电力线通信技术在物联网与传感器技术中的应用

1.PLC概述

电力线通信（PLC）是利用电力线传输数据和语音信号的一种通信方式。电力线通信已经有几十年发展历史，在中高压输电网（35kV以上）上通过电力线载波机利用较低的频率（9～490kHz）传送数据或语音，就是电力线通信技术应用的主要形式之一。在低压（220V）领域，PLC技术首先用于负载控制、远程抄表和家居自动化，其传输速率一般为200bit/s或更低，称为低速PLC。近几年，国内外开展利用低压电力线传输速率在1Mbit/s以上的PLC技术，称为高速PLC。高速PLC已可传输高达45Mbit/s的数据，而且能同时传输数据、语音、视频和电力，有可能带来“四网合一”的新趋势。

图3-2所示为典型的PLC系统应用示意图。在配电变压器低压出线端安装PLC主站，将电力线高频信号和传统的光缆等宽带信号进行互相转换。PLC主站的一侧通过电容或电感耦合器连接电力电缆，注入和提取高频PLC信号；另一侧通过传统通信方式，如光纤、CATV、ADSL等连接至互联网。在用户侧，用户的计算机通过以太网接口或USB接口与PLC调制解调器相连，普通电话机通过RJ11接口连至PLC调制解调器，而PLC调制解调器直接插入墙上插座。如果PLC高频信号衰减较大或干扰较大，可以在适当的地点加装中继器以放大信号。

图3-2 典型的PLC系统应用示意图

PLC利用输电线路作为信号的传输介质，人们利用电力线可以传输电话、电报、数据和远方保护信号等。由于电力线机械强度高、可靠性好、不需要线路的基础建设投资和日常的维护费用，因此PLC具有较高的经济性和可靠性，在电力系统的调度通信、生产指挥、行政业务通信以及各种信息传输方面发挥了重要作用。而且随着家庭自动化和智能大楼概念的出现，PLC能方便地为各种设备（如警报系统的传感器）提供通信链路。近年来，低压PLC作为最后1km的一种解决方案也已经取得成功，特别是在小区内采用低压网作为局域网的接入方案已经投入使用。因此，PLC由于其经济、可靠性而逐渐受到人们的重视。

2.PLC的关键技术

目前国际上高速PLC采用的调制技术主要有扩展频谱技术和正交频分复用（OFDM）技术。其中OFDM技术以它独特的优点在宽带、高速PLC中成为最有吸引力的技术，它成功地解决了PLC技术中的大部分问题。

正交频分复用（OFDM）技术是一种并行数据传输系统，可以在同一电力线上不同带宽的信道上传输数据。这些数据可以相互重叠、彼此正交，重叠越大，分成的信道数也就越多。所有信道加在一起就可以获得较高的数据传输速率和更有效的频谱利用率。OFDM系统的调制和解调过程等效于离散傅里叶逆变换和离散傅里叶变换处理。其核心技术是离散傅里叶变换，若采用数字信号处理器（DSP）技术和快速傅里叶变换（FFT）算法，无需束状滤波器组，实现比较简单，最新技术已经实现了高达200Mbit/s的通信带宽。

3.PLC的特点

（1）高压载波路由合理，投资较低

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，并且载波通道建设无须考虑线路投资，因此当之无愧地成为电力通信的基本通信方式。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。

（2）频带受限，容量较小

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”。尽管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。近年来，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。(www.xing528.com)

（3）可靠性要求高

电力线载波机要求具有较高的可靠性，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20世纪80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。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（如配电网自动化和抄表系统的载波部分）和电力线上网调制解调器。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。

（4）线路噪声大

电力线路作为通信介质带来的噪声干扰远比电信线路大得多、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。

（5）对外界的干扰

由于高压电力线载波频段限制在40～500kHz，只要控制载波机的谐波和交调干扰发射功率足够小，即可避免对外界的干扰。值得研究的是，在220V线路上的扩频电线上网装置的干扰问题，这类装置为了实现高速数据通信，往往占用频带达30MHz甚至更多。据国外报道，当电力线数据通信使用2～30MHz的频带传输数据时，将对该频段的短波无线电广播等产生影响。目前我国还没有建立这方面的标准，应当将这种干扰限制在何种程度还需要进一步研究。

（6）网络应用要求更高

现代通信对电力线载波的要求也更侧重于网络方面，需要将原先仅限于通道的概念扩展为网络概念。以往的电力线载波机主要靠自动盘和音转接口实现小范围的联网。而将载波机与调度机协同考虑，实现载波机协同变电站调度机的组网应用，以及适当设置能够与通信网监测系统接口的数据采集变送器，应当是近几年考虑的问题。在电力线载波中、低压线路上的应用在开始阶段就是建立在网络应用的基础上的。

4.应用PLC时应注意的问题

传统的PLC主要利用高压输电线路作为高频信号的传输通道，仅仅局限于传输语音、远动控制信号等，应用范围窄，传输速率较低，不能满足宽带化发展的要求。目前PLC正在向大容量、高传输速率方向发展，同时转向采用低压配电网进行载波通信，实现家庭用户利用电力线打电话、上网等多种业务。国外，如美国、日本、以色列等国家，正在开展低压配电网通信的研究和试验。由美国3COM、Intel、Cisco和日本松下等13家公司联合组建使用电力线作为传输介质的家庭网络推进团体——“家庭插电联盟”（Home Plug Powerline Al-liance），已经提出家庭插座计划，旨在推动以电力线为传输介质的数字化家庭。我国也正在进行利用电力线上网的试验研究。可以预见，在将来，人们可以使用电力线实现计算机联网及互联网接入、小区安全监控、智能自动抄表、家庭智能网络管理等业务，以低压电力线为传输介质的载波通信技术必将得到更为广泛的关注和研究。未来的PLC应该能实现通信业务的综合化、传输能力的宽带化和网络管理的智能化，并能实现与远程网的无缝连接，但同时还应注意以下几个问题：

硬件平台选择：主要包括通信方式的合理选择、通信网络结构的优化选择等。扩频方式、OFDM技术和多维网格编码方式各有优点，哪一种适合低压网还有待研究，或者也可以采用软件无线电的思想为这3种方式提供一个统一的平台。电力网结构非常复杂，网络拓扑千变万化，如何优化通信网络结构也是一个值得研究的问题。

软件平台选择：主要包括进一步研究PLC通信理论，改进信号处理技术和编码技术，以适应PLC特殊的环境。除了研究适合PLC的调制技术、编码技术外，还需要研究自适应信道均衡、回波抵消、自适应增益调整等技术，这些技术在低压PLC对保障通信尤为重要。

网络管理问题：除了上网、打电话外，低压电力线还可以完成远程自动读出水、电、气表数据；永久在线连接，构建防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统；构建医疗急救系统等。因此利用电力线可以传输数据、语音、视频和电力，实现“四网合一”，也就是说，家中的任何电器都可以接入到网络中，与骨干网连接。但是如何实现4种网络的无缝连接，以及由此带来的非常复杂、庞大的网络管理问题需要进一步研究。