- 探討電力線通信的典型應用與關(guān)鍵技術(shù)
- 學習窄帶PLC的典型應用設計
- 了解寬帶PLC的應用
- 研究電力線通信的可靠性的關(guān)鍵技術(shù)
電力線組成了世界上最大的銅線基礎設施。家庭或辦公大樓的每個角落都有電源插座，因此電力線是一種全包圍網(wǎng)絡。電力線通信（Power Line Communication，PLC）技術(shù)就是通過載波方式將模擬或數(shù)字信號在配電線上進行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。用電力線作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，利用已有的電力配電網(wǎng)絡進行通信不需要重新布線，信號不會因為通過建筑物墻壁而受到衰減甚至屏蔽，相對較為低廉的成本，使這項技術(shù)在電表自動抄表系統(tǒng)，燈光控制等許多領域受到青睞。
窄帶PLC的典型應用設計
自動抄表系統(tǒng)是最典型的PLC應用。下圖就是PLC技術(shù)典型的應用案例——遠程電表自動抄表系統(tǒng)的示意圖。電表通過電力線與集中器進行數(shù)據(jù)交換。集中器通常位于變壓器附近，是網(wǎng)絡的核心管理者。它負責網(wǎng)絡管理、數(shù)據(jù)集中采集、命令傳送等工作；同時還通過上行線路（PSTN或RF等）與主站進行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。一臺集中器可管理幾十至幾百只電表。在這個系統(tǒng)中，集中器會按照設定的時間間隔讀取各個電表的運行數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送給主站，實現(xiàn)自動遠程集中抄表。
PLC也常應用于照明控制。在傳統(tǒng)照明應用中，。傳統(tǒng)照明架構(gòu)允許獨立地控制某個燈，而建立在總線拓撲上的標準支持獨立地控制多個燈；雖然DALI和DMX512可以從一個控制器獨立地控制多個燈，但DALI和DMX512都要求安裝額外的控制線。
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以上的自動抄表系統(tǒng)和照明控制系統(tǒng)都是窄帶PLC的典型應用?？傮w來說，窄帶PLC可以應用于需要與連接著電力線的設備雙向通信的任何地方。例如：
智能家庭和電器：家庭自動化包括集中控制燈光、HVAC(加熱、通風和空調(diào))、電器和其它系統(tǒng)，從而提高便利性、舒適性、能效和安全性。由于家庭自動化系統(tǒng)的目標是將所有家庭電氣設備相互連接在一起，因此PLC是一種理想的方法。
太陽能：光伏電池板(太陽能電池板)必須加以仔細管理才能提供最佳性能，這涉及到利用通信實現(xiàn)遙控和實時監(jiān)視。遙控用于控制電池板傾斜度以便最大限度地提高光照量，還用于控制單個電池板或整個電池場。實時監(jiān)視方便維護監(jiān)視、檢測硅劣化/電池替換需求、氣候條件、盜竊以及輸出功率和效率。
汽車至電網(wǎng)：隨著智能電網(wǎng)部署的展開，上升的燃油成本以及更高性價比的電動汽車對電動汽車充電站提出了更多的要求。這種汽車至電網(wǎng)(V2G)基礎設施的部署要求在充電站和計費與管理系統(tǒng)之間實現(xiàn)雙向通信。PLC是理想的解決方案，因為它使用已經(jīng)安裝好的電力線，能夠提供強大的安全性，并具有很大的擴容能力。
寬帶PLC的應用
與窄帶電力載波（PLC）技術(shù)相比，寬帶電力載波技術(shù)利用了高頻波段(幾MHz~幾十MHz)，使用OFDM、QAM等現(xiàn)代調(diào)制方式，具有高速、抗噪音、傳輸距離長、覆蓋率高等諸多優(yōu)點。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，預計在2012到2016年間，新安裝的智能電表數(shù)量達到4.75億個，其中，中國將安裝1.7億個智能電表，有近5000萬個智能電表將采用寬帶PLC技術(shù)，中國寬帶PLC市場高速增長的時期很快就會到來。
寬帶PLC抄表更具效率。目前較成熟的遠程抄表大多采用窄帶PLC技術(shù)，是將各個終端電器的信息調(diào)制到低壓電力線上，載波頻率一般在幾百kHz左右。一個區(qū)域的電表數(shù)據(jù)通過窄帶PLC網(wǎng)絡匯聚到集中器，再由集中器通過網(wǎng)關(guān)接入其他網(wǎng)絡。可見，基于窄帶PLC實現(xiàn)的窄帶電力線抄表系統(tǒng)速率低，只適合簡單的抄表數(shù)據(jù)單向傳送，而無法支持其他業(yè)務，擴展性差。此外，它還是專用網(wǎng)，需要集中器和專門鋪設電纜，部署復雜且費用昂貴。這都與目前提倡的三網(wǎng)融合的先進理念相違背。寬帶PLC設備工作在高頻波段，物理層速率可達200Mb/s (Homeplug1.1)，大大降低了元件和設備成本。同時，由于室內(nèi)網(wǎng)PLC鏈路的距離都較近(幾十米以內(nèi))，正好發(fā)揮了PLC的長處并避免了其缺點，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />
2010年，中國國家電網(wǎng)為世博會組建了采用寬帶PLC的AMI接入網(wǎng)，90秒內(nèi)可收集942個電表的數(shù)據(jù)，并且成功讀表率也為100%。該方案中，每個傳輸中心采用了兩個集中器，每77個電表使用一個采集器，總共覆蓋了842個電表。
寬帶PLC讓家庭聯(lián)網(wǎng)更具效率。電力線是普及最廣的線路，進入家家戶戶，甚至一個樓里的每間房間都有電源插座。整個低壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)（包括戶外電纜）非常適合互聯(lián)網(wǎng)接入，可以提供最后1公里的解決方案。作為又一種寬帶接入手段，寬帶電力線（BPL）在前幾年就引起了人們的關(guān)注。不少人都期望寬帶PLC能夠使電力公司在高速接入方面成為有能力跟電話公司和有線電視公司競爭的第三軍團。
電力線通信的可靠性的關(guān)鍵技術(shù)
首先是EMC問題。無論是窄帶還是寬帶PLC通信，都面臨著電磁兼容性的問題。由于電網(wǎng)中傳輸?shù)氖菑婋?，而且電網(wǎng)的穩(wěn)定性比傳統(tǒng)的通信網(wǎng)差得多，使得電力線通信線路的電磁環(huán)境極為復雜。這就給電力線通信系統(tǒng)提出了更高的電磁兼容要求，電磁兼容技術(shù)也成了實現(xiàn)電力線通信所需的關(guān)鍵技術(shù)之一。
利用配電網(wǎng)進行高速數(shù)據(jù)通信，曾經(jīng)得到過強烈的反對。各國的相關(guān)部門對 PLC 究竟會不會對其他系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾也非常關(guān)注，試圖在發(fā)展寬帶技術(shù)和保護無線用戶之間尋找利平衡。
歐洲從2000年起開始研究PLC系統(tǒng)的技術(shù)框架和技術(shù)標準，目前已經(jīng)取得了一定的進展。主要相關(guān)的國際組織有CENELEC和ETSI，前者側(cè)重電磁兼容問題，后者側(cè)重通信技術(shù)方面的統(tǒng)一標準。雖然根據(jù)一系列測試來看，被測試的 PLC 設備所產(chǎn)生的電磁干擾沒有超過標準限值，但為了保證PLC能在大多數(shù)場合安全、方便地使用，仍需要解決EMC的問題。解決問題的出路大致有兩條：一是降低發(fā)信功率，使電磁騷擾低于規(guī)定限值；二是控制使用頻率，在敏感頻段嚴格限制，一般頻段適當放松。
第二個問題是通信的可靠性。影響電力線通信系統(tǒng)性能和可靠性的因素包括）發(fā)送信號強度、電力線噪聲、電力網(wǎng)絡阻抗、網(wǎng)絡協(xié)議和接收機靈敏度。
發(fā)送信號的強度。較強的發(fā)送信號意味著更多的信號功率經(jīng)過電力線。較強的信號是不易受電力線噪聲影響的，可以傳輸?shù)馗h。發(fā)送信號的強度也會影響電力線通信節(jié)點功耗，因為信號能量輸入到電力線越多，節(jié)點消耗的能量也越多。當選擇一個電力線通信設備時，檢查一下發(fā)送信號是否符合目標市場的強度大小要求。同時也應該符合FCC和CENELEC標準。理想的情況是，發(fā)送增益應該是可配置的，這樣你可以根據(jù)其他系統(tǒng)調(diào)試Tx信號強度。此外，確認PLC節(jié)點消耗多少能量，從而達到FCC和CENELEC要求的最佳發(fā)射信號的強度。當然，能量消耗越少越好。電力線噪聲。一旦發(fā)射信號注入到電力線，其完整性取決于線路上噪聲大小——噪聲越強對噪聲的信號破壞就越大。電力線噪聲可以簡單地分為兩種類型：脈沖型和連續(xù)型。脈沖噪聲是不可預知的，類型的噪聲會完全覆蓋線路上的任何數(shù)據(jù)包。連續(xù)噪聲比脈沖噪聲更容易預測。連續(xù)噪聲通常取決于社區(qū)，城市，或國家的電力線安裝質(zhì)量。因為電力基礎設施最初是設計來用于有效地傳輸電力而不是數(shù)據(jù)，所以電力線安裝時很少注意到線路的噪聲水平。根據(jù)系統(tǒng)工作在地球的哪個地方，電力線噪聲可能大也可能小。
電力線網(wǎng)絡阻抗。電力線上的信號阻抗會影響信號功率，可以由發(fā)射機傳輸?shù)诫娏€。此阻抗依賴于電力線和連接到電力線的節(jié)點/設備的阻抗。每次設備或節(jié)點插進電源插座時電力線阻抗都會發(fā)生變化。當電力線信號阻抗和發(fā)射機電路匹配時，傳輸?shù)男盘柟β首畲?。這兩個阻抗相差越大，傳輸信號功率越小，因而，電力線通信性能會更差。這種阻抗動態(tài)變化是在電力線通訊中最棘手的問題之一。如果想要達到的電力信號性能的魯棒性，那么電力線通信的發(fā)射機和接收機需要事先設計能預測這些阻抗的變化。發(fā)射機的不斷地和電力線匹配阻抗，可以使信號最大化傳輸，同時接收機高阻抗可以確保接收端信號丟失最少。
網(wǎng)絡協(xié)議。一個良好的魯棒性和無差錯的網(wǎng)絡協(xié)議可能對電力線通信的可靠性有最大的影響。系統(tǒng)設計很少有不受物理因素控制的，如噪聲和電力線阻抗，最優(yōu)化電力線通信網(wǎng)絡協(xié)議的實施可顯著提高PLC的性能。網(wǎng)絡協(xié)議可以使PLC系統(tǒng)成功或失敗，使用正確的網(wǎng)絡協(xié)議，有可能達到100%成功的電力線通信?？紤]到大多數(shù)電力線通信應用支持同一電力線上有數(shù)十到數(shù)百節(jié)點連接，網(wǎng)絡協(xié)議對節(jié)點間的數(shù)據(jù)包進行判斷，這樣所有節(jié)點可以公平地共享線上可用帶寬，沒有一個節(jié)點可以獨占通信通道。網(wǎng)絡協(xié)議的定義和實施也確定了可以在同一條線上通訊的PLC節(jié)點最大數(shù)量。
接收機靈敏度。根據(jù)電力線的特點、負載、和通過電力線的分段長度，信號在接收機接收之前會明顯減弱。有較高接收靈敏度的接收機（也就是說，它可以可靠地接收到非常低強度的信號）可以從線上收到較低強度的信號，從而可以增加有效的通訊距離。然而，高靈敏度并不總是好的，重要的是，需要有一個機制可以有效的防止接收機把噪聲混淆為實際信號。自適應增益控制（AGC）就是可以達到這個目的一種機制。使用自適應增益控制，接收機可以在噪聲平面動態(tài)調(diào)整靈敏度，這樣它就可以更好的區(qū)分噪聲和數(shù)據(jù)。
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