電力線通信技術原理及應用

電力線通信(MV-PLC)技術是指利用電力傳輸網絡中的中壓電力線(通常指10KV電壓等級)作為信號傳輸媒介，進行語音、數據信息的傳輸。該技術首先被應用于中壓配電網的自動化數據傳輸平臺中；近年來，中壓電力線寬帶網絡接入以其基礎設施完備、分布廣泛、成本低廉的特點，正越來越受到關注，尤其是在偏遠農村或者人口稀少的地區，具有極強的實用價值。

中壓PLC應用領域

中壓輸電網覆蓋面積廣大，應用領域繁多，中壓配電自動化對于國民經濟的發展具有重要的意義，相關應用包括用電負荷控制、電網運行監測、集中抄表等。配電網自動化往往有數量巨大且分布分散的節點需進行控制和數據采集，故對數據通道的經濟性有較高要求。中壓PLC技術將傳統中壓電力網轉變成為數據通信網，在建設成本、運行和維護費用等方面具有天然的優勢，目前在韓國、美國、西班牙等國家已得到良好的應用，國內也開展了大量的研究和實踐。

隨著互聯網的飛速發展，Internet在生產生活中發揮著日益重要的作用，而PLC技術也在寬帶網絡接入手段中占據了重要的地位。從戶外中壓PLC到戶內低壓PLC的接入方案，被認為是解決寬帶接入的“最后一公里”問題的理想方案，該類研究興起于北美，近年來發展迅速。

對于中壓電力線網絡，由于其業已存在的廣泛分布，成為了在偏遠地區實現高速網絡接入的理想媒介，以縮短和消除城市地區與農村地區，發達地區與不發達地區之間的“數字鴻溝”。在偏遠或者人口密度較低的地區，短期內通過PLC以外的其它技術手段實現較大帶寬的數字通信服務，會面臨較多的困難；在城市地區廣泛使用的xDSL或者通信光纜一般均難以鋪設到這些地區；衛星通信在一些地區可以實現，但是低通信速率以及信道租用和終端所帶來的高成本，使其大規模應用受到很大限制；以GSM、IS-95、WCDMA等為代表的蜂窩通信技術本身是針對高用戶密度的應用場景所設計，如果在用戶密度較低的地區使用，將帶來通信能力的嚴重浪費和高昂的運營成本，從而難以得到推廣和普及。

在發展中國家，這一矛盾尤其突出。就國內的情況而言，我國幅員遼闊，有相當數量的農村地區處于偏遠、人煙稀少的地帶，這些區域的通信發展相對滯后。據統計，我國行政村固定電話覆蓋率為94%~97%，數據通信的覆蓋率則更低。由于自然和經濟條件的制約，若采用現有的通信方式，改善這些地區的信息服務將面臨越來越多的困難。而行政村的通電率已接近100%，且電網覆蓋是區域發展的基本條件，因此，利用電力傳輸網絡實現寬帶網絡接入，是適合國情、可行并且經濟的方案，圖1為農村中壓PLC接入網系統的結構示意圖。


圖1農村中的PLC接入網系統

中壓電力線信道研究

電力線設計的初衷是傳遞頻率為50~60Hz的電力信號，將其功能擴展到語音或者數據信號傳輸時將面臨復雜的電磁環境。因此，對于PLC技術而言，針對電力線信道特性的研究是非常基礎和關鍵的。在我國，由于中壓線路分布和負載情況更為復雜，變電站間線路相對較短以及干擾相對較強，中壓電力線組網通信所面臨的物理層環境比較復雜和惡劣。近年來，相關科研機構對中壓電力線信道特性進行了卓有成效的研究，筆者也對我國北方典型農村地區的中壓電力線信道特性進行了多次實地測量和分析，這些研究成果為實際的工程應用提供了參考。

一般來說，電力線信道對于數字通信的負面影響主要來源于三個方面：變化的阻抗特性；頻率選擇性的信道衰減特性；有色背景噪聲和多種沖激噪聲。

研究信道阻抗特性的目的主要是為了實現信道與發射機、接收機之間的阻抗匹配，當阻抗失配時，將造成信號能量的浪費，甚至出現啞信號點。由于中壓配電網的分支多，負載情況復雜，線路阻抗會隨距離、頻率、時間而變化，且變化范圍大，一般在幾十歐~幾百歐之間，圖2即為中壓電力線阻抗特性隨頻率變化曲線。故在實現寬帶網絡接入時，阻抗匹配比較困難；目前，通常采用在耦合技術中通過犧牲匹配性能來適合線路側寬范圍內阻抗的方法，也有系統在發射機端采用阻抗自適應的功率放大設備等，以達到較好的阻抗匹配效果。


圖2中壓線路阻抗特性曲線