・电网技术・电力线通信技术及其应用

甘　武,孙云莲,邓宏伟(武汉大学,武汉市,430072)[摘　要]　电力线通信(PLC),是指利用电力线传输高频数据和话音信号的一种通信方式。PLC以其广阔的资源、与家庭的紧密结合等优势得到快速发展。利用PLC技术可将电脑、电话、音响、电冰箱等家用电器连成一体,实现集中控制,也可以连接多台电脑,组建、实现家庭局域网,还可以实现高速上网。目前电力线上网在我国还在试验阶段,它的潜在市场是巨大的。[关键词]　电力线通信　网络体系结构　电磁兼容　管制

中图分类号:TN915.853　文献标识码:B　文章编号:1000-7229(2004)11-0028-03

PowerLineCommunicationTechnologyandItsApplicationGanWu,SunYunlian,DengHongwei(WuhanUniversity,WuhanCity,430072)

[Abstract]Thepowerlinecommunication(PLC)meansakindofcommunicationmodewhichusesthepowerlinetotransmittheHFdataandacousticsignals.ThePLCnetworkexpandsquicklybecauseofitsabundantnetworkresourcesandstronglinkwithfamilylife.ApplicationofPLCtechnologycanunitethecomputer,telephone,acousticdevice,refrigeratorandotherhouseholdapplicantstogetherforcentralcontrol,alsolinkwithmanycomput2erstoestablishhomelocalnetwork.ThePLCnetworkisunderteststageinChinaatpresentandithasagreatlatentmarket.[Keywords]powerlinecommunication;networksystemstructure;electromagneticcompatibility;control

电力线通信(PLC),是指利用电力线传输高频数据和话音信号的一种通信方式。它在不需要重新布线的基础上实现上网、打电话和有线电视等多种应用,用户可以通过房间里面的任意一个电源插座上网,实现家庭的移动办公。利用PLC技术可将电脑、电话、音响、电冰箱等家用电器连成一体,实现集中控制,也可以连接多台电脑,组建、实现家庭局域网。作为一种新的家庭联网和宽带接入技术,PLC引起了人们极大的关注。入户的线路,除了电话线和有线电视电缆,就是电力线。其中电力线是普及最广的线路,进入家家户户,几乎每间房间都有电源插座。因此,电力线网就是一个现成的局域网,整个低压配电网的网络结构(包括户外电缆)非常适合互联网接入,能够提供最后1km的解决方案,从而与电话网进行竞争。在一些不发达国家,许多家庭还没有敷设电话线和有线电视电缆,电力线则成了唯一可选的通信载体。对于家庭联网来说,连接信息家电的基础设施必须易于安置、安装维护费便宜并且性能良好。典型的高性能网络对日常生活用途来讲过于复杂。尽管目前已有多种技术可用于家庭联网,如以太网通过在住家内敷设5类通信线联网。但安装复杂,且需要新建网络。用电话线也可以建网,但因受电话线插口的限制,建起的网络会失去移动性。直接使用住家内的电力线与电源插座作为数据通信的载体,便可以克服这些缺陷。用电力线作为网络基础设施相对于其他技术有其优点。首先,由于信息家电可以通过电力线进行通信,故不需另外布线。其次,在住家内通常有多个接入点(电源插座),PLC技术可以为用户建一个家庭局域网,把PC机、打印机、扫描器以及他们想连接的任何设备连接起来。按HomePlug1.0标准的规定,电力线通信可以提供14Mb/s的数据速率,足够信息家电日常使用。将来的PLC还可能

收稿日期:2004-05-30

作者简介:甘武(1978-),男,硕士研究生。孙云莲(1962-),女,博士生导师,从事电力系统通信研究。

・82・第25卷　第11期2004年11月电　力　建　设ElectricPowerConstructionVol.25　No.11Nov,2004

提供100Mb/s的速率来支持高质量数字多媒体应用。PLC技术最先是由瑞士Ascom公司提出的,利用类似cablemodem的方式通过电力线提供宽带数据业务,利用直接与插座相连的现有电力线进行通信[1]。1　电力线通信网网络体系结构为了桥接变电站至用户住宅电气插座的最后1km,必须把低压配电网分成室外PLC和室内PLC2部分。这是因为整条通路的衰耗通常非常高,在满足电磁兼容(EMC)要求的情况下,只有大约10%的用户可以直接由单跳链路来服务。图1所示的PLC系统是一个集中式的主/从体系结构,室外部分包括从变电站到住家接入点(HAP)的公共区域,室内部分系指从HAP到家里电气插座的私人区域[2]。这种结构反映了电力线网络拓扑和点到多点网络流向的特性。室外主控器(OM)通常安装在变电站,它控制用户住宅的室外接入点(OAP)。为了覆盖远地的建筑,还包括一个室外中继器(OR)。在每一住宅内,都有1个独立的室内PLC部分,它由室内控制器(IC)进行控制。IC的控制对象是室内适配器(IA),IA给最终用户提供标准网络接口(如以太网、UBS和模拟电话线等接口)。室内PLC和室外PLC通过OAP与IC之间的以太网链路进行连接。OM为主干连接提供以太网接口,主干连接普遍使用光纤和数字用户线(DSL)。对于不具备电信基础设施的变电站,可以使用中等电压PLC作为顶替方案。图1　PLC网络的系统组成 室外PLC使用1～10MHz的低频段,而室内PLC使用15～30MHz的高频段。每一频段能容纳3个载波,每个载波带宽约为2MHz。载波频率的分配基于以下考虑:(1)与原有重要的广播与业余无线电业务共存;(2)频率低意味线路衰耗小,适宜于室外使用,可以覆盖较大距离;(3)室外与室内系统的使用频率要有足够隔离,使室内、外系统在非常靠近时(例如OAP与IC)不用协调即能同时工作;

(4)室内距离一般短于室外距离,故室内可以使用较

高的频率,此外,电气设备在较高频率时产生的信道噪声比低频时小得多;(5)由于在高频时不同相之间的串话特性较好,每一相的信号质量几乎相同,故室内系统的性能较少受服务于IA的其他相或网络分支的影响。

2　电力线通信的应用本文以北美住家的电力线通信网拓扑为例(见

图2)来说明PLC的应用[2]。由图2可见,它是一种类似树状的拓扑。一般有2条电力线干线:一条是110V的,另一条是220V的。每条干线分为若干支线。PLC的目的是在这些支线和干线上传输数据分组。

图2　北美住家电力线通信拓扑图PLC应用形式多种多样。例如,当数字电视上出现商业广告时,可以通过电力线把产品信息下载到计算机上,此后,还可以计算机向供货商发送订购信息或者去浏览产品网页,获得更详细的信息。通过电力线还可以把音乐或视像节目录制下来,当在电视上或在一个音乐频道上播放音乐时,可以通过电力线直接把音乐录到MP3播放器上,也可把数字

・92・第11期电力线通信技术及其应用视像直接录入PC机或数字录像机(VCR)内。还有,电冰箱可以根据冰箱内的库存情况通过电力线订购食品,微波炉能向空调发送预计的环境温度变化信息,让空调重新调节温度,保持室温舒适。PLC的应用并不局限于新式信息家电。作为家庭网络,PLC非常便于在传统数据处理设备(如PC机等)与计算机外设之间交换数据。此外,信息家电也可与计算机进行对话,利用PLC可以很方便地从电视机或VCR向PC机发送多媒体数据。PLC还可以用于住家安全方面,可以把门口监控摄像机获得的图像送至电视机。为了通过DSL或cablemodem之类的宽带连接实现高速上网,可以在PLC网中添加一个互联网路由器。当某设备需要与互联网上其他设备进行通信时,通过电力线向计算机发送数据,然后由计算机决定是否向互联网发送数据。另外,可以利用外部配电线让PLC家庭网络直接与其他住家、电厂对话。由于不需要额外的支出,这种用于互联网接入的网络基础设施对发展中国家特别有吸引力。3　电力线通信的电磁兼容问题 电力电缆是为50Hz或60Hz低损耗输电设计的,当把它们用于PLC时,意味着必须传送9kHz～30MHz频率之间的信号。对在这些频率上的信号,电力电缆会有泄漏,部分高频信号功率会以电磁波的形式辐射出去。电力线信道好像一个开放的无线信道,要蒙受噪声、衰落、多径和干扰,同时也会干扰其他信号。当PLC系统得到广泛使用时,除了使用相同频率的相邻PLC系统之间会相互干扰(即小区间干扰)以及会产生保密问题之外,PLC系统还会对其他无线电通信造成干扰。因此,PLC系统除了要克服自身信道缺陷外,EMC是PLC能否得到推广应用的主要问题。受PLC辐射影响较大的主要是短波无线电通信,为了把PLC辐射减至最小,可采取以下2个措施:(1)充分利用或改善用于PLC的电力线的对称性;(2)减小PLC信号的功率谱密度(PSD)。4　对电力线通信的管制PLC的辐射必须符合相关的EMC标准,基本上有2种标准:(1)国际无线电干扰专门委员会(CISPR)等机构制定,国际电工委员会(IEC)发布的标准,通常被采纳为国家法规。(2)在CISPR标准没被采纳为国家法规的情况下,由有关国家的管制当局制定相应法规,填补空白。现存的传统PLC标准都是针对用于控制、监视和开关的简单系统而制定的。所占频谱最高525

kHz,一般通过限制馈入电源网的最大输出电压来限制不希望的辐射。但用于数据传输的PLC接入系统的频率范围要大得多,目前尚无标准。CISPR

中最近有关PLC标准的版本是CISPR22,它规定了对IT设备的限制,并明确区分电源端口和电信端口。但是在PLC中,电源与通信用的是同一端口,

故CISPR22在PLC的测试应用方面还存在较大问题,现正努力在CISPR22中定义多用途端口,以形成实际可行的方案。欧洲比较关注CISPR的活动,现在欧盟成员国都把CISPR发布的文件作为重要法规。美国对PLC的管制由FCCPart15制定。在日本,PLC只允许工作在10～450kHz频率范围内,并对发送电平和使用场合作了详细规定。

5　发展现状与应用前景目前,PLC技术正在准备走向商用,全球有若干种PLC系统在进行现场试验,尤其在德国、西班牙、法国、奥地利和瑞士都开始了大规模的现场铺设。2002年8月,香港PowerComNetwork公司成立,与HutchisonGlobalCrossing公司合作开发专有的PLC服务。中国国家电力通信中心自2001年12月开始进行电力线上网的小规模试验工作,所用设备(电力猫等)由福建省电力试验研究院提供[3]。PLC网络除了完成家庭联网外,还能实现高速上网。各住家网络被接至变电站,在那里再通过电力线modem终端把各家PLC网络连接到互联网的骨干网。各家的PLC网关可以安装在各家的熔丝盒里。网关可能连接1个或几个用来增强信号强度的中继器。预计当调制技术得到进一步改进之后,