電力載波通信的特征及應用意義

鄧瑞麒

廣東電網公司江門供電局 廣東 江門 529000

引言

在現代工業生產與日常生活中，對于電力能源的需求相對增加，保障電力網絡的安全運行，是滿足此類需求的必要手段。近年來，隨著電力企業擴大技術要素的配置比例，電力系統的運行效率獲得了大幅度提升，與此同時，電力系統對于通信技術的依賴程度也日益提高。在這種情況下，為了提高電力供給側的安全性、有效性、穩定性，要求增強對電力載波通信（Power Line Carrier Communications，PLC）的運用，一方面滿足數字信號高速傳輸需要，另一方面保障電力系統特有的通信技術要求。下面先對該技術的原理做出說明[1]。

1 電力載波通信原理概述

電力載波通信是電力系統中的特殊通信方式，作為一種信息傳輸媒介，適用于低壓、中壓、高壓電力線方面的語音與其他數據傳輸。實踐經驗表明，對于該技術的運用已經為智能電網的發展奠定了堅實基礎，較好地推動了電能計量自動化。進入“十四五”建設時期后突出了高質量發展主題，擴大了中、低壓電力線方面的載波通信技術應用需求。以低壓電力線載波通信技術為例，主要是把低壓電力線路當成載波傳輸媒介的通信方式。常用技術包括擴頻載波與正交頻分復用，一方面旨在借助偽隨機編碼調制傳送信息，另一方面重點集中在信道相互重疊及正交頻分復用技術的傳輸，屬于多載波調制技術[2]。

從應用原理方面看，主要是借助對原始信號的調制，將信號頻率控制在不同線路傳輸頻帶，借助耦合單元完成信號傳輸，較好地解決多頻率范圍內的噪聲干擾。其中，對于原始信號的調制包括1次或多次，常用的調制方案中，包括基于信源、調制解調器、耦合單元、低壓電力線的關聯調制，以及基于信宿、調制解調器、耦合單元、低壓電力線的關聯調制。例如，在10kV線路中，將樓宇配電間PLC局端與配電柜相連后，一方面將10kV電壓通過配電變壓器轉換為220V低壓后，按照PLC局端→交換機→出口路由器→Internet進行連接。另一方面按照配電柜→用戶電表→PLC Modem→PC機進行連接。此時建立小區內的完整低壓電力線載波通信系統，并完成低壓載波通信目標。

2 電力載波通信的特征分析

2.1 變化特征

電力系統應用時以供給側與需求側的均衡為首要目標，電力網絡中的低壓電力線路直接與需求側的電力用戶關聯，無論是工業用電，還是生活用電，電力用戶的需求始終處于變化狀態，包括時變性與隨機性。當用戶使用時接入負載種類與大小不同時，電力載波通信也表現為時變性與隨機性，由此也導致了預測電力用戶需求時的困難。同時，低壓配電網絡十分復雜，會受到客觀環境因素、主觀電力使用因素的影響，在這種情況下會造成低壓電力載波通信技術應用時的變化特征。

2.2 干擾特征

在低壓電力線路中應用電力載波通信技術時，會受到噪聲干擾的影響。根據現階段的研究與實踐經驗總結情況看，此類噪聲類型包括：穩定背景噪聲、窄帶干擾噪聲、突發性噪聲、周期脈沖噪聲。當此類干擾噪聲產生影響時，其中的周期脈沖噪聲干擾最強。而且接入用電設備時的隨機接入與斷開方式會造成突發性噪聲。與之相比，背景噪聲則分布于整個電力載波通信頻帶之中。

2.3 阻抗特征

按照電力載波通信原理應用時的理論設想，在最理想的狀態下，低壓配電網絡輸入阻抗，按照頻率的增大而變小。實際情況是，在低壓配電網中低壓線路輸入阻抗不依照該規律發生變化[3]。此時的變化特征趨于復雜化。從原因看，主要是低壓線路中連接了各種負載，在電力線路中產生了共振電路，而且在其數量較多的時，共振頻率與接近頻率段方面產生了低阻抗區域，加上負載接入與斷開時的隨機性，共同導致了輸入阻抗大幅度變化現象，由此也形成了電力載波通信技術輸入阻抗的復雜性特征。

2.4 衰減特征

低壓電力線中信號傳輸時，受到電力載波通信技術的變化特征、干擾特征、阻抗特征，以及其他客觀、主觀因素影響，信號傳輸時會產生反射現象、諧振現象等，在此過程中會伴隨信號衰減現象。例如，在低壓電力線路上傳輸高頻信號過程中，負載接入與斷開時，具有明顯的不可預測性，此時高頻信號會發生衰減。目前的研究認為，在信號傳輸階段發生的衰減與傳輸距離存在關聯，而傳輸過程中的頻率與其衰減幅度直接相關。當遇到反射與諧振時，衰減幅度相對較大，衰減特征也比較突出。

3 電力載波通信的應用意義

我國的電力載波通信技術研究與應用起步較晚，但在推廣應用后進展速度十分迅速。從當前應用情況看，電力線數據傳輸、電力線高速上網、電力調制解調技術應用范圍廣泛，對于擴頻載波通信技術、正交頻分復用技術應用相對增多，加上電力線載波芯片方面的研發設計，共同推動了該技術在電力系統的運用。

例如，在高壓電力線路中，載波通信技術的更新速度越來越快，偏遠變電站中的載波技術升級也有所增強。隨著該技術持續升級，在電力生產、電力營銷、電能計量、電話保護等方面，都可以發揮重大作用[4]。再如，從現有電力通信規程方面的要求看，站點通信中設有兩種物理路徑的路由，即使單一光纜通信獲得更新與升級，其中的載波通道也保留下來作為備用。尤其在智慧電力、智能電網、微型電網方面，主網通信阻礙因素越來越多，增加電力載波通信技術后，能夠較好地解決其中的電力線通信阻礙問題。除此之外，智能家居方面的綜合布線技術應用相對較多，各類智能家居設備的集成化程度越來越高，擴大了通信聯網功能需求，此時，借助家用設備載波通信通道，能夠將智能插座、自動控制電源、配電網負荷自動檢查等關聯起來，更好地調度電力使用，確保配電線路與配電調度主端的通信安全可靠性。所以，從電力載波通信技術的應用現狀、應用方向、應用趨勢看，該技術具有十分明確的現實意義。

4 電力載波通信的具體應用

電力載波通信應用時因其特征限制，存在諸多問題，為了降低此類影響，通常需要借助專門的電力載波Modem（調制或解調）芯片與外圍電路組成模塊，從而建立電力載波通信系統。以KQ-130電力載波通信系統（如圖1）為例，首先在電力載波通信系統硬件設計方面，主要包括數據發送與數據接收兩大部分，在前一個部分，主要通過基于單片機芯片的方式進行設計，在后一個部分則通過各個模塊的轉換與PC端接收實現。具體如下：

圖1 KQ-130電力載波通信系統示意

①在發送部分將單片機STC89C52（STC公司生產）作為發送源，通過其中的CMOS8位微控制器進行數據計算，可以直接通過Flash存儲器進行編程存儲。考慮到功能集中在數據發送方面，無須配套設置外部電路，此時僅需要應用KQ-130載波模塊，保障TTL電平轉換使用即可[5]。從實踐經驗看，該模塊工作頻率在120～135kHz，實際波特率與接口波特率分別為100bps、9600bps，模塊中除了用戶定義其1幀連續發送長度（1～250字節）外，不會對多余數據進行發送。而且，在供電電源、絕緣電阻、帶寬、帶外抑制功能、熱門收靈敏度方面，具有相對優勢，可以將模塊與GND直接連接，同時將單片機中的TXD、RXD與TX、RX引腳進行交叉連接，完成電源接口（接收與發送電源）設置后，直接把作為交流信號端的AC引腳與低壓電力線進行連接，從而形成“單片機（TXD/RXD/GND）→（TXD/RXD/GND）電力載波模塊（AC）→220V電力線”連接路徑。②在接收部分則主要按照“PC端電腦→USB-TTL（TXD/RXD/GND）→（TXD/RXD/GND）電力載波模塊（AC）→220V電力線”的連接路徑進行連接。其中，USB-TTL（PL2303芯片）模塊主要是將TTL電平信號轉換為USB電平，然后將其輸入到PC端的電腦之中。

其次，在軟件設計方面，可以按照“開始→初始化變量→初始化串口寄存器→串口發送數據→等待發送完畢→1=1？→結束”的程序設置標準流程。其中存在兩種情況[6]：①當1=1成立時，則返回到串口發送數據前端進行循環處理。②當1=1不成立時，則結束流程。在該軟件設計系統下，應用串行接口（Serial Interface）后，能夠借助3根線進行地線、發送、接收，較好地控制其應用系統應用成本。具體操作時主要是提按照單片機→串行通信接口→KQ-130電力載波模塊完成，其中在進行波特率的參數設置時以每秒多少個進行計數，其他參數包括數據位、停止位、奇偶校驗位，旨在借助數據位衡量其實際數據位，利用奇偶校驗位進行錯誤檢出，而停止位只用于對單個包最后一位的標記。按照透明工作方式與自定義工作模式，劃分出高電平與低電平同步運行模式。在降低傳輸噪聲方面，可以按照MODE引腳接地進行自定義模擬傳輸數據噪聲控制。例如，在對“12 34 56”三組數據進行傳輸過程中，采用一幀第二個字節到第n+1個字節進行傳輸，需要在其前增加“03”，從而在KEIL編程中應用串口反復發送9600bps下的“03 12 34 56”數據。最后，通過系統運行調試可以較好地實現反復發送數據功用。

5 結束語

總之，電力行業智能化轉型升級過程中，增強了電力系統的智能性，為了滿足其中不同電力線中的數據傳輸需求，要求配套應用電力線載波通信技術。結合上述初步分析可以看出，電力載波通信技術的原理相對簡單，其技術特征集中在可靠性要求高、線路噪聲大、線路阻抗變化大等方面。但是，在低電力線載波通信方面，應用前景十分廣闊，具有明確的現實意義。因而建議在當前該技術應用現狀良好、應用方向越來越多的情況下，盡可能在吸收傳統電力載波通信技術的基礎上，增強對新型電力載波通信技術的研討與應用推廣，為我國新時期電力系統的安全穩定運行提供技術支持。