电力载波通信的发展及特点

摘要本文介绍了电力线载波通信的发展及特点，文中主要就高压电力线载波通信、中压配电网电力线载波数据通信和低压用户配电网电力线载波通信，以及与其相关的关键技术问题进行了讨论。关键词电力线载波通信发展应用0引言电力线载波（PowerLineCarrier-PLC）通信是利用高压电力线（在电力载波领域通常指35kV及以上电压等级）、中压电力线（指10kV电压等级）或低压配电线（380/220V用户线）作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。近年来，高压电力线载波技术突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了数字化时代。并且，随着电力线载波技术的不断发展和社会的需要，中/低压电力载波通信的技术开发及应用亦出现了方兴未艾的局面，电力线载波通信这座被国外传媒喻为“未被挖掘的金山”正逐渐成为一门电力通信领域乃至关系到千家万户的热门专业。在这种形势下，本文旨在通过对电力线载波通信技术的发展及所涉及的一些技术问题的讨论，阐明电力线载波通信的发展历程、特点及技术关键。1电力线载波通信的发展及现状1.1我国电力线载波通信的现状电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而应运而生的，它同电力系统的安全稳定控制系统、调度自动化系统被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。目前，它更是电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础；是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段；是电力系统的重要基础设施。由于电力通信网对通信的可靠性、保护控制信息传送的快速性和准确性具有及严格的要求，并且电力部门拥有发展通信的特殊资源优势，因此，世界上大多数国家的电力公司都以自建为主的方式建立了电力系统专用通信网[1]。长期以来，电力线载波通信网一直是电力通信网的基础网络，目前在长达670000km的35kV以上电压等级的输电线路上多数已开通电力线载波通道[1]，形成了庞大的电力线载波通信网。该网络主要用于地、市级或以下供电部门构成面向终端变电站及大用户的调度通信、远动及综合自动化通道使用。近年来，随着光纤通信的发展，电力线载波通信已从主导的电力通信方式改变为辅助通信方式。但是，由于我国电力通信发展水平的不平衡，由于电力通信规程要求主要变电站必须具有两条以上不同通信方式的互为备用的通信信道，由于电力线载波技术革新带来的新的载波功能以及由于昔日数量庞大的电力线载波机的更新换代，都导致了电力线载波机虽然作为电力通信的辅助通信方式，但是在全国仍然存在较大的市场需求，全国共有约20家企业从事高压电力线载波机的开发和生产。中低压电力线载波的应用目前主要在10kV电力线作为配电网自动化系统的数据传输通道和在380/220V用户电网作为集中远方自动抄表系统的数据传输通道，还有正在开发并取得阶段性成果的电力线上网高速MODEM的应用。在这些方面，10kV上的应用已达到了实用化，成都一家公司开发的扩频载波数据传输装置(已通过质量检验[2])在四川罗江县供电局已可靠运行达一年之久。从事这类产品开发生产的企业全国约有几十家，一旦市场全面形成，竞争将较为激烈。作为自动集抄系统通道的载波应用目前已能够形成组网通信，完成数据抄收功能，但是由于用户电网的某些时变特性和突发噪声对数据传输的影响在技术上并未得到根本解决，因此还存在着抄表“盲区”的问题，这一问题目前一直阻碍电力载波通信技术在自动集抄系统应用的主要症结所在。从事这类产品开发生产的企业全国至少有200家以上，并且大多数都存在技术开发和工程并行的状况，真正取得良好经济效益的只是少数企业。在市场还未全面认同这种方式的可靠性的状况下，其市场竞争已达到了白热化的程度，这一现象应当引起有关单位的重视。关于电力线上网的电力载波技术应用目前以中电飞华公司为代表，已在北京开通了5个以上的实验小区，取得了大量的第一手工程资料，这是一个非常好的开端，至于何时能够进入商业化生产和运营还需综合考虑技术性能、成本核算和符合国家有关环境政策等方面的问题。1.2电力线载波通信发展历程电力线载波通信技术的发展在历史上经历了从模拟到数字的发展过程。电力线载波通信技术出现于本世纪二十年代初期[3]。它以电力线路为传输通道，具有可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点。在我国，四十年代时已有日本生产的载波机在东北运行，做为长距离电力调度的通信手段。五、六十年代，我国开始研制自己的ZDD-1型电力线载波机，未能实现产品化。后经过不断改进，形成了具有中国特色的ZDD-5型电力线载波机。该设备为四用户、两级调幅、具有AGC（自动增益控制）控制电路和音频转接接口，呼叫方式采用脉冲制式，经改进后的ZDD-5A型机也能够复用远动信号。在我国六十年代到七十年代时期，该机所代表的模拟制式电力线载波机得到了广泛应用。七十年代时期，我国模拟电力线载波机技术已趋成熟，当时以ZDD-12、ZJ-5、ZBD-3机型为代表，在技术指标上得到了较大地提高，并成为我国应用时间最长的主流机型。我们可将在此之前的载波机称为第一代载波机。八十年代中期，电力线载波技术开始了单片机和集成化的革命，产生了小型化、多功能的载波机，如S-2载波机等。在这一阶段，主要的技术进步为单片机自动盘代替了三极管或布线逻辑的自动盘；集成电路的调制器、压扩器、滤波器和AGC放大器代替了笨重、多故障的模拟电路；CMOS、VMOS高频大功率管在功放电路中的应用等。这一阶段的载波机可称之为第二代载波机。到了九十年代中期，以SNC-5电力线载波机为代表，在国内首次采用了DSP（数字信号处理）技术，将载波机音频至中频部分的信号处理使用DSP器件来完成，实现了软件调制、滤波、限幅和自动增益控制。这类载波机可称之为数字化电力线载波机，划为第三代。由此开始，电力线载波业界进入了载波机的数字化革命阶段，许多企业纷纷投入力量着力于数字电力线载波机的技术研究工作。到了九十年代末期，采用新西兰生产的M340数据复接器（目前国内已有自主知识产权的同类产品），结合电力线载波机的高频部分为一体的全数字多路复接的载波机问世。这一成果提高了载波机的通信容量，从根本上初步解决了载波机通信容量小的技术“瓶颈”问题，从而为电力线载波市场带来了空前的机遇。从市场上来看，数字化和全数字载波机已占据了高压电力线载波机产品的大部分市场，模拟制式的电力线载波机销售量已开始萎缩，除了特殊的应用场合外将趋于淘汰。电力线载波在10kV线路上的应用国外自50年代开始，主要应用在中压电网的负荷控制领域，大多为单向数据传输、速率低（有时小于10bit/s甚至更低），并没有形成大规模的电力线载波通信服务产业。国内在八十年代后期多数是直接使用小型化的集成电路农电载波机实现点对点通信，也有个别采用窄带调频载波机的，使用范围很受限制。随着10kV线路通信需求的增长，到了九十年代末，出现了多种载波通信设备（这些设备可采用不同的线路耦合方式如：电容耦合、变压器耦合、低压耦合、陶瓷电真空耦合及天线耦合等），调制方式也在原来的FSK调制、PSK调制、音频注入、工频调制、过零点检测等方式的基础上开发了先进的扩频调制方式，（如DSS直接序列扩频，FH跳频，TH跳时、交叉混合扩频、CHIRP宽带线性调频，OFDM正交频分多路复用等）。目前在国内使用的10kV电力线数据传输设备中，使用最多的还是窄带调制设备（主要是多信道PSK及FSK调制），采用扩频方式的设备也已开始崭露头角，随着市场的发展和技术的成熟，扩频载波设备必将在电力线载波中压应用方面占有越来越重要的地位。电力线载波在380/220V用户配电网上的应用在九十年代后期之前只限于采用调幅或调频制式的载波电话机，实现近距离的拨号通话，也有采用专用的芯片实现近距离数据传输的。我国大规模地开展用户配电网载波应用技术的研究是在2000年左右，目前在自动集抄系统中采用的载波通信方式有扩频、窄带调频或调相。在使用的设备中，以窄带调制类型的设备为多数，其主要原因可能是其成本低廉。而电线上网的应用由于要求的速率至少需要达到512kbit/s～10Mbit/s，所以无一例外地采用扩频通信方式。在各种扩频调制方式中，由于采用正交频分多路复用技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)调制具有突发模式的多信道传输、较高的传输速率、更有效的频谱利用率和较强的抗突发干扰噪声的能力，再加上前向纠错、交叉纠错、自动重发和信道编码等技术来保证信息传输的稳定可靠，因而成为电力线上网应用的主导通信方式。2电力线载波通信的特点2.1高压载波路由合理，通道建设投资相对较低高压电力线路的路由走向沿着终端站到枢纽站，再到调度所，正是电力调度通信所要求的合理路由，并且载波通道建设只需结合加工设备的投入而无须考虑线路投资，因此当之无愧成为电力通信的基本通信方式，尤其在边远地区更是这样。电力线载波通道往往先于变电站完成建设，对于新建电站的通信开通十分有利。为此，只要妥善解决电力线载波信道的容量问题，载波通信的优势就会显现出来。在中压配电网载波和低压用户电网载波中，节省线路建设费用，无须考虑破坏家庭已装修环境，也仍然是载波通信的优势。2.2传输频带受限，传输容量相对较小在高压电网中，一般考虑到工频谐波及无线电发射干扰电力线载波的通信频带限制于40～500kHz之内，按照单方向占用4kHz带宽计算，理想情况下一条线路可安排115条高频载波通道。但由于电力线路各相之间及变电站之间的跨越衰减有限（13～43dB），不可能理想地按照频谱紧邻的方式安排载波通道，因此，真正组成电力线载波通信网所实现的载波通道是有限的，在当今通信业务已大大开拓的情况下，载波通道的信道容量已成为其进一步应用的“瓶颈”问题。尽管我们在载波频谱的分配上研究了随机插空法、分小区法、分组分段法、频率阻塞法及地图色法和计算机频率分配软件，并且规定不同电压等级的电力线路之间不得搭建高频桥路，使载波频率尽量得以重复使用，但还是不能满足需要。近来随着光纤通信的发展和全数字电力线载波机的出现，稍微缓解了载波频谱的紧张程度。在10kV中压配电网和低压用户配电网中，除了新上的载波信号之外，不存在其它高频信号，并且一般为多址传输，因此通道容量问题并不突出。2.3可靠性要求高有两个原因要求电力线载波机具有较高的可靠性，一是在电力系统中传输重要调度信息的需要；另一是电压隔离的人身安全需要。为此，电力线载波机在出厂前必须进行高温老化处理，最终检验必须包含安全性检验项目。为此，国家质检总局从八十年代开始即对电力线载波机（类）产品实行了强制性生产许可证管理[4]。随着时代的进步，目前管理的范围已包括各种电压等级的载波机、继电保护收发信机、载波数据传输装置（如配网自动化和抄表系统的载波部分）和电线上网调制解调器。目前大多数高压及中压电力线载波机生产企业已按照生产许可证的要求建立了较为完善的质量体系。2.4线路噪声大电力线路作为通信媒介带来的噪声干扰远比电信线路大得多（见图1），在高压电力线路上，游离放电电晕、绝缘子污闪放电、开关操作等产生的噪声比较大，尤其是突发噪声具有较高的电平（见图1）。根据国外资料描述，电力线的噪声特性可分为四种类型：1、具有平滑功率谱的背景噪声，这种类型噪声的功率谱密度是频率的减函数，如电晕噪声。这种噪声特性可以用带干扰的时变线性滤波模型来描述。2、脉冲噪声，由开关操作引起，这种噪声与电站操作活动的关系较大。3、电网频率同步的噪声，主要由整流设备产生。4、与电网频率无关的窄带干扰，主要由其它电力设备的电磁辐射引起。一般电晕噪声电平大致为：220kV-25dB；110kV-35dB（带宽为5kHz），在工业区、沿海地区、高海拔地区、新线路、升压线路和绝缘设备存在微小放电的线路上噪声电平还将增高15dB左右。因此，在这样恶劣的噪声环境下，电力线载波机一般都采用较大的输出功率电平（37～49dBm）来获得必要的信噪比。低压电力载波通道的噪声有背景噪声、脉冲噪声、同步和非同步噪声及无线电广播的干扰等构成[6]。2.5线路阻抗变化大高压电力线阻抗一般为300～400Ω，在线路上呈波动