聚焦电力载波数字通讯

    一、前 言
    人类在发现、使用和推广电能的过程中，建立了庞大的、遍及全球的物理连接网络。世界范围内人们都期望能将现有的庞大的电力网作为信息通讯的物理网络，将电力输送网和通讯网合二为一，经济地实现“智能大厦”、“智能小区”。
    由于电力线载波在电力系统中使用坚固可靠的高压电力线作为信号的传输媒介，可节省大量的通道建设投资，再加上电力线载波信息传输稳定可靠，路由合理，安全保密以及能够同时使用运动信号等特点，使得这种电力系统独有的通信方式在数字微波、一点多址、光纤、特高频等通信方式相继出现的今天仍得到持续的发展。因此电力网被国外传媒喻为“未被挖掘的金山”毫不为过。
    电力线数字通讯技术是实现智能小区、智能家电、集中抄表和照明控制的核心技术，国外许多著名公司和研究单位都在对此进行研究，并开发出相对应的器件和产品。如：Intellon、Thomson、Atmel、Enika、National等等，而国内的许多的企业也紧随国际步伐在利用电力线传输信息，特别是在远程抄表系统方面已逐步形成应用研究的热点。

    二、市场应用前景
    电力线载波(PLC)是电力系统特有的、基本的通信方式，电力线载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输媒介，因此具有信息传输稳定可靠、路由合理、可同时复用远动信号等特点，是唯一不需要线路投资的有线通信方式。
电力线载波通讯技术可以进行模拟（语音信号）或数字信息（如：家居控制信号）双工传输，可广泛应用于家居自动化、小型办公室、家庭办公室通讯（如：互联网、内部信件、游戏、音频（MP3）、视频）等领域，具有普及效果、节省费用、安装方便、应用广泛等特点。
    作为通讯技术的一个新兴应用领域，电力载波通讯技术以其诱人的前景及潜在的巨大市场而为全世界所关注，成为世界各大公司及研究单位争相研究的热点。国外许多著名公司和研究单位都在对此进行研究，并开发出相对应的器件和产品，如：Intellon、Thomson、Atmel等等。而国内的许多的企业也紧随国际步伐在利用电力线传输信息，特别是在远程抄表系统方面已逐步形成应用研究的热点。
    1.在智能小区中的应用
    智能住宅的概念起源于美国，美国的智能住宅发展是最为迅猛的。继美国之后，欧洲、新加坡等国家住宅智能化也得到了飞速发展。所谓的智能化住宅小区，是指通过综合配置住宅区内的各功能子系统，以综合布线为基础，以计算机网络为区内各种设备管理自动化的新型住宅小区。通常智能化大厦是“三A”系统，即：
    ①安全自动化（SAS- Safe Automation System）：包括室内防盗报警系统、消防报警系统、紧急求助系统、出入口控制系统、防盗对讲系统、煤气泄漏报警系统、室外闭路电视摄像监控系统、室外的巡更签到系统。
    ②通讯自动化（CAS一Communication Automation System）：包括数字信息网络、语言与传真功能、有线电视、公用天线系统。
    ③管理自动化（MAS一Management Automation System ）：包括水、电、煤气的远程抄表系统、停车场管理系统、供水供电设备管理系统、公共信息显示系统。
    随着我国国民经济、科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术、信息技术的迅猛发展与提高，促使家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量。在我国，智能住宅这一概念推广较晚，但其发展的速度却很快，全国已建立了一些具有一定智能化功能的住宅和住宅小区。
    家庭智能大厦、智能小区是一个综合性的系统工程，包含了若干子系统，作为智能大厦、智能小区的后备网络，采用电力载波通讯有其无法比拟的优越性，因而在智能大厦、智能小区底层通讯方式的选取上，各公司不约而同的把电力载波通讯作为首选。
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    2.在自动抄表系统中的应用
    抄电表一直是件麻烦事。快到月底的时候，供电局总要派出许多人到各个居民小区里抄表，每人一天最多也只能抄上三五百户，伴随着城市住宅建设日益发展，居民数和独立电能表数迅速膨胀，多种电价制度开始推行，抄表计量日趋复杂，传统的人工抄表方式已难以适应新的变化，但如果在电表里安装一个火柴盒大小的电脑远程终端那么一切都不再一样：
①无需抄表员用户的用电情况快速准确地反映到供电局的计算机中心。
②供电局直接和银行联系，用户只要在银行里办一张资金卡，就无须定时定期到供电部门排队交电费了。
③通过系统随意呼叫，每户人家当前用电量值、最大平均功率出现的时间，甚至整幢楼每小时、日、月、年的用电量、最大平均功率及其出现的时间，停电时间和次数，以及日、月的线损量和线损率都能清晰地显示。
④准确地对各类不同用户的不同用电负荷进行记录。
⑤系统自动运算各环节电量，及时发现不明的电量损失，杜决盗窃用电。
    所谓自动抄表系统就是自动采集各种计量表的读数（如：电表、水表、煤气表、冷气表等），现在采集数据方法有：电话线、无线电、电力线和红外线等等。我们的电力线载波抄表系统则是利用现有的电力线为媒介进行数据收集。不但有效降低系统成本的同时可以方便快捷地实现自动化抄收。利用计算机的强大功能抄收的数据可以立即处理形成报表，同时由于双工通讯可以很容易做到监控用户用电参数、欠费断电等其他系统没有的功能。
    我国现行的能源管理方式已远远跟随不上经济蓬勃发展的要求。为此，要尽快地对用电进行自动化管理，并支持电力部门进行技术改造。配合我国国家电力公司国电安运[1998]669号文中提出的“要重视用电营业，长远的目标是实现‘一户一表、集中抄表、银行联网’”的政策，采用以计算机为基础、利用电力线载波通讯技术开发的自动抄表系统，取消用电中间层，降低用电中间层，降低居民用电价格，消除用电过程腐败现象，成为电力部门响应国家这一政策的最佳解决方法。同时也给远程智能抄表的技术发展与产品推广提供了前所未有的契机、巨大的潜在市场和蓬勃的生命力。人们似乎已经看到，随着各种抄表自动计量装置产品的问世，“人工抄表”将退出历史舞台，自动抄表系统“一统天下”的日子已为时不远。

    3.在家居智能化中的应用
    用模拟技术在电力线上传递载波信号很早就有了。把电力线通信技术、网络、微控制器相结合，是在现有基础上推进家庭自动化的最现实最经济的途径，即以电力线为物理媒介，把分布在信宅各个角落的微控制器和家电PC机连成一个网络。其优点是：电力线和信号线合一，无须布设信号线；人们原来使用和维护电器的习惯都不受影响，家电无须增加双绞线、红外等接口，只要在内部配备电力线载波通信芯片，再更新程序就行了，对老式家电的改造也很容易；家电的信息量小，电力线载波速度慢的缺点不突出。因此电力线载波通讯技术在家居智能化应用方面有着广泛的前景，特别是在中速率传输应用方面，因其具有可靠性高、造价低廉等优点，故可以与“蓝牙”相媲美。
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    4.在其它领域的应用
    在其他领域里，电力线载波通讯也显示出了其巨大潜力，比如在一些干扰大、布线困难的工业自动化控制系统，采用电力载波通讯方式能达到事半功倍的效果。电力线在现代生活中已无处不在，只要能满足通讯要求，而又不便布线的地方，电力载波通讯技术都有着无比的的优越性，可以得到充分的应用。
    虽然随着各种新的通信方式的出现，各类通信线路所占的比例各有所变化，但电力线载波通信在较发达国家的比例却一直保持在12%左右，而在发展中国家则高达30%。在国外，一些公司一直积极进行电力线载波通讯技术的研究及相关产品的开发。
    就技术上说，挪威NERA公司A.C.E.32全数字电力线载波通讯技术及德国西门子的准数字电力线载波通讯技术代表了目前国际上电力线载波通讯技术发展的水平。
    我国从50年代开始从事电力线载波通讯技术的研究，到80年代发展到全盛时期。90年代初期以后，电力线载波技术的需求随着我国经济的发展进一步扩大。21世纪的新契机更使电力线载波通讯这一通讯技术的新兴应用技术得到了前所未有的发展，彻底改变人们的生活。

    三、发展现状
    1.发展方向
    从总体来说，电力线载波通讯技术在向五个方面发展：
①从个别用户到低压段区段使用（PLC），其后段部分采用电话线、光缆、无线等构筑网络；
②仅用于低压部分（AC110/220V）；
③室内系统正在出笼；
④室外系统成为研究课题；
⑤向家居自动化发展。

    按速率和载波频率分为：
①低速率通讯（1KB/S以下），主要应用于长距离（1公里以上）利用25K高压电线对配电设施进行控制；
②中速率通讯（1-50KB/S），主要应用于固定小区间、楼宇间的数字通讯。包括自动照明控制、消防报警、自动抄表以及数据监控等系统。载波频率一般在50-535KHZ之间；
③高速率通讯，（100KBPS以上）主要用于小区域中的高流量数据通讯。如电脑网络中的打印、文件共享等，采用高载波频率1.7-30MHZ。

    2.实现难点
    由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制，因此电力线通讯具有以下特点：
①配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送。
②三相电力线间有很大信号损失（10 dB -30dB）。通讯距离很近时，不同相间可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。
③不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同，藕合方式有线-地藕合和线-中线藕合。线-地藕合方式与线-中线藕合方式相比，电力载波信号少损失十几dB，但线-地藕合方式不是所有地区电力系统都适用。
④电力线存在本身因有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50HZ和60HZ，则周期为20ms和16.7ms在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100HZ或120HZ脉冲干扰，干扰时间约2ms，必须加以处理。
    有一种利用波形过0点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过0点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又比较长，所以难以应用。
⑤电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达1欧姆以下，造成对载波信号的高削减。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。因此，只有进一步提高载波信号功率来满足数据传输的要求，提高载波信号功率会增加产品成本和体积。
因此电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成为一个不理想的通讯媒介，但由于现代通讯技术的发展，使电力线载波通讯成为可能。
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    3.主要几款国外电力线载波芯片的优点与缺点
    由于数据信号的信噪比决定传输距离的远近，因此电力线载波通讯的关键就是设计出一个功能强大的电力线载波专用modem芯片。国外在电力线载波通讯技术方面发展较早，多家国外公司陆续推出了自己的电力线载波modem芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。
    由于国外电力线载波modem芯片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，因此在国内使用都难尽人意。目前，有一、两款电力线载波modem芯片在一定应用领域可勉强使用。我国可使用的电力线载波modem芯片有以下几种：
●XR2210/XR2206套片或LM1893
    这是比较早的电力线载波芯片的应用。XR2210/XR2206是一组FSK方式的调制解调芯片，并不是专门针对电力线载波通讯而设计的，还可用于有线和无线通讯。LM1893 modem芯片，FSK的调制解调方式，它只是对一般FSK调制解调芯片的稍微改进，目前，以上两款modem芯片在国内基本没有采用。

●ST7536
    ST7536是SGS-THOMSON公司专为电力线载波通讯而设计的modem芯片。由于它是专用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。

●SSCP300
    SSCP300是Intellon公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波modem芯片。它采用了扩频（Chirp方式）调制解调技术、现代DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBus协议，可以称为智能modem芯片，体现了modem芯片的发展趋势。
    但在国内电力线载波抄表领域使用效果还不如较早的ST7536。因为SSCP300是Intellon公司按北美地区频率标准、电网特性针对一家一户式独立住宅的家庭自动化而设计的，所以在通讯距离上，它还采用陷波器隔离，防止干扰邻近住宅。而国内电力线载波抄表领域主要要求通讯距离，所以针对中国现状，SSCP300难以胜任电力线载波抄表领域的要求。

●PLT-22
    PLT-22是Echelon公司最新电力载波收发器，它是针对工业控制网而设计，采用BPSK调制解调技术以及多种容错及纠错技术，所以目前在我国应用效果最理想。但它是Lonworks网络专用，而且价格太高，难以在民用市场领域大规模推广。所以目前还无一款真正适合我国电力线载波通讯的modem芯片。

    4.现有的两种实现电力线数据通讯手段
    在电力线上实现数据通信，人们进行了很多的尝试。电力线作为一种通信传输介质，具有可变信号衰减、脉冲噪声以及等幅振荡干扰等不利于数据传输的特性。为了排除这些干扰，目前利用电力线进行通信的产品中，主要采用两种窄带载波FM通信方式和扩频通信方式。
●传统窄带载波FM通信方式
    传统窄带载波FM通信方式是一项成熟的传统技术。其在电力线模拟通讯方面已达到实用标准，能够做到在电力线上跨相位甚至跨变压器进行通讯，价格低廉且较为容易实现，所以在应用中比较普遍。但该传统窄带载波FM通信方式最大的缺点是不能进行数字信号的传输。
●扩频通信方式
    扩频通信方式是一种利用类似以太网的带有冲突检测机能的载体侦听多重访问CSMA/CD协议的扩频通信技术。它利用一系列短促的、可自同步的扫描频率chirp作为载体，这种chirp具有固定模式，可被网上的任意结点接收。具有较强的抗干扰能力和自相关特性，可以使所有连接在网络上的设备同时识别从网上任意设备发出的独特波开，而不需要在发送和接收设备间进行同步。但扩频通信方式传输距离较近，只能使用单信道频段，系统成本高，很难实现双工数字通讯。