电力线通信技术的应用研究

ª信息技术2008年第2期自动化与信息工程23电力线通信技术的应用研究彭炜锋管刚（广东技术师范学院）摘要：分析了电力线通信技术（PLC）的特点和技术要素，详细论述了广东工业实训中心大楼的PLC解决方案。最后通过对实际应用效果的总结，指出了电力线通信在我国的应用前景。关键词：电力线通信；正交频分多路复用技术；信号干扰；电力路由器1电力线通信技术的现状、发展和技术要素电力线通信技术PLC（PowerLineCommunica-tion），是指利用电力线作为传输数据和音频信号的载体，把载有信息的高频加载于电力电流上，然后通过电力线传输信号[1]。目前，PLC在全球正在走向商业化，尤其在发达的国家，已开始了大规模的铺设和投入使用。现在，厂商提供用于电力线的芯片接入带宽达到224M。PLC的主要优点是在于：成本低、范围广、高速率、永远在线、便捷和结构灵活[2]。PLC是以太网的一个分支，在OSI（OpenSystemInterconnection）的第二层上PLC符合标准的以太网规范，主要的区别在于在物理层中介质更换为电力线，并在第二层上采用基于CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）的广播共享方式。PLC的技术要素主要有：（1）用户端，PLC终端设备，用户的数据通过电力线传输到局端设备；（2）局端的功能是将信号解调出来接入外部的Internet，目前应用较多的是电力网桥；（3）耦合单元，是将信号传入线路并过滤噪音[3]；（4）正交频分多路复用技术OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing），主要是将频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，提高电力线网络传输质量，提供高带宽并且保证带宽传输效率。2电力线通信技术的设计和主要问题解决本文结合广东工业实训中心的实际需求，设计PLC解决方案。2.1需求分析（1）教学任务的需要，开设PLC实训课程，让学生掌握和应用一种新的宽带接入技术，并进行组网；（2）网络端口数量扩展的需要，在工业中心建立一套PLC系统，使之成为辅助的上网手段，满足教学和日常工作的需要。2.2系统设计工业中心的PLC网络结构如图1。强电井PLCBridge及耦合器单元一楼印刷、安防及软件工程区二楼工业过程控制区三楼音视频、制冷及机器人区四楼信息技术区五楼专业技术考证区六楼教育、外语与财务信息区七楼旅业酒店及餐饮区八楼展览、策划及学生研讨区交换机PLCModemPLCModemPLCModemPLCModemPLCModemPLCModemPLCModemPLCModem地下室配电房标准网络线电源线广东技术师范学院网络中心服务器图1工业中心PLC网络图设计工业中心的PLC系统的时候，重点考虑以下问题[4]：y带宽问题；y传输距离问题；y信号干扰和稳定性问题。其中，稳定性的问题是重点考虑的。在工业中心大楼，每个实训室都有大量的电子设备和开关电源等，设备工作时，使电力线上电气负荷发生24变化，引起电力线传输特性阻抗的巨大变化，产生高频干扰，使电力线上有非常复杂并且不可预测的脉冲、噪声等等干扰，并且这些干扰在强度上和时间上是不可控和不确定的。另外，处于50Hz的交流电噪声也是PLC通信的极大障碍，严重干扰了信号。通过分析实际情况，PLC网络的实施结构如图1。2.3主要问题解决工业中心大楼内的每个实训室都没有电表，因此，组网时应采用注入式。注入时考虑到大楼层面积都很大，但同时用PLC上网的用户并不多，前期建设中，可设计每两个楼层共用一个PLCBridge，将来用户较多，可采用多台PLCBridge进行信号覆盖，只需在每台Bridge设置不同的密码以区分不同的用户，在以太网部分利用交换机划分VLAN（VirtualLocalAreaNetwork），避免信号冲突，并增加网络的安全性。此外，只能在楼层的配电井内对该楼层的三相配电做注入，利用耦合器将信号耦合到三相四线中，实现信号注入，使得每个实训室都有信号，如图2。零相线C相线B相线A相线电感电感电感电感PLCBridge交换机PLCMODEMPLCMODEMPCPC普通网线电源线图2通过电感耦合器连接电力电缆，注入和提取高频信号本设计在工业中心每两层楼的配电箱安装PLCBridge，用户需要通过PLC网络接入互联网的时，只需将PLCModem的电源接口插入到工业中心大楼任意的一个电源插座上，计算机通过普通的网线与PLCModem连接，就可以连接到Internet。在PLC系统中，如何把噪声干扰有效地滤去是通信成败的关键，电感磁环将信号耦合到供电线路，使处于50Hz的交流电噪声大大衰减，并使得处于高频的传输信号通过，此方案信号加入后不受强磁场干扰，信号分配均匀，受电源总负荷变化的影响力小。3电力线通信技术的应用效果和不足3.1应用效果工业中心PLC系统首期建设完成后，经实际的测试和应用，有显著的特点：(1)在建设过程中，几乎不需要再铺设线路，节省了传输线的材料费、施工费及缩短工程周期，也避免了对工业中心大楼原有环境的破坏；(2)覆盖面积大，与Wi-Fi等无线宽带接入技术相比，PLC技术对建筑环境有很好的适应性，基本不受建筑区划分的影响。据测试，在中心大楼里的平均插座信号覆盖率达96％。超过了PLC工程的国际检验标准——办公环境插座信号覆盖率80％。(3)提供每路200Mb/s的带宽，可同时对每个用户进行身份认证、流量控制等远程管理，电力网络传输信号稳定，无频繁掉包现象。以局端路由器为测试点中心点，在电力调制解调器端通过DOS命令PING的状态下，32字节的数据包延时小于10MS，1300数据包延时小于40MS，掉包率不大于10％；具体数据如表1所示。表1工业中心PLC的测试记录列表终端型号FPM-200M局端型号FPC-200M测试日期08.03.15设备使用的密码123测试地点广东工业实训中心测试人员彭炜锋、管刚Ping包大小Ping包数通包数丢包数丢包率平均时延信号采集位置130010010001%7ms数码影视制作实训室10513001009911%8ms广告摄影创作实训室2A0113001009822%12ms计算机网络工程实训室2041300100100007ms视频技术实训室30313001009822%13ms网络传输与综合布线室40113001009911%11ms电路分析实训室50813001009911%11ms证券投资交易实训室61713001009822%13ms传感器与先进制造室803彭炜锋管刚：电力线通信技术的应用研究2008年第2期自动化与信息工程25低压桥集器采用适配器注入方式对工业中心电网进行信号覆盖，在大楼环境内的不同四个点进行1点对4个点的测试其数据如表2所示。(4)用户端的PLCModem支持热拔插使用，有很好的系统兼容性和使用方便等优点。表21点对4点的测试数据表单进程最小吞吐量单进程最大吞吐量平均总吞吐量备注0.142Mb/s24.243Mb/s25.048Mb/sTCP/4个进程3.2应用的不足工业中心PLC系统建设过程中，也发现一些不足的地方：（1）PLC局端和终端的价格比起同样性能的有线接入网络设备较贵；（2）耦合单元和PLCBridge的最远距离是90米左右（采用四芯电话线），由于每台PLCBridge受限于和耦合单元的距离，要提高系统覆盖率，只能通过增加PLCBridge的数量；（3）在工业中心的PLC系统只能作为辅助上网的工具，不能作为主要的上网手段，因为在同一个PLCBridge下的终端用户数量是有限的，不能和传统的有线网络一样，在一个子网内同时有几十台甚至上百台电脑同时上网，PLC的终端一多，就会出现上网速度大大减小和干扰等问题。厂家提供的数据是在1500平方米的范围内，30台PLCMODEM同时高速上网。4结语工业中心的PLC系统，不仅可作为日常上网接入的辅助手段，且给学生提供了一种新的网络实训机会，学生通过该系统，以实操为主，学到了新的知识。不但在计算机网络和实践两方面的能力得到全面提升，且学习到电力上网技术的先进性和实际运用功能，可在实验室里，搭建为电力负荷监控、远程抄表、配用电自动化、需求侧管理、企业内部网络、智能家庭以及数字化社区提供高速数据传输的实验平台。PLC在工业中心得到了很好的应用，覆盖范围广、上网速度快、使用便捷、安装调测简单和网络稳定等优点都能得到充分的体现。但也有一定的客观不足之处，前文已指出，如：PLCBridge和PLCModem的单位价格比传统的网络设备要高；有些时候会出现网络不稳定的状态，主要是发生在电路满负荷等极端情况。总的来说，结合我国的目前网络通信的现状，随着PLC技术和产品的日趋成熟，PLC具有很好的发展前景和市场空间，也能和其它网络技术一起推动我国的信息化建设的进程。参考文献[1]中国电力通信网.PLC的技术原理,=1703,2004-5-29[2]张楠,张振国.电力线通信技术在农业信息化中的应用.安徽农业科学,2006,34(11):2595~2597[3]吴宝丽.从美国PLC网络的建设浅谈我国PLC的发展.国外电子元器件,2007,03(22):72~74[4]马明辉,楼金科,武穆清.PLC带宽接入网研究.电信快报,2006,04(4):17~19[5]中国电力通信网.PLC的优点和应用,=1701,2004-5-29TheApplicationResearchofPowerLineCommunicationPengWeifengGuanGang(GuangdongPolytechnicNormalUniversity)Abstract：Inthispaper,authorsdescribetheadvantagesofpowerlinecommunication(PLC)anditstechnicalelements,introducethesolutionofPLCnetworkfortheGuangdongIndustrialTrainingCenterandpointouttheapplicationprospectofPLC.Keywords:PLC;OFDM;SignalInterference;PLCModem作者简介:彭炜锋，男，1978年生，教师，硕士，主要研究领域有企业战略管理和规划；智能信息系统的研究与应用；通信工程项目管理；项目实训教学。管刚，男，1967年生，教师，硕士，主要研究领域有通信技术、通信工程、网络安全。