- 探討電力線(xiàn)通信的典型應用與關(guān)鍵技術(shù)
- 學(xué)習窄帶PLC的典型應用設計
- 了解寬帶PLC的應用
- 研究電力線(xiàn)通信的可靠性的關(guān)鍵技術(shù)
電力線(xiàn)組成了世界上最大的銅線(xiàn)基礎設施。家庭或辦公大樓的每個(gè)角落都有電源插座，因此電力線(xiàn)是一種全包圍網(wǎng)絡(luò )。電力線(xiàn)通信（Power Line Communication，PLC）技術(shù)就是通過(guò)載波方式將模擬或數字信號在配電線(xiàn)上進(jìn)行高速傳輸的技術(shù)。用電力線(xiàn)作為數據傳輸介質(zhì)，利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信不需要重新布線(xiàn)，信號不會(huì )因為通過(guò)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(dòng)抄表系統，燈光控制等許多領(lǐng)域受到青睞。
窄帶PLC的典型應用設計
自動(dòng)抄表系統是最典型的PLC應用。下圖就是PLC技術(shù)典型的應用案例——遠程電表自動(dòng)抄表系統的示意圖。電表通過(guò)電力線(xiàn)與集中器進(jìn)行數據交換。集中器通常位于變壓器附近，是網(wǎng)絡(luò )的核心管理者。它負責網(wǎng)絡(luò )管理、數據集中采集、命令傳送等工作；同時(shí)還通過(guò)上行線(xiàn)路（PSTN或RF等）與主站進(jìn)行數據交換和信息傳遞。一臺集中器可管理幾十至幾百只電表。在這個(gè)系統中，集中器會(huì )按照設定的時(shí)間間隔讀取各個(gè)電表的運行數據，并把數據傳送給主站，實(shí)現自動(dòng)遠程集中抄表。
PLC也常應用于照明控制。在傳統照明應用中，。傳統照明架構允許獨立地控制某個(gè)燈，而建立在總線(xiàn)拓撲上的標準支持獨立地控制多個(gè)燈；雖然DALI和DMX512可以從一個(gè)控制器獨立地控制多個(gè)燈，但DALI和DMX512都要求安裝額外的控制線(xiàn)。
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以上的自動(dòng)抄表系統和照明控制系統都是窄帶PLC的典型應用?？傮w來(lái)說(shuō)，窄帶PLC可以應用于需要與連接著(zhù)電力線(xiàn)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(dòng)化包括集中控制燈光、HVAC(加熱、通風(fēng)和空調)、電器和其它系統，從而提高便利性、舒適性、能效和安全性。由于家庭自動(dòng)化系統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(yáng)能：光伏電池板(太陽(yáng)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(shí)現遙控和實(shí)時(shí)監視。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(gè)電池板或整個(gè)電池場(chǎng)。實(shí)時(shí)監視方便維護監視、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(chē)至電網(wǎng)：隨著(zhù)智能電網(wǎng)部署的展開(kāi)，上升的燃油成本以及更高性?xún)r(jià)比的電動(dòng)汽車(chē)對電動(dòng)汽車(chē)充電站提出了更多的要求。這種汽車(chē)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之間實(shí)現雙向通信。PLC是理想的解決方案，因為它使用已經(jīng)安裝好的電力線(xiàn)，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等現代調制方式，具有高速、抗噪音、傳輸距離長(cháng)、覆蓋率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。根據有關(guān)數據統計，預計在2012到2016年間，新安裝的智能電表數量達到4.75億個(gè)，其中，中國將安裝1.7億個(gè)智能電表，有近5000萬(wàn)個(gè)智能電表將采用寬帶PLC技術(shù)，中國寬帶PLC市場(chǎng)高速增長(cháng)的時(shí)期很快就會(huì )到來(lái)。
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(gè)終端電器的信息調制到低壓電力線(xiàn)上，載波頻率一般在幾百kHz左右。一個(gè)區域的電表數據通過(guò)窄帶PLC網(wǎng)絡(luò )匯聚到集中器，再由集中器通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入其他網(wǎng)絡(luò )?？梢?jiàn)，基于窄帶PLC實(shí)現的窄帶電力線(xiàn)抄表系統速率低，只適合簡(jiǎn)單的抄表數據單向傳送，而無(wú)法支持其他業(yè)務(wù)，擴展性差。此外，它還是專(zhuān)用網(wǎng)，需要集中器和專(zhuān)門(mén)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(jìn)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(shí)，由于室內網(wǎng)PLC鏈路的距離都較近(幾十米以?xún)?，正好發(fā)揮了PLC的長(cháng)處并避免了其缺點(diǎn)，可保證數據傳輸的可靠性。
2010年，中國國家電網(wǎng)為世博會(huì )組建了采用寬帶PLC的AMI接入網(wǎng)，90秒內可收集942個(gè)電表的數據，并且成功讀表率也為100%。該方案中，每個(gè)傳輸中心采用了兩個(gè)集中器，每77個(gè)電表使用一個(gè)采集器，總共覆蓋了842個(gè)電表。
寬帶PLC讓家庭聯(lián)網(wǎng)更具效率。電力線(xiàn)是普及最廣的線(xiàn)路，進(jìn)入家家戶(hù)戶(hù)，甚至一個(gè)樓里的每間房間都有電源插座。整個(gè)低壓配電網(wǎng)的結構（包括戶(hù)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(xiàn)（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(huà)公司和有線(xiàn)電視公司競爭的第三軍團。
電力線(xiàn)通信的可靠性的關(guān)鍵技術(shù)
首先是EMC問(wèn)題。無(wú)論是窄帶還是寬帶PLC通信，都面臨著(zhù)電磁兼容性的問(wèn)題。由于電網(wǎng)中傳輸的是強電，而且電網(wǎng)的穩定性比傳統的通信網(wǎng)差得多，使得電力線(xiàn)通信線(xiàn)路的電磁環(huán)境極為復雜。這就給電力線(xiàn)通信系統提出了更高的電磁兼容要求，電磁兼容技術(shù)也成了實(shí)現電力線(xiàn)通信所需的關(guān)鍵技術(shù)之一。
利用配電網(wǎng)進(jìn)行高速數據通信，曾經(jīng)得到過(guò)強烈的反對。各國的相關(guān)部門(mén)對 PLC 究竟會(huì )不會(huì )對其他系統產(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(wú)線(xiàn)用戶(hù)之間尋找利平衡。
歐洲從2000年起開(kāi)始研究PLC系統的技術(shù)框架和技術(shù)標準，目前已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。主要相關(guān)的國際組織有CENELEC和ETSI，前者側重電磁兼容問(wèn)題，后者側重通信技術(shù)方面的統一標準。雖然根據一系列測試來(lái)看，被測試的 PLC 設備所產(chǎn)生的電磁干擾沒(méi)有超過(guò)標準限值，但為了保證PLC能在大多數場(chǎng)合安全、方便地使用，仍需要解決EMC的問(wèn)題。解決問(wèn)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(gè)問(wèn)題是通信的可靠性。影響電力線(xiàn)通信系統性能和可靠性的因素包括）發(fā)送信號強度、電力線(xiàn)噪聲、電力網(wǎng)絡(luò )阻抗、網(wǎng)絡(luò )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(zhù)更多的信號功率經(jīng)過(guò)電力線(xiàn)。較強的信號是不易受電力線(xiàn)噪聲影響的，可以傳輸地更遠。發(fā)送信號的強度也會(huì )影響電力線(xiàn)通信節點(diǎn)功耗，因為信號能量輸入到電力線(xiàn)越多，節點(diǎn)消耗的能量也越多。當選擇一個(gè)電力線(xiàn)通信設備時(shí)，檢查一下發(fā)送信號是否符合目標市場(chǎng)的強度大小要求。同時(shí)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，這樣你可以根據其他系統調試Tx信號強度。此外，確認PLC節點(diǎn)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(xiàn)噪聲。一旦發(fā)射信號注入到電力線(xiàn)，其完整性取決于線(xiàn)路上噪聲大小——噪聲越強對噪聲的信號破壞就越大。電力線(xiàn)噪聲可以簡(jiǎn)單地分為兩種類(lèi)型：脈沖型和連續型。脈沖噪聲是不可預知的，類(lèi)型的噪聲會(huì )完全覆蓋線(xiàn)路上的任何數據包。連續噪聲比脈沖噪聲更容易預測。連續噪聲通常取決于社區，城市，或國家的電力線(xiàn)安裝質(zhì)量。因為電力基礎設施最初是設計來(lái)用于有效地傳輸電力而不是數據，所以電力線(xiàn)安裝時(shí)很少注意到線(xiàn)路的噪聲水平。根據系統工作在地球的哪個(gè)地方，電力線(xiàn)噪聲可能大也可能小。
電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )阻抗。電力線(xiàn)上的信號阻抗會(huì )影響信號功率，可以由發(fā)射機傳輸到電力線(xiàn)。此阻抗依賴(lài)于電力線(xiàn)和連接到電力線(xiàn)的節點(diǎn)/設備的阻抗。每次設備或節點(diǎn)插進(jìn)電源插座時(shí)電力線(xiàn)阻抗都會(huì )發(fā)生變化。當電力線(xiàn)信號阻抗和發(fā)射機電路匹配時(shí)，傳輸的信號功率最大。這兩個(gè)阻抗相差越大，傳輸信號功率越小，因而，電力線(xiàn)通信性能會(huì )更差。這種阻抗動(dòng)態(tài)變化是在電力線(xiàn)通訊中最棘手的問(wèn)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(xiàn)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(xiàn)匹配阻抗，可以使信號最大化傳輸，同時(shí)接收機高阻抗可以確保接收端信號丟失最少。
網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。一個(gè)良好的魯棒性和無(wú)差錯的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議可能對電力線(xiàn)通信的可靠性有最大的影響。系統設計很少有不受物理因素控制的，如噪聲和電力線(xiàn)阻抗，最優(yōu)化電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的實(shí)施可顯著(zhù)提高PLC的性能。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議可以使PLC系統成功或失敗，使用正確的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，有可能達到100%成功的電力線(xiàn)通信?？紤]到大多數電力線(xiàn)通信應用支持同一電力線(xiàn)上有數十到數百節點(diǎn)連接，網(wǎng)絡(luò )協(xié)議對節點(diǎn)間的數據包進(jìn)行判斷，這樣所有節點(diǎn)可以公平地共享線(xiàn)上可用帶寬，沒(méi)有一個(gè)節點(diǎn)可以獨占通信通道。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的定義和實(shí)施也確定了可以在同一條線(xiàn)上通訊的PLC節點(diǎn)最大數量。
接收機靈敏度。根據電力線(xiàn)的特點(diǎn)、負載、和通過(guò)電力線(xiàn)的分段長(cháng)度，信號在接收機接收之前會(huì )明顯減弱。有較高接收靈敏度的接收機（也就是說(shuō)，它可以可靠地接收到非常低強度的信號）可以從線(xiàn)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(gè)機制可以有效的防止接收機把噪聲混淆為實(shí)際信號。自適應增益控制（AGC）就是可以達到這個(gè)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(dòng)態(tài)調整靈敏度，這樣它就可以更好的區分噪聲和數據。
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