模块完成，其中在进行波特率的参数设置时以每秒多少个进行计数，其他参数包括数据位、停止位、奇偶校验位，旨在借助数据位衡量其实际数据位，利用奇偶校验位进行错误检出，而停止位只用于对单个包最后一位的标记。按照透明工作方式与自定义工作模式，划分出高电平与低电平同步运行模式。在降低传输噪声方面，可以按照MODE引脚接地进行自定义模拟传输数据噪声控制。例如，在对“12 34 56”三组数据进行传输过程中，采用一帧第二个字节到第n+1个字节进行传输，需要在其前增加“03”，从而在KEIL编程中应用串口反复发送9600bps下的“03 12 34 56”数据。最后，通过系统运行调试可以较好地实现反复发送数据功用。

5 结束语

总之，电力行业智能化转型升级过程中，增强了电力系统的智能性，为了满足其中不同电力线中的数据传输需求，要求配套应用电力线载波通信技术。结合上述初步分析可以看出，电力载波通信技术的原理相对简单，其技术特征集中在可靠性要求高、线路噪声大、线路阻抗变化大等方面。但是，在低电力线载波通信方面，应用前景十分广阔，具有明确的现实意义。因而建议在当前该技术应用现状良好、应用方向越来越多的情况下，尽可能在吸收传统电力载波通信技术的基础上，增强对新型电力载波通信技术的研讨与应用推广，为我国新时期电力系统的安全稳定运行提供技术支持。