電力線載波通信技術的發展及特點

呂 劍，李 森

（西安特銳德智能充電科技有限公司，陜西 西安 710003）

0 引 言

電力載波通信是一種以高壓電力線、中壓電力線以及低壓電力線為信息傳輸媒介，進行語音和數據傳輸的特殊通信方式。隨著國家智能電網的建設，電能計量自動化已成為智能電網發展的基礎。借助電力線載波通信能有效實現電能計量的自動化。目前，電力載波技術還在不斷發展，社會的需求也在不斷增加，使得中、低壓電力線載波通信技術擁有廣闊的發展空間。電力通信的廣泛應用，給該行業未來的發展提供了良好的基礎。

1 電力線載波通信發展現狀

電力通信網很好地保障了電力系統運行的安全性和穩定性。在實際通信過程中，對信息的可靠性和傳輸速度的要求很高。目前，世界上很多國家都建立了電力系統專用通信網，用來保證傳輸的穩定性。電力線載波通信網是電力通信的基礎網絡。我國對電壓等級超過35 kV的輸電線路開通了電力線載波通道，構成了一個大型的電力載波通信網，主要供市級及市級以下的變電站和大用戶使用，用于調度通信、遠動通信以及綜合自動化通信[1]。

隨著數字媒體的發展，該技術對通信速度的要求越來越高。為保證傳輸的高效性，要求當前電力線載波不能只是簡單完成電力通信及電網和數據的信息交互。從實際的發展現狀來看，我國電力通信發展水平參差不齊，電力通信規則要求每個變電站必須有兩種以上的通信方式和能互補的電信通道。此外，我國電力線載波通信的市場需求很大，要求相關研究人員加強在電力載波功能上的改革。

2 電力線載波技術的特點

2.1 可靠性要求高

電網調制信息非常關鍵。為隔離電壓保證系統的安全作業，對電力線載波機的要求非常高，設備出廠前要進行嚴格的檢測。國家對該項設備有強制性規定，國家質檢總局也建立了強制性生產許可證管理制度，嚴格把控每個環節。隨著社會和科技的進步，開始出現如調制解調器和繼電保護收發器等多種電力通信裝置[2]。

2.2 線路噪聲大

電力載波通信的缺點是噪聲干擾。在高壓電路中，游離放電和絕緣子放電等都會產生較大噪聲，這種噪聲在突發狀況下還會伴有高電平。為得到更好的信噪比，應選擇輸出功率較大的電平載波機。低壓電力線載波通道的噪聲干擾通常有脈沖噪聲、同步和非同步噪聲以及無線電廣播等。

2.3 線路阻抗變化大

高壓電力線的正常阻抗范圍在300～400 Ω。當通道出現缺陷或容性負載時，載波通道的阻抗值會發生變化，從而導致通信中斷。對于低壓用戶配電網，載波通道的變化更大。負荷較大的情況下，線路阻抗不足1 Ω，對載波信號的傳輸影響較大，所以載波裝置不能用固定的阻抗進行輸出。

3 低壓電力線載波通信原理

低壓電力線載波通信是將低壓電力線路當作載波傳輸媒介的通信方式。在電力線路的載體上，有很多頻率范圍在100 kHz～20 MHz的噪聲。為確保信息的有效傳輸，必須將原始信號進行一次或者多次調制，使信號頻率保持在不同線路的傳輸頻帶上。放大調制后的高頻信號，耦合到電力傳輸線上進行信號傳輸。在另一個接收端，信號被解調后，載波處理器會接收到有效的載波信號。模擬信號與數字信號相比，更容易受到外界因素的干擾，所以調制時將信號調制成不易干擾的數字信號，原理如圖1所示。

圖1 低壓電力線載波通信原理圖

3.1 擴頻載波通信技術

擴頻載波通信技術的原理就是將發送的信息展寬到比信息帶寬的頻帶上，在通過接收端來接收信息，并使其恢復到信息帶寬。擴頻載波通信技術利用偽隨機編碼來調制需要傳送的信息，并在頻譜擴散后進行傳輸，在其接收端也使用同樣的編碼，來進行解調和處理。結合科學理論依據，如果適當增加頻帶的寬度，便可以在信噪比低的情況下，利用同樣的信息率來進行信息傳輸，且差錯概率小。由此也可以看出頻譜擴展技術能夠隱藏信號，而且抗干擾能力強，能夠很好的適應低壓電網中的噪聲干擾。

3.2 正交頻分復用原理

正交頻分復用技術是通過子信道的相互重疊，并結合并行數據傳輸技術和正交頻分復用技術來傳輸數據，是一種利用多載波來進行調制的技術。在應用這項技術時，可以將待傳輸的信息分成多個子信號，再利用子信號來調制多個相互正交的子載波，然后同時發送出去，再接收端進行相應的數據整合，以此來提高數據的傳輸效率。并行數據的傳輸可以提高信號的擴散效率，來緩解脈沖干擾噪聲的影響。在低壓電力配電網上，要想達到高速數字傳輸的目的，就可以選擇正交頻分復用技術，將其與信道編碼與交織技術結合起來，能夠保證通信的可靠性、有效性。

4 低壓電力載波通信的關鍵技術

4.1 直接序列擴頻技術

這項技術通過發送端利用高速率擴頻序列擴散信號頻譜，在接收端用一樣的擴頻碼序列實現信號的擴散，并還原接收到的信息。這種技術抗干擾能力較強，使用時不會影響到其他信號，且信號不會被其他裝置攔截，可靠性高。

4.2 多載波碼分復用技術

多載波碼分復用技術的原理是將正交頻分復用技術直接作用在載波碼分復用上。首先將每個信號進行擴頻，擴頻后將所有芯片都調制到一個載波上，由信道進行傳輸。接收到信息后，要實現正交頻分復用的解調和解擴，使各并行和串行間進行有效交換，從而恢復和檢測原始信號。多載波碼分復用技術的抗干擾能力非常強，而且頻帶利用率高，能有效避免因時延擴展引起的負作用。與正交頻分復用技術相比，多載波碼分復用技術的優勢在于能有效克服子載波衰落[3]，仿真原理如圖2所示。

5 低壓電力線載波信息技術的應用

5.1 在集中秒表上的應用

遠程秒表實時將居民所用水、電以及燃氣表盤的數據傳遞給控制中心，做到分時段計價，并由控制中心合理供給[4]。這種秒表的核心是遠程通信，即讀取表盤上的信息后，通過遠程通信方式進行傳輸。目前，這項技術的應用已經趨于成熟。

圖2 多載波碼分復用的仿真原理圖

5.2 在智能家居上的應用

目前，智能家居越來越普遍，給電力線載波技術提供了新的傳輸信號。但是，因為目前智能家居所處的環境比較復雜，傳輸時很容易發生串號和損耗問題，所以制定了相應的通信協議。所有電力線輔助設備如開關和傳感器等，都應該遵守這種協議，使不同廠家生產的電氣產品相互兼容，以完成相互間的交流。目前，我國電網電路間尚存在一定的干擾，在進行區域性交流時，可能會出現一些失誤，導致信號傳輸失敗。

5.3 在路燈控制上的作用

路燈作為耗電量較大的用電設備，利用低壓電力線載波通信技術可以將路燈的傳輸電力線當作通信渠道，并以此來傳輸信號。利用該項技術，可以在沒有額外低壓電力線敷設的情況下也能進行遠程信號的傳輸，并實現通信。這種信息傳輸的通信方式，其原理就是利用LC諧振電路以及功率放大電路將信號調制到高頻載波上。但是要達到這一目的，還需要安裝調制設備及載波終端機等用來輔助電力傳輸的設備。利用載波技術來實現通信，確保路燈能夠按照日升日落來控制開關時間，并且還能遵循天氣變化來自動調節光照強度，通過這樣的方式來控制路燈，能達到節能環保的目的。

6 低壓電力線載波通信技術的發展前景

我國低壓電力線載波通信技術雖然發展較晚，且與發達國家還存在一定的差距，但是我國的市場需求非常大，所以發展空間廣闊。國家電網的波阻抗會給通信造成干擾，在傳輸過程中易產生損失和輻射，導致信號減弱，所以解決波阻抗問題，降低輻射干擾是當下低壓電力線載波技術需要克服的關鍵問題，同時也將實現遠距離大容量載波通信的大規模發展。另外，擴頻技術將結合調制設備和傳輸技術共同發展，增加載波信號傳輸的容量，且具有很高的穩定性[5]。隨著市場的發展，低壓電力線的有關產品如通信芯片、前端自適應濾波以及通信協議等得到了更大的發展，未來的發展前景不可估量。

7 結 論

隨著國家電力行業的不斷發展，電力線載波通信技術的成熟度不斷提高，已成功應用于高壓、中壓以及低壓等領域，其中低壓電力線載波通信技術的應用尤為廣泛，對國家智能電網的發展起著重要作用。與發達國家相比，我國在電力線載波通信技術的設備方面還不夠成熟，但作為全球最大的發展中國家，我國有著完善的輸配電力線網絡，發展潛力巨大。