低壓電力線載波通信技術(shù)探討

程萬勝, 張 潔, 張玉忠

(1.遼寧科技大學(xué), 遼寧 鞍山 114001; 2.南京鋼鐵集團(tuán) 電爐廠, 江蘇 南京 210035)

低壓電力線載波通信技術(shù)探討

程萬勝1, 張 潔1, 張玉忠2

(1.遼寧科技大學(xué), 遼寧 鞍山 114001; 2.南京鋼鐵集團(tuán) 電爐廠, 江蘇 南京 210035)

介紹了低壓電力線載波通信技術(shù)的相關(guān)概念,以及在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷程,簡(jiǎn)述了電力線通信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和幾款常用的調(diào)制解調(diào)芯片,列舉了在遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表和接入網(wǎng)方面的應(yīng)用實(shí)例。最后指出智能電網(wǎng)是低壓電力線載波通信技術(shù)的主要發(fā)展方向。

正交頻分復(fù)用; 低壓電力線載波通信; 調(diào)制解調(diào)芯片; 遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表; 接入網(wǎng)

0 引 言

近年來,調(diào)制解調(diào)技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)電力線載波通信(Power Line Carrier Communication,PLCC)技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。PLCC是以現(xiàn)有的電力線為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與信息交換的一種載波通信方式,具有成本低、覆蓋面廣和組網(wǎng)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),受到國(guó)內(nèi)外業(yè)界人士及相關(guān)企業(yè)的高度關(guān)注及重視。但由于低壓配電網(wǎng)最初的目的只是用來傳輸電能而并非進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,其信道環(huán)境惡劣、頻率選擇性衰減、時(shí)變性強(qiáng)等因素阻礙了在通信方面的發(fā)展。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),低壓PLCC都只能應(yīng)用于低速載波通信領(lǐng)域,無法發(fā)揮其應(yīng)有的作用。近年來，由于數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展和正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Devision Multiplexing,OFDM)技術(shù)的應(yīng)用才使低壓PLCC有了突破性的進(jìn)展,進(jìn)入高速載波通信階段。

電力線載波芯片是PLCC技術(shù)的核心器件。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)載波芯片都有不同程度的研究,并取得一定的成果。

本文介紹了目前國(guó)內(nèi)外在低壓供電網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)對(duì)PLCC技術(shù)的研究及應(yīng)用情況,并介紹了幾種應(yīng)用較廣泛的電力線載波芯片或模塊。

1 低壓PLCC技術(shù)

低壓PLCC[1]主要應(yīng)用于為用戶提供Internet接入、遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表、智能家居等方面。目前,低壓PLCC的應(yīng)用開發(fā)主要集中在低速和高速兩個(gè)方面。低速方面以遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表技術(shù)(電表或電、水、氣三表)等為主;高速方面是接入Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[2]。

低壓PLCC技術(shù)一般分寬帶PLCC和窄帶PLCC兩種。寬帶PLCC的帶寬為2～30 MHz之間,通信速率一般在1 Mb/s以上,多采用OFDM調(diào)制技術(shù)。寬帶PLCC具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但因其信號(hào)衰減大,通信距離短而不能有效覆蓋。窄帶PLCC的帶寬為3～500 kHz(歐洲為9～150 kHz),通信速率小于1 Mb/s,多采用ASK、FSK、PSK傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)及擴(kuò)頻技術(shù)。窄帶PLCC容易實(shí)現(xiàn),但抗干擾能力弱,適用于實(shí)時(shí)性低、傳輸速率和可靠性要求不高的場(chǎng)合[3-4]。

PLCC將寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話網(wǎng)、中低壓配電網(wǎng)和有線電視網(wǎng)有效聯(lián)合起來,實(shí)現(xiàn)四網(wǎng)合一。但由于電力線固有的信道衰落特性,使信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中存在信號(hào)衰減大、干擾大、時(shí)變性大、多徑效應(yīng)等問題,影響通信的可靠性。傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)無法解決上述問題。OFDM技術(shù)將信道分成若干正交子信道,將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流,調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸,具有抗多徑時(shí)延、抗頻率選擇性衰落、傳輸速率高、頻帶利用率高、均衡技術(shù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),適用于電力線通信[5-6]。

2 國(guó)內(nèi)外PLCC技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外情況

國(guó)外對(duì)PLCC技術(shù)的研究比較早。早在1993年英國(guó)曼徹斯特Norweb供電公司就完成世界上首個(gè)低壓電力線上的25個(gè)終端用戶的電話與數(shù)據(jù)通信試驗(yàn),并開發(fā)出2 MHz帶寬、速率為1 Mb/s的系統(tǒng)。之后,英國(guó)Sweb公司在電力線上開發(fā)提供包括水、天然氣、電能自動(dòng)抄表功能的系統(tǒng)。1997年,英國(guó)Norweb公司和加拿大北電網(wǎng)絡(luò)(Nortel)在低壓配電網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)1 Mb/s的遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)傳輸速率,并進(jìn)行市場(chǎng)推廣。最近幾年,德國(guó)、日本和韓國(guó)等國(guó)家相繼掌握并利用低壓電力線的高速互聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)。美國(guó)Intellon公司的14 Mb/s芯片已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水平。國(guó)際上還成立了一些組織進(jìn)行PLCC的標(biāo)準(zhǔn)化工作,但至今還未出臺(tái)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[7-9]。

寬帶電力線通信已經(jīng)成為各國(guó)研究的熱點(diǎn),并在局部地區(qū)已進(jìn)入實(shí)用階段。其發(fā)展模式有兩種:家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)模式和Internet最后1 km接入技術(shù)。以美國(guó)為首的HomePlug聯(lián)盟利用PLCC技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的信息互聯(lián),主要研究方向是智能電網(wǎng)和智能小區(qū);歐洲國(guó)家和亞洲國(guó)家,如日本、韓國(guó)等則致力于研究Internet高速接入網(wǎng)方面的應(yīng)用,利用PLCC實(shí)現(xiàn)最后1 km的接入技術(shù)[10]。

2.2 國(guó)內(nèi)情況

國(guó)內(nèi)對(duì)高速PLCC技術(shù)的研究較晚,但發(fā)展得很快。

1997年,中國(guó)電力科學(xué)院開始PLCC的研究,并于2000年實(shí)現(xiàn)了1 Mb/s的通信速率。2001年,國(guó)電通信中心建立國(guó)內(nèi)第一個(gè)PLCC產(chǎn)品測(cè)試實(shí)驗(yàn)室和首個(gè)PLCC寬帶接入Internet實(shí)驗(yàn)小區(qū);2002年首次實(shí)現(xiàn)電力線上網(wǎng)和電話功能,開通了首次由我國(guó)自主研發(fā)的PLCC寬帶接入系統(tǒng)。2009年,國(guó)家電網(wǎng)開始進(jìn)行智能電網(wǎng)的建設(shè)。2010年,國(guó)內(nèi)首個(gè)電力線通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室——國(guó)家電網(wǎng)公司電力線通信應(yīng)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室通過國(guó)家電網(wǎng)公司科技部組織的驗(yàn)收。同年7月,福建省電力科學(xué)研究院推出了運(yùn)用四網(wǎng)合一電力線通信新技術(shù)的200 Mb/s電力線調(diào)制解調(diào)器[11-12]。

3 幾種典型的電力線調(diào)制解調(diào)芯片

3.1 國(guó)外PLCC標(biāo)準(zhǔn)和載波芯片

近十幾年來,隨著PLCC技術(shù)的迅猛發(fā)展,國(guó)外許多國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)相繼開展對(duì)高速PLCC技術(shù)的研發(fā)。目前,各大公司已自主研發(fā)出各種不同速率的PLCC調(diào)制解調(diào)芯片及模塊,并制定了相關(guān)適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。其中美國(guó)Intellon公司和西班牙DS2公司的芯片市場(chǎng)占有率最高。

3.1.1 PLCC標(biāo)準(zhǔn)

(1) 家庭插座電力線聯(lián)盟HomePlug。該聯(lián)盟由松下、英特爾、惠普、夏普等13家公司于2000年3月成立,現(xiàn)已發(fā)展成為由90家公司組成的企業(yè)聯(lián)盟,致力于為各種信息家電產(chǎn)品建立開放的電力線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入規(guī)范。

HomePlug 1.0技術(shù)規(guī)范是Home Plug第一代高速電力線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)規(guī)范,是全球第一個(gè)PLCC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。采用以太網(wǎng)、USB、802.11 WiFi 接口將PC機(jī)或其他設(shè)備與電力線相連接,OFDM技術(shù)調(diào)制,頻帶寬度為4.3～20.9 MHz,數(shù)據(jù)速率達(dá)14 Mb/s。

增強(qiáng)型HomePlug 1.0(HomePlug 1.0-Turbo)是在HomePlug 1.0的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的,其數(shù)據(jù)速率可達(dá)85 Mb/s,可用于高速電力線通信和寬帶接入[13]。

(2) PRIME標(biāo)準(zhǔn)是電力線智能計(jì)量發(fā)展聯(lián)盟提出的高速、窄帶PLCC的AMR標(biāo)準(zhǔn),是第一種基于OFDM技術(shù)的高速窄帶技術(shù)解決方案。其工作在3～95 kHz范圍內(nèi),數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)128 kb/s,具有低成本、低功耗、高速率、魯棒性較高等優(yōu)點(diǎn)[14-15]。

(3) G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)是由G3-PLC聯(lián)盟專為智能電網(wǎng)通信而設(shè)計(jì)的全球電力線通信開放協(xié)議,通信速率為20～240 kb/s,現(xiàn)已被IEEE、ITU、IEC/CENLEC等機(jī)構(gòu)采納。G3-PLC規(guī)范屬于窄帶電力線通信的協(xié)議,采用OFDM技術(shù),并內(nèi)置糾錯(cuò)機(jī)制和高效信道編碼技術(shù),通過電力線向智能電網(wǎng)傳輸數(shù)字信息,具有傳輸速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[16-17]。

3.1.2 幾款常用載波芯片

(1) 美國(guó)Intellon公司相繼推出14、54、85、200 Mb/s的載波芯片,其中14 Mb/s的芯片應(yīng)用最為廣泛。

INT5130芯片是一個(gè)帶IEEE802.3u MII接口的單芯片寬帶電力線網(wǎng)絡(luò)控制器,與INT1000收發(fā)器配合使用,其傳輸速率達(dá)到14 Mb/s。采用Intellon的專利PowerPacket OFDM技術(shù),完全符合HomePlug電力線聯(lián)盟行業(yè)規(guī)范。

INT5lXl芯片是一塊理想的基于PLCC寬帶接入的調(diào)制/解調(diào)芯片,采用OFDM技術(shù),基于DBPSK/DQPSK調(diào)制原理,其最高傳輸速率可達(dá)14 Mb/s。

INT5200芯片是Intellon公司的第三代電力線調(diào)制解調(diào)芯片,可替代INT51X1系列的產(chǎn)品。單片集成媒介訪問控制層(MAC)、物理層(PHY)和模擬前端(AFE),應(yīng)用PowerPacket技術(shù),傳輸速率可達(dá)14 Mb/s。

SSC P200/300/485系列芯片采用擴(kuò)頻載波通信技術(shù)、DSP技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的CEBus協(xié)議,可稱為智能Modem芯片,體現(xiàn)了Modem芯片的發(fā)展趨勢(shì),主要針對(duì)智能家居,對(duì)通信距離要求不高。

(2) 西班牙DS2公司相繼推出45、100、200、400 Mb/s的高速電力載波通信芯片及配套的AFE放大芯片。

DSS8101 Montgo芯片組,通信速率達(dá)100 Mb/s。DSS9101和DSS7800屬AitanaTM芯片組,通信速率達(dá)200 Mb/s。

DSS9501兼容DSS9101和DSS7800,還可兼容通信速率為400 Mb/s的芯片。

DSS9960芯片速率為400 Mb/s,符合G.hn通信標(biāo)準(zhǔn)。

此外,還有Echelon、Maxim、ST、ADD、Yitran等公司針對(duì)各個(gè)地區(qū)、不同領(lǐng)域推出各自的電力載波芯片,如Maxim公司的MAX2992是基于OFDM的電力線調(diào)制解調(diào)器,與MAX2991模擬前端一起構(gòu)成完備的PLCC芯片組,專門用于智能電網(wǎng)的通信;ST公司推出的STCOMET10系統(tǒng)芯片,采用模塊化和集成化混合信號(hào)設(shè)計(jì),滿足專用智能電表的需求[18]。

3.2 國(guó)內(nèi)載波芯片

由于我國(guó)低壓配電網(wǎng)的電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、居民住宅分布狀況、PLCC應(yīng)用領(lǐng)域等方面與國(guó)外有很大的不同之處,故國(guó)外的載波芯片在我國(guó)不能直接應(yīng)用,需要對(duì)國(guó)外的芯片進(jìn)行相關(guān)改造。目前,需要研發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的電力線載波芯片,并制定相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)。

(1) 青島東軟推出的SSC1641芯片是專門為電力線介質(zhì)作為通信信道而設(shè)計(jì)的PLCC芯片。SSC1641采用低功耗、高速CMOS Flash工藝,可自動(dòng)匹配1.2、2.4、4.8、9.6 kb/s,適用于多種應(yīng)用,特別適用于PLCC載波智能電能表的實(shí)現(xiàn),為智能電能表提供最佳的AMR解決方案。

PLCi38-III是青島東軟的第三代載波通信芯片,采用半雙工、擴(kuò)頻通信技術(shù)及BFSK調(diào)制方法,具有通信可靠性高、成本低、功耗低、外圍器件少等特點(diǎn)。此外,還有PLCi36-III、PLCi36G-III-E、PLCi38-III-E等相關(guān)芯片。

青島東軟還推出了電力線載波產(chǎn)品,如PLCS1641、PLCT1641等模塊,不過都是應(yīng)用于自動(dòng)抄表系統(tǒng)。

(2) MI200E是彌亞微電子推出的一款專門針對(duì)低壓電力線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的高集成度、高性能的半雙工調(diào)制解調(diào)PLCC芯片。其可工作于碼分多址(CDMA)方式,提供載波偵聽和有效幀指示信號(hào),可方便地實(shí)現(xiàn)基于共享信道的網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議。

MI200E采用過零同步傳輸技術(shù),避開電力線重載區(qū),大大提高了通信的穩(wěn)定性和可靠性。自適應(yīng)可變通信速率采用不同的通信速率(200、400、800、1 600 b/s),滿足現(xiàn)場(chǎng)的各種需求,最大程度地提高系統(tǒng)整體性能,其通信頻段滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

(3) SG5000、SG3000兩個(gè)芯片是南瑞集團(tuán)國(guó)電公司于2013年推出的采用完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)TDS-OFDM核心技術(shù)的電力線寬帶載波通信芯片,首次使用2～12 MHz中頻帶進(jìn)行電力線通信,主要用于用電信息采集和智能家居領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在電力線通信信道上的調(diào)制、解調(diào)以及數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)功能。其中SG5000用于集中器等局端側(cè),SG3000用于采集器、中繼器以及電表等終端。

此外,還有青島鼎信、北京福星曉程、長(zhǎng)沙數(shù)碼新竹、瑞斯康、國(guó)電龍?jiān)吹裙径贾铝τ赑LCC的研究。

4 PLCC應(yīng)用

4.1 遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)

遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。采用高速電力調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行組網(wǎng),速率可高達(dá)10 Mb/s。該系統(tǒng)主要由電力網(wǎng)絡(luò)(包括電表、數(shù)據(jù)采集器、電力調(diào)制解調(diào)器)和抄表中心服務(wù)器組成,其中數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行脈沖采集、數(shù)據(jù)保存、協(xié)議轉(zhuǎn)換(RS-232轉(zhuǎn)換為TCP/IP)的操作,具有斷電保護(hù)功能;抄表中心接收并整理來自用戶電表的數(shù)據(jù)后進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和保存,同時(shí)提供Web服務(wù)供用戶查詢。此外,電表可以是水表、氣表或熱量表,利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電表、水表、氣表、熱量表的集中抄收。

圖1 遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 接入網(wǎng)

接入網(wǎng)是歐洲國(guó)家和亞太地區(qū)高速PLCC的發(fā)展模式,光纜或其他高速的通信線路連接到樓內(nèi)總配電室后,利用220/380 V線路實(shí)現(xiàn)樓內(nèi)總配電室到每個(gè)住戶的最后1 km高速數(shù)據(jù)接入。接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 在接入網(wǎng)系統(tǒng)中,發(fā)送端將用戶數(shù)據(jù)調(diào)制后通過電力線傳輸?shù)浇邮斩?接收端接收數(shù)據(jù)后經(jīng)濾波器將調(diào)制信號(hào)濾出,解調(diào)后得到原始的信號(hào)。美國(guó)Maxim、西班牙DS2等公司的電力載波芯片均可應(yīng)用于接入網(wǎng),速度可達(dá)200 Mb/s。

圖2 接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié) 語

介紹了低壓PLCC的發(fā)展現(xiàn)狀,并對(duì)國(guó)內(nèi)外載波芯片的應(yīng)用進(jìn)行分析。目前,我國(guó)在窄帶通信方面的技術(shù)與應(yīng)用已日趨成熟,但寬帶通信方面還遠(yuǎn)落后于國(guó)際水平,缺乏自主研發(fā)的寬帶載波芯片,相關(guān)的通信標(biāo)準(zhǔn)還未制定。

智能電網(wǎng)是今后PLCC技術(shù)的主要發(fā)展方向,PLCC技術(shù)是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)部分。隨著PLCC的不斷發(fā)展和成熟,積極制定和研發(fā)符合我國(guó)實(shí)際的通信標(biāo)準(zhǔn)及載波芯片,是我國(guó)PLCC的發(fā)展趨勢(shì)。

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Discussion about Low Voltage Power Line Carrier Communication Technology

CHENG Wansheng1, ZHANG Jie1, ZHANG Yuzhong2

(1.Liaoning University of Science and Technology, Anshan 114001, China; (2.Eletric Furnace Plant of Nanjing Steel Group, Nanjing 210035, China)

This paper simply introduced the related concepts of low voltage power line carrier communication(PLCC) technology,and its development both at home and abroad.The power line communication standards and a few commonly used modulation demodulation chips were briefly described.The applications of remote automatic meter reading and access network were illustrated.Finally,the main developing direction of the low voltage PLCC technology in the future was pointed out.

orthogonal frequency division multiplexing; low voltage; power line carrier communication(PLCC); modem chip; remote automatic meter reading; access network

程萬勝(1969—),男,副教授,研究方向?yàn)楣I(yè)測(cè)控及通信技術(shù)。

TN 913.6

A

1674-8417(2015)03-0017-05

2014-10-24

張 潔(1990—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)榈蛪弘娏d波通信技術(shù)及應(yīng)用。

張玉忠(1968—),男,工程師,從事工業(yè)系統(tǒng)通信技術(shù)方面的研究。