- 探討電力線通信的典型應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)
- 學(xué)習(xí)窄帶PLC的典型應(yīng)用設(shè)計(jì)
- 了解寬帶PLC的應(yīng)用
- 研究電力線通信的可靠性的關(guān)鍵技術(shù)
電力線組成了世界上最大的銅線基礎(chǔ)設(shè)施。家庭或辦公大樓的每個(gè)角落都有電源插座，因此電力線是一種全包圍網(wǎng)絡(luò)。電力線通信（Power Line Communication，PLC）技術(shù)就是通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)在配電線上進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。用電力線作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信不需要重新布線，信號(hào)不會(huì)因?yàn)橥ㄟ^建筑物墻壁而受到衰減甚至屏蔽，相對(duì)較為低廉的成本，使這項(xiàng)技術(shù)在電表自動(dòng)抄表系統(tǒng)，燈光控制等許多領(lǐng)域受到青睞。
窄帶PLC的典型應(yīng)用設(shè)計(jì)
自動(dòng)抄表系統(tǒng)是最典型的PLC應(yīng)用。下圖就是PLC技術(shù)典型的應(yīng)用案例——遠(yuǎn)程電表自動(dòng)抄表系統(tǒng)的示意圖。電表通過電力線與集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。集中器通常位于變壓器附近，是網(wǎng)絡(luò)的核心管理者。它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)集中采集、命令傳送等工作；同時(shí)還通過上行線路（PSTN或RF等）與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。一臺(tái)集中器可管理幾十至幾百只電表。在這個(gè)系統(tǒng)中，集中器會(huì)按照設(shè)定的時(shí)間間隔讀取各個(gè)電表的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送給主站，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程集中抄表。
PLC也常應(yīng)用于照明控制。在傳統(tǒng)照明應(yīng)用中，。傳統(tǒng)照明架構(gòu)允許獨(dú)立地控制某個(gè)燈，而建立在總線拓?fù)渖系臉?biāo)準(zhǔn)支持獨(dú)立地控制多個(gè)燈；雖然DALI和DMX512可以從一個(gè)控制器獨(dú)立地控制多個(gè)燈，但DALI和DMX512都要求安裝額外的控制線。
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以上的自動(dòng)抄表系統(tǒng)和照明控制系統(tǒng)都是窄帶PLC的典型應(yīng)用。總體來說，窄帶PLC可以應(yīng)用于需要與連接著電力線的設(shè)備雙向通信的任何地方。例如：
智能家庭和電器：家庭自動(dòng)化包括集中控制燈光、HVAC(加熱、通風(fēng)和空調(diào))、電器和其它系統(tǒng)，從而提高便利性、舒適性、能效和安全性。由于家庭自動(dòng)化系統(tǒng)的目標(biāo)是將所有家庭電氣設(shè)備相互連接在一起，因此PLC是一種理想的方法。
太陽能：光伏電池板(太陽能電池板)必須加以仔細(xì)管理才能提供最佳性能，這涉及到利用通信實(shí)現(xiàn)遙控和實(shí)時(shí)監(jiān)視。遙控用于控制電池板傾斜度以便最大限度地提高光照量，還用于控制單個(gè)電池板或整個(gè)電池場。實(shí)時(shí)監(jiān)視方便維護(hù)監(jiān)視、檢測硅劣化/電池替換需求、氣候條件、盜竊以及輸出功率和效率。
汽車至電網(wǎng)：隨著智能電網(wǎng)部署的展開，上升的燃油成本以及更高性價(jià)比的電動(dòng)汽車對(duì)電動(dòng)汽車充電站提出了更多的要求。這種汽車至電網(wǎng)(V2G)基礎(chǔ)設(shè)施的部署要求在充電站和計(jì)費(fèi)與管理系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)雙向通信。PLC是理想的解決方案，因?yàn)樗褂靡呀?jīng)安裝好的電力線，能夠提供強(qiáng)大的安全性，并具有很大的擴(kuò)容能力。
寬帶PLC的應(yīng)用
與窄帶電力載波（PLC）技術(shù)相比，寬帶電力載波技術(shù)利用了高頻波段(幾MHz~幾十MHz)，使用OFDM、QAM等現(xiàn)代調(diào)制方式，具有高速、抗噪音、傳輸距離長、覆蓋率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)在2012到2016年間，新安裝的智能電表數(shù)量達(dá)到4.75億個(gè)，其中，中國將安裝1.7億個(gè)智能電表，有近5000萬個(gè)智能電表將采用寬帶PLC技術(shù)，中國寬帶PLC市場高速增長的時(shí)期很快就會(huì)到來。
寬帶PLC抄表更具效率。目前較成熟的遠(yuǎn)程抄表大多采用窄帶PLC技術(shù)，是將各個(gè)終端電器的信息調(diào)制到低壓電力線上，載波頻率一般在幾百kHz左右。一個(gè)區(qū)域的電表數(shù)據(jù)通過窄帶PLC網(wǎng)絡(luò)匯聚到集中器，再由集中器通過網(wǎng)關(guān)接入其他網(wǎng)絡(luò)。可見，基于窄帶PLC實(shí)現(xiàn)的窄帶電力線抄表系統(tǒng)速率低，只適合簡單的抄表數(shù)據(jù)單向傳送，而無法支持其他業(yè)務(wù)，擴(kuò)展性差。此外，它還是專用網(wǎng)，需要集中器和專門鋪設(shè)電纜，部署復(fù)雜且費(fèi)用昂貴。這都與目前提倡的三網(wǎng)融合的先進(jìn)理念相違背。寬帶PLC設(shè)備工作在高頻波段，物理層速率可達(dá)200Mb/s (Homeplug1.1)，大大降低了元件和設(shè)備成本。同時(shí)，由于室內(nèi)網(wǎng)PLC鏈路的距離都較近(幾十米以內(nèi))，正好發(fā)揮了PLC的長處并避免了其缺點(diǎn)，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />
2010年，中國國家電網(wǎng)為世博會(huì)組建了采用寬帶PLC的AMI接入網(wǎng)，90秒內(nèi)可收集942個(gè)電表的數(shù)據(jù)，并且成功讀表率也為100%。該方案中，每個(gè)傳輸中心采用了兩個(gè)集中器，每77個(gè)電表使用一個(gè)采集器，總共覆蓋了842個(gè)電表。
寬帶PLC讓家庭聯(lián)網(wǎng)更具效率。電力線是普及最廣的線路，進(jìn)入家家戶戶，甚至一個(gè)樓里的每間房間都有電源插座。整個(gè)低壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)（包括戶外電纜）非常適合互聯(lián)網(wǎng)接入，可以提供最后1公里的解決方案。作為又一種寬帶接入手段，寬帶電力線（BPL）在前幾年就引起了人們的關(guān)注。不少人都期望寬帶PLC能夠使電力公司在高速接入方面成為有能力跟電話公司和有線電視公司競爭的第三軍團(tuán)。
電力線通信的可靠性的關(guān)鍵技術(shù)
首先是EMC問題。無論是窄帶還是寬帶PLC通信，都面臨著電磁兼容性的問題。由于電網(wǎng)中傳輸?shù)氖菑?qiáng)電，而且電網(wǎng)的穩(wěn)定性比傳統(tǒng)的通信網(wǎng)差得多，使得電力線通信線路的電磁環(huán)境極為復(fù)雜。這就給電力線通信系統(tǒng)提出了更高的電磁兼容要求，電磁兼容技術(shù)也成了實(shí)現(xiàn)電力線通信所需的關(guān)鍵技術(shù)之一。
利用配電網(wǎng)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信，曾經(jīng)得到過強(qiáng)烈的反對(duì)。各國的相關(guān)部門對(duì) PLC 究竟會(huì)不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾也非常關(guān)注，試圖在發(fā)展寬帶技術(shù)和保護(hù)無線用戶之間尋找利平衡。
歐洲從2000年起開始研究PLC系統(tǒng)的技術(shù)框架和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。主要相關(guān)的國際組織有CENELEC和ETSI，前者側(cè)重電磁兼容問題，后者側(cè)重通信技術(shù)方面的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。雖然根據(jù)一系列測試來看，被測試的 PLC 設(shè)備所產(chǎn)生的電磁干擾沒有超過標(biāo)準(zhǔn)限值，但為了保證PLC能在大多數(shù)場合安全、方便地使用，仍需要解決EMC的問題。解決問題的出路大致有兩條：一是降低發(fā)信功率，使電磁騷擾低于規(guī)定限值；二是控制使用頻率，在敏感頻段嚴(yán)格限制，一般頻段適當(dāng)放松。
第二個(gè)問題是通信的可靠性。影響電力線通信系統(tǒng)性能和可靠性的因素包括）發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度、電力線噪聲、電力網(wǎng)絡(luò)阻抗、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和接收機(jī)靈敏度。
發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度。較強(qiáng)的發(fā)送信號(hào)意味著更多的信號(hào)功率經(jīng)過電力線。較強(qiáng)的信號(hào)是不易受電力線噪聲影響的，可以傳輸?shù)馗h(yuǎn)。發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度也會(huì)影響電力線通信節(jié)點(diǎn)功耗，因?yàn)樾盘?hào)能量輸入到電力線越多，節(jié)點(diǎn)消耗的能量也越多。當(dāng)選擇一個(gè)電力線通信設(shè)備時(shí)，檢查一下發(fā)送信號(hào)是否符合目標(biāo)市場的強(qiáng)度大小要求。同時(shí)也應(yīng)該符合FCC和CENELEC標(biāo)準(zhǔn)。理想的情況是，發(fā)送增益應(yīng)該是可配置的，這樣你可以根據(jù)其他系統(tǒng)調(diào)試Tx信號(hào)強(qiáng)度。此外，確認(rèn)PLC節(jié)點(diǎn)消耗多少能量，從而達(dá)到FCC和CENELEC要求的最佳發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度。當(dāng)然，能量消耗越少越好。電力線噪聲。一旦發(fā)射信號(hào)注入到電力線，其完整性取決于線路上噪聲大小——噪聲越強(qiáng)對(duì)噪聲的信號(hào)破壞就越大。電力線噪聲可以簡單地分為兩種類型：脈沖型和連續(xù)型。脈沖噪聲是不可預(yù)知的，類型的噪聲會(huì)完全覆蓋線路上的任何數(shù)據(jù)包。連續(xù)噪聲比脈沖噪聲更容易預(yù)測。連續(xù)噪聲通常取決于社區(qū)，城市，或國家的電力線安裝質(zhì)量。因?yàn)殡娏A(chǔ)設(shè)施最初是設(shè)計(jì)來用于有效地傳輸電力而不是數(shù)據(jù)，所以電力線安裝時(shí)很少注意到線路的噪聲水平。根據(jù)系統(tǒng)工作在地球的哪個(gè)地方，電力線噪聲可能大也可能小。
電力線網(wǎng)絡(luò)阻抗。電力線上的信號(hào)阻抗會(huì)影響信號(hào)功率，可以由發(fā)射機(jī)傳輸?shù)诫娏€。此阻抗依賴于電力線和連接到電力線的節(jié)點(diǎn)/設(shè)備的阻抗。每次設(shè)備或節(jié)點(diǎn)插進(jìn)電源插座時(shí)電力線阻抗都會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)電力線信號(hào)阻抗和發(fā)射機(jī)電路匹配時(shí)，傳輸?shù)男盘?hào)功率最大。這兩個(gè)阻抗相差越大，傳輸信號(hào)功率越小，因而，電力線通信性能會(huì)更差。這種阻抗動(dòng)態(tài)變化是在電力線通訊中最棘手的問題之一。如果想要達(dá)到的電力信號(hào)性能的魯棒性，那么電力線通信的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)需要事先設(shè)計(jì)能預(yù)測這些阻抗的變化。發(fā)射機(jī)的不斷地和電力線匹配阻抗，可以使信號(hào)最大化傳輸，同時(shí)接收機(jī)高阻抗可以確保接收端信號(hào)丟失最少。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。一個(gè)良好的魯棒性和無差錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可能對(duì)電力線通信的可靠性有最大的影響。系統(tǒng)設(shè)計(jì)很少有不受物理因素控制的，如噪聲和電力線阻抗，最優(yōu)化電力線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)施可顯著提高PLC的性能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以使PLC系統(tǒng)成功或失敗，使用正確的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有可能達(dá)到100%成功的電力線通信?？紤]到大多數(shù)電力線通信應(yīng)用支持同一電力線上有數(shù)十到數(shù)百節(jié)點(diǎn)連接，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷，這樣所有節(jié)點(diǎn)可以公平地共享線上可用帶寬，沒有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)占通信通道。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的定義和實(shí)施也確定了可以在同一條線上通訊的PLC節(jié)點(diǎn)最大數(shù)量。
接收機(jī)靈敏度。根據(jù)電力線的特點(diǎn)、負(fù)載、和通過電力線的分段長度，信號(hào)在接收機(jī)接收之前會(huì)明顯減弱。有較高接收靈敏度的接收機(jī)（也就是說，它可以可靠地接收到非常低強(qiáng)度的信號(hào)）可以從線上收到較低強(qiáng)度的信號(hào)，從而可以增加有效的通訊距離。然而，高靈敏度并不總是好的，重要的是，需要有一個(gè)機(jī)制可以有效的防止接收機(jī)把噪聲混淆為實(shí)際信號(hào)。自適應(yīng)增益控制（AGC）就是可以達(dá)到這個(gè)目的一種機(jī)制。使用自適應(yīng)增益控制，接收機(jī)可以在噪聲平面動(dòng)態(tài)調(diào)整靈敏度，這樣它就可以更好的區(qū)分噪聲和數(shù)據(jù)。
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