电力线通信技术原理及应用

中压电力线通信(MV-PLC)技术是指利用电力传输网络中的中压电力线(通常指10KV电压等级)作为信号传输媒介，进行语音、数据信息的传输。该技术首先被应用于中压配电网的自动化数据传输平台中；近年来，中压电力线宽带网络接入以其基础设施完备、分布广泛、成本低廉的特点，正越来越受到关注，尤其是在偏远农村或者人口稀少的地区，具有极强的实用价值。

中压PLC应用领域

中压输电网覆盖面积广大，应用领域繁多，中压配电自动化对于国民经济的发展具有重要的意义，相关应用包括用电负荷控制、电网运行监测、集中抄表等。配电网自动化往往有数量巨大且分布分散的节点需进行控制和数据采集，故对数据通道的经济性有较高要求。中压PLC技术将传统中压电力网转变成为数据通信网，在建设成本、运行和维护费用等方面具有天然的优势，目前在韩国、美国、西班牙等国家已得到良好的应用，国内也开展了大量的研究和实践。

随着互联网的飞速发展，Internet在生产生活中发挥着日益重要的作用，而PLC技术也在宽带网络接入手段中占据了重要的地位。从户外中压PLC到户内低压PLC的接入方案，被认为是解决宽带接入的"最后一公里"问题的理想方案，该类研究兴起于北美，近年来发展迅速。

对于中压电力线网络，由于其业已存在的广泛分布，成为了在偏远地区实现高速网络接入的理想媒介，以缩短和消除城市地区与农村地区，发达地区与不发达地区之间的"数字鸿沟"。在偏远或者人口密度较低的地区，短期内通过PLC以外的其它技术手段实现较大带宽的数字通信服务，会面临较多的困难；在城市地区广泛使用的xDSL或者通信光缆一般均难以铺设到这些地区；卫星通信在一些地区可以实现，但是低通信速率以及信道租用和终端所带来的高成本，使其大规模应用受到很大限制；以GSM、IS-95、WCDMA等为代表的蜂窝通信技术本身是针对高用户密度的应用场景所设计，如果在用户密度较低的地区使用，将带来通信能力的严重浪费和高昂的运营成本，从而难以得到推广和普及。

在发展中国家，这一矛盾尤其突出。就国内的情况而言，我国幅员辽阔，有相当数量的农村地区处于偏远、人烟稀少的地带，这些区域的通信发展相对滞后。据统计，我国行政村固定电话覆盖率为94%~97%，数据通信的覆盖率则更低。由于自然和经济条件的制约，若采用现有的通信方式，改善这些地区的信息服务将面临越来越多的困难。而行政村的通电率已接近100%，且电网覆盖是区域发展的基本条件，因此，利用电力传输网络实现宽带网络接入，是适合国情、可行并且经济的方案，图1为农村中压PLC接入网系统的结构示意图。


图1农村中的PLC接入网系统

中压电力线信道研究

电力线设计的初衷是传递频率为50~60Hz的电力信号，将其功能扩展到语音或者数据信号传输时将面临复杂的电磁环境。因此，对于PLC技术而言，针对电力线信道特性的研究是非常基础和关键的。在我国，由于中压线路分布和负载情况更为复杂，变电站间线路相对较短以及干扰相对较强，中压电力线组网通信所面临的物理层环境比较复杂和恶劣。近年来，相关科研机构对中压电力线信道特性进行了卓有成效的研究，笔者也对我国北方典型农村地区的中压电力线信道特性进行了多次实地测量和分析，这些研究成果为实际的工程应用提供了参考。

一般来说，电力线信道对于数字通信的负面影响主要来源于三个方面：变化的阻抗特性；频率选择性的信道衰减特性；有色背景噪声和多种冲激噪声。

研究信道阻抗特性的目的主要是为了实现信道与发射机、接收机之间的阻抗匹配，当阻抗失配时，将造成信号能量的浪费，甚至出现哑信号点。由于中压配电网的分支多，负载情况复杂，线路阻抗会随距离、频率、时间而变化，且变化范围大，一般在几十欧~几百欧之间，图2即为中压电力线阻抗特性随频率变化曲线。故在实现宽带网络接入时，阻抗匹配比较困难；目前，通常采用在耦合技术中通过牺牲匹配性能来适合线路侧宽范围内阻抗的方法，也有系统在发射机端采用阻抗自适应的功率放大设备等，以达到较好的阻抗匹配效果。


图2中压线路阻抗特性曲线
　　
信道衰减特性对于数字通信的效果有着重要影响。中压线路的衰减比低压线路的衰减严重，有实验表明，平均每100m幅值衰减可达到8dB~11dB。同时，中压线路的衰减也表现出明显的频率选择性，在一些频率点或者频段，会出现深度的传输衰减。由大量分支点造成的多径效应被认为是一个主要原因。实验证明，在这些深度衰减的频段上，很难实现成功的通信连接，必须在实际通信系统中予以回避。

中压电力线平均噪声功率在-60~-70dBm/Hz左右。其中，由多种低功率噪声的叠加而成的有色背景噪声功率一般在-60~-70dBm/Hz之间，在一些频段可低于-80dBm/Hz，其整体随频率增高而减弱，且功率谱变化较慢，一般为分钟甚至小时量级；主要由通信带宽内的广播电台等其它无线通信信号造成的窄带噪声，平均占用2k~4kHz的带宽，功率较高，较背景噪声高出约30~50dBm/Hz，该类干扰一般长时稳定存在；对通信效果影响最大的是冲激噪声，该类噪声随机产生，持续时间很短，一般为几十或者几百毫秒，绝大部分功率高于背景噪声10~30dBm/Hz，当冲激噪声发生时，噪声频段内的数据传输将可能出现严重的突发性误码。图3为我国农村中压电力线在40k~560kHz频段内的典型噪声频谱。