PLC铺路“四网合一”_电力

PLC铺路“四网合一”

中国电力科学研究院赵丙镇李祥珍 2003/02/28

　　电力线上网是电力线通信(Power Line Communication，简称PLC)技术的俗称，是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。电力线通信并不是新技术，已经有几十年的发展历史，在中高压输电网(35kV以上)上通过电力载波机利用较低的频率(9～490kHz)以较低速率传送远动数据或话音，就是电力线通信技术应用的主要形式之一。在低压(220V)领域，PLC技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动化，其传输速率一般为1200bps或更低，称为低速PLC。近几年国内外开展的利用低压电力线传输速率在1Mbps以上的电力线通信技术称之为高速PLC，由于该技术目前主要应用于互联网访问领域，又称为电力线上网。

　　工作原理与系统设备

　　在电力线上网系统中，一般在配电变压器低压出线端安装PLC主站，将PLC高频信号和传统的宽带通信信号进行互相转换。PLC主站的一侧通过电容或电感耦合器连接电力电缆，注入和提取高频PLC信号；另一侧通过传统通信方式，如光纤、CATV、xDSL等连接至Internet。在用户侧，用户的计算机通过以太网接口或USB接口与PLC调制解调器相连，普通话机通过RJ-11接口连至PLC调制解调器，而PLC调制解调器直接插入墙上插座。如果PLC高频信号衰减较大或干扰较大，可以在适当的地点加装中继器以放大信号。

　　电力线上网设备主要由接口、调制解调和耦合等三部分组成。电力线上网设备也需要供电，它的电力线接口除了为设备供电的功能以外，还承载着用于高速数据通信的高频信号，但信号与供电电路之间已经利用耦合单元进行了安全隔离，用户不必担心使用电力线上网设备会有触电的危险。

　　电力线上网设备采用的调制技术有OFDM（正交频分复用）、DMT（多载波调制）、扩频及常规的QPSK，FSK等。目前传输速率较高的电力线上网技术均采用OFDM调制，这是由于OFDM的频谱利用率极高的缘故。OFDM调制在电力线上网中的成功应用是近年来电力线上网技术取得突破性进展的重要原因之一。

　　高速PLC应用模式

　　当前高速PLC技术主要有两种应用模式：其一为以美国为代表的家庭联网模式。这种模式的高速PLC只提供家庭内部联网，户外访问使用其他传统的通信方式。这一方面是由于美国ADSL、HFC等技术和产品已经比较成熟和普及，更重要的是由于美国的低压配电变压器一般为单相，平均只为5～6个用户提供供电服务，推广电力线上网成本过高的缘故。

　　另一种模式是面向欧洲和亚太市场的电力线上网，因为这些地区的低压配电网结构比较类似，一般一台配电变压器为200～300个住宅用户提供供电服务，推广电力线上网服务平均成本较低。

　　优越性

　　同其他通信方式相比，高速PLC具有如下优越性。

1) 电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络所无法比拟的。它充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物和公用设施的破坏。

2) 可以为用户提供价格低廉的高速互联网访问服务、IP话音服务，从而使用户上网和打电话增加了新的选择，有利于同其他电信服务商的竞争。

3) 对家庭联网提供支持，使人们可以方便地尽享由PLC技术带来的家庭音、视频网络及多人对抗游戏等娱乐。

4) 是家居自动化的生力军，通过遍布各个房间的墙上插座将智能家电联网，提前享用数字化家庭的舒适和便利。

5) 利用PLC的永久在线连接构建的防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统，让上班族高枕无忧；构建的医疗急救系统，让家有老人、孩子和病人的家庭倍感方便。

6) 远程自动读出水、电、气表数据，为公用事业公司节省大量的抄表费用，也方便了用户。

7) 为电力公司提供负荷控制、需求侧管理的新手段，提高电力公司管理水平。

8) 电力公司以极低的投资就可以进入ISP、ICP和话音等电信服务市场，成为新的利润增长点。

9) 实现数据、话音、视频、电力“四网合一”，创造巨大的经济和社会效益。

　　不足

　　电力线上网的难点和不足体现在如下几个方面。

　　噪声问题。低压配电网上存在着频谱范围很宽的噪声源，对电力线通信的传输效果影响较大，必须采取相应的措施加以解决。

(1) 对于家用电器，尤其是计算机、电视机开关电源产生的噪声，以及利用可控硅制成的调节灯、节能灯及其相关产品所产生的噪声，可以通过加装滤波装置加以滤除，净化电力线通信环境。

(2) 开、关设备在电力线上所产生的噪声，电动马达所产生的强噪声，以及其他高频信号在空间传播过程中耦合到电力线上所产生的噪声，可以通过信道检测技术加以避让。

　　阻抗匹配问题。低压配电网线路阻抗低且波动很大，开关一盏电灯都将引起线路阻抗的变化，使电力线上网装置的输出阻抗和输入阻抗很难与线路阻抗完全匹配。这一点可以通过相应的AGC电路加以改善。

　　多径反射问题。低压配电网复杂的拓扑结构导致多径反射，引起信号的选择性衰减和码间串扰。采用OFDM调制方式可以有效改善这一状况。

　　电磁兼容性问题。由于高速PLC与短波收音机和业余无线电共用频段，而电力线相当于发射天线，如果发送功率过高，将产生电磁污染，干扰其他设备的正常运行。必须制定相应的规范加以避免，例如德国的NB30、美国的FCC15等。

　　信号衰减问题。线路阻抗和容性负载引起的信号衰减使接收端信噪比达不到要求。可以在电力线的相应位置加设中继以放大信号。

　　电力公司的助推器

　　随着电信和电力市场的逐渐开放，电力公司正在寻找支持其在市场上竞争优势的新方法。电力线上网提供了一种无需额外布线、低价高效、从配变抵达每个家庭的“最后三百米”解决方案，这对电力公司是一个极具诱惑的网络接入解决方案。利用已经存在的电力网设施，电力公司仅需投入较低的电力线上网设备费用，就可以迅速进入通信和网络市场，为其创造新的利润增长点，今天的电力公司完全可能成为明天的电信公司。此外，高速PLC提供的电力增值服务为电力公司节省了大笔的费用，这些服务包括远方自动抄表、需求侧管理、负荷控制、实时计费等。

　　电力公司提供电信服务，具有十分明显的优越性。首先其拥有比电信和有线电视多得多的电力用户、详尽的客户信息和费单系统；其次很多电力公司已经建立了深入各中高压变电站的高速光纤网络，用于电网监控和用电量信息的内部传输，有的电力公司甚至已将光纤架设到低压配电变压器。利用这些基础设施，加上高速PLC解决“最后三百米”、家庭网络方案，电力公司投入的费用是极少的，但产生的利润却是极为可观的。

　　对于不打算自己提供电力线上网服务的电力公司，可以向一个或多个独立的网络运营商(如电信、网通、联通、长城宽带等)颁发利用电力公司网络的许可证，并从中收取一定的网络租用费。

　　国内外商用化进程

　　当前，电力线上网商用化运营方面走在前列的是德国公司。早在2000年5月，德国顶级电力公司RWE就开始采用瑞士ASCOM的产品为埃森的电力用户提供电力线上网服务，速率达到2Mbps。在德国的曼海姆，当地的能源公司MVV采用以色列Main.Net公司的产品进行了商用化运营实验，并为此成立了合资公司PPC (Power PLUS Communications AG)。PPC可以为每个终端用户提供350Kbps ～1.2Mbps的带宽，典型小区的用户数为250到300户，最大传输距离为500米，一般的典型传输距离为150～180米。目前在曼海姆已经拥有4.5万个用户，2003年底有望达到12万，而其2006年的目标定则为50万户。PPC推出的PLC服务品牌为“VYPE”，初装费119欧元，用户可得到一个用户终端、5个邮件地址和5兆的网页空间。普通家庭的月租费为14.90欧元，每兆字节的收费为3.3欧分。包月家庭用户每月的费用为24.90欧元。

　　迄今为止，除德国在埃森和曼海姆的两个电力线上网项目投入商用化运营外，其他国家均在试点之中。其主要原因首先是法律上的，德国在2001年4月通过了一个法令，允许在电力线上经营Internet服务和电信服务，并制定了相应的规范NB30。从2001年12月起，我国的国电通信中心开始组织国内外厂商在北京的一些小区开展电力线上网实验。包括广华轩小区、华景园小区、善果小区、岳峰园小区、椿树园小区16号楼，以及华能平渊里小区等。

　　研发进展

　　自从Nor.Web公司取得了电力线载波技术的重大突破，实现了在低压配电网上进行1Mbps的远程通信以后，许多国家的研究机构相继开展了类似的研究和开发，如美国的Intellon、Inari(Intelogis)公司，以色列的ITRAN、Main.Net公司，韩国的Xeline公司，瑞士的ASCOM公司，德国的Polytrax公司，西班牙的DS2公司等，产品的传输速率也从1Mbps发展到2Mbps、14Mbps、24Mbps，甚至45Mbps。

　　在英国诞生高速PLC技术以后，我国的研究机构也进行了相应的研究，取得了一定的成果。中国电力科学研究院自1999年开始从事高速PLC的研究工作，开发了2Mbps、14Mbps、45Mbps等高速PLC系列产品。并于2001年8月起在沈阳电业新村小区建立了我国第一个高速PLC实验网络，开通了基于该网络的数字化社区。福建电力试验研究院基于家庭插电联盟标准，研制了10Mbps电力线调制解调器。

　　随着高速PLC研究的进一步深入，该技术也在不断发展中。一方面，高速PLC技术正在向更高速率的方向发展，西班牙DS2公司继推出45Mbps PLC芯片后，目前正在研制更高速率100Mbps，甚至200Mbps的芯片，预计将于2003年底前交付开发商使用。而Intellon公司也计划于2003年推出速率为54Mbps的芯片。

　　另一方面，随着技术的发展，利用位于中压变电站和低压配电变压器之间的中压(10kV)配电网传输高速(高于10Mbps)数据信号的设想也日益引起人们的重视，每条地埋中压电缆都可以被用于高速骨干网。最近的研究表明，地埋中压电缆的通道特性不亚于同轴电缆。如果能够解决中压配电网高频传输中的一些特殊问题(如补偿电容旁路，阻抗匹配等)，就可以充分利用现有资源，用中压配电网部分取代光纤、同轴电缆或双绞线作为(宽带骨干)通信网，可以为电力公司提供一个新的、极富前景的经济增长点。

　　相关组织与标准

　　在国际组织方面，当前电力线高速通信的国际组织主要有家庭插电联盟HPA(HomePlug Powerline Alliance)、电力线通信论坛PLC Forum。

　　由Cisco、英特尔、惠普、松下和夏普等13家公司组成的家庭插电联盟成立于2000年4月，致力于创造共同的家用电力线网络通信技术标准。HPA现已发展成为由90家公司组成的企业集团，并选用美国Intellon公司的技术作为统一技术标准的原型。2001年6月，HPA发布了其标准的第1个版本Home-Plug Specfication1.0，将数据传输速率定为14Mbps，采用OFDM调制解调技术，MAC层协议为CSMA/CA。该标准定位于家庭内部网络应用，对户外高速电力线接入涉及较少。

　　PLC Forum于2000年3月23日在瑞士成立。它的72个成员包括著名的Alcatel Microelectronics、Ascom、Cisco、Enikia、Nortel Networks、Polytrax等公司。论坛的目标是为所有对PLC感兴趣的制造商、客户、研究人员以及政府机构提供一个平台，促进他们交流和丰富有关PLC的知识。该论坛的市场目标是提供包括户外接入和户内联网在内的全面PLC解决方案。PLC Forum不制定标准，但致力于将会员的提议提交给国际标准化组织，促使其成为标准。

　　HPA和PLC Forum的工作大约有40%是重叠的，HPA偏重于室内联网，而PLC Forum则侧重于接入部分，它们使用不同的频段。另一个区别在于，PLC Forum主要与电力公司打交道，因为室外部分是电力公司的财产；而家庭内部的电力线不属于电力公司，所以HPA主要针对家庭用户进行工作。目前该组织正致力于放宽对PLC的电磁辐射限值，并纳入国际标准。

　　由于电力线通信产生的电磁波同短波收音机共用频段，它们之间会互相产生干扰，为了避免这种干扰，有必要制定一些标准和规范。目前世界上仅有英国的MPT1570、德国的NB30是专门针对高速PLC通信制定的法规。加上美国的通用电磁兼容标准FCC15，实际上高速PLC现有三个电磁兼容标准。三个标准中，FCC15最为宽松，NB30次之，MPT1570最为严格，

　　相比较而言，我国的电力线上网还处在试验阶段，没有相应的电磁兼容标准、也没有相应的产品检验准入机构。受原国家电力公司委托，中国电力科学研究院和国电通信中心正在对国际上有关高速PLC的标准、规范进行跟踪研究，以期尽快制定出符合我国国情的电力线上网规范，引导该技术向健康的方向发展。

点击一
几种常用接入技术的比较

通信方式	速率（bps）	可否同线传输话音	物理介质	评价
模拟调制解调器	56k	否	电话线	应用广泛、廉价但速度慢
ISDN	128k	是	电话线	应用不广，较普通电话线稍贵
ADSL	8M下行 1M上行	是	电话线	不干扰普通电话使用，频带专用不共享，频宽受距离限制，不能组网，最长5公里，串扰严重，出线率仅30%
VDSL	12M	是	电话线	不干扰普通电话使用，频带专用不共享，频宽受距离限制，不能组网，最远1.2公里
有线电视网	10M取决于用户数	否	同轴电缆	必须拥有现成的网络接入，并改造为双向传输；在新区域开办服务和铺设线路造价高昂；共享带宽，可组网
WLAN	11M	是	空气	易受建筑物阻挡，对天气状况敏感，受其他无线电波干扰
高速PLC	2~45M	是	电力线	无需新线，分布广泛，接入方便

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当前国际上高速PLC厂商和产品状况

公司	产品速率	应用范围	产品	类别
ASCOM	4.5Mbps 1.5Mbps	家庭网络Internet	在德国有商业化运营网络，在北京有实验网络	系统厂商
DS2	45Mbps	家庭网络Internet	上下行速率18Mbps/27Mbps不同衡，在西班牙有试验网络运行，在北京和沈阳有实验网络	芯片厂商
Inari	2Mbps	家庭网络Internet	被法国EasyPlug收购	芯片厂商
Intellon	14Mbps	家庭网络	HomePlug Specification 1.0的技术原型，在北京和沈阳有实验网络	芯片厂商
ITRAN	2.5Mbps	家庭网络Internet	ITM1芯片，使用扩频技术，Microsoft对其拥有股份	芯片厂商
Main.net	2.5Mbps	家庭网络Internet	采用ITRAN公司芯片，在德国有商业化网络运行	系统厂商
Nor.Web	1Mbps	Internet	DPL1000系列，率先在高速PLC领域取得突破的业界先驱，已停止研发	系统厂商
Siemens	1.2Mbps	家庭网络Internet	已停止研发	系统厂商
Xeline	14Mbps	家庭网络Internet	在北京有实验网络	系统厂商
中国电力科学研究院	2Mbps 14Mbps 45Mbps	家庭网络Internet	在北京和沈阳有实验网络	系统厂商
福建电力试验研究院	10Mbps	家庭网络Internet	在北京建有实验网络	系统厂商

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PLC的典型应用领域

华旗资讯谭斌

目前，电力线组网有如下几个应用领域。

1、宽带接入

　　对于“最后一公里”的解决方式来说，无论是Cable、xDSL还是LAN，在线路建设方面的投入都会远远大于电力线通信方式的投入，并且由于需要协同局端设备的支持，使得电信运营商的基础投资较大，而电力线通信系统，网络不需要大的改造，设备简单、易于维护，不但为客户带来迅捷的联网，而且为运营商带来巨大的收益。

2、证券、银行的交易系统

　　遍布各处的电力线资源为证券、银行等金融机构提供了简单、便捷的联网和工作方式，无论是海量的交易行情数据还是实时性要求严格的客户交易数据，都可以通过电力线传输，不再需要传统的网线和联网设备，遍布各个角落的ATM也不再需要昂贵的DDN线路，这一切，使得联网成本大大降低，从而降低运营成本。

3、信息家电和多媒体服务

　　通过简单的、基于Web的因特网家电，可以提供Web访问，这一切不需要PC，不需要网卡，只要有电源插座就可以，另外PLC良好的移动性也为一些SoHo爱好者提供了应用环境。

4、智能化小区和大厦

　　现在的智能化建筑已经实现了5A，但是这些不同的系统自动化需要不同的网络支持，给建设和维护网络系统带来了巨大的压力，借助PLC技术，无论是监控、消防、安防还是办公、通信都可以利用电力线实现，便于管理和扩展。

　　在这里，为大家推荐一个典型的应用案例——PLC在酒店中的应用。

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